气溶胶云下清除的数值模拟及验证

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大气化学模式的气溶胶云下清除模块间存在差异和不确定性;亚微米粒径区间(Greenfield gap)气溶胶外场观测和理论计算的清除系数之间也存在较大误差,现状表明气溶胶云下清除具有重要的研究意义。   本文在大量文献调研的基础上,详细地介绍了气溶胶云下清除的研究进展。在考虑惯性碰撞、拦截作用、布朗扩散三种微物理机制下,建立了新的气溶胶粒子与雨滴碰撞效率的计算模型,与目前常用的Slinn经验公式相比,提高了亚微米区间粒子碰撞效率的计算值,相当于在Slinn公式基础上增加了一般静电作用的贡献:并且没有临界斯托克斯点的判断问题,可以连续地模拟气溶胶谱的演变。   通过捕集效率的测定实验,对新建碰撞效率模型进行了验证。采用滴流与吹流组合法产生实验雨滴:采用超声雾化及蒸发干燥的方法产生微米级和亚微米级荧光素钠实验气溶胶。实验雨滴通过4米的下降管道加速后,穿过气溶胶烟雾箱并捕集气溶胶粒子,采用荧光分析法分析实验雨滴中捕集得到的气溶胶粒子量,从而得到捕集效率。微米级气溶胶的捕集效率实验结果与模型计算结果相近;亚微米级气溶胶的捕集效率实验值比计算结果大了一个数量级,与气溶胶的多分散性及壁效应等因素有关。   采用数值模拟的方法,通过选择Marshall-Palmer雨滴谱下合理的雨滴表观粒径,得到了基于气溶胶粒径的清除系数,进而模拟了北京市夏季降雨过程中气溶胶数谱和体积谱动态演变;分别得到了北京市大气气溶胶各个模态和总的质量平均清除系数与雨强的参数化关系。结合气溶胶粒子的化学成分与分布特征,拟合得到了CaCO3,NaCl和(NH4)2SO4粒子的参数化关系,分别为:-∧(h-1)CeCO3=p()0.74、-∧(h-1)NeCl=0.35·p()0.70、-∧(h-1)(NH4)2SO4=5.5×10-3·p()0.60;明确了质量平均清除系数的参数化关系与气溶胶谱分布、雨滴谱、雨滴终速及数值计算方法等因素有关。   采用累计浓度处理方法对分段连续采雨得到的边远海岸雨水中Na+,Cl-浓度变化趋势进行分析,趋势的一致性和相关性证明,NaCl气溶胶粒子的云下清除是雨水中Na+和Cl-的主要来源。采用同样方法分析了泰安夏季三场不同类型的降水,结果表明当地雨水主要致酸因子NO3-,SO42-具有来源一致的特点,总阳离子(Ca2++NH4+)和总阴离子(NO3-+SO42-)当量浓度基本相等,Ca2+、NH4+起到了中和作用。结果间接表明当地降雨过程气体云下清除效果可能不明显。雨水浓度变化趋势反映降雨初期Ca2+和SO42-具有一致的清除效果,NH4+和NO3-有相似的清除效果;而降雨后期,NH+和SO42-离子当量浓度相等,Ca2+和NO3-当量浓度接近;结合离子相关性分析,表明当地大气气溶胶粒子成分可能为CaSO4,NH4NO3,(NH4)2SO4和Ca(NO3)2。降雨初期分段雨水Ca2+浓度的比值与利用CaCO3清除系数的雨强参数化关系-∧(h-1)CeCO3=p()0.74所计算的结果一致。
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