【摘要】：城市是人類活動最集中的地方,城市化發(fā)展會引起顯著的大氣環(huán)境改變,如大氣成分組成、大氣層結狀況、地表及邊界層結構等的改變,這些改變是否會引起區(qū)域大氣水循環(huán)過程的改變,是國際上的熱點研究問題。由于大氣降水是地表水和地下水的重要來源,一旦大氣降水過程發(fā)生改變,對地表水和地下水的補充不足,會造成嚴重的區(qū)域生態(tài)環(huán)境和地質問題,如荒漠化、地表塌陷等一系列問題。 我國城市化正處于快速發(fā)展階段。隨著城市規(guī)模的不斷擴大,水資源的不足便成為一個日益凸顯的問題。據(jù)統(tǒng)計,我國669個城市中有400個供水不足,110個嚴重缺水。北京、天津、青島、大連等大城市缺水最為嚴重。由于對地下水的過度抽取,地下水位下降已經(jīng)引起一系列嚴重的地質和生態(tài)環(huán)境問題,因此,我國城市化的發(fā)展是否會引起區(qū)域大氣降水過程的改變成為普遍關注的問題。 國際上關于城市化對降水的影響研究比較多,但結論并不一致。其中的一個很重要的原因是不同城市由于其所處的地理位置、氣候環(huán)境(如海洋、地形、氣候帶等)不同,城市化引起的云和降水改變不同。 我國關于城市效應的研究基本集中在城市的熱島效應等方面,但有關城市化對云和降水影響研究并不多。我國城市化的一個顯著特點是大氣污染排放比較嚴重。因此,本論文將利用數(shù)值模擬和飛機觀測手段,從云微物理形成角度揭示城市污染環(huán)境下氣溶膠作為云凝結核對云和降水形成的影響機理。氣溶膠與云相互作用也是氣候變化研究中氣溶膠間接效應的重要方面。同時研究氣溶膠對云和降水的影響也可為我國大氣水資源的開發(fā)利用提供一定的參考。 本論文首先利用國家科技支撐計劃重點項目在環(huán)北京地區(qū)開展的綜合云系飛機探測資料,分析了城市大氣環(huán)境下自然降水性層積混合云的結構,氣溶膠對云和降水的影響問題。然后利用數(shù)值模式研究了城市大氣環(huán)境下氣溶膠的尺度、濃度對云和降水的影響機理。 飛機觀測研究結果表明,層積混合云系中的對流泡是氣溶膠與云相互作用最活躍的區(qū)域。對流泡中液滴譜和氣溶膠譜的分布的差異說明,氣溶膠形成云滴的機理是不同的,小尺度氣溶膠主要是通過凝結核化過程形成云滴,而大尺度氣溶膠除凝結核化過程外,碰并過程也非常重要。 在觀測的基礎上,利用氣塊模式模擬了不同尺度與濃度的吸濕性氣溶膠(KC1)在污染環(huán)境((NH4)2SO4)下對云和降水形成過程的影響。結果表明,污染環(huán)境下,吸濕性氣溶膠粒子對云和降水形成的影響由于其尺度和濃度的差異而不同。直徑小于0.1μm的氣溶膠粒子對云及降水的形成影響很小。直徑為0.1-1μm的氣溶膠粒子會生成大量小尺度云滴,從而增加云的生命史,延緩降水的形成。直徑為1-2.5μm的氣溶膠粒子會生成最大量的毛毛雨。直徑為2.5-10μm的氣溶膠粒子影響最大,會增強碰并有利于降水粒子的生成。濃度不同的大尺度氣溶膠對降水性粒子的生成及發(fā)展的影響也不同,隨著其數(shù)濃度的增加,會加快降水性粒子的生成速率,但當數(shù)濃度很高時,這一趨勢就減弱了。其不同的濃度均會抑制毛毛雨的生成,并不改變降水性粒子的生成時間。飛機的觀測資料與模式的主要研究結論有很好的一致性。 由于氣塊模式包括了復雜的氣溶膠核化、云粒子分檔過程,在研究初始云滴凝結增長和碰并過程方面具有優(yōu)勢,但因其簡單的動力過程,并未包括冷云降水過程,在描述實際降水過程時具有一定的局限性。為了研究真實大氣環(huán)境背景條件下氣溶膠對云和降水形成的影響問題,本文利用中尺度WRF模式對2009年4月18日的降水過程進行模擬分析,并與加密觀測的降水資料進行對比。在此基礎上,進一步針對不同的氣溶膠云凝結核(Cloud Condensation Nuclei-CCN)初始數(shù)濃度對該降水過程進行了敏感性分析。敏感性分析中所采用的CCN初始數(shù)濃度為清潔條件下的CCN數(shù)濃度、模式微物理方案中原有CCN初始數(shù)濃度以及機載粒子測量系統(tǒng)在北京及張家口地區(qū)三次觀測所得到的最大氣溶膠數(shù)濃度。研究結果表明,隨著初始CCN數(shù)濃度的增加云滴數(shù)濃度是增加的。高濃度的云滴爭食水汽使得雨滴數(shù)濃度減少。本文所模擬的個例降水是受到高濃度的氣溶膠粒子影響自然降水量降低。因此高濃度的初始CCN會減少降水。
【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：X513

【引證文獻】

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1 樊晉瓊;二氧化鈦/聚酰胺反滲透復合膜的制備及表征[D];中國海洋大學;2012年

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本文編號：2689505