發(fā)布時(shí)間：2020-09-29 14:51

　　 近年來(lái),渦動(dòng)相關(guān)法已被廣泛應(yīng)用于氣溶膠的通量測(cè)量中。然而由于氣溶膠粒子的特性,實(shí)際的測(cè)量中還存在許多問(wèn)題。本文利用TSI3788水基氣溶膠粒子計(jì)數(shù)器和超聲風(fēng)速儀在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)校園內(nèi)的鐵塔上完成了對(duì)氣溶膠數(shù)濃度通量的測(cè)量,并分析了影響氣溶膠通量測(cè)量的因素:湍流特征、氣溶膠濃度隨氣象場(chǎng)的變化和氣溶膠的湍流特征。本文利用超聲風(fēng)速儀測(cè)得的三維風(fēng)速對(duì)湍流各向同性特征進(jìn)行了分析,得到了最大各向同性尺度的統(tǒng)計(jì)特征。結(jié)合氣溶膠濃度數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù),得到了測(cè)量地點(diǎn)的氣象要素對(duì)氣溶膠濃度的影響。通過(guò)對(duì)高頻氣溶膠數(shù)濃度數(shù)據(jù)的分析,得到了氣溶膠粒子和標(biāo)量氣體之間的相同和不同之處。本文主要的研究?jī)?nèi)容如下:根據(jù)速度相關(guān)張量矩陣最小特征值定義湍流張量各向異性系數(shù)(用C表示,C=3d3+1,d3為張量最小特征值)。該系數(shù)接近1時(shí),湍流表現(xiàn)為各向同性,該系數(shù)小于1時(shí),湍流表現(xiàn)為各向異性。本文使用超聲風(fēng)速儀測(cè)得的三維風(fēng)速數(shù)據(jù)分析了城市邊界層中大氣湍流的各向異性特征,使用譜分析的方法獲得三個(gè)不同方向湍流譜密度,從而計(jì)算得到不同尺度湍渦的張量各向異性系數(shù)。張量各向異性系數(shù)與大氣穩(wěn)定度z/LMO有較強(qiáng)的依賴關(guān)系,在z/LMO0,即大氣不穩(wěn)定時(shí),同一空間尺度上的湍流相對(duì)于大氣穩(wěn)定時(shí)更趨近于各向同性。根據(jù)三個(gè)方向功率譜的特征確定湍流各向同性的最大尺度。當(dāng)湍渦大于各向同性最大尺度時(shí),則不具有三維各向同性,但是在水平方向上還是具有各向同性特征。將湍流各向同性最大尺度與溫度起伏外尺度進(jìn)行了比較。根據(jù)理論模型擬合溫度起伏起伏譜得到湍流溫度起伏外尺度,結(jié)果表明溫度外尺度大于各向同性的最大尺度。結(jié)合氣溶膠粒子濃度、粒度分布和氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向和短波輻射等氣象數(shù)據(jù),本文給出了2017年春季不同氣象條件下粗模態(tài)(d2.5μm,d為粒徑),積累模態(tài)(0.25μmd2.5μm)和超細(xì)粒子(愛(ài)根核和核化模態(tài),d0.25μm)的濃度變化。太陽(yáng)短波輻射減少(上升),約10-20分鐘后,超細(xì)粒子濃度下降(上升)。超細(xì)粒子濃度的爆發(fā)增長(zhǎng)同時(shí)受到輻射和相對(duì)濕度的影響。在濕度低于50%,短波總輻射大于500W/m2的條件下會(huì)發(fā)生小粒子生成事件,而其他條件下,不易發(fā)生小粒子生成事件。由于城市污染源的不均勻性,粒子濃度高度依賴于風(fēng)速和風(fēng)向。當(dāng)風(fēng)向?yàn)槟蠒r(shí),超細(xì)粒子濃度較高,而當(dāng)風(fēng)向?yàn)楸睍r(shí),積累模態(tài)粒子濃度較高。在強(qiáng)降水和弱降水期間,積累模態(tài)粒子的濃度變化不同。強(qiáng)降水期間,由于濕沉降和吸濕生長(zhǎng)的共同作用,積累模態(tài)顆粒的濃度先隨著相對(duì)濕度的增加而增加,之后由于濕沉降作用減少。在弱降水期間,其濃度僅隨相對(duì)濕度的增加而增加。對(duì)于粗粒子,其濃度在所有降水中均有下降。進(jìn)一步通過(guò)對(duì)10Hz的氣溶膠數(shù)濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到了歸一化標(biāo)準(zhǔn)差和功率譜的分布特征。氣溶膠粒子數(shù)濃度的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差在白天較大而夜晚較小,晴天的氣溶膠濃度歸一化標(biāo)準(zhǔn)差和陰天相差不大。通過(guò)不同高度的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),樓頂?shù)臍w一化標(biāo)準(zhǔn)差較草坪的值大。氣溶膠粒子濃度功率譜存在一定的噪聲信號(hào),這由進(jìn)氣管道、儀器和觀測(cè)平臺(tái)。隨著方差的增加,噪聲點(diǎn)出現(xiàn)的頻率增加,噪聲信號(hào)的占比下降。其慣性子區(qū)頻率較低的部分基本滿足-5/3定律,隨著頻率的增加,其斜率逐漸偏離-5/3,這主要有進(jìn)氣管中的層流造成。在不穩(wěn)定層結(jié)下,測(cè)量點(diǎn)的三維風(fēng)速以及溫度和水汽的歸一化方差隨穩(wěn)定度參數(shù)z/L的變化與前人所得的經(jīng)驗(yàn)公式相近,而氣溶膠粒子數(shù)濃度的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差基本不隨穩(wěn)定度變化。在2019年1月19日至27日使用渦動(dòng)相關(guān)法對(duì)氣溶膠粒子數(shù)濃度通量進(jìn)行了觀測(cè)。由于下墊面為典型的城市下墊面,對(duì)氣溶膠的通量計(jì)算中的三維風(fēng)速本文采用平面擬合法進(jìn)行坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)。通過(guò)對(duì)一年的CO2通量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到,三次旋轉(zhuǎn)法和平面擬合法得到的C02通量相差9%。通過(guò)長(zhǎng)期的CO2通量數(shù)據(jù)的分析和對(duì)互譜不同頻率的積分,確定了通量測(cè)量平均時(shí)間為30分鐘。同時(shí)利用最大延時(shí)協(xié)方差確定氣溶膠粒子計(jì)數(shù)器和超聲風(fēng)速儀的延遲時(shí)間,從而得到了較為準(zhǔn)確的通量數(shù)據(jù)。通量測(cè)量的結(jié)果表明,觀測(cè)期間通量為正,且有明顯的日變化特征,在白天較大而在夜間較小。印痕分析表明,觀測(cè)點(diǎn)的氣溶膠通量主要由數(shù)十米至數(shù)百米貢獻(xiàn)。通過(guò)假定各粒徑的粒子均勻分布,得到了PM10的垂直通量,并分析得到測(cè)量期間不同天氣背景下氣溶膠通量的變化規(guī)律。在重污染過(guò)程中,氣溶膠通量減少導(dǎo)致PM10增加。連續(xù)的晴天中,PM10通量呈現(xiàn)出明顯的日變化特征。降溫過(guò)程中PM10及其通量顯著下降。渦動(dòng)相關(guān)法和大孔徑閃爍儀的測(cè)量結(jié)果表明,二者得到的PM10通量的變化規(guī)律一致,但具體數(shù)值上略有差異,這可能由通量源區(qū)的不同造成。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：P425.2;X831
【部分圖文】：

邐（２．１）逡逑其中《是風(fēng)矢量的傾角，平均流線平面和水平面的夾角，０是水平風(fēng)向方逡逑位角．通過(guò)擬合方程（２．１），可以得到圖２．２中的白線．如圖２．２所示，平均流線平逡逑面的傾角小于２°，平均流線平面可以被看作一個(gè)自東向西傾斜的平面。由于超聲逡逑風(fēng)速儀的安裝誤差小于0．１°，由測(cè)量?jī)x器帶來(lái)的影響可以忽略不計(jì)，這個(gè)傾斜面主逡逑要受到校園中的建筑分布影響（Ｗｉｌｃｚａｋ，邋Ｏｎｃｌｅｙ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００１）。由水平風(fēng)速歸一化的逡逑平均垂直速度可以表示為風(fēng)方位角的簡(jiǎn)單正弦函數(shù)，因此，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)可以被認(rèn)為逡逑是均勻平面。逡逑２．邋１．２氣象要素的觀測(cè)逡逑氣象塔位于校園中心的一座建筑樓頂，其底端位于冠層平面之上３米。塔頂逡逑安裝了一個(gè)ＣＳＡＴ３超聲風(fēng)速儀，采樣頻率為１０Ｈｚ．本文使用該超聲風(fēng)速儀測(cè)量逡逑的三維速度數(shù)據(jù)分析湍流的各向異性特征。氣象塔上還安裝了三層ＲＭ邋Ｙｏｕｎｇ逡逑０３００２風(fēng)速計(jì)、和ＨＭＰ１５５Ａ溫度濕度傳感器（位于冠層平面上１３ｍ，８ｍ和５ｍ），逡逑以得到風(fēng)速

式２．３８被廣泛使用。不同的模型得到的結(jié)果是相似的（Ｍａｉｒｅ，邋Ｚｉａｄｅｔａｌ．邋２００８）．公逡逑式２．３８被用于擬合真實(shí)的譜從而得到湍流參數(shù)如“和平均湍流動(dòng)能耗散率。逡逑圖２．３是擬合２０１３年１０月４日當(dāng)?shù)貢r(shí)間１時(shí)的速度數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的原始譜的逡逑示例。擬合得到的譜和真實(shí)譜符合得相當(dāng)一致。對(duì)于速度數(shù)據(jù)（圖２．３ａ），原始譜逡逑低頻區(qū)間的三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)在９５％的擬合置信區(qū)間之外，高頻區(qū)間的擬合譜和方程逡逑000邋＝邋？１，＆－５／３相近０＜＾１１＾１，１２１１１１１＾＆１．１９７２），其中0｛丨是普適的常數(shù)，其值接近逡逑０．５，邋ｅ是單位質(zhì)量的平均湍流耗散率．此外，圖２．３ａ可以得到滿足－５／３定律的最小逡逑波數(shù)，Ｂ卩對(duì)于溫度數(shù)據(jù)（圖２．３ｂ），可以得到方程（２．３８）中的參數(shù)逡逑Ｚ／0為６８邋ｍ．逡逑近地面層的結(jié)構(gòu)和湍流特性強(qiáng)烈依賴于大氣穩(wěn)定度（Ｓｔｕｌｌ邋１９８８），由無(wú)量綱參逡逑數(shù)￥＝邋（ｚ－＾）／Ｚａ／0表示，其中ｚ是測(cè)量高度，＾為零平面位移高度，Ｚｍｏ是奧布霍長(zhǎng)逡逑度

３．邋１平均氣象場(chǎng)的特征逡逑實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于安徽省合肥市中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)校園內(nèi)，位于北緯３１．５１度，東逡逑經(jīng)１１７．１５度，海拔約為３０米，地處東亞季風(fēng)區(qū)。圖３．１給除了邋２０１８年全年的風(fēng)速風(fēng)逡逑向、溫度、向下短波輻射和濕度的日均值。從圖中可以看出，觀測(cè)地點(diǎn)的風(fēng)向主逡逑要為東北至東南和西北偏北，風(fēng)速幾乎均在５ｍ／ｓ以下。全年日均溫度最低為－３攝逡逑氏度，最高日均溫度為３３攝氏度，呈典型的夏季高冬季低。最大日均向下短波輻逡逑射３３１．２４Ｗ／ｍ２，全年平均向下短波輻射為１４７．２９Ｗ／ｍ２。全年共有晴天１５４天。相逡逑對(duì)濕度夏季較高，冬季較低，全年絕大部分時(shí)間在４０％以上。全年發(fā)生降水１２０逡逑天，最大單日累積降水量為１４１ｍｍ。逡逑丨逡逑ｓｗ邐．邋ＳＬ邐－４邋－逡逑邐邋：邐）明邐Ｍ？ｒ邋Ａｐｒ邋Ｍａｙ邋Ｉｎｎ邋）ｕｉ邋＼ｕｆ邋Ｓｅｐ邋Ｏｃｔ邋Ｎｅｗ邋Ｄｅｅ邋Ｉａｎ逡逑Ｓ

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本文編號(hào)：2829872