边界层内湍流对新粒子生成影响及其物理机制研究
批准号：
42105073
项目类别：
青年科学基金项目（C类）
资助金额：
30.0 万元
负责人：
吴昊
依托单位：
学科分类：
大气物理学
结题年份：
2024
批准年份：
2021
项目状态：
已结题
项目参与者：
吴昊
项目摘要
结项摘要
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中文摘要
环境大气中的新粒子生成和增长是全球气溶胶研究领域的基础问题，气-粒转化过程不仅可以为雾霾生成创造可吸湿的前体物，也可以贡献成为云凝结核从而成为影响气候的潜在因素。目前已有的化学机制中参与成核的成分不断更新，然而目前没有一种完善的理论能够充分解释真实大气环境中新粒子生成的物理触发机制。本项目基于在广州塔（454米）和地面同步开展的塔-地强化观测，深入分析同步观测到的新粒子生成事件，结合同期边界层湍流发展联合进行物理机制的解析，并在WRF-chem/LES模式中考虑不同的湍流情景进行验证，对比塔-地新粒子的增长速率和生存系数等关键参数，探索边界层湍流发展对成核关键过程的影响，研究超大城市复合污染背景下湍流触发新粒子生成的物理机制。通过针对性的无人机廓线试验，最终对城市边界层内的新粒子生成是由地面先发生然后通过湍流混合向上传输还是由上层发展带到地面问题进行深入研究。
英文摘要
The new particle formation (NPF) and growth in the ambient atmosphere is a fundamental issue in the field of aerosol research. Gas-particle transformation can not only induce hygroscopic particles to become haze, but also contribute to cloud condensation nuclei and considered as potential factor affecting climate. The chemical mechanisms involved in nucleation are updated in recent years. However, there is no completely theory that can fully explain the physical triggering mechanism of the new particle formation in the real atmosphere. This project based on the intensity synchronous observation at Canton tower (454 meters) and ground, in-depth analysis of particle number size distribution and NPF events, combined with the development of turbulence in boundary layer (such as laser doppler lidar and eddy-covariance method) for physical mechanism analysis, input to the WRF-chem/LES model and considering different turbulence scenario for validation, obtain the key parameters of growth rate (GR) and the duration, exploring the development of the boundary layer turbulence effect on nucleation key processes, study turbulence triggered NPF physical mechanism in the background of complex pollution megacities. Launch UAV profile experiments, and finally focus on whether the generation of new particles in the urban boundary layer is initiated from the ground and then transmitted upward through turbulent mixing or developed from the upper layer and brought to the ground.
新粒子生成（NPF）是发生在行星边界层（PBL）的关键过程，是气溶胶和云凝结核（CCN）的重要来源对云和气候产生影响。边界层内新粒子生成过程的垂直传输对空气质量、气候变化影响重大，但相关机制尚不明晰。本项目聚焦垂直方向的NPF特征在多种高塔和无人机平台进行综合观测结合模型模拟，力求理清NPF在垂直方向的传输特征。在广州塔、深圳气象塔开展长期同步观测，获取不同高度新粒子生成（NPF）关键参数及湍流数据，并在川西高原利用无人机获取气溶胶粒径分布垂直廓线数据。同时结合WRF - Chem模型，设置不同湍流参数情景模拟NPF过程。广州塔观测显示，UFP数浓度从地面到塔顶（454米）减半，早晨地面UFP浓度从12×104个·cm−3降至2×104个·cm−3，塔上生长速率6.4 nm h-1高于地面2.7 nm h-1，地面和塔上NPF事件平均持续时间分别为222.6分钟和180分钟。深圳气象塔观测到NPF发生时间塔上比塔下提前1-0.5小时，且塔下持续时间长、塔上生长速率高、次数多，与激光雷达观测的湍流耗散率和湍动能等相关参数呈现显著的相关性。川西高原利用无人机探空观测发现，行星边界层高度与粒子数浓度呈显著负相关（相关系数 -0.19），特定气象条件下N130-272nm细颗粒物数浓度快速增长，N130-156和N22-272最大差异达132个·cm⁻³。WRF-Chem模型模拟明确了湍流与NPF相互作用机制，多次模拟结果表明湍流强度对成核速率产生了有利影响，当设置湍流交换率 ER = 10 时，核模态颗粒数浓度增加得最快，表明与其他 ER的湍流混合方案相比，NPF 成核增长速度最高。观测和模式模拟的结果均证明，湍流的增强发展演变会增加增长速率 GR，促进核模态纳米颗粒的生成和增长。研究揭示了边界层内新粒子生成过程垂直传输的规律，边界层内PBL 的湍流发展和垂直输送控制演变对 NPF 有显着影响。研究成果为深入理解大气边界层物理过程提供了关键依据，提升了对NPF事件的模拟和预测能力，有助于更精准地评估大气环境质量，为大气污染治理和气候变化研究提供科学支撑，推动对新粒子生成事件的物理机制认识的发展。
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