第二讲 控制大气化学成分的关键过程.pdf

2009-12-241控制大气化学成分的关键过程控制大气化学成分的关键过程第二讲第二讲第二讲第二讲内容提要 综述 关键过程排放源排放输送过程化学反应清除过程?大气化学是大气科学的一个重要分支，它研究地球大气的组2 2.1.1 综述综述2 2.1.1 综述综述输送过程化学过程成及其变化，以及引起这些变化的物理化学过程源排放清除过程大气化学成分的循环过程大气化学成分的循环过程排放均相非均相化学过程输送、扩散沉降内容提要 综述 关键过程排放源排放输送过程化学反应清除过程2.2 2.2 源源排放排放2.2 2.2 源源排放排放 概念源：一种大气化学成分进入大气系统或者在大气中由其它成分经化学过程转化而来的汇：某种大气化学成分彻底从大气系统中消失（到达地面、逃逸到外部空间、化学转化为其它成分）分类受人类活动影响 自然源 人为源（人为活动引起的）空间位置 地表源 非地表源生物圈对大气圈的影响 生物源（生态系统中的生物过程产生并排放的大气化学成分）非生物源2009-12-2422.2.1 自然源（natural sources）和人为源（anthropogenic sources）2.2.1 自然源（natural sources）和人为源（anthropogenic sources）IPCC 政府间气候变化小组（Intergovernmental Panel on Climate Change是联合国评估气候变化科学知识、向公众和世界决策者进行宣传的全球机构 IPCC自建立以来已发表了一系列的评估报告(1990、1995、2001、2007)，包括一些大(1990、1995、2001、2007)，包括些大气化学成分的排放 人为源燃料燃烧工业排放固体废弃物的焚烧农业活动排放生物质 自然源自然尘森林草原火灾火山活动森林排放海浪飞沫海洋浮游植物，海洋表层2.2.2 生物源（biogenic souces）2.2.2 生物源（biogenic souces）生物圈和大气圈的相互作用是十分重要的科学问题 生态系统控制大气成分能力的定量研究是当今大气化学最重要的研究领域 生物源对影响和控制大气成分有重要作用 地球大气的演化 大气许多成分浓度比海气热力平衡条件下高几个量级 同位素实验资料 对元素循环过程有重要调控作用生物源的特点生物源的特点1 生物源产生大气成分的过程，本质上都是由生物参加并伴着能量转化的一系列氧化还原过程e.g.光合作用产有机物过程硝酸盐还原过程（反硝化）222OHCHOhvCOOH+544572HCHONOHCOH ON+硫酸盐还原过程产氢过程产甲烷过程3222544572HCHONOHCOH ON+ONOHCOHNOHCHO22233222 2+SHOHCOHSOHCHO22224222 2+2222HCOOHHCHO+422242242CHOHCOHCHCOHCHO+2 生物源的作用受到许多因素的限制 初始反应物的浓度 微量矿物元素 大气成分的浓度本身及其变化e.g.稻田甲烷排放、植被VOC排放稻田甲烷排放、植被排放3 对元素同位素的选择性e.g.生物过程产生的甲烷C14含量远高于矿物燃烧产生的甲烷判定生态系统重要性的条件判定生态系统重要性的条件 覆盖较大的地理区域 有很高的初级生产率 有很快的化学元素循环率 具有缺氧条件的地点具有缺氧条件的地点 局地种群数量有较快的变化 其生物过程能触发不可逆过程 对人类生存具有重要意义 具有独特的性质 过程未被很好的研究2009-12-243对全球大气有重要作用的地表生物源对全球大气有重要作用的地表生物源(1)苔原及其它极地生态系统苔原和极地森林占陆地14%，大部分位于北半球。光合作用总产量占陆地的10%，是甲烷（CH4）、还原态硫化物、反硝化过程产物等还原气体的源地。经济价值较低和人烟稀少，研究较少、其影响还知之甚少（2）中纬度森林指中纬度的针叶林和针阔混交林 太平洋两岸 北美西部 西伯利亚 美国加州 中国北部 是大气氨气（NH3），一氧化碳（CO）和非甲烷烃类化合物（NMHC）的源，有些森林可能是二氧化碳（CO2）的汇 排放研究不多(3)热带森林和热带草原分布地域广（南美北部、亚洲南部、大洋洲北部），植物生长快，产量高，物质循环周期短，存在许多无氧环境，许多大气重要成分的源热带森林 全球生物量的60 它是大气CH4、CO、N2O、NMHC、挥发性含硫气体的重要源 还是CO2、硫化物及气溶胶粒子的重要汇2 全球变化最快的区域（每年2砍伐，下垫面变化、燃烧排放）研究困难热带草原 生长快、周期短 CO2、CH4、CO来源(4)海滨沼泽，港湾和大陆架环境生物产量高物理变化和化学变化活跃淡水冲刷潮汐力和风力引起较强的输运力可能是CH4、N2O和还原性硫化物的重要来源它向大气排放的气体表现出较大的时间变化率和空间的非均一性(5)海洋覆盖地球70一种大面积，低强度的源（很难测量）试验结果表明海洋主要向大气排放还原态硫化物（如硫化氢排放还原态硫化物（如硫化氢H2S，硫化碳CS2，二甲基硫DMS及甲烷CH4的硫氧化物）它对大气的二氧化碳的调控作用很强，主要通过化学过程，生物过程是第二位的。(6)稻田 与人类有关 淹水稻田分布地域广，生物产量高，而且存在无氧环境。是甲烷(CH4)等还原气体的重4等原气体的要来源（总来源的813）对大气一氧化碳(CO)，氧化亚氮(N2O)，氨气(NH3)有一定的贡献2009-12-244(7)反刍动物及家畜排泄物 与人类有关 分散在世界各地人口密集的地区 反刍家畜的胃及其粪便是 反刍家畜的胃及其粪便是大气甲烷的重要来源（8107t，总来源16）家畜饲养所还可能是氨气和氮氧化物的重要来源非生物源非生物源1 地幔 许多大气成分的源 对于较短时间的大气化学问题，地幔的排放可能并不重要，影响主要体现在万年尺度上2 火山爆发 突发性的地幔排放 排放水汽、二氧化碳、二氧化硫、硫化物、大量的固体液体粒子 对气溶胶的影响3 生物质燃烧巨大的人为燃烧排放源和小量的森林和草原自然燃烧生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的世界第四大能源，也一直是我国农村地区的主要燃料生物质很快被转化为气相和颗粒物质排放到大气中 所产生的颗粒几乎包含生物质中所含所有的化学成分，以碳黑为主 所生成气体包含碳、氢、氧、氮、硫、磷和卤素等各种元素的化合物4 工业排放 19世纪工业革命以来，工业排放对大气和生态环境的影响越来越严重，从区域尺度发展到全球尺度 使大气原有成分的浓度改变外 排放弃原来没有的化学成分 对气候产生影响 对平流层臭氧造成威胁对平流层臭氧造成威胁 环境（酸雨、光化烟雾）危害健康 最多CO2，还有SO2、CO、NOx、NMHC、致癌多环芳烃和颗粒物等 特点是原比较集中，其排放量易定量估计5 机动车 CO、NO2、NMHC、颗粒物等2.2.3 污染物的来源分析技术2.2.3 污染物的来源分析技术 扩散模型(diffusion model)源清单(source inventory)可解析成分谱相似特定污染源的贡献 受体扩散模型(receptor model)化学质量平衡（CMB）因子分析不要求对污染源进行详细调查，不依赖气象资料和气溶胶在大气中的许多特性参数发展趋势发展趋势 扩散模型和受体模型的联用 有机物示踪CMB模型有机物示踪CMB模型 同位素示踪技术和单颗粒分析技术 反向模拟技术2009-12-245 准确的排放源清单是对气候变化和大气环境质量（精细集合）数值预报的基础国际上有许多较为成熟、应用广泛的污染物人为源排放清单（如TRACE-P等）我国许多排放源的技术方法均处于起步的阶段，缺乏足够科学技术支撑。在这一领域研究的相对滞后，将造成在环境外交处于被动地位；将会影响城市和区域的污染控制等重要决策的有效性。2.2.4 排放源研究2.2.4 排放源研究 发展多种大气成分来源的研究技术，建立关键大气成分的准确排放源清单的动态研究方法，在城市和区域上进行大气污染来源研究方法的验证和综合集成 重点研究：主要污染物的排放因子、影响因素和验证技术主要大气污染源的源成分谱（包括反向技术等在内的）动态的污染源清单大气污染物的地表释放通量观测大气污染来源技术的比对和综合集成 实验室研究排放速率（e.g.植被甲烷排放）现场测量常用手段常用手段 现场测量排放通量与环境因子（气象、土壤、生物体等）的关系建立模型的基础 模型估计2.2.4.1 地表生物源排放的测量方法2.2.4.1 地表生物源排放的测量方法主要有箱法和微气象学方法1 箱法 静态箱法：用化学性质稳定的箱体将测量的地面罩起来，静态箱法：用化学性质稳定的箱体将测量的地面罩起来，每隔一段时间对箱内的气体浓度测量一次 缺点 破坏了被测表面上空气自然湍流状态和温度、湿度状况 明显影响地面与大气之间的气体交换00td CVPTFA PTd t=动态箱法 将静态箱相对的两侧开口，并设法使似稳气流平稳地通过被测表面的上方，箱内不出现明显的对流、箱内外贴地层空气状况没有明显差别没有明显差别2121C QFAC QQACCF+=是气流体积流量，是箱底的面积，、是入口和出口处被测气体的质量混合比，是空气密度，是待测气体的排放通量缺点：1.似稳气流的产生需要严格的设定2.另外要求浓度的测量精度高 静态箱法基础上发展了微量气体排放通量的自动采样分析方法适用于过程级理研究中的长期观测和采集高密度数据的短期观测箱法代表个点生态系统时空分布 箱法只代表一个点，生态系统时空分布不均匀解决办法，实验和模式有机结合 具有代表性的小面积上用箱法深入研究 以次为基础建立可描述排放过程和机理的数学模式 然后用模式计算大范围的排放通量2 微气象学方法 定义 依据微气象学测量推导地表气体排放通量的方法 依据 地表源释放出的气体，最初是靠分子扩散和其他作用力冲出贴地层，到达湍流层由湍流输送进大气。湍流输送的机制是单个湍涡的位移测量近地层的湍流状输送的机制是单个湍涡的位移。测量近地层的湍流状况和微量气体的浓度变化可以得到有关地表气体排放通量的信息 要求 大尺度均匀、气体排放通量均匀、大气状态基本不变、常通量层内进行 主要包括以下七种：2009-12-246(1)涡度相关法(1)涡度相关法 测量在某特定高度上的垂直风速和气体密度，空间某点的气体垂直通量可写为ggggWWWF+=由于平均垂直风速很难直接测定，只能根据热量和水汽通量估算。TCHEWFpagaggg+=)1(计算通量所需测量的物理量:感热通量H 水汽通量E 气温T 垂直风速W脉动 微量气体密度的脉动 缺点:要求快速响应的传感器（0.1S）NH3还好，CO2、CH4、N2O效果教差(2)通量梯度法(2)通量梯度法 根据待测气体的湍流扩散系数和垂直浓度梯度，由气体扩散方程计算微量气体的垂直输送通量 湍流扩散系数取决与风速地面粗糙度距离地面的高度以及大气稳定程度。*0*()ln()()/gaggdCFKdZUZdU zKZKKU ZdgkgdC dZCga=是干燥空气的平均密度，是待测气体的湍流扩散系数，是待测气体的浓度梯度，是待测气体相对于干燥空气的混合比浓度，上述过程要修正。当大气不在中性条件下处的平均风速。是高度是摩擦速度，是零平面位移，是测点离地面的高度，是表面粗糙度长度，可由风速廓线确定量气体的湍流扩散系数在中性大气条件下，微ZZUUdZZdZKUKZdZLnKUZUg)()(),()(*0*0*=dZdCKgFRiuZuZgRigg1)161(5Ri)-1)/()(5.012=地表向大气的输送量为对于不稳定条件下（中性和稳定条件下，是为稳定度修正函数是风速。是位温，来表示大气稳定度用里查森数 至少测量出两个高度的气体浓度变化,两个测量高度都必须在常通量层内 对CO2观测较好 缺点：缺点：范围大 常通量层高度较小,如100米长的均匀下垫面常通量层高度只有0.51米,而目前仪器测量精度要求必须间隔3米,这就必须要求几百米长的均匀下垫面 仪器分辨率要求高(3)Bowen 法(3)Bowen 法 也是一种梯度法 测量温度、绝对湿度的梯度、地面净太阳辐射通量和土壤热通量来估计微量气体的湍流扩散系数 然后结合气体浓度梯度计算垂直输送通量 缺点：中性大气条件（微量气体、热量和水蒸汽有相似传输机制）要求精确测量的变量较多2009-12-247(4)质量平衡法(4)质量平衡法原理类似动态箱法,目前已广泛应用的土壤施肥后氨气排放量的观测 测量的是穿过一个垂直平面的水平通量，然后再推导出微量气体的垂直输送通量 在这样的前提下，只要在均匀排放表面下风方向边缘上，测量一定垂直高度范围内的时间平均风速和微量气体时间平均浓度定垂直高度范围内的时间平均风速和微量气体时间平均浓度的垂直分布，就能计算出该表面的排放通量。测量的高度大约为上凤向排放表面水平尺度的1/10缺点：测量上风向和下风向浓度垂直分布 计算通量过程有较大误差 它更适用于背景浓度小，而排放通量较大的情况。不适用CH4、N2O观测(5)涡度累积法(5)涡度累积法 不测量浓度和风速的垂直分布湍流扩散系数 所要求的是快速采样技术 与垂直风速成比例的速率将风速向上和向下的气样分别采集在两个容器中 在理想实验室条件下测定两个容器中的微量气体的平实均浓度 根据向上和向下两个风向的微量气体浓度差和采样高度上的垂直风速标准差计算微量气体的垂直输送通量 优点：不用订正浓度波动；可借助飞机和气象塔测量)(+=CCAFwg(6)拉格朗日法(6)拉格朗日法 提供了一套推导植物冠层内的微量气体通量以及它们的源汇分布的方法 要求测定冠层内的微量气体平均浓度廓线，湍流特征以及相应空间的拉格朗日尺度ZdFh)(优点 计算与观测相结合 易于测定冠层内浓度变化较大的微量气体 可用于植物叶片排放或吸收的气体，如二氧化碳dZdZZdFFhFhggg+=0)()0()(7)对流边界层平衡法(7)对流边界层平衡法将对流层当成一个巨大的“自然箱室”，通过收支平衡估算微量气体的通量dtdLCCdtdCLFdtdLLCCLFdtdCcc)(=+=+C和C+分别是对流边界内和以上层微量气体平均浓度,L是对流边界层厚度,第1式右第1项是地面通量引起的对流边界层浓度变化,第2项是对流边界层以上的空气带走微量气体而引起的浓度变化优点：非均一陆地表面上的微量气体的宏观排放量dtdt两类方法比较两类方法比较 箱法简单易用原理有局限性不能用于森林等大型植被被 微气象学法避免了箱法的局限性对地表均匀性、大气状态、传感器灵敏度和响应速度要求很高2.2.4.2 建立排放源清单模拟2.2.4.2 建立排放源清单模拟 城市地区人为源的估算 燃料的排放因子 社会经济统计数据2009-12-248自然源 生态源自然源 生态源 在观测的基础上建立模型生态源排放的估算植被分布资料测量的排放因子测量的排放因子各项环境影响因子数据内容提要 综述 关键过程排放空气污染气象学源排放输送过程化学反应清除过程2.3.1 输送过程在大气化学中的重要性2.3.1 输送过程在大气化学中的重要性 化学行为同大气的物理过程的联系不能忽略大气化学问题成为超越国界的国际问题，关键在于化学物质的输送。大气化学成分实际是在在于化学物质的输送。大气化学成分实际是在全球范围内输送和转化的 北极地区观测到欧洲和北美工业污染物形成的北极霾 大西洋东岸观测到撒哈拉沙漠的尘埃 亚洲的沙漠尘土也经常光临太平洋中部的岛屿 南极臭氧的破坏2.3.2 大气运动按尺度分类2.3.2 大气运动按尺度分类大气动力学中计算空气轨迹地方法，可以用于估计污染物传输路径大气运动是复杂的，输送过程是多样的根据不同输送的特点将大气运 局地尺度（小）水平和垂直尺度具有相同数量级根据不同输送的特点将大气运动分成四类（不同于动力气象的分类）中尺度考虑PBL厚度的日变化 天气和洲际尺度长距离输送2.3.3 输送领域开展的几个主要研究课题和研究方法2.3.3 输送领域开展的几个主要研究课题和研究方法彻底弄清大气成分的化学行为，需要了解它们的分布和输送，因此需要了解温度场、辐射场、气压场和环流特征进行了解（大气物理学）课题 获取某些特定化学成分的空间分布资料，以描述重要输送的宏观特征，并验证和改进动力学模式在模拟化学成分长距离输送观特征并验和改进动力学模式在模拟化学成分长距离输方面的能力 获取在大气的主要化学循环过程中起重要作用的那些大气成分的空间分布资料 定量重要微量气体的浓度和空间分布及其长期变化趋势，并正确解释原因，提高对其未来变化的预测能力方法 实验室（水槽、风洞）监测 模式模拟2.3.3.1 大气化学成分监测2.3.3.1 大气化学成分监测研究的基础，但往往被忽视全球尺度大气化学监测网 全球分布监测网 地表源，汇监测网长期变化趋势监测网 长期变化趋势监测网统一的标定系统和观测规范 CO2全球监测网 O3全球监测网各地环境监测站 观测项目少 数据2009-12-249 联合国环境规划署（UNEP）支持下建立了全球环境监测系统 世界气象组织（WMO）在这个监测系统下面建立了大气污染背景监测网，有三类不同等级的检测站组成 区域本底站 建立在远离大城市的相对干净的地方，观测项目包括降水化学成分大气混浊度和气溶胶学成分，大气混浊度和气溶胶 大陆背景站 建立在地表状况在很大范围内，很长历史时期内没有明显的变化的地方。观测项目包括降水化学成分，大气混浊度，气溶胶，二氧化碳，甲烷氧化亚氮，臭氧，二氧化硫和氮氧化物 全球基准站 建立在人迹罕见的边远地区，观测项目同大陆背景站2.3.3.2 模式研究2.3.3.2 模式研究 借助大气物理学的成就 描述大气化学成分输送过程借助于数值模拟 拉格朗日型模式 用轨迹描述的方法来模拟大气中化学物质的输送，数学处理上比较简单可以跟踪某特定气团的数学处理上比较简单，可以跟踪某一特定气团的移动 欧拉型模式 采用固定坐标系和求解化学物种浓度方程获得物种浓度的时空分布。它可以用数学方法描述很多在拉氏模式中很难描述的问题，区域问题多用该种模式 用特定化学成分的分布资料进行验证内容提要 综述 关键过程排放源排放输送过程化学反应清除过程2.4.1 平流层化学过程平流层化学过程平流层是许多大气化学成分及气溶胶的重要来源；对流层与平流层的相互作用很大程度上决定了大气的化学成分、温度及基本环流。随着地球观测卫星技术的突破，大量卫星观测资料为深入研究平流层及对流层上层大气化学成分的变化过程及其对动力、热力过程的反馈机制提供了基础观测数据，为研究对流层-平流层大气成分交换的气候和环境效应奠定了基础。2.4.2 对流层化学过程2.4.2 对流层化学过程 大气是氧化性介质，发生在其中的化学过程往往倾向与由低的氧化态向高氧化态转化排放时大多处于还原态形式，回到地面大多成氧化物的形式 导致这样的变化的大气化学过程包括均相气相过程均相液相过程非均相过程研究重点研究重点 大气光化学、光化学烟雾和灰霾形成演化机制 气溶胶化学：大气颗粒物表面的多相反应及微观机制 有机物（VOCs）的大气化学（对流层活性）卤素化学 夜间和低温大气化学 发展和建立现代先进实验技术和手段，开展重要大气化学过程的动力学过程研究，揭示影响气候和环境变化的大气化学微观机制，为大气复合污染形成、大气成分的气候及环境效应的数值模拟研究提供重要参数。2009-12-2410内容提要 综述 关键过程排放源排放输送过程化学反应清除过程2.5 2.5 清除清除过程过程2.5 2.5 清除清除过程过程 广义上说，向平流层输送、化学反应也是一种清除过程 狭义来讲，对大气来说清除过程是使物质彻底移出大气的过程，它包括干清除和湿清除 干清除（干沉降）干清除（干沉降）在没有降水的条件下，通过重力沉降作用和湍流输送作用将大气微量气体或气溶胶粒子成分直接送到地球表面而使之从大气中消失的过程 湿清除 湿清除指通过降落的雨滴、雪片、霰粒等水汽凝结体把大气微量成分带到地表使之从大气中消失的过程 雾滴截获、海浪溅沫冲刷、露水等难于界定2.5.1 干清除（干沉降）过程2.5.1 干清除（干沉降）过程（）边界层湍流输送 通过重力或湍流作用输送到紧贴地表的片流层上，这部分为空气动力学输送通量（）片流层的层流输送 在地表粘性的片流层内，通过作用力（热致漂移力、光致漂移力、分子扩散力）输送至表面底层，为表面输送通量（）直接地表作用 表面（植被、土壤、水面和雪面等）对物质的吸收粘附特征和可溶性决定了物质通过层流扩散有多少比例被实际移出大气，为传输分量片流层,约1mm近地层影响干清除的因素影响干清除的因素大气状况 风压湿 湍流强度 稳定度等沉积表面性质粗糙度11.21.4SO4=NO3-SO2 粗糙度 表面组成及类型 植被覆盖率 植物生理结构等污染物本身的特性 扩散率 活泼性 溶解性等00.20.40.60.804812162024Local time(h)Vd(cm/s)HNO3NONO2NH3O3H2O2气溶胶粒子的干清除过程气溶胶粒子的干清除过程干沉降通量定量描述大气污染物由于干沉降过程造成的由大气向地表在单位面积和单位时间内迁移的量气溶胶粒子的干沉降通量由湍流输送通量和重力沉降通量构成 Dp为气溶胶粒子的干沉降通量，Kz是在高度Z上的湍流扩散系数，Vs是气溶胶粒子的降落速度N是地表附近气溶胶粒子的浓度VsNZNKzDp+=Vs是气溶胶粒子的降落速度，N是地表附近气溶胶粒子的浓度 粒子的湍流扩散系数还没有解析表达式，尚不能从理论上计算 常用动量或热量的涡旋扩散系数近似地代替需要测量不同高度上平均风速、风速脉动值和粒子浓度、粒子的湍流沉降速度 重力沉降过程遵从斯托克斯方程2121()()()()()dNNVKmZw u ZN ZN Zu Zu Z=2411291.810.pppprgVsrg scm=是 粒 子 的 半 径，是 粒 子 的 密 度空 气 的 动 力 粘 滞 系 数（）干沉降速度干沉降速度 人为定义的，有速度量纲的参数来描述粒子干沉降的快慢pdSDVVVN=+VsNZNKzDp+=1.测量尺度连续变化的气溶胶困难2.粒子尺度很大时，计算和测量结果才比较接近 气溶胶粒子的干沉降速度气溶胶本身属性 粒子的大小、形状、密度等大气的属性 温度结构、气压、湿度、稳定度地表特征 植被状况、地物分布（1m干粒子，干沉降速率约为0.1cm/s）2009-12-2411微量气体的干清除过程微量气体的干清除过程主要的清除机制是湍流扩散和分子扩散的作用，重力沉降过程不起作用微量气体的干沉降速度ZNKzDg=ZNNKzNDgVg=气体和表面的物理、化学特性 能否被吸收、向地物内部输送 大气的状况 向表面输送SO20.142.2cm/s;H2S 0.0150.28cm/s;NO20.01cm/sZNNg干沉降研究手段-干沉降研究手段-观测方法观测方法1浓度梯度法 通过测量湍流输送系数K(z)，计算扩散通量F。为此对近地层污染物浓度、风速和温度做梯度观测。复杂地形不适用2.示踪法 常用于实验室或小范围的外场实验。在某一高度上施放一定数量的示踪元素，然后在下风方向不同距离空中和地面或植物表面上测量示踪元素的浓度面上测量示踪元素的浓度3质量平衡法 在被测地表罩一封闭容器，测其中浓度由于地表吸附而随时间的减少4涡旋相关法 通过测量瞬时浓度和瞬时垂直速度来计算垂直通量 对分析仪器快速响应和高灵敏度的要求很高干沉降通量气体浓度测量pgDNV干沉降研究手段-干沉降研究手段-模拟模拟 测量 模拟干沉降速度 测量 模拟干沉降的数值计算-阻力模式，大叶模式干沉降的数值计算-阻力模式，大叶模式气体成分干沉降速度的三层阻力模式这里ra是空气动力学阻尼CBadrrrV+=1()HsaZZkur=0*ln1rb是片流层阻尼rc是接受表面阻尼()*1/2ukScdrdd=11+=gcutfcrrLAIrLAIr片流层,约1mm近地层大叶模型（Big Leaf Model）大叶模型（Big Leaf Model）*)/ln(kUZoZrRac=3/2*2SckURbi=Vd=1/（Ra+Rb+Rc）干沉积阻力路径示意如右图，R代表阻力，Cz是物质环境浓度，C0指表面温 度，Cc 指最底层浓度，常设为零。gsracr1clrdcr1lur1mrsr11cR+=难点难点复杂地形上干沉降复杂地形上干沉降 在复杂地表上，还必须考虑水平方向上的运动和碰撞，即在地表物体垂直表面上的碰撞和收集对于气溶胶粒子在垂直表面上的沉积速率，目前还不能写出解析表达式。可用参数表示218phpcpAv ddA=是斯托克斯坎宁安修正因子；是粒子密度；要测量这种碰撞过程的清除效率也非常困难。比如测量一片森林或建筑物对气溶胶的清除作用，所能用的方法只有质量平衡法，即测量林外上风向和下风向气溶胶浓度之差，这种测量方法本身存在着许多固有的误差来源森林或建筑物本身不仅是气溶胶的汇，还是气溶胶的源测量结果包括垂直表面和水平表面共同作用的结果phcvdd是水平平均风速；是空气动力粘滞系数；是粒子直径；垂直收集表面的特征尺度参数2009-12-24122.5.1.2 湿清除2.5.1.2 湿清除 云内清除（in-cloudscavenging）雨除、雨冲刷 最终形成降水的云中过程造成的大气微量成分程造成的大气微量成分清除 云 下 清 除(below-cloud scavenging)水冲刷 云底以下降落的水滴对大气微量成分的清除气溶胶粒子的湿清除气溶胶粒子的湿清除云内清除云内清除 气溶胶粒子是云形成的必不可少的条件，其湿清除从云开始那一刻开始的 气溶胶粒子进入云滴可通过以下三种机制1.空气的湿度达到一临界值时，有些气溶胶粒子开始活化，空气的湿度达到临界值时，有些气溶胶粒子开始活化，水汽在粒子上凝结，长大（凝结核CCN）相对临界湿度的高低取决于粒子的物理化学特性，一般离子越大，吸湿性越强，溶解度越高，其临界相对湿度就越低2.大气中出现云后，气溶胶粒子会通过碰撞凝并过程被已形成的云滴吸收，通过布朗运动和湍流运动与云滴碰并（碰并增长）3.气溶胶粒子受力运动，并沿着蒸汽压梯度方向移动而进入云滴 云内清除作用引起的质量浓度变化（云内清除量）Cw为云水中物种浓度；Ca表示云底高度以上的气溶胶质量浓度；a为清除效率（即被云滴清除的粒子质量占总质量的比例，包括核化、布朗扩散、碰并和拦截）；L为含水量。aawCC=LL为含水量。注意若为非降水性云，云消散时，吸收的气溶胶仍回到大气中，并未完成清除许多大气成分的物理、化学特征发生了巨大变化云下清除云下清除下降的雨滴相当于一系列的小的撞击收集器，雨滴对气溶胶粒子的收集效率取决于收集效率随雨滴尺度、相对湿度变化溶胶粒子的收集效率取决于 雨滴的大小 直径大于于某一定值的粒子才能被雨滴捕获，较小的粒子随气流绕过雨滴 雨滴的下降速度总的说来，湿清除过程能有效的清除所有尺度的可溶性粒子、极大的和极小的不可溶性粒子，半径0.1um的不可溶性粒子最不容易清除王明星等，大气化学出版社，1999，7678学（第二版），气象8微量气体成分的湿清除微量气体成分的湿清除云内清除（雨冲刷）云滴形成以后，将吸收大气中各种微量气体，在云形成降水以后，这些微量气体被带到地表云下清除（水冲刷）降水滴在下降过程中还将继续吸收云下的微量气体并把它们带到地面如果被吸收的微量气体不与云滴物质发生化学反应或只发生快速平衡可逆反应，湿清除的效率只与它们在水中的溶解度有关发生化学反应，清除过程就复杂化了2009-12-24131.气体向水滴表面的输送速度2.气体向水滴内部的扩散速度3.气体在水中的化学转化速度+3122222223322.(.),H,SOSOHSOHOHSOOHSOOHSOSOSOKKH（一次离解）溶解过程）之间的平衡和（气相反应性气体的湿清除效率决定因素反应性气体的湿清除效率决定因素物理性质化学性质反应细节不重要，总的转化速率注意若为非降水性云，云消散时 不反应气体完全恢复回到大气中，并未完成清除 反应的部分转化为固体粒子+242232323222,1SOOSOKKKSOHHSOKHK二次离解的平衡常数分别是一次和亨利定律常数，（二次离解）湿清除的研究手段湿清除的研究手段理论计算比较困难 粒子不规则 尺度分布、化学组成极为复杂主要观测 测量降水前后大气中的气溶胶粒子和微量气体的浓度分布以及地面接收的降水中化布以及地面接收的降水中化学成分，有可能得出一次降水总的清除效率 同时在降水云中和云四周观测气溶胶粒子和微量气体的浓度，并同时在不同的高度收集雨水和云水的样品，则有可能区分云中过程和云下过程的相对贡献模式 观测验证2.5.1.3 其他清除过程：雾和露2.5.1.3 其他清除过程：雾和露 不同于干湿沉降，没有太多定量研究 雾 在近低层大气中形成，许多雾滴可因重力沉降和湍流输送作用到达地面而起到了对微量气体和气溶胶粒子的清除作用溶胶粒子的清除作用 很容易被地表物体的垂直表面所截获（森林地区）改变地表的物理化学特征改变干沉降 露 改变地表的物理化学特征 大的露滴直接吸收大气化学成分小结小结 源排放生态源、源排放研究方法 输送过程实全转大气化学成分实际是在全球范围内输送和转化的 化学反应包括均相气相、均相液相和非均相过程 清除过程包括干沉降和湿清除