仙林地区大气干沉降通量研究(附件)
摘要：本文使用南京大学仙林校区大气学院气象观测站的观测资料以及南京师范大学内的南京环境监测站仙林中心国控点的气象观测数据。利用气象梯度资料（温度，风速，气压）计算近地面湍流特征参数并结合观测到的颗粒物、二氧化氮、臭氧、一氧化氮、一氧化碳、二氧化硫六种典型污染物，分别利用浓度法和梯度法计算其大气干沉降通量。对南京仙林地区2016年4月份空气质量以及大气干沉降情况进行评估以进行对两种方式计算大气干沉降通量的优缺点进行初步探究。结果表明大气污染物在白天的干沉降通量明显大于夜晚的干沉降通量，降水对二氧化硫、臭氧、一氧化氮、二氧化氮的干沉降通量有负面影响。实验中的浓度法测得的干沉降通量可信度高于梯度法测得的干沉降通量，在分析过程中优先选用浓度法获得的数据进行评价。
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Key words1
引言1
1材料与方法2
1.1研究区域自然概况 2
1.2研究方法2
1.2.1气象观测2
1.2.2污染物浓度观测2
1.2.3方法与模型2
1.2.3.1浓度法2
1.2.3.2梯度法3
2结果与分析4
2.1数据处理4
2.1.1气象数据处理4
2.1.2浓度数据处理4
2.2结果4
2.2.1浓度法计算6
2.2.2梯度法计算8
2.2.3干沉降通量日均变化9
3讨论 11
3.1两种方法结果对比11
3.1.1 NO2干沉降通量11
3.1.2 O3干沉降通量11
3.1.3 NO干沉降通量11
3.1.4 SO2干沉降通量12
3.2干沉降的界面交换12
致谢12
参考文献13
南京仙林地区大气干沉降通量研究
引言
在人们生产生活中所产生的污染物，除了远距离输送到其他地区之外，还会通过干沉降、湿沉降等方式从大气层面迁移到地表，产生物质在土气界面的交换机制，这是大气循环的一个重
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要的组成部分[1]。干沉降作为大气中污染物清除过程中的重要一个环节，对空气中各种污染物的浓度以及空气质量状况有非常直接的影响[2]。而在某些干旱地区由于干旱少雨，污染物本身通过干沉降的方式进行消除的过程也是不可忽略的，另外在污染物长距离输送过程中污染物本身也会通过干沉降的方式对地表产生影响，所以其在酸雨研究中也是一种不可忽视的因素[34]。另外,干沉降过程更是在土气、水气界面的交互过程中起到了传导的作用，可能会导致土壤污染以及水体酸化、生物多样性降低等危害[510]。因此，对大气干沉降通量的研究在研究空气质量以及研究大气对下垫面的环境影响等问题中也是非常关键的。
在对不同种类的环境污染物的干沉降通量的监测中，常用的方法有动力学梯度法，涡度相关法和松弛涡度累积法等微气象学方法[11],但这些方法对仪器的精度以及下垫面的稳定均一程度均有较高的要求，不能满足长期连续的测量以及多点位的测量的要求[12]。本文中选取了浓度法和梯度法两种方法对大气中环境污染物干沉降通量进行初步探究。
浓度法是根据1985年Hicks所提出的干沉降通量推算模型来计算干沉降速率的方法进行计算[13].在这种方法中干沉降通量的计算为某高度处的大气污染物浓度与该高度处的此污染物的大气沉降速率的乘积，这其中大气污染物的浓度采用电化学仪器来测定，而沉降速率通过包含气象特征数据与下垫面实际情况的数学模型来计算.由于这种方法在计算干沉降通量过程中相对简单，长期以来被国内外研究人员广泛应用于各种污染物的沉降通量的监测和大气物质流动的相关模型中的干沉降通量的计算，并在此基础上发展出应用于不同下垫面类型的污染物沉降通量监测模型如美国的CASTNet[14]、加拿大的CAPMoN[15]就是采用这种方法来计算氮在大气中的干沉降通量，我国的胡正义[16]等在江西测定农田区域测定大气中硫的干沉降速率与沉降通量也是基于这种方法。
梯度法也是当前测量干沉降通量的一种常见的方法，通过测量不同高度层上的大气污染物的浓度以及相应的气象参数来计算干沉降的通量。需要在不同的高度上测量出相对应的浓度以及气象参数从而计算得到干沉降通量。
1 材料与方法
1．1 研究区域自然概况
以南京大学大气科学学院仙林校区气象观测站气象塔附近区域为研究区。下垫面为城市，气象观测站位于山顶，山顶无明显植被，山坡种植为落叶林。附近区域为仙林大学城，除西北方向为南京工业开发区之外无潜在污染源。观测时间窗口为2016年4月1日0时至2016年4月30日24时。
1．2 研究方法
1. 2. 1 气象观测 实验场地中竖有一座小型气候观测塔，在离塔底75M、50M、25M三层分别安装有小型空气自动站，分别安装有风速、温度、气压等自动记录传感仪。在实验过程中采用每三分钟进行一次气象参数的采集。
1．2．2 污染物浓度观测 我们选择深圳创龙清研科技有限公司生产的MAS100系列V1.3小型空气监测站进行对大气污染物以及环境参数的采样,包括PM2.5,NO,NO2,CO,O3,SO2,VOC七种污染的实时数据采集。小型空气监测站内部采用电化学的方法对三层不同高度下的大气污染物进行实时监测。由于电化学传感器具有取样快速、灵敏、准确、结构简单、便于自动化控制等优点可以实现在目标采样区域的高时空分辨率的数据采集[17]，通过GPRS或ZigBee远程无线数据传输实现云端数据存储与智能手机连接，通过物联网监测云平台可实现对数据的实时监控与超标报警。通过与仙林大学城国控点的数据进行比较验证其数据的可信程度。同时也可利用监测站点的地理位置数据与气体浓度数据进行分析组网可建立小型监测网络。同时也可实现对不同时间间隔要求的数据采集进行分析比对。
1．2．3 方法与模型 由于大气干沉降通量通常难以进行直接精确测量，所以我们通常利用综合观测资料和数学模型在一起进行计算，这里我们利用三层不同高度的数据通过浓度法和梯度法分别对污染物的干沉降通量进行简单的计算。
1．2．3 .1浓度法
1）干沉降速率（Vd）
大气污染物从空气中沉降到地表的过程经过了三层阻力，依次为空气动力学阻力、片流层阻力和下垫面阻力。所以我们通常讲气体的干沉降速率表示为三种阻力之和的倒数。而对于粒子来说我们还要考虑粒子在沉降过程中与布朗运动、惯性碰撞、重力沉降等因素的影响.所以有如下公式：
（气体）
（粒子）
式中Ra、Rb、Rc、依次代表空气动力学阻力、片流层阻力和接受面层阻力，Vg是粒子的重力沉降速度，可从Stoke公式计算得到，但通常情况下气体的重力沉降可被忽略，即Vg=0.粒子沉降到接受面附近时没有悬浮过程，表面阻力Rc可记为零。
Ra是气体在湍流运动过程中引起的污染物在大气输送到近地面附近时受到的阻力，根据近地层中污染物的质量和热量输送理论假设，我们可将Ra表示为：
式中Zr计算Vd时的参考高度，是摩擦速度，Vonkarman常数k取值0.4。Z0表示下垫面的粗糙度长，由局地经验获得。由于不能讲实际情况中的大气认为是理想大气，所以对其应用稳定度修正参数取值为：
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Key words1
引言1
1材料与方法2
1.1研究区域自然概况 2
1.2研究方法2
1.2.1气象观测2
1.2.2污染物浓度观测2
1.2.3方法与模型2
1.2.3.1浓度法2
1.2.3.2梯度法3
2结果与分析4
2.1数据处理4
2.1.1气象数据处理4
2.1.2浓度数据处理4
2.2结果4
2.2.1浓度法计算6
2.2.2梯度法计算8
2.2.3干沉降通量日均变化9
3讨论 11
3.1两种方法结果对比11
3.1.1 NO2干沉降通量11
3.1.2 O3干沉降通量11
3.1.3 NO干沉降通量11
3.1.4 SO2干沉降通量12
3.2干沉降的界面交换12
致谢12
参考文献13
南京仙林地区大气干沉降通量研究
引言
在人们生产生活中所产生的污染物，除了远距离输送到其他地区之外，还会通过干沉降、湿沉降等方式从大气层面迁移到地表，产生物质在土气界面的交换机制，这是大气循环的一个重
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
要的组成部分[1]。干沉降作为大气中污染物清除过程中的重要一个环节，对空气中各种污染物的浓度以及空气质量状况有非常直接的影响[2]。而在某些干旱地区由于干旱少雨，污染物本身通过干沉降的方式进行消除的过程也是不可忽略的，另外在污染物长距离输送过程中污染物本身也会通过干沉降的方式对地表产生影响，所以其在酸雨研究中也是一种不可忽视的因素[34]。另外,干沉降过程更是在土气、水气界面的交互过程中起到了传导的作用，可能会导致土壤污染以及水体酸化、生物多样性降低等危害[510]。因此，对大气干沉降通量的研究在研究空气质量以及研究大气对下垫面的环境影响等问题中也是非常关键的。
在对不同种类的环境污染物的干沉降通量的监测中，常用的方法有动力学梯度法，涡度相关法和松弛涡度累积法等微气象学方法[11],但这些方法对仪器的精度以及下垫面的稳定均一程度均有较高的要求，不能满足长期连续的测量以及多点位的测量的要求[12]。本文中选取了浓度法和梯度法两种方法对大气中环境污染物干沉降通量进行初步探究。
浓度法是根据1985年Hicks所提出的干沉降通量推算模型来计算干沉降速率的方法进行计算[13].在这种方法中干沉降通量的计算为某高度处的大气污染物浓度与该高度处的此污染物的大气沉降速率的乘积，这其中大气污染物的浓度采用电化学仪器来测定，而沉降速率通过包含气象特征数据与下垫面实际情况的数学模型来计算.由于这种方法在计算干沉降通量过程中相对简单，长期以来被国内外研究人员广泛应用于各种污染物的沉降通量的监测和大气物质流动的相关模型中的干沉降通量的计算，并在此基础上发展出应用于不同下垫面类型的污染物沉降通量监测模型如美国的CASTNet[14]、加拿大的CAPMoN[15]就是采用这种方法来计算氮在大气中的干沉降通量，我国的胡正义[16]等在江西测定农田区域测定大气中硫的干沉降速率与沉降通量也是基于这种方法。
梯度法也是当前测量干沉降通量的一种常见的方法，通过测量不同高度层上的大气污染物的浓度以及相应的气象参数来计算干沉降的通量。需要在不同的高度上测量出相对应的浓度以及气象参数从而计算得到干沉降通量。
1 材料与方法
1．1 研究区域自然概况
以南京大学大气科学学院仙林校区气象观测站气象塔附近区域为研究区。下垫面为城市，气象观测站位于山顶，山顶无明显植被，山坡种植为落叶林。附近区域为仙林大学城，除西北方向为南京工业开发区之外无潜在污染源。观测时间窗口为2016年4月1日0时至2016年4月30日24时。
1．2 研究方法
1. 2. 1 气象观测 实验场地中竖有一座小型气候观测塔，在离塔底75M、50M、25M三层分别安装有小型空气自动站，分别安装有风速、温度、气压等自动记录传感仪。在实验过程中采用每三分钟进行一次气象参数的采集。
1．2．2 污染物浓度观测 我们选择深圳创龙清研科技有限公司生产的MAS100系列V1.3小型空气监测站进行对大气污染物以及环境参数的采样,包括PM2.5,NO,NO2,CO,O3,SO2,VOC七种污染的实时数据采集。小型空气监测站内部采用电化学的方法对三层不同高度下的大气污染物进行实时监测。由于电化学传感器具有取样快速、灵敏、准确、结构简单、便于自动化控制等优点可以实现在目标采样区域的高时空分辨率的数据采集[17]，通过GPRS或ZigBee远程无线数据传输实现云端数据存储与智能手机连接，通过物联网监测云平台可实现对数据的实时监控与超标报警。通过与仙林大学城国控点的数据进行比较验证其数据的可信程度。同时也可利用监测站点的地理位置数据与气体浓度数据进行分析组网可建立小型监测网络。同时也可实现对不同时间间隔要求的数据采集进行分析比对。
1．2．3 方法与模型 由于大气干沉降通量通常难以进行直接精确测量，所以我们通常利用综合观测资料和数学模型在一起进行计算，这里我们利用三层不同高度的数据通过浓度法和梯度法分别对污染物的干沉降通量进行简单的计算。
1．2．3 .1浓度法
1）干沉降速率（Vd）
大气污染物从空气中沉降到地表的过程经过了三层阻力，依次为空气动力学阻力、片流层阻力和下垫面阻力。所以我们通常讲气体的干沉降速率表示为三种阻力之和的倒数。而对于粒子来说我们还要考虑粒子在沉降过程中与布朗运动、惯性碰撞、重力沉降等因素的影响.所以有如下公式：
（气体）
（粒子）
式中Ra、Rb、Rc、依次代表空气动力学阻力、片流层阻力和接受面层阻力，Vg是粒子的重力沉降速度，可从Stoke公式计算得到，但通常情况下气体的重力沉降可被忽略，即Vg=0.粒子沉降到接受面附近时没有悬浮过程，表面阻力Rc可记为零。
Ra是气体在湍流运动过程中引起的污染物在大气输送到近地面附近时受到的阻力，根据近地层中污染物的质量和热量输送理论假设，我们可将Ra表示为：
式中Zr计算Vd时的参考高度，是摩擦速度，Vonkarman常数k取值0.4。Z0表示下垫面的粗糙度长，由局地经验获得。由于不能讲实际情况中的大气认为是理想大气，所以对其应用稳定度修正参数取值为：
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