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气溶胶研究

气溶胶颗粒是地球大气中的重要成分。它们已被证明对城市环境中的人类健康有不利影响，它们可以成为污染物沉积和营养物质交换的有效途径，它们可以散射和吸收辐射，从而影响大气的热平衡，它们可以充当云滴和冰粒形成的场所， 从而影响降水和云的反射特性。

大气中气溶胶的生命周期图，显示了排放、沉积和传输过程以及气溶胶在大气中的作用。

为了描述大气中气溶胶颗粒的影响，我们需要了解它们的生命周期，定量预测它们的排放、运输和转化。

什么是气溶胶

气溶胶是悬浮在大气中的微小固体或液体颗粒。这些颗粒的大小从小于0.01μm到大于10μm不等，对气候、天气和空气质量有重大影响。虽然关于温室气体对全球气候的影响已经有很多工作，但对气溶胶的影响却知之甚少。

有许多不同类型的大气气溶胶，如硫酸盐、硝酸盐、有机物、黑碳（烟尘）、海盐和矿物尘埃。它们都具有不同的化学和物理性质，这些性质受到它们的起源、形成方法和随后的转变的影响。正是这些特性和过程控制了大气中气溶胶的影响。

气溶胶源和气溶胶汇集

大气气溶胶有许多不同的来源;有些是天然的，而另一些是人造的。天然来源包括火山尘埃、海浪喷出的海盐和野火产生的烟雾。人为来源包括车辆尾气排放、工业过程和“刀耕火种”森林砍伐。城市地区往往特别受到气溶胶污染的影响，从洛杉矶或北京等城市的雾霾中可以看出。

气溶胶在被清除之前在大气中停留的时间长度称为“停留时间”。典型的停留时间为数天或数周。相比之下，温室气体的停留时间可能长达多年。这很重要，因为气溶胶排放的任何重大变化都会比温室气体的相应变化产生更直接的影响。

从大气中去除气溶胶的过程分为两类 - 湿沉积和干沉积。干沉积是通过重力沉降去除颗粒，对于较大的颗粒更为重要。较小的气溶胶往往会经历湿沉降，这涉及将气溶胶掺入云中，并通过降水输送到地面。

直接和间接影响

气溶胶通过以下两种方式之一对地球的辐射平衡产生扰动。其中第一种被称为直接效应，与气溶胶颗粒对辐射通量的改变有关。这些粒子在大气中的存在所引起的强迫的性质是由它们的物理和化学成分以及随后的光学特性决定的。黑碳主要吸收入射的太阳辐射和透射的地面辐射，在大气中产生变暖效应。其他气溶胶物种，如有机物和硫酸盐，会散射或反射入射的太阳辐射，从而减少地球表面的入射量，从而冷却地球系统。然而，不同物质的相互作用会影响气溶胶的辐射特性，并最终影响它们产生的强迫方向。

气溶胶影响大气中辐射强迫的第二种方法称为间接效应。这与气溶胶作为云凝结核（CCN）的作用及其对云微物理性质的影响有关。CCN提供了水可以凝结的表面，促进了云滴的形成。除了增加云滴的总数外，凝结核的可用性也增加了，从而产生了更小的液滴，增加了云的反照率。这对云的寿命也有影响，较小的液滴需要更长的时间才能凝聚形成足够大的液滴来沉淀。这降低了云滴从云中丢失的速度，使云更加持久，并延长了其辐射效应的持续时间。

气溶胶研究的作用

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大气气溶胶对气候影响的确切程度目前存在相当大的不确定性，因此是气候科学中量化最差的领域之一。因此，更精确地约束气溶胶辐射强迫是气候研究的主要挑战之一。对气溶胶在区域或全球范围内的影响进行任何评估，首先需要对基本过程有高度的了解。曼彻斯特大气科学中心的工作主要集中在这种水平的研究上。气溶胶化学和物理性质的测量是通过广泛的现场和实验室实验以及基于过程的建模活动获得的。这些用于在更大范围内为气溶胶影响提供信息和发展调查。最终，提高对大气气溶胶及其对气候影响的了解将有助于制定有效的气候变化缓解战略，同时改善城市空气质量并减少对人类健康的不利影响。

气溶胶研究的方法

实地研究：如各地监测站；

实验室研究：如污染源溯源，重金属分析等；

建模研究：通过建模解决与大气气溶胶对气候和健康的影响相关的特性和过程

气溶胶建模

气溶胶颗粒通过太阳辐射的散射和吸收直接影响气候，并通过其作为云凝结核的作用间接影响气候，后者效应是辐射强迫中最大的不确定性。大气气溶胶颗粒也是政策制定者关注的问题，因为人类接触颗粒物会对健康造成影响。这在城市环境中尤其令人担忧，因为车辆排放是颗粒物的主要来源。

我们的建模活动旨在解决与大气气溶胶对气候和健康的影响相关的特性和过程。

气溶胶建模活动范围从气溶胶特性的零维时不变预测，到零维时间演变的详细过程模拟，再到从街道峡谷到区域领域的三维耦合气溶胶和传输建模。

多组分气溶胶颗粒特性。

从历史上看，人们普遍认为气溶胶颗粒仅由无机成分组成，例如海盐、硫酸铵和地壳矿物化合物。然而，近年来，已经发现有机成分可能构成气溶胶组合物的很大一部分，根据位置的不同，细颗粒物的范围从20-60%不等。有机成分的模型处理特别具有挑战性，因为与无机部分不同，大气气溶胶将包含数千种单独的有机化合物，涵盖广泛的化学和物理特性。由于这种多样性和可变性，气溶胶建模的主要不确定性源于对有机组分行为的缺乏了解以及该组分与无机化合物耦合的概念困难。

这种多组分颗粒在潮湿大气中的吸水率与单组分颗粒的吸水率有显著差异。这反过来又会影响环境气溶胶的大小、成云潜力和光学特性。我们开发并使用了一套建模工具，以预测气溶胶的性质和行为，并使用多种仪器协调大气气溶胶的测量值。这些工具还被用于开发大规模模型的参数化。

模拟多组分气溶胶颗粒的热力学特性。

核对测量的气溶胶特性。

“闭合”研究在海洋气溶胶中的应用

有机化合物的纯成分和混合物性质的预测

大气气溶胶的详细物理和化学演变

气溶胶颗粒将通过大气中的化学和物理过程演变。为了准确表示这种大气“老化”过程，有必要开发气态光化学、热力学、气溶胶微物理和凝聚相反应的耦合模型。根据模型框架的不同，这些模型可用于 i） 模拟实验室实验中的过程，ii） 作为上述气溶胶特性预测影响的试验台，以及 iii） 模拟大气行为。

由于计算费用，零维“盒子”模型比更大规模的三维模型具有更大的复杂性。我们使用许多耦合箱模型方法来研究详细的大气气溶胶过程。

海洋环境中的反应性卤素循环

沿海环境中的成核

有机分区模型的箱模型测试

模拟气溶胶特性对云形成和发育的影响 

流程模型验证和评估。

财产和工艺建模活动将受益于新委托的NERC资助的室内设施。腔室设计的动机是研究受控环境中的耦合多相过程（McFiggans，2006）。该腔室将用于测试气溶胶特性和演化模型。

气溶胶室

在三维输运模型中对不断变化的气溶胶特性进行建模。
为了真实地表示大气中气溶胶颗粒的负载和演变，以便与现场测量进行比较，有必要将气溶胶表示纳入传输框架。在 CAS 内部，我们正在开发和研究各种尺度的现有气溶胶传输模型。

城市街道峡谷尺度下的气溶胶演化

区域气溶胶传输建模