全球闪电活动与对流层上部NO及O3的相关性分析

陈聪,郭凤霞,鞠晓雨,3

(1.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏 南京 210044;3.安徽省防雷中心,安徽 合肥 230061)



全球闪电活动与对流层上部NO及O3的相关性分析

陈聪1,2,郭凤霞1,2,鞠晓雨1,2,3

(1.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏 南京 210044;3.安徽省防雷中心,安徽 合肥 230061)

为了解闪电对对流层上部微量气体的贡献,利用全球水资源和气候中心(GHRC)提供的1995年4月—2006年6月的闪电卫星格点资料,以及高层大气研究卫星(UARS)上的卤素掩星试验(HALOE)1991年10月—2005年11月的观测资料,分析了全球闪电与对流层上部NO和O3体积分数的时空分布特征及其相关性。结果表明:全球闪电12、1、2月集中在南半球,6—8月集中在北半球,全球闪电的季节分布与NO、O3类似;NO体积分数在350 hPa附近达到最大,该高度的南半球NO体积分数变化范围为7×10-12～11×10-12、北半球为3×10-12～17×10-12;450～300 hPa,北半球夏季O3体积分数呈明显增加趋势,且同一高度上夏季的值比年平均值大25%左右,南半球夏季O3体积分数高于冬季,但差异并不大。结论进一步证明了闪电与对流层上部NO及O3的密切关系,也为研究全球气候变化提供有力证据。

闪电;NO;O3;对流层上部

0 引言

由闪电通道的高温高压而产生的氮氧化物(LNOx),是对流层上部NOx的主要来源(Logan,1983;Donald et al.,2002)。由于很难直接测量LNOx的量,因此人们对LNOx的认识是循序渐进的。早期的研究方法主要是野外观测、实验室模拟和理论计算三种。Noxon(1976)在野外观测中发现,雷暴云中闪电活动区域的NO2比云外约大一个量级,首次证实了闪电对产生NOx的重要性。Chameides(1979)第一次在实验室中测得了火花放电产生的NOx的量,在此基础上外推计算了全球LNOx的量。Biazar and McNider(1995)通过假设峰值电流、电导率、通道半径和长度等闪电参数,得到了一次闪电释放的能量,再结合每焦耳能量产生的NOx的量和全球闪电频数估算出LNOx的总量。金敏等(2012)利用闪电定位数据,估算了中国地区LNOx的量,初步分析了LNOx的时空分布特征。研究表明,闪电对对流层上部NOx的贡献大于50%(Singh and Phompson,1996),而且由于对流层上层NOx的生命史较长(约7 d)(Levy et al.,1999),它会影响对流层O3和OH自由基的含量(Labrador et al.,2005)。虽然O3主要存在于平流层,但它如果出现在对流层高度则是温室气体(Roelofs et al.,2003),会严重影响气候变化。目前对流层的O3约占总量的10%,但若LNOx从3 Tg·a-1增长到6 Tg·a-1,则热带对流层O3将增加14%(Martin et al.,2002)。因此,研究闪电可以更好地理解它是如何影响其他气象要素以及大气化学成分的,同时也为研究全球气候变化提供有力证据。

Price(1997)利用闪电能量理论估算出64%的LNOx在北半球产生,并推断如果不考虑人类活动的影响,北半球O3含量是南半球的一倍;Jourdain and Hauglustaine(2001)利用全球化学模式模拟认为,NO在1月集中在0°～15°S,在7月集中在北半球大部分地区,且峰值高度接近400 hPa。但是这方面的研究仍存在一些问题,如:由于不同闪电之间的能量差异导致它们所产生的NOx的量并不相同,而仅用一个固定值来代表不同闪电的能量显然是不正确的,另外从模式中得到的估算值也是将许多闪电参数理想化,结果与真实值可能有一定差异。

近年来基于卫星资料的闪电分布特征研究越来越多,综合应用闪电资料和其他卫星资料成为大气化学研究和全球气候预测的新方法,也逐渐成为气候变化相关分析的重要参考(Beirle et al.,2006;Martin et al.,2006;Barthe et al.,2007;Schumann and Huntrieser,2007)。为了进一步讨论闪电对对流层上部NO和O3的贡献,本文主要利用闪电和微量气体两种卫星资料,从闪电的南、北半球及季节分布的差异入手,分析南、北半球闪电频数的特点,继而对比分析对南、北半球不同季节NO和O3的体积分数变化,在此基础上,对全球闪电、NO和O3的时空分布相关性进行分析。

1 资料

1.1 闪电卫星资料

本文采用的闪电资料是美国全球水资源和气候中心(GHRC)提供的OTD/LIS(Optics Transient Detection/Lightning Imaging Sensor)2.2版本格点资料(王义耕等,2010)。安置在MicroLab-1卫星上的光学瞬变探测器(OTD)在高度740 km的轨道上运行,轨道倾角为70°。OTD能够观测到地面1 300 km×1 300 km(75°S～75°N)区域内的闪电活动。该仪器的空间分辨率是10 km,时间分辨率为2 ms,完成一个完整的本地日循环需要大约55 d的时间。安置在TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)上的闪电成像感应器(LIS)采用128×128像素点的CCD阵列,加上广角镜头的使用,在350 km高度上可以观测到地球上600 km×600 km(35°S～35°N)区域内闪电的活动。该仪器空间分辨率是4 km,时间分辨率为2 ms,完成一个完整的本地日循环需要大约49 d的时间。它可以给出闪电发生的时间、经纬度、闪电光辐射能、持续时间等信息。该资料由5 a(1995年4月—2000年3月)OTD资料和8 a(1998年1月—2006年6月)LIS资料合成,时间尺度为11 a。随着LIS资料的进一步积累和算法的改进,该资料也在不断的更新之中。2.2版本的OTD/LIS格点资料有高(0.5°×0.5°)和低(2.5°×2.5°)两种分辨率,实际数据中每一个网格点上的闪电率密度由探测器探测到的该网格点上的总闪电数除以对该网格点的实际照射时间而得,并经过了探测器探测效率及网格面积等的订正。

1.2 微量气体资料

本文使用的微量气体资料来自搭载于高层大气研究卫星(UARS)上的卤素掩星试验装置微量气体探测仪器HALOE(Halogen Occultation Experiment),其用于测量中层大气的O3、HCl、HF、CH4、H2O、NO和NO2的垂直廓线和气溶胶的消光系数。HALOE采用太阳掩星法测量大气微量气体和气溶胶的垂直分布。当太阳相对于某地是刚升起或落下时,HALOE测量来自太阳方向并与大气相切高度上的太阳辐射,再由此反演该地微量气体与气溶胶消光系数等的垂直分布(Russell et al.,1993)。此装置于1991年10月11日开始工作,HALOE提供的原始资料的纬向测量范围为80°S～80°N,而垂直分辨率很高,从地表面到10-6hPa,共有271层,其观测高度从大约10 km延伸到60～130 km。国内有许多专家针对原始资料进行了再分析处理(陈月娟等,2006;施春华和郑彬,2008;施春华等,2009)。由于日落的资料经过一天的反应,NO、NO2的值比日出时要大,但混合比的垂直廓线很相似(简俊等,2001)。本文在分析时使用了NO的日出资料,高度集中在对流层上部(550～100 hPa),并进行了二维插值处理。

2 全球闪电分布

图1是利用OTD/LIS资料得到的全球1996—2005年平均闪电密度的分布。可以看出:1)全球闪电主要集中在陆地上,全球约70%的雷暴集中在热带区域(南、北回归线之间),且总体上北半球闪电密度高于南半球。2)全球有几大闪电高密度带,如非洲的刚果地区,这是全球闪电密度最大的地方,最高值达到229 fl·km-2·a-1(每年每平方千米发生闪电的次数)。热带地区闪电频发体现了雷暴发生的一个关键因素,即阳光的照射使空气温度增加从而加强、加快了上升气流,利于对流运动发展。3)喜马拉雅山和印度板块连接处(约75°E、35°N)为闪电密度高值区域,该区域主要是因为喜马拉雅山脉垂直梯度大,阻挡气流的通路,让东南亚的热带季风无法向北面继续发展,而被阻挡的暖湿气流有利于雷暴发展。4)90～130°E、10°N～10°S的东南亚地区为闪电高密度带,该地区主要是因为常年潮湿多雨,空气中水汽含量大,而水汽在上升过程中冷却、凝结,释放出大量的潜热,这是形成雷暴的一个重要因素。5)美国佛罗里达州、澳大利亚北部如库努纳拉、中国的台湾地区由于海陆温度的差异较大,也是雷电密度相对较高的区域。综合而言,上述雷暴多发的典型区域具有温度高、水汽含量充足的特点,同时受到局地地形、气候条件等因素的影响。

图1 1996—2005年全球闪电年平均密度的空间分布(单位:fl·km-2·a-1)Fig.1 Spatial distribution of annual average lightning density from1996 to 2005(units:fl·km-2·a-1)

图2 1996—2005年全球闪电月平均密度的空间分布(单位:fl·km-2·mon-1) a.12、1、2月平均;b.6—8月平均Fig.2 Spatial distribution of monthly average lightning density from 1996 to 2005(units:fl·km-2·mon-1) a.average of December,January and February;b.average of June,July and August

由图2可见,12、1、2月闪电主要集中在南半球,6—8月闪电主要集中在北半球。这是因为12、1、2月为北半球冬季、南半球夏季,6—8月为北半球夏季、南半球冬季。夏季阳光照射强,加热空气并促使其上升,有利于对流发展,闪电活动就会增加。总体而言,6—8月闪电平均频率高于12、1、2月,这与北半球大陆面积比南半球大有关。

3 全球NO分布及其与闪电的相关性

图3是1996—2005年南半球NO体积分数逐月平均随高度的变化。可见,南半球NO的高值主要集中在11月—次年2月,且12、1、2月的值大于6—8月。图2表明,南半球12、1、2月的闪电频率同样大于6—8月。这表明闪电和NO的量有明显的正相关关系。此外,由图3可见,在550～100 hPa的垂直范围内,NO体积分数先逐渐增大再逐渐减小然后又逐渐增大,在350 hPa附近达到最大值,对应海拔8 km左右的高度,正好是云闪主要集中发生的高度(Thomas et al.,2004)。虽然随着纬度的不同对流层顶高度有差异,但是该高度基本属于对流层的上部,对流层上部的NO主要由平流层输入、飞机释放和闪电产生,而前两项所占比例不大,对流层上部NO的高值更多是由闪电直接产生的(Singh and Phompson,1996)。整体而言,300～400 hPa上南半球NO体积分数为7×10-12～11×10-12,总体变化不明显,符合南半球闪电频率的特性,即峰值与谷值相差不大,这是由于南半球海洋面积较大、海洋雷暴的季节变化不明显所致。

图3 1996—2005年多年平均的南半球NO体积分数随高度的逐月变化(单位:10-12)Fig.3 Monthly variation of annual average NO volume fraction with height in Southern Hemisphere from 1996 to 2005(units:10-12)

图4是1996—2005年北半球NO体积分数逐月平均随高度的变化。可以看出,北半球NO体积分数的高值主要集中在6—8月,即北半球夏季。图2表明,北半球6—8月的闪电频率大于12、1、2月。类似地,6—8月的NO体积分数大于12、1、2月。从垂直分布情况来看,北半球NO体积分数的高值位于350 hPa左右,北半球300～400 hPa的NO体积分数为3×10-12～17×10-12,总体变化相对较大,符合北半球闪电频率的特性,这是由于北半球陆地闪电占主导地位所致。

图4 1996—2005年多年平均的北半球NO体积分数随高度的逐月变化(单位:10-12)Fig.4 Monthly variation of annual average NO volume fraction with height in Northern Hemisphere from 1996 to 2005(units:10-12)

图5 350 hPa上1996—2005年多年平均的NO体积分数随纬度的逐月变化(单位:10-12)Fig.5 Monthly variation of annual average NO volume fraction with latitude at 350 hPa(units:10-12)

选取了NO体积分数最高的350 hPa,图5给出了该高度上NO体积分数的纬度—时间分布。可以看出,北半球NO体积分数明显高于南半球。前述的闪电频数也是北半球大于南半球;Price(1997)的计算则表明北半球闪电总数约占全球闪电总数的64%。NO体积分数主要集中在南北纬15°范围内,特别是在赤道地区,NO达到最高值,仅赤道地区的NO体积分数就占了全球的大约三分之一。从各月的分布来看,北半球NO体积分数呈现一个单峰单谷的分布,即1月至7月增加,7月至12月减小,且各月的差异较大,如:在15°N地带,NO体积分数在1、2月只有6×10-12、7×10-12,而7月则超过16×10-12。南半球NO体积分数在6—8月较小,但与12、1、2月的差别不大,这与前述的南半球闪电密度分布类似。

Franzblau(1991)的研究表明,在雷电产生的NOx中,NO所占比例最大,约为NOx的75%～95%。因此本文主要研究了NO体积分数的时空分布。由其上述特征可看出,它与闪电的时空分布有着很密切的联系,进一步证明了闪电特别是对流层上部的闪电对NOx有显著的贡献。

4 全球O3分布及其与闪电的相关性

NOx的变化会引起O3的相应变化(漏嗣佳等,2010;沈丹卉等,2011)。闪电在产生NOx后,NO、NO2会产生一系列的化学反应并最终生成O3(Noxon,1976)。其主要的化学反应式描述如下:

O+O2+M→O3+M,

(1)

O+O3→O2+O2,

(2)

O3+N→NO+O2,

(3)

O3+NO→NO2+O2,

(4)

O3+NO2→NO3+O2,

(5)

NO+NO3→NO2+NO2。

(6)

式中,[M]=1.7[O2]+1.6[N2]+[Ar])。

NOx、O3在对流层高度是温室气体。因为闪电增多直接导致NOx增多;根据上述反应式,O3也会相应增多。Wild(2007)认为,当LNOx从3 Tg·a-1增长到8 Tg·a-1时,O3含量会增长10%,且对流层的NOx生命周期更长。可见雷电对气候变化的影响是显著的。

图6是1996—2005年O3平均体积分数随高度的变化。为了集中体现对流层上部的区别,主要分析了550～250 hPa的分布。图6a表明,北半球夏季(6—8月)O3的体积分数高于年平均值,而冬季(12、1、2月)O3的体积分数小于年平均值。这与第2、3节中闪电及NO的季节变化一致。此外,在450～300 hPa,夏季O3体积分数呈明显的增加趋势,同一高度上夏季的值比年平均值大25%左右,而该高度正是LNOx的主要集中区域,表明闪电对对流层O3有直接贡献。图6b表明,南半球夏季(12、1、2月)O3的体积分数高于年平均值,而冬季(6—8月)O3的体积分数小于年平均值。南半球夏季O3体积分数高于冬季,但差异并不大,主要由于南半球多为海洋覆盖、而海洋闪电的总体差异不大所致,第3节中NO的全球分布也有类似结果,本节中O3的垂直分布则更好地证明了该结论。

5 结论

利用OTD/LIS闪电卫星资料及微量气体HALOE再分析资料,对全球的闪电、NO和O3的时空特征进行分析,得到以下结论:

图6 1996—2005年多年平均的O3体积分数随高度的变化(单位:10-6) a.北半球;b.南半球Fig.6 Variation of annual average O3 volume fraction with height from 1996 to 2005(units:10-6)a.Northern Hemisphere;b.Southern Hemisphere

1)全球大约70%的闪电集中在热带地区,总体而言,北半球的闪电密度大于南半球,闪电高密度带主要集中在陆地地区,海洋区域闪电密度不大。全球有几个典型的闪电高密度地区,如:非洲刚果地区,喜马拉雅山和印度板块连接地区,东南亚地区,美国佛罗里达,澳大利亚北部及台湾地区。这些闪电高密度地区均满足适宜雷暴发展的条件,有较强的上升气流,有不稳定层结,有抬升动力,这些是闪电发展的必要条件。

2)闪电密度在12、1、2月主要集中在南半球,在6—8月主要集中在北半球;而南半球NO体积分数的高值主要集中在12、1、2月,北半球主要集中在6—8月,该特征表明闪电的多少与NO的量的相关性较大。

3)NO体积分数的垂直分布在对流层上部是先逐渐增大再逐渐减小然后又逐渐增大,在350 hPa左右达到最大,这正好是云闪发生的高度。在该高度,南半球NO体积分数为7×10-12～11×10-12,符合南半球闪电频率的特性,即峰值和谷值相差不大,与海洋雷暴的季节变化不明显有关。而北半球NO体积分数为3×10-12～17×10-12,与北半球陆地闪电占主导地位有关。上述证明对流层上部NO的高值主要由闪电直接产生。

4)全球对流层上部O3体积分数在夏季高于年平均,在冬季低于年平均,这与闪电及NO的季节分布一致。450～300 hPa,北半球夏季O3体积分数呈明显的增加趋势,且同一高度的值比年平均值大25%左右;南半球夏季O3体积分数虽然高于冬季,但差异并不大,该特征与闪电及NO的特征类似,O3的垂直分布更好地证明了闪电对对流层O3的直接贡献。

致谢:本文所用HALOE资料由UARS卫星计划的研究人员在网站上提供并可自由下载,所用HALOE的再分析资料由中国科学技术大学地球和空间科学学院周任军、陈月娟提供,所用闪电卫星资料由美国全球水资源和气候中心GHRC在网站上提供并可自由下载,使我们的工作得以顺利进行。在论文写作中得到南京信息工程大学施春华副教授的指导。在此一并表示衷心感谢!

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(责任编辑：倪东鸿)

Relationships between global lightning activity and NO and O3in the upper troposphere

CHEN Cong1,2,GUO Feng-xia1,2,JU Xiao-yu1,2,3

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;2.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration,NUIST,Nanjing 210044,China;3.Anhui Lightning Protection Center,Hefei 230061,China)

In order to understand the effect of lightning on the trace gases in the upper troposphere,this paper studies the spatial and temporal characteristics of NO and O3volume fraction in the upper troposphere,the global lightning activity,and their relationships.The lightning data from April 1995 to June 2006 and the trace gases data from October 1991 to November 2005 are obtained from Global Hydrology Resource Center(GHRC) and the Halogen Occultation Experiment(HALOE) boarded on the Upper Atmosphere Research Satellite(UARS),respectively.Results show that global lightning concentrates in Southern Hemisphere from December to next February,and in Northern Hemisphere from June to August.Global lightning activity is in agreement with NO and O3volume fraction in seasonal variations.NO volume fraction reaches the maximum at 350 hPa.At this height,NO volume fraction is from 7×10-12to 11×10-12in Southern Hemisphere,while is from 3×10-12to 17×10-12in Northern Hemisphere.At the height range from 450 to 300 hPa,O3volume fraction in Northern Hemisphere in summer increases obviously,which is about 25% more than the annual average.Comparatively,O3volume fraction in Southern Hemisphere in summer is bigger than that in winter,but the difference is not obvious.All the results prove that there are good relationships between the lightning and NO/O3in the upper troposphere.It provides powerful evidences on the research of global climate change.

lightning;NO;O3;upper troposphere

2012-04-16;改回日期:2014-03-15

国家自然科学基金资助项目(41275008);国家重点基础研究发展计划项目(2014CB441403);公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306069);中国气象科学研究院基本科研业务费专项资金(2013Z006)

郭凤霞,博士,副研究员,研究方向为大气电学,guofx@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20120416001.

1674-7097(2015)02-0273-06

P427.3

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20120416001

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