全球閃電活動與對流層上部NO及O3的相關性分析

陳聰,郭鳳霞,鞠曉雨,3

(1.南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學 中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室,江蘇 南京 210044;3.安徽省防雷中心,安徽 合肥 230061)

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全球閃電活動與對流層上部NO及O3的相關性分析

陳聰1,2,郭鳳霞1,2,鞠曉雨1,2,3

(1.南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學 中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室,江蘇 南京 210044;3.安徽省防雷中心,安徽 合肥 230061)

為了解閃電對對流層上部微量氣體的貢獻,利用全球水資源和氣候中心(GHRC)提供的1995年4月—2006年6月的閃電衛星格點資料,以及高層大氣研究衛星(UARS)上的鹵素掩星試驗(HALOE)1991年10月—2005年11月的觀測資料,分析了全球閃電與對流層上部NO和O3體積分數的時空分布特征及其相關性。結果表明:全球閃電12、1、2月集中在南半球,6—8月集中在北半球,全球閃電的季節分布與NO、O3類似;NO體積分數在350 hPa附近達到最大,該高度的南半球NO體積分數變化范圍為7×10-12～11×10-12、北半球為3×10-12～17×10-12;450～300 hPa,北半球夏季O3體積分數呈明顯增加趨勢,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體積分數高于冬季,但差異并不大。結論進一步證明了閃電與對流層上部NO及O3的密切關系,也為研究全球氣候變化提供有力證據。

閃電;NO;O3;對流層上部

0 引言

由閃電通道的高溫高壓而產生的氮氧化物(LNOx),是對流層上部NOx的主要來源(Logan,1983;Donald et al.,2002)。由于很難直接測量LNOx的量,因此人們對LNOx的認識是循序漸進的。早期的研究方法主要是野外觀測、實驗室模擬和理論計算三種。Noxon(1976)在野外觀測中發現,雷暴云中閃電活動區域的NO2比云外約大一個量級,首次證實了閃電對產生NOx的重要性。Chameides(1979)第一次在實驗室中測得了火花放電產生的NOx的量,在此基礎上外推計算了全球LNOx的量。Biazar and McNider(1995)通過假設峰值電流、電導率、通道半徑和長度等閃電參數,得到了一次閃電釋放的能量,再結合每焦耳能量產生的NOx的量和全球閃電頻數估算出LNOx的總量。金敏等(2012)利用閃電定位數據,估算了中國地區LNOx的量,初步分析了LNOx的時空分布特征。研究表明,閃電對對流層上部NOx的貢獻大于50%(Singh and Phompson,1996),而且由于對流層上層NOx的生命史較長(約7 d)(Levy et al.,1999),它會影響對流層O3和OH自由基的含量(Labrador et al.,2005)。雖然O3主要存在于平流層,但它如果出現在對流層高度則是溫室氣體(Roelofs et al.,2003),會嚴重影響氣候變化。目前對流層的O3約占總量的10%,但若LNOx從3 Tg·a-1增長到6 Tg·a-1,則熱帶對流層O3將增加14%(Martin et al.,2002)。因此,研究閃電可以更好地理解它是如何影響其他氣象要素以及大氣化學成分的,同時也為研究全球氣候變化提供有力證據。

Price(1997)利用閃電能量理論估算出64%的LNOx在北半球產生,并推斷如果不考慮人類活動的影響,北半球O3含量是南半球的一倍;Jourdain and Hauglustaine(2001)利用全球化學模式模擬認為,NO在1月集中在0°～15°S,在7月集中在北半球大部分地區,且峰值高度接近400 hPa。但是這方面的研究仍存在一些問題,如:由于不同閃電之間的能量差異導致它們所產生的NOx的量并不相同,而僅用一個固定值來代表不同閃電的能量顯然是不正確的,另外從模式中得到的估算值也是將許多閃電參數理想化,結果與真實值可能有一定差異。

近年來基于衛星資料的閃電分布特征研究越來越多,綜合應用閃電資料和其他衛星資料成為大氣化學研究和全球氣候預測的新方法,也逐漸成為氣候變化相關分析的重要參考(Beirle et al.,2006;Martin et al.,2006;Barthe et al.,2007;Schumann and Huntrieser,2007)。為了進一步討論閃電對對流層上部NO和O3的貢獻,本文主要利用閃電和微量氣體兩種衛星資料,從閃電的南、北半球及季節分布的差異入手,分析南、北半球閃電頻數的特點,繼而對比分析對南、北半球不同季節NO和O3的體積分數變化,在此基礎上,對全球閃電、NO和O3的時空分布相關性進行分析。

1 資料

1.1 閃電衛星資料

本文采用的閃電資料是美國全球水資源和氣候中心(GHRC)提供的OTD/LIS(Optics Transient Detection/Lightning Imaging Sensor)2.2版本格點資料(王義耕等,2010)。安置在MicroLab-1衛星上的光學瞬變探測器(OTD)在高度740 km的軌道上運行,軌道傾角為70°。OTD能夠觀測到地面1 300 km×1 300 km(75°S～75°N)區域內的閃電活動。該儀器的空間分辨率是10 km,時間分辨率為2 ms,完成一個完整的本地日循環需要大約55 d的時間。安置在TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)上的閃電成像感應器(LIS)采用128×128像素點的CCD陣列,加上廣角鏡頭的使用,在350 km高度上可以觀測到地球上600 km×600 km(35°S～35°N)區域內閃電的活動。該儀器空間分辨率是4 km,時間分辨率為2 ms,完成一個完整的本地日循環需要大約49 d的時間。它可以給出閃電發生的時間、經緯度、閃電光輻射能、持續時間等信息。該資料由5 a(1995年4月—2000年3月)OTD資料和8 a(1998年1月—2006年6月)LIS資料合成,時間尺度為11 a。隨著LIS資料的進一步積累和算法的改進,該資料也在不斷的更新之中。2.2版本的OTD/LIS格點資料有高(0.5°×0.5°)和低(2.5°×2.5°)兩種分辨率,實際數據中每一個網格點上的閃電率密度由探測器探測到的該網格點上的總閃電數除以對該網格點的實際照射時間而得,并經過了探測器探測效率及網格面積等的訂正。

1.2 微量氣體資料

本文使用的微量氣體資料來自搭載于高層大氣研究衛星(UARS)上的鹵素掩星試驗裝置微量氣體探測儀器HALOE(Halogen Occultation Experiment),其用于測量中層大氣的O3、HCl、HF、CH4、H2O、NO和NO2的垂直廓線和氣溶膠的消光系數。HALOE采用太陽掩星法測量大氣微量氣體和氣溶膠的垂直分布。當太陽相對于某地是剛升起或落下時,HALOE測量來自太陽方向并與大氣相切高度上的太陽輻射,再由此反演該地微量氣體與氣溶膠消光系數等的垂直分布(Russell et al.,1993)。此裝置于1991年10月11日開始工作,HALOE提供的原始資料的緯向測量范圍為80°S～80°N,而垂直分辨率很高,從地表面到10-6hPa,共有271層,其觀測高度從大約10 km延伸到60～130 km。國內有許多專家針對原始資料進行了再分析處理(陳月娟等,2006;施春華和鄭彬,2008;施春華等,2009)。由于日落的資料經過一天的反應,NO、NO2的值比日出時要大,但混合比的垂直廓線很相似(簡俊等,2001)。本文在分析時使用了NO的日出資料,高度集中在對流層上部(550～100 hPa),并進行了二維插值處理。

2 全球閃電分布

圖1是利用OTD/LIS資料得到的全球1996—2005年平均閃電密度的分布?？梢钥闯?1)全球閃電主要集中在陸地上,全球約70%的雷暴集中在熱帶區域(南、北回歸線之間),且總體上北半球閃電密度高于南半球。2)全球有幾大閃電高密度帶,如非洲的剛果地區,這是全球閃電密度最大的地方,最高值達到229 fl·km-2·a-1(每年每平方千米發生閃電的次數)。熱帶地區閃電頻發體現了雷暴發生的一個關鍵因素,即陽光的照射使空氣溫度增加從而加強、加快了上升氣流,利于對流運動發展。3)喜馬拉雅山和印度板塊連接處(約75°E、35°N)為閃電密度高值區域,該區域主要是因為喜馬拉雅山脈垂直梯度大,阻擋氣流的通路,讓東南亞的熱帶季風無法向北面繼續發展,而被阻擋的暖濕氣流有利于雷暴發展。4)90～130°E、10°N～10°S的東南亞地區為閃電高密度帶,該地區主要是因為常年潮濕多雨,空氣中水汽含量大,而水汽在上升過程中冷卻、凝結,釋放出大量的潛熱,這是形成雷暴的一個重要因素。5)美國佛羅里達州、澳大利亞北部如庫努納拉、中國的臺灣地區由于海陸溫度的差異較大,也是雷電密度相對較高的區域。綜合而言,上述雷暴多發的典型區域具有溫度高、水汽含量充足的特點,同時受到局地地形、氣候條件等因素的影響。

圖1 1996—2005年全球閃電年平均密度的空間分布(單位:fl·km-2·a-1)Fig.1 Spatial distribution of annual average lightning density from1996 to 2005(units:fl·km-2·a-1)

圖2 1996—2005年全球閃電月平均密度的空間分布(單位: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

由圖2可見,12、1、2月閃電主要集中在南半球,6—8月閃電主要集中在北半球。這是因為12、1、2月為北半球冬季、南半球夏季,6—8月為北半球夏季、南半球冬季。夏季陽光照射強,加熱空氣并促使其上升,有利于對流發展,閃電活動就會增加?？傮w而言,6—8月閃電平均頻率高于12、1、2月,這與北半球大陸面積比南半球大有關。

3 全球NO分布及其與閃電的相關性

圖3是1996—2005年南半球NO體積分數逐月平均隨高度的變化。可見,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。圖2表明,南半球12、1、2月的閃電頻率同樣大于6—8月。這表明閃電和NO的量有明顯的正相關關系。此外,由圖3可見,在550～100 hPa的垂直范圍內,NO體積分數先逐漸增大再逐漸減小然后又逐漸增大,在350 hPa附近達到最大值,對應海拔8 km左右的高度,正好是云閃主要集中發生的高度(Thomas et al.,2004)。雖然隨著緯度的不同對流層頂高度有差異,但是該高度基本屬于對流層的上部,對流層上部的NO主要由平流層輸入、飛機釋放和閃電產生,而前兩項所占比例不大,對流層上部NO的高值更多是由閃電直接產生的(Singh and Phompson,1996)。整體而言,300～400 hPa上南半球NO體積分數為7×10-12～11×10-12,總體變化不明顯,符合南半球閃電頻率的特性,即峰值與谷值相差不大,這是由于南半球海洋面積較大、海洋雷暴的季節變化不明顯所致。

圖3 1996—2005年多年平均的南半球NO體積分數隨高度的逐月變化(單位:10-12)Fig.3 Monthly variation of annual average NO volume fraction with height in Southern Hemisphere from 1996 to 2005(units:10-12)

圖4是1996—2005年北半球NO體積分數逐月平均隨高度的變化?？梢钥闯?北半球NO體積分數的高值主要集中在6—8月,即北半球夏季。圖2表明,北半球6—8月的閃電頻率大于12、1、2月。類似地,6—8月的NO體積分數大于12、1、2月。從垂直分布情況來看,北半球NO體積分數的高值位于350 hPa左右,北半球300～400 hPa的NO體積分數為3×10-12～17×10-12,總體變化相對較大,符合北半球閃電頻率的特性,這是由于北半球陸地閃電占主導地位所致。

圖4 1996—2005年多年平均的北半球NO體積分數隨高度的逐月變化(單位:10-12)Fig.4 Monthly variation of annual average NO volume fraction with height in Northern Hemisphere from 1996 to 2005(units:10-12)

圖5 350 hPa上1996—2005年多年平均的NO體積分數隨緯度的逐月變化(單位:10-12)Fig.5 Monthly variation of annual average NO volume fraction with latitude at 350 hPa(units:10-12)

選取了NO體積分數最高的350 hPa,圖5給出了該高度上NO體積分數的緯度—時間分布?？梢钥闯?北半球NO體積分數明顯高于南半球。前述的閃電頻數也是北半球大于南半球;Price(1997)的計算則表明北半球閃電總數約占全球閃電總數的64%。NO體積分數主要集中在南北緯15°范圍內,特別是在赤道地區,NO達到最高值,僅赤道地區的NO體積分數就占了全球的大約三分之一。從各月的分布來看,北半球NO體積分數呈現一個單峰單谷的分布,即1月至7月增加,7月至12月減小,且各月的差異較大,如:在15°N地帶,NO體積分數在1、2月只有6×10-12、7×10-12,而7月則超過16×10-12。南半球NO體積分數在6—8月較小,但與12、1、2月的差別不大,這與前述的南半球閃電密度分布類似。

Franzblau(1991)的研究表明,在雷電產生的NOx中,NO所占比例最大,約為NOx的75%～95%。因此本文主要研究了NO體積分數的時空分布。由其上述特征可看出,它與閃電的時空分布有著很密切的聯系,進一步證明了閃電特別是對流層上部的閃電對NOx有顯著的貢獻。

4 全球O3分布及其與閃電的相關性

NOx的變化會引起O3的相應變化(漏嗣佳等,2010;沈丹卉等,2011)。閃電在產生NOx后,NO、NO2會產生一系列的化學反應并最終生成O3(Noxon,1976)。其主要的化學反應式描述如下:

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在對流層高度是溫室氣體。因為閃電增多直接導致NOx增多;根據上述反應式,O3也會相應增多。Wild(2007)認為,當LNOx從3 Tg·a-1增長到8 Tg·a-1時,O3含量會增長10%,且對流層的NOx生命周期更長。可見雷電對氣候變化的影響是顯著的。

圖6是1996—2005年O3平均體積分數隨高度的變化。為了集中體現對流層上部的區別,主要分析了550～250 hPa的分布。圖6a表明,北半球夏季(6—8月)O3的體積分數高于年平均值,而冬季(12、1、2月)O3的體積分數小于年平均值。這與第2、3節中閃電及NO的季節變化一致。此外,在450～300 hPa,夏季O3體積分數呈明顯的增加趨勢,同一高度上夏季的值比年平均值大25%左右,而該高度正是LNOx的主要集中區域,表明閃電對對流層O3有直接貢獻。圖6b表明,南半球夏季(12、1、2月)O3的體積分數高于年平均值,而冬季(6—8月)O3的體積分數小于年平均值。南半球夏季O3體積分數高于冬季,但差異并不大,主要由于南半球多為海洋覆蓋、而海洋閃電的總體差異不大所致,第3節中NO的全球分布也有類似結果,本節中O3的垂直分布則更好地證明了該結論。

5 結論

利用OTD/LIS閃電衛星資料及微量氣體HALOE再分析資料,對全球的閃電、NO和O3的時空特征進行分析,得到以下結論:

圖6 1996—2005年多年平均的O3體積分數隨高度的變化(單位: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)全球大約70%的閃電集中在熱帶地區,總體而言,北半球的閃電密度大于南半球,閃電高密度帶主要集中在陸地地區,海洋區域閃電密度不大。全球有幾個典型的閃電高密度地區,如:非洲剛果地區,喜馬拉雅山和印度板塊連接地區,東南亞地區,美國佛羅里達,澳大利亞北部及臺灣地區。這些閃電高密度地區均滿足適宜雷暴發展的條件,有較強的上升氣流,有不穩定層結,有抬升動力,這些是閃電發展的必要條件。

2)閃電密度在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體積分數的高值主要集中在12、1、2月,北半球主要集中在6—8月,該特征表明閃電的多少與NO的量的相關性較大。

3)NO體積分數的垂直分布在對流層上部是先逐漸增大再逐漸減小然后又逐漸增大,在350 hPa左右達到最大,這正好是云閃發生的高度。在該高度,南半球NO體積分數為7×10-12～11×10-12,符合南半球閃電頻率的特性,即峰值和谷值相差不大,與海洋雷暴的季節變化不明顯有關。而北半球NO體積分數為3×10-12～17×10-12,與北半球陸地閃電占主導地位有關。上述證明對流層上部NO的高值主要由閃電直接產生。

4)全球對流層上部O3體積分數在夏季高于年平均,在冬季低于年平均,這與閃電及NO的季節分布一致。450～300 hPa,北半球夏季O3體積分數呈明顯的增加趨勢,且同一高度的值比年平均值大25%左右;南半球夏季O3體積分數雖然高于冬季,但差異并不大,該特征與閃電及NO的特征類似,O3的垂直分布更好地證明了閃電對對流層O3的直接貢獻。

致謝:本文所用HALOE資料由UARS衛星計劃的研究人員在網站上提供并可自由下載,所用HALOE的再分析資料由中國科學技術大學地球和空間科學學院周任軍、陳月娟提供,所用閃電衛星資料由美國全球水資源和氣候中心GHRC在網站上提供并可自由下載,使我們的工作得以順利進行。在論文寫作中得到南京信息工程大學施春華副教授的指導。在此一并表示衷心感謝!

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(責任編輯：倪東鴻)

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

國家自然科學基金資助項目(41275008);國家重點基礎研究發展計劃項目(2014CB441403);公益性行業(氣象)科研專項(GYHY201306069);中國氣象科學研究院基本科研業務費專項資金(2013Z006)

郭鳳霞,博士,副研究員,研究方向為大氣電學,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

陳聰,郭鳳霞,鞠曉雨.2015.全球閃電活動與對流層上部NO及O3的相關性分析[J].大氣科學學報,38(2):273-278.

Chen Cong,Guo Feng-xia,Ju Xiao-yu.2015.Relationships between global lightning activity and NO and O3in the upper troposphere[J].Trans Atmos Sci,38(2):273-278.(in Chinese).