區域性強雷暴和貴州城市高濃度臭氧的關系

高蘭蘭 王德賢 張藍月 王永紅 王 琴 張春暉鐘敏文 徐 徐 趙曉韻 劉 群 羅 皓 陳 龍

(1. 貴州省環境監測中心站，貴陽 550081；2. 貴州省山地資源研究所，貴陽 550002；3. 貴州省環境科學設計研究院，貴陽 550081；4. 貴陽市空氣質量預測預警中心，貴陽 550002；5. 貴州眾藍科技有限公司，貴陽 550081)

全球臭氧約有90%集中在平流層，另外10%在對流層。臭氧是平流層中天然大氣最關鍵的組分，臭氧濃度的峰值出現在距地面10～25 km處。平流層中的臭氧可吸收短波紫外輻射，減少對人類和動植物的傷害，是地球生命物質的保護傘。對流層臭氧的存在不僅會影響大氣氧化性，而且由于臭氧的強氧化性，能參與多種大氣污染物的化學轉化過程，并對人類、生態系統、城市建設等造成傷害。

1 國內外研究現狀

1.1 國外文獻調研

雷暴閃電產生臭氧是眾所周知的，已知它包括兩個基本的過程：其一是閃電產生大量氮氧化物，然后在空氣中VOCs和自由基參與下氮氧化物通過光循環反應再產生臭氧；其二是閃電直接電離空氣中的氧分子從而產生臭氧。迄今大多數研究者都專注于前一種(NOx+VOCs)的光化學臭氧反應機制，有的還強調閃電產生的氮氧化物比人類活動有更大的貢獻，例如 K. Sudo(2007)[1]通過全球數值模式計算認為“在自由對流層，人類活動對O3生產的影響可能不那么明顯，因為從地表輸入的人為前體物有限，而閃電產生的氮氧化物貢獻更大。”相比較而言，對于閃電直接產生的臭氧則研究不多，有的研究甚至認為閃電并不直接產生臭氧[2]。

實際上上世紀中期以來國內外不少研究都提到閃電直接產生臭氧的問題，大部分研究都肯定閃電過程中的電暈放電產生臭氧，但對于閃電的臭氧產生量估計存在較大的差異。K. Minschwanner等(2008)[3]在美國素以研究雷暴著名的新墨西哥礦業技術學院使用實驗室數據、O3探空儀、O3地面布陣等手段估算出一個5km范圍的對流層內雷暴單體可產生1027～1028個O3分子(約等于105～106g)，并進而推算出全球雷暴電暈放電產生的臭氧約為110 Tg/年(估值范圍為40 Tg/年～180 Tg/年)，此數值相當于來自雷暴化學過程NOx產生的O3的21%，約等于對流層O3總化學產生率的3% 。另一項較為重要的雷暴產生臭氧的研究成果是德國學者在南美洲熱帶雨林對強雷暴進行野外探測研究取得的，H.Bozem(2014)[4]使用多種地面和飛機、氣球等設備對強雷暴云體流入和流出的空氣臭氧、NOx、VOCs及其它有關成分進行了取樣探測，結合氣象衛星遙感資料和積云動力學的研究方法得到的估算結果是：每次閃電可產生5.12×1028個O3分子(9.89×1026～9.82×1028)，這一估計值比 K. Minschwanner等[3]的估計值高約5倍。

許多關于閃電和臭氧關系的進一步研究成果都指出雷暴閃電產生O3和NOx的機制是截然不同的。Donohoe 等[5](1977)測量了來自脈沖放電的NOx (包括NO和NO2)、N2O和O3，所使用的電力設備分別產生冷放電(低溫電暈)和熱放電(高溫電弧)，他們指出：主要的NOx來自熱放電而O3和N2O來自冷放電；Peyrous等[6](1982)通過一個更大型的實驗證實了Donohoe等的工作，他指出O3主要來自低溫的預放電而NOx來自高溫放電；Levine等(1981)[2]則在一次大型放電(104J)中實測到所有的NOx都是在沒有O3存在的情況下來自NO，所測得的NOx生成率是每焦耳生成5×1016個分子，全部來自NO。

Saunois等[7](2008)使用二維模式模擬非洲季風時期的臭氧輸送結果表明，赤道地區地表的臭氧前鋒在強雷暴深對流的作用下向上輸送，然后在 Hadley環流的上部區域被提升進入熱帶輻合帶的緯向平流輸送中。這種季節性跨緯度的高空遠距離輸送可能是中東至東亞春季對流層臭氧的一部分來源。

1.2 國內文獻調研

國內有關研究文獻不多，費蕾蕾[8](2017) 對廣東-香港區域雷暴閃電活動地區地面NOx和O3進行了研究，發現閃電主要是增加了NOx，閃電發生地區的地面O3則顯著減少。在實施人工引雷實驗中發現引雷前可能由于周圍雷暴云內電暈放電導致的O3增加，還發現引雷后O3濃度下降，作者認為可能與閃電產生的氮氧化物對O3的“滴定”衰減有關。

葉香等[9](2017)報道并分析了一次冷鋒過境與城市高濃度臭氧污染產生的聯系，認為鋒面雷暴閃電可能是城市夜間大面積臭氧產生的原因。

2 雷暴閃電產生臭氧的遠距離輸送

2.1 Hadley環流的跨緯帶輸送

除了Saunois等的數值模式研究以外，一些研究報告還根據衛星遙感監測資料提出對 Hadley環流遠距離輸送閃電臭氧的解釋[10]。

圖1 是臭氧的全球分布。全球地面臭氧大量集中在30°N附近，主要與北半球中緯度陸地面積大、植被和人類工業活動多有關。但地面臭氧還有其他來源，雷暴閃電就是一個不能忽略的方面。圖2是全球閃電的分布。

從雷暴和臭氧全球的大尺度分布情況看，圖1中阿拉伯半島上的臭氧高值區可能和圖2中撒哈拉沙漠以南的閃電高值區有關；第二個閃電與臭氧的關聯區是印度尼西亞、馬來半島、印支半島的閃電高發區—中國中東部和日本一帶的臭氧高值區；第三個關聯區是南美洲北部閃電高發區—大西洋臭氧高值區。這三個區域關聯可能與北半球大氣環流中 Hadley環流有關。

圖1 臭氧年均濃度的全球分布 (單位：ppbv/年)

圖2 閃電的全球分布

Hadley環流是半球大氣三圈環流中赤道低壓帶—副熱帶高壓帶之間的垂直環流圈，見圖3。赤道低壓帶上盛行上升氣流，在中緯度副熱帶高壓帶盛行下沉氣流。在赤道低壓帶的南美洲北部、非洲北部和印尼—馬來半島—印支存在大片閃電多發區。大量閃電產生的臭氧在強烈的上升氣流中進入高空，又隨高空西南風向下風方向傳輸數千公里到達30°N附近的哈得來環流下沉氣流區，由于臭氧氣體的比重大于空氣，在副熱帶高壓區就更容易下沉。見圖4。

圖3 三圈環流模式赤道輻合帶和哈德來環流的副熱帶下沉氣流區

(閃電高值區Hadley環流高空輸送 )圖4 臭氧的跨緯度帶輸送

2.2 雷暴云環流的臭氧輸送

大量閃電臭氧是被云內上升氣流和對周圍空氣的夾卷等動力過程攜帶到高空，經過高空水平氣流向下風向輸送101km～102km，再經雷暴系統外圍的補償性下沉氣流帶至地面，見圖5-1、5-2。

圖5-1 雷暴云環流的氣流分布(+為上升氣流 —為下沉氣流)

圖5-2 強雷暴云環流的氣流分布

臭氧由于其氧化活性和易分解性，在對流層下層通常的環境條件下半衰期約為幾十分鐘至幾小時。尤其在還原性物質較多和環境溫度較高時臭氧的衰變很大[11]。因此在討論城市大氣臭氧的來源時，關于遠距離傳輸問題，我們主要關注區域性強雷暴閃電的高空環流輸送。

印度學者Chandrakala Bharali等[12](2015) 通過豐富的資料分析論證，指出在印度東北部喜馬拉雅山南麓春夏兩季地面的臭氧來源除了光化學機制以外，雷暴閃電有著重要貢獻，并且認為對地面臭氧增量起作用的主要是閃電的位置而不是閃電強度，春季夜間的O3高值主要來自適當位置地區的雷暴。

圖6是Chandrakala Bharali等通過給出的地面臭氧濃度與遠距離雷暴閃電的關系。他們認為在雅魯藏布江河口附近的閃電臭氧主要來自西南孟加拉國方向。

圖6 雅魯藏布江河口2012-2014年臭氧濃度的加權軌跡簇分析圖(上：春季，下：夏季) (濃度單位：ppb)

3 貴州臭氧污染和雷暴閃電的初步關聯分析

鑒于大氣環境監測站的監測記錄都只能代表點位附近一個很小的區域，而臭氧具有很大的化學活性，在大氣中具有很大的時-空變化，因此在考察區域性的臭氧分布時最好有多個監測站的資料，使之有較好的區域代表性，我們選擇貴陽市對這一特征進行粗略的分析。表1是貴陽市國控監測站2016-2018年最大8小時臭氧(O3-8)超標日期間省內外雷暴出現情況，測站中有一個出現O3-8160 μg/m3即算一個臭氧超標日。雷暴閃電資料取自ADTD雷電定位系統數據。

表1的數據表明：2016-2018年貴陽市共出現最大8小時臭氧超標日45天，其中伴有周圍數百公里內存在區域性強雷暴的有43天，占比95.6%；貴州省內及周圍省市均無閃電發生的有2天，僅占4.4%。這個對比應該是明顯的，它表明：如果貴陽市附近存在區域性雷暴的大面積閃電，在城市本身空氣臭氧已達較高水平時，閃電區域產生的大量臭氧經過長距離傳輸可能疊加進來，導致城市臭氧濃度超標，出現以臭氧為主要污染物的城市空氣污染。

表1 貴陽市2016-2018年最大8小時臭氧超標(站)日附近區域雷暴出現統計

4 貴州省閃電的一般特征

4.1 貴州雷暴閃電的基本統計

4.1.1 總閃電次數

使用2015年8月——2018年4月共32個月ADTD雷電定位系統的資料對貴州省的雷電發生情況進行了時空分布的分析。

貴州省全年閃電總次數為418474次，平均每100 km2閃電237.5次。強對流雷暴天氣的產生主要是豐富的太陽輻射熱量供應、水汽供應與強烈對流抬升的地形條件。表2是貴州省各地區閃電總次數比較，以銅仁市、黔西南州和黔東南州較多，主要是由于這幾個地區是暖濕空氣進入貴州省的主要通道，而且沿途地形抬升劇烈，容易產生強對流雷暴天氣。畢節地區閃電較少的原因則主要是地勢高，熱力條件較差，水汽供應條件也比其他地區差一些。中部地區地處相對破碎平緩的苗嶺山地，強對流發展條件稍差。總的說，貴州省內的閃電發生情況并沒有太大的差別。

表2 貴州省各地區閃電次數

4.1.2 貴州省的閃電次數與國內外其它地區的比較

表3是貴州省與國內外其他地區閃電資料的比較，可以清楚地看出越向內陸、緯度越高以及地形越均勻的地區，閃電次數就越少。貴州各地的閃電在全國內陸城市比較起來，屬于多發區。

表3 貴州省閃電次數與國內外其他地區的比較(2015.8-2018.4)

從表3也可以推論：貴州省空氣臭氧來自雷暴閃電的貢獻比國內其他城市多，因此在研究城市臭氧的預報方法及污染防控對策時應特別注意。

4.2 貴州省閃電頻率的地區分布

圖7是2016-2018年貴州省各季節和全年平均的閃電分布情況，每個季節都各有其特點。雷暴的多少主要和冷(暖)空氣進入貴州路徑和抬升地形的坡度有關。春季主要是冷空氣從江漢平原向西南進入貴州銅仁和黔東南地區的冷鋒系統；其次是從廣西北上的南方暖濕氣流進入貴州黔西南地區的暖鋒系統；兩種鋒面經貴州高原地形抬升而發展強對流天氣，造成系統性的雷暴天氣。夏季的雷暴主要是云貴高原地形起伏和太陽輻射加熱地面不均勻造成的地方性雷暴；貴州城市的另一種閃電影響則來自云南、廣西發展的大片區域性雷暴。

圖7 貴州省各季節及全年閃電頻率的分布(10 km×10 km網格)

4.3 貴州省閃電的高度分布

圖8-1～8-2是一組強對流風暴區出現在平流層-電離層的閃電(等離子輝光放電)圖像。這些資料表明在對流層之上的平流層甚至電離層內都可受到對流層雷暴放電過程的影響而發生閃電活動。我們使用ADTD雷電定位系統的資料對貴州省的閃電發生高度進行了不同地區不同季節的分析。發現本省閃電大部分都發生在20 km以上的平流層—下部電離層高空。

圖8-1 貫穿對流層頂進入平流層的強雷暴云上部閃電

圖 8-2 被稱為“紅色精靈”的平流層—電離層閃電

貴州省閃電發生的高度見表4和圖9。發生在對流層的占41.4%，在平流層(臭氧層)的占25.9%，在電離層的占32.6%；可見將近60%的閃電是發生在對流層以上的平流層-臭氧層-電離層內。

表4 各地區閃電發生高度及次數占比統計

圖9-1 貴州省各地區各高度閃電次數的統計

圖9-2 貴州省各地區各高度閃電占比的統計

以上分析表明：我省大量閃電產生的臭氧可能主要是在20 km以上的平流層生成的，其輸送也主要是在高空進行，這也部分地解釋了閃電造成的臭氧往往是對遠距離外造成增量貢獻而在近距離內的貢獻并不明顯(當然還有雷暴區的降雨吸收衰減影響)。

4.4 貴州省閃電強度

閃電按其先導所帶電荷不同而具有極性，一般是負閃電多于正閃電，但正閃電由于其分支多于負閃電(見圖10)而產生的空氣電離產物可能更多。Venkanna等[13](2016) 認為典型的閃電是一對偶極子，在云的上部都是正閃電，云的下部都是負閃電。

圖10-1 貴州各季節強閃電(負)次數分布

圖10-2 貴州各季節強閃電(正)次數分布及示例

閃電強度可用回擊峰值強度(10KA)來度量，貴州閃電強度平均約±30×10 KA，為討論方便，我們將|100×10 KA|(包括正、負值)的閃電定為強閃電，初步估計強閃電占總閃電之比約為10%。

圖10-1是各季節及全年貴州強負閃電強正閃電的分布。

由圖10-1可見：強閃電無論正負都在畢節地區出現較多，其次是東部地區。值得注意的是：貴州省臭氧濃度的高值區常常不是強閃電多發區而是在其高空風的下風方向。

圖11表明貴州省臭氧濃度在黔北、黔中和西部地區較高，而強閃電多出現在黔西北和黔東南。這意味著平均而言，無論是總的閃電次數(圖9)還是強閃電次數高值區(圖10)，與臭氧高濃度區都不存在很好的對應關系。

由此，我們認為：雖然貴州城市臭氧的高濃度有來自附近雷暴閃電活動的貢獻，在一些地區臭氧超標的極端個例中絕大多數都有雷暴閃電的背景(見上文)。

5 雷暴閃電與城市空氣臭氧關系的個例分析

通過全省一些高濃度臭氧個例和對應雷暴閃電過程的調查分析，可以發現兩者的時間-空間聯系。

5.1 2017年8月10日黔中地區臭氧高濃度個例

2017年8月10日從09時開始延續到20時，貴陽-遵義-仁懷一帶的黔中地區出現了一次區域性的臭氧污染過程，圖12是當天貴州省各城市最大小時濃度分布。黔中地區和畢節地區的局部都出現較高的臭氧濃度。與此同時整個白天貴州省出現大面積的強雷暴活動，見圖13 。但臭氧高濃度區與強閃電區并不重合，例如黔東南和黔西南有較多閃電但臭氧并不高。

圖12 2017-8-10黔中地區臭氧污染情況

圖14分別給出了2017-8-10高臭氧時段貴州省地面以上10 km和50 km的閃電位置，可以看出此次雷暴閃電活動以清鎮-安順-黔西南片區和黔東南片區為主，但50 km以上平流層的閃電以清鎮-安順-黔西南片區為主，黔東南很少。因此黔中片區來自閃電的臭氧貢獻可能主要與清鎮-安順-黔西南的雷暴活動有關。此次過程中貴陽市區有8個測點O3-8超標，見表5。從表5的對比可以發現在貴州山區夏季強雷暴活動期間，臭氧濃度得到很大的增量而氮氧化物則基本未發生變化。這一情況和參考文獻[8]在廣東得到的閃電期間附近氮氧化物增加而臭氧減少的結果顯得互相矛盾。說明城市環境臭氧問題相當復雜，需要今后大家共同努力去解決。

圖14 2017-8-10 09:00～19:00貴州省10 km以上和50 km以上高空閃電

表5 貴陽市2017年8月10日O3和NO2濃度與2016-2018年平均值比較

5.2 2017年9月19日貴州西部-中部-東南部大片地區臭氧高濃度個例

2017年9月19日貴州西部-中部-東南部出現大片帶狀臭氧高濃度區，濃度并不很高(見圖15)，在90～140 μg/m3之間，出現時間主要在13時-17時。在同一地帶由于冷鋒進入出現了降溫和降水，同時還有大片雷暴區，從清晨05時到下午19時全省共出現閃電68 349次，其中貴陽市共發生閃電2 418次(見圖16)。此次雷暴過程面積大，持續時間長，臭氧高濃度區和雷暴集中區域對應較清楚。表明地面臭氧的增量主要來自當地的雷暴閃電，而且主要與50 km高空的閃電有關。

圖15 2017-9-19貴州省最大臭氧小時濃度分布

圖16-1 2017-9-19 05時-19時貴州省閃電次數(10 km×10 km網格)

圖16-2 2017-9-19 05時-19時貴州省50 km以上高空閃電(10 km×10 km網格)

5.3 2017年6月6日貴州-云南交界地區的高濃度臭氧個例

2017年6月6日位于滇黔交界烏蒙山主峰附近的威寧縣(海拔2400 m)城市國控監測站出現了接連7小時的臭氧小時濃度極高值，從62 μg/m3急劇升至628 μg/m3(見圖17)。考慮到這種局地臭氧高濃度飆升一般都與附近強大的臭氧排放源有關，我們調查了貴州、云南、四川、重慶和湖南的強對流天氣活動情況，發現在距離威寧西南方200 km～300 km以外的云南昆明、楚雄、玉溪區域從當天02時-09時有大片強雷暴發展，與圖17上威寧的圖18是當天02時-09時云、貴、川等5省區閃電的情況，發現當天周邊雷暴天氣活動不強，湖南方向的閃電主要在對流層；只有云南昆明、楚雄、玉溪區域有高層閃電活動，有利于平流層內的西南氣流向威寧方向輸送。

圖17 2017年6月6日威寧臭氧小時濃度曲線

O3濃度劇烈升高基本同步。

圖18-1 2017年6月6日云貴川區域對流層閃電

圖18-2 2017年6月6日云貴川區域平流層閃電

圖18-3 2017年6月6日云貴川區域整層閃電

此外需要考慮的是，威寧縣的空氣臭氧還可能來自大批風電場發電機和高壓放電設備。根據我們的調查分析，來自風電場的臭氧貢獻在威寧縣國控點監測值時間序列上表現得很平穩，沒有明顯的時間起伏；尤其在02時-09時這個平時是臭氧最低的時段，不可能出現如此高的數值飆升；因此我們初步認為圖17的過程是高空上風向大片強雷暴閃電造成的。

6 結論

(1)貴州城市臭氧形成污染，往往有強雷暴活動的背景(占比可超過95%)。

(2)對貴州城市臭氧污染造成影響的雷暴活動既有貴州本地的，也有附近云南、四川的，其遠距離傳輸影響距離大約為200 km～300 km。

(3)產生大量臭氧的閃電放電過程可能主要來自地面以上20 km～50 km的雷暴云上部以及50 km～100 km的平流層-電離層。

(4)粗略的估算表明：一個區域性強雷暴系統可以對其下風向幾十至幾百公里外的城市產生幾十μg/m3的臭氧濃度貢獻，從而導致城市臭氧濃度超標。