陳聰,郭鳳霞,鞠曉雨,3

(1.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學(xué) 中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)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(guān)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(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學(xué) 中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)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(xiàn),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(wèi)星格點(diǎn)資料,以及高層大氣研究衛(wèi)星(UARS)上的鹵素掩星試驗(yàn)(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?jǐn)?shù)的時(shí)空分布特征及其相關(guān)性。結(jié)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(jié)分布與NO、O3類似;NO體積分?jǐn)?shù)在350 hPa附近達(dá)到最大,該高度的南半球NO體積分?jǐn)?shù)變化范圍為7×10-12～11×10-12、北半球?yàn)?×10-12～17×10-12;450～300 hPa,北半球夏季O3體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)高于冬季,但差異并不大。結(jié)論進(jìn)一步證明了閃電與對流層上部NO及O3的密切關(guān)系,也為研究全球氣候變化提供有力證據(jù)。

閃電;NO;O3;對流層上部

0 引言

由閃電通道的高溫高壓而產(chǎn)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(rèn)識是循序漸進(jìn)的。早期的研究方法主要是野外觀測、實(shí)驗(yàn)室模擬和理論計(jì)算三種。Noxon(1976)在野外觀測中發(fā)現(xiàn),雷暴云中閃電活動區(qū)域的NO2比云外約大一個(gè)量級,首次證實(shí)了閃電對產(chǎn)生NOx的重要性。Chameides(1979)第一次在實(shí)驗(yàn)室中測得了火花放電產(chǎn)生的NOx的量,在此基礎(chǔ)上外推計(jì)算了全球LNOx的量。Biazar and McNider(1995)通過假設(shè)峰值電流、電導(dǎo)率、通道半徑和長度等閃電參數(shù),得到了一次閃電釋放的能量,再結(jié)合每焦耳能量產(chǎn)生的NOx的量和全球閃電頻數(shù)估算出LNOx的總量。金敏等(2012)利用閃電定位數(shù)據(jù),估算了中國地區(qū)LNOx的量,初步分析了LNOx的時(shí)空分布特征。研究表明,閃電對對流層上部NOx的貢獻(xiàn)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(xiàn)在對流層高度則是溫室氣體(Roelofs et al.,2003),會嚴(yán)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(xué)成分的,同時(shí)也為研究全球氣候變化提供有力證據(jù)。

Price(1997)利用閃電能量理論估算出64%的LNOx在北半球產(chǎn)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(xué)模式模擬認(rèn)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(qū),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(dǎo)致它們所產(chǎn)生的NOx的量并不相同,而僅用一個(gè)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(shù)理想化,結(jié)果與真實(shí)值可能有一定差異。

近年來基于衛(wèi)星資料的閃電分布特征研究越來越多,綜合應(yīng)用閃電資料和其他衛(wèi)星資料成為大氣化學(xué)研究和全球氣候預(yù)測的新方法,也逐漸成為氣候變化相關(guān)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(jìn)一步討論閃電對對流層上部NO和O3的貢獻(xiàn),本文主要利用閃電和微量氣體兩種衛(wèi)星資料,從閃電的南、北半球及季節(jié)分布的差異入手,分析南、北半球閃電頻數(shù)的特點(diǎn),繼而對比分析對南、北半球不同季節(jié)NO和O3的體積分?jǐn)?shù)變化,在此基礎(chǔ)上,對全球閃電、NO和O3的時(shí)空分布相關(guān)性進(jìn)行分析。

1 資料

1.1 閃電衛(wèi)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(diǎn)資料(王義耕等,2010)。安置在MicroLab-1衛(wèi)星上的光學(xué)瞬變探測器(OTD)在高度740 km的軌道上運(yùn)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(qū)域內(nèi)的閃電活動。該儀器的空間分辨率是10 km,時(shí)間分辨率為2 ms,完成一個(gè)完整的本地日循環(huán)需要大約55 d的時(shí)間。安置在TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)上的閃電成像感應(yīng)器(LIS)采用128×128像素點(diǎn)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(qū)域內(nèi)閃電的活動。該儀器空間分辨率是4 km,時(shí)間分辨率為2 ms,完成一個(gè)完整的本地日循環(huán)需要大約49 d的時(shí)間。它可以給出閃電發(fā)生的時(shí)間、經(jīng)緯度、閃電光輻射能、持續(xù)時(shí)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(shí)間尺度為11 a。隨著LIS資料的進(jìn)一步積累和算法的改進(jìn),該資料也在不斷的更新之中。2.2版本的OTD/LIS格點(diǎn)資料有高(0.5°×0.5°)和低(2.5°×2.5°)兩種分辨率,實(shí)際數(shù)據(jù)中每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的閃電率密度由探測器探測到的該網(wǎng)格點(diǎn)上的總閃電數(shù)除以對該網(wǎng)格點(diǎn)的實(shí)際照射時(shí)間而得,并經(jīng)過了探測器探測效率及網(wǎng)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(wèi)星(UARS)上的鹵素掩星試驗(yàn)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(shù)。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(dāng)太陽相對于某地是剛升起或落下時(shí),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(shù)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(nèi)有許多專家針對原始資料進(jìn)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(jīng)過一天的反應(yīng),NO、NO2的值比日出時(shí)要大,但混合比的垂直廓線很相似(簡俊等,2001)。本文在分析時(shí)使用了NO的日出資料,高度集中在對流層上部(550～100 hPa),并進(jìn)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(qū)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(qū),這是全球閃電密度最大的地方,最高值達(dá)到229 fl·km-2·a-1(每年每平方千米發(fā)生閃電的次數(shù))。熱帶地區(qū)閃電頻發(fā)體現(xiàn)了雷暴發(fā)生的一個(gè)關(guān)鍵因素,即陽光的照射使空氣溫度增加從而加強(qiáng)、加快了上升氣流,利于對流運(yùn)動發(fā)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(qū)域,該區(qū)域主要是因?yàn)橄柴R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(fēng)無法向北面繼續(xù)發(fā)展,而被阻擋的暖濕氣流有利于雷暴發(fā)展。4)90～130°E、10°N～10°S的東南亞地區(qū)為閃電高密度帶,該地區(qū)主要是因?yàn)槌Ｄ瓿睗穸嘤?空氣中水汽含量大,而水汽在上升過程中冷卻、凝結(jié),釋放出大量的潛熱,這是形成雷暴的一個(gè)重要因素。5)美國佛羅里達(dá)州、澳大利亞北部如庫努納拉、中國的臺灣地區(qū)由于海陸溫度的差異較大,也是雷電密度相對較高的區(qū)域。綜合而言,上述雷暴多發(fā)的典型區(qū)域具有溫度高、水汽含量充足的特點(diǎn),同時(shí)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?yàn)?2、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(qiáng),加熱空氣并促使其上升,有利于對流發(fā)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(guān)。

3 全球NO分布及其與閃電的相關(guān)性

圖3是1996—2005年南半球NO體積分?jǐn)?shù)逐月平均隨高度的變化?？梢?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(guān)關(guān)系。此外,由圖3可見,在550～100 hPa的垂直范圍內(nèi),NO體積分?jǐn)?shù)先逐漸增大再逐漸減小然后又逐漸增大,在350 hPa附近達(dá)到最大值,對應(yīng)海拔8 km左右的高度,正好是云閃主要集中發(fā)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(jī)釋放和閃電產(chǎn)生,而前兩項(xiàng)所占比例不大,對流層上部NO的高值更多是由閃電直接產(chǎn)生的(Singh and Phompson,1996)。整體而言,300～400 hPa上南半球NO體積分?jǐn)?shù)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(jié)變化不明顯所致。

圖3 1996—2005年多年平均的南半球NO體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)逐月平均隨高度的變化?？梢钥闯?北半球NO體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)大于12、1、2月。從垂直分布情況來看,北半球NO體積分?jǐn)?shù)的高值位于350 hPa左右,北半球300～400 hPa的NO體積分?jǐn)?shù)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(dǎo)地位所致。

圖4 1996—2005年多年平均的北半球NO體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)最高的350 hPa,圖5給出了該高度上NO體積分?jǐn)?shù)的緯度—時(shí)間分布?？梢钥闯?北半球NO體積分?jǐn)?shù)明顯高于南半球。前述的閃電頻數(shù)也是北半球大于南半球;Price(1997)的計(jì)算則表明北半球閃電總數(shù)約占全球閃電總數(shù)的64%。NO體積分?jǐn)?shù)主要集中在南北緯15°范圍內(nèi),特別是在赤道地區(qū),NO達(dá)到最高值,僅赤道地區(qū)的NO體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)呈現(xiàn)一個(gè)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?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)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(chǎn)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?jǐn)?shù)的時(shí)空分布。由其上述特征可看出,它與閃電的時(shí)空分布有著很密切的聯(lián)系,進(jìn)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(xiàn)。

4 全球O3分布及其與閃電的相關(guān)性

NOx的變化會引起O3的相應(yīng)變化(漏嗣佳等,2010;沈丹卉等,2011)。閃電在產(chǎn)生NOx后,NO、NO2會產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)并最終生成O3(Noxon,1976)。其主要的化學(xué)反應(yīng)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?yàn)殚W電增多直接導(dǎo)致NOx增多;根據(jù)上述反應(yīng)式,O3也會相應(yīng)增多。Wild(2007)認(rèn)為,當(dāng)LNOx從3 Tg·a-1增長到8 Tg·a-1時(shí),O3含量會增長10%,且對流層的NOx生命周期更長?？梢娎纂妼夂蜃兓挠绊懯秋@著的。

圖6是1996—2005年O3平均體積分?jǐn)?shù)隨高度的變化。為了集中體現(xiàn)對流層上部的區(qū)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?jǐn)?shù)高于年平均值,而冬季(12、1、2月)O3的體積分?jǐn)?shù)小于年平均值。這與第2、3節(jié)中閃電及NO的季節(jié)變化一致。此外,在450～300 hPa,夏季O3體積分?jǐn)?shù)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(qū)域,表明閃電對對流層O3有直接貢獻(xiàn)。圖6b表明,南半球夏季(12、1、2月)O3的體積分?jǐn)?shù)高于年平均值,而冬季(6—8月)O3的體積分?jǐn)?shù)小于年平均值。南半球夏季O3體積分?jǐn)?shù)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(jié)中NO的全球分布也有類似結(jié)果,本節(jié)中O3的垂直分布則更好地證明了該結(jié)論。

5 結(jié)論

利用OTD/LIS閃電衛(wèi)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(shí)空特征進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:

圖6 1996—2005年多年平均的O3體積分?jǐn)?shù)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(qū),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(qū),海洋區(qū)域閃電密度不大。全球有幾個(gè)典型的閃電高密度地區(qū),如:非洲剛果地區(qū),喜馬拉雅山和印度板塊連接地區(qū),東南亞地區(qū),美國佛羅里達(dá),澳大利亞北部及臺灣地區(qū)。這些閃電高密度地區(qū)均滿足適宜雷暴發(fā)展的條件,有較強(qiáng)的上升氣流,有不穩(wěn)定層結(jié),有抬升動力,這些是閃電發(fā)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?jǐn)?shù)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(guān)性較大。

3)NO體積分?jǐn)?shù)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(dá)到最大,這正好是云閃發(fā)生的高度。在該高度,南半球NO體積分?jǐn)?shù)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(jié)變化不明顯有關(guān)。而北半球NO體積分?jǐn)?shù)為3×10-12～17×10-12,與北半球陸地閃電占主導(dǎo)地位有關(guān)。上述證明對流層上部NO的高值主要由閃電直接產(chǎn)生。

4)全球?qū)α鲗由喜縊3體積分?jǐn)?shù)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(jié)分布一致。450～300 hPa,北半球夏季O3體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)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(xiàn)。

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

Barthe C,Pinty J P,Mari C.2007.Lightning-produced NOxin an explicit electrical scheme tested in a Stratosphere-Troposphere Experiment:Radiation,Aerosols, and Ozone case study[J].J Geophys Res,112,D04302.doi:10.1029/2006JD007402.

Beirle S,Spichtinger N,Stohl A,et al.2006.Estimating the NOxproduced by lightning from GOME and NLDN data:A case study in the Gulf of Mexico[J].Atmos Chem Phys,6:1075-1089.

Biazar A P,McNider R T.1995.Regional estimates of lightning production of nitrogen oxides[J].J Geophys Res,100:22861-22874.

Chameides W L.1979.Effect of variable energy input on nitrogen fix ation in instantaneous linear discharges[J].Nature,277:123-125.

陳月娟,施春華,周任君,等.2006.我國上空平流層中微量氣體的垂直分布和變化趨勢[J].地球物理學(xué)報(bào),49(5):1288-1297. Chen Yuejuan,Shi Chunhua,Zhou Renjun,et al.2006.Contents and trends of the trace gases in the stratosphere over China[J].Chinese J Geophys,49(5):1288-1297.(in Chinese).

Donald W B,Scott S,Zhang R Y,et al.2002.The importance of NOxproduction by lightning in the tropics[J].Atmos Environ,36:1509-1519.

Franzblau E.1991.Electrical discharge involving the formation of NO,NO2,HNO3and O3[J].J Geophys Res,96:22337-22345.

簡俊,陳月娟,鄭彬,等.2001.北半球中層大氣中NOx的垂直分布特征[J].大氣科學(xué),25(5):697-706. Jian Jun,Chen Yuejuan,Zheng Bin,et al.2001.NOxvertical distribution in the middle atmosphere in the Northern Hemisphere[J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences,25(5):697-706.(in Chinese).

金敏,張其林,安興琴,等.2012.中國區(qū)域閃電特征分析及閃電產(chǎn)生NOx量的估算[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),35(3):372-379. Jin Min,Zhang Qilin,An Xingqin,et al.2012.Analysis of the features of lightning in China and estimation of lightning-produced NOx[J].Trans Atmos Sci,35(3):372-379.(in Chinese).

Jourdain L D,Hauglustaine A.200l.The global distribution of lightning NOxsimulated on-line in a general circulation model[J].Phys Chem Earth,26(8):585-591.

Labrador L J,Kuhlmann R,Lawrence M G.2005.The effect of lightning-produced NOxand its vertical distribution on atmospheric chemistry:Sensitivity simulations with MATCHMPIC[J].Atmos Chem Phys,5:1815-1834.

Levy II H,Moxim W J,Klonecki A A,et al.1999.Simulated troposphere NOx:Its evaluation,global distribution and individual source contributions[J].J Geophys Res,104:26279-26306.

Logan J A.1983.Nitrogen oxides in the troposphere:Global and regional budgets[J].J Geophys Res,88:10785-10807.

漏嗣佳,朱彬,廖宏.2010.中國地區(qū)臭氧前體物對地面臭氧的影響[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),33(4):451-459. Lou Sijia,Zhu Bin,Liao Hong.2010.Impacts of O3precursor on surface O3concentration over China[J].Trans Atmos Sci,33(4):451-459.(in Chinese).

Martin R V,Jacob D J,Logan J A,et al.2002.Interpretation of TOMS observations of tropical tropospheric ozone with a global model and in situ observations[J].J Geophys Res,107(D18),4351.doi:10.1029/2001JD001480.

Martin R V,Sioris C E,Chance K R,et al.2006.Evaluation of space-based constraints on global nitrogen oxide emissions with regional aircraft measurements over and downwind of eastern North America[J].J Geophys Res,111,D15308.doi: 10.1029/2005JD006680.

Noxon J F.1976.Atmospheric nitrogen fixation by lightning[J].J Geophy Res,3:463-465.

Price C,Penner J,Prather M.1997.NOxfrom lightning.1.Globaldistribution based on lightning physics[J].J Geophys Res,102:5929-5941.

Roelofs G J,Scheeren H A,Heland J,et al.2003.A model study of ozone in the eastern Mediterraneanfree troposphere during MINOS(August 2001)[J].Atmos Chem Phys,3:1199-1210.

Russell J M,Gordley L L,Park J H,et al.1993.The halo genoccultation experiment[J].J Geophys Res,98(D6):10777-10797.

Schumann U,Huntrieser H.2007.The global lightning-induced nitrogen oxides source[J].Atmos Chem Phys,7:3823-3907.

沈丹卉,王體健,沈毅,等.2011.中國近30 a臭氧氣候場特征[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),34(3):288-296. Shen Danhui,Wang Tijian,Shen Yi,et al.2011.Characteristics of ozone in China in recent thirty years[J].Trans Atmos Sci,34(3):288-296.(in Chinese).

施春華,鄭彬.2008.歐洲中心臭氧再分析資料與HALOE觀測資料的對比分析[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),31(6):827-834. Shi Chunhua,Zheng Bin.2008.A comparison analysis on stratospheric ozone of ERA-40 reanalysis and HALOE observations[J].Journal of Nanjing Institute of Meterology,31(6):827-834.(in Chinese).

施春華,鄭彬,陳月娟.2009.平流層臭氧對地表有機(jī)氯排放的多耦合響應(yīng)[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),32(4):522-529. Shi Chunhua,Zheng Bin,Chen Yuejuan.2009.Stratospheric ozone in response to increased surface CFCs emissions[J].Trans Atmos Sci,32(4):522-529.(in Chinese).

Singh H B,Phompson A M.1996.Reactive nitrogen and ozone over the western Pacific:Distribution,partitioning,and sources[J].J Geophys Res,101:1793-1808.

Thomas R J,Krehbiel P R,Rison W,et al.2004.Accuracy of the lightning mapping array[J].J Geophys Res,109,D14207.doi:10.1029/2004JD004549.

王義耕,劉潔,王介君,等.2010.衛(wèi)星觀測的西南地區(qū)閃電的時(shí)空分布[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),33(4):489-495. Wang Yigeng,Liu Jie,Wang Jiejun,et al.2010.Temporal and spatial distributions of lightning activity in Southwest China based on satellite observations[J].Trans Atmos Sci,33(4):489-495.(in Chinese).

Wild O.2007.Modelling the global tropospheric ozone budget:Exploringthe variability in current models[J].Atmos Chem Phys,7:2643-2660.

(責(zé)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(xué)基金資助項(xiàng)目(41275008);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014CB441403);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201306069);中國氣象科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2013Z006)

郭鳳霞,博士,副研究員,研究方向?yàn)榇髿怆妼W(xué),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(guān)性分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),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).