青藏高原闪电与NO_2的分析及中国内陆地区LNO_x产量的估算

为了进一步认识闪电活动与对流层氮氧化物的关系及更准确地估算中国地区闪电产生的氮氧化物(LNOx)总量,选取人口稀疏,工业生产水平较低的青藏高原地区作为研究区域,基于LIS(Lightning Imaging Sensor)和GOME-2(The Global Ozone Monitoring Experiment-2)卫星探测仪资料,分析了青藏高原中部区域2009年1月至2012年2月闪电与对流层NO2垂直浓度(VCD)月均值资料的时空分布特性和相关性。在此基础上,结合Beirle et al.(2004)的LNOx估算方法,估算了中国内陆地区的LNOx产量。结果表明:青藏高原地区对流层NO2与闪电与在年际趋势、空间分布及季节变化上保持很好的一致性,闪电密度与NO2VCD的线性拟合相关系数为0.84,这表明青藏高原地区NOx受人为源影响小,是研究LNOx的理想区域。基于拟合结果,估算得到中国内陆地区LNOx的年均产量为0.15(0.03~0.38)Tg(N)a-1。这一结论进一步缩小了以往研究中中国地区LNOx产量估算的不确定范围,有助于更清楚地认识闪电在中国气候变化中的重要作用。     

闪电产生氮氧化物对青藏高原臭氧低谷形成的影响

为了进一步了解青藏高原闪电的产生氮氧化物（LNO_x）经由光化学反应对O₃浓度变化及夏季O₃低谷形成的可能影响,本文利用2005~2013年由OMI卫星得到的对流层NO₂垂直浓度柱（NO₂ VCD）、O₃总浓度柱（TOC）和O₃廓线以及星载光学瞬变探测器OTD和闪电成像仪LIS获取的总闪电数资料,对青藏高原和同纬度长江中下游地区的TOC和NO₂ VCD月均值时空分布特征、闪电与NO₂ VCD的相关性和O₃的垂直分布特征及其与LNO_x的关系进行了对比分析。结果表明,青藏高原的O₃低谷主要出现在夏季和秋季,其TOC值比同纬度长江中下游地区低约10~15 DU（Dobson unit）。青藏高原NO₂VCD总体较小,表现为夏高冬低的分布特征。青藏高原夏季O₃浓度受南亚高压的影响总体呈减小趋势,但因强雷暴天气导致对流层中上部LNO_x浓度升高,并随强上升气流向对流层顶输送,同时通过光化学反应使O₃浓度增加,缩小了青藏高原和同纬度地区的O₃浓度差,减缓了O₃总浓度的下降,抑制了夏季O₃低谷的进一步深化。     

青藏高原臭氧谷的分布及其与太阳辐射的关系

使用2005—2015年夏季Aura卫星微波临边探测器(MLS)逐日臭氧观测资料,讨论了夏季青藏高原臭氧低值区的三维分布。研究发现,青藏高原臭氧不仅在对流层顶附近存在着臭氧低值区,而且在平流层上层(20~1 hPa)也存在显著的低值区。高原区上空50%以上的臭氧存在于21.5~1.2 hPa的范围内,因此平流层上层高原臭氧低值对高原臭氧谷来说也很重要。使用合成分析法对MLS夏季北半球昼夜臭氧进行研究,结果表明该低值区仅存在于白天。根据高原区平流层上层臭氧模拟数据的集合经验模态分解,得到IMF4的平均频率为0.09,平均周期为11.1年,正好对应太阳活动最强的周期。说明太阳辐射是影响高原平流层上层臭氧低值中心的一个因素。     

2015-2017年中国近地面O3污染状况与影响因素分析

利用2015-2017年环保部发布的近地面臭氧(O_3)和其他3种污染物[粒径小于2. 5μm的颗粒物(PM_(2.5))、一氧化碳(CO)、二氧化氮(NO_2)]小时浓度数据和美国国家气候资料中心收集的气象要素监测数据,分析了中国近地面O_3污染状况,并用逐步回归方法分析了影响O_3重污染区域夏季近地面O_3浓度的因素。结果表明,2015-2017年我国O_3日最大8 h滑动平均浓度(O_3MDA8)年平均值分别为83.02±16. 79,87. 05±14. 32和94. 70±13. 89μg·m~(-3)。O_3MDA8浓度逐年增长(增长率14. 07%),其中冬季增长最快(增长率范围14. 67%～34. 32%),夏季增长最慢(增长率范围2. 32%～14. 16%)。京津冀、长三角、山东半岛、川渝和中原地区近地面O_3污染较重,影响这5个区域近地面O_3浓度的主要因素为温度、相对湿度和PM_(2.5),除此之外京津冀和川渝地区的近地面O_3浓度受NO_2影响明显,中原地区的近地面O_3浓度受CO影响明显。     

长三角地区典型城市臭氧及其前体物时空分布特征

基于美国宇航局NASA/AURA卫星臭氧监测仪OMI数据,分析了2005—2014年长三角地区及其典型城市对流层O_3、NO_2柱浓度和HCHO大气总柱浓度的时空分布特征。结果表明:10 a间,长三角地区对流层O_3柱浓度和HCHO总柱浓度呈现增长趋势,O_3增量为0.23ppbv/10 a,HCHO增量为0.07×10~(16) mol/(cm~2·10 a),对流层NO_2柱浓度呈现降低趋势,减量为0.06×10~(15)mol/(cm~2·10 a);长三角地区对流层O_3柱浓度最大值出现在3、4、5月,而对流层NO_2柱浓度最大值出现在1、12月,HCHO总柱浓度最大值出现在6、7月;对流层O_3柱浓度的高值区分布在长三角中部、北部区域,对流层NO_2柱浓度高值区分布于长三角中部,HCHO总柱浓度高值区相对分散,且四季的分布各不相同。O_3与NO_2和HCHO在时间和空间上呈现一定的相关性。     

夏季青藏高原低压的年际和年代际变化及其与我国降水的关系

利用NCEP/NCAR再分析月平均资料,分析了1948-2009年夏季青藏高原(下称高原)600hPa位势高度场的变化趋势,发现整个高原位势高度场都出现大范围的升高,低压中心主要位于27.5°-40°N、80°-102.5°E范围内,定义该范围内位势高度场的平均值为高原夏季低压指数。采用经验正交函数分解(EOF)和小波分析等方法对近62年夏季高原低压的年际和年代际变化特征进行了分析。结果表明,近62年夏季高原低压总体呈减弱趋势,在20世纪80年代之前,夏季高原低压指数均处于低值范围,并在1962年出现最小值,在1979年左右出现最大值,之后在高值范围内上下振荡;空间分布表现为低压在高原大部分区域均为由南向北递增,呈明显的纬向分布;低压在1976年发生了一次较明显的减弱突变。小波分析表明,低压具有1～2年和13年周期。利用中国596个测站的月降水资料,采用相关分析和合成分析等方法分析了高原低压与我国夏季降水的关系,分析表明,高原低压增强时长江流域和新疆地区的降水偏多,而东北、华北和华南地区的降水则偏少。     

中国对流层NOx垂直柱总量分布特征及其与闪电活动的相关性分析

闪电放电过程发出很强的光辐射,促进了光化学反应的进行,加快了NO_x向上的垂直输送,造成对流层上部NO_x的增加。闪电生成氮氧化物(LNO_x)是对流层上部NO_x(NO和NO_2)的主要来源,影响了对流层和平流层大气成分的垂直分布。本文利用2005—2013年TRMM卫星LIS传感器闪电密度和Aura卫星OMI传感器对流层NO_2垂直柱总量遥感观测数据,分析了中国地区对流层NO_2柱总量时空分布特征及其与闪电活动的相关性。发现,青藏高原地区对流层NO_2柱总量与闪电密度变化特征一致,表现为夏季高,冬季低,该地区LNO_x估算值约为339mol/次。基于LNO_x估算值分析中国不同地区LNO_x/NO_x百分比分布特征,发现,青藏高原地区春季和夏季LNO_x/NO_x较高,约为20%~60%,秋季和冬季低于20%;与之相比,NO_x排放较为严重的四川盆地、长江三角洲和珠江三角洲等地区普遍低于20%,中国地区LNO_x/NO_x百分比平均值低于10%。由此得出结论,LNO_x是青藏高原地区NO_x的主要排放源,人口密集和工业程度较高的四川盆地、长江三角洲和珠江三角洲地区NO_x主要来自于其它排放源。研究结果揭示了中国地区对流层NO_x柱总量分布特征及其与闪电活动的关系,对于研究闪电过程对于氮氧化物生成量的影响有重要意义。     

青藏高原地区大气臭氧变化的研究

文中综述了对青藏高原夏季大气臭氧低值中心的出现和可能形成的机理的一些研究结果。发现了青藏高原在夏季存在大气臭氧总量低值中心的事实 ,研究了该低值中心的背景环流特征 ;证实了青藏高原地区确为对流层与平流层物质输送的通道之一 ,以及它对青藏高原臭氧低值中心形成所起的作用 ;并用数值模拟方法揭示了该低值中心的形成原因。另外用资料证实了青藏高原地区夏季不但存在大气臭氧低值中心 ,而且该低值中心是一个强大气臭氧递减中心的事实。最后介绍了用数值模拟方法来预测青藏高原地区大气臭氧未来变化的趋势。     

杭州主城区O3与前体物浓度变化特征

利用2004～2006年杭州主城区环境空气监测资料,研究了O_3、NO_2和CO浓度的分布特征和时间变化规律,结果表明,杭州主城区3年的O_3、NO_2、CO的年均浓度都不大,分别为40、60、1400μg·m~(-3).四季中O_3、NO_2和CO浓度相差较大,O_3是夏季高冬季低,NO_2和CO则是秋季较高,夏季较低.O_3、NO_2和CO浓度日变化也很明显,其中O_3是单峰形态,NO_2和CO为双峰形态.不同天气条件下O_3与烃类的关系研究表明,晴天时烃类浓度减少,O_3浓度明显增加;阴天时O_3浓度较低,烃类浓度较高,它们的变化不大.白天和夜晚不同风速时O_3、C_2-C_(12)的浓度变化不同,白天风速增大时C_2-C_(12)浓度减小,O_3浓度增加;晚上无此变化.     

西南地区臭氧空间分布及变化趋势

本文利用2003年1月—2012年12月的MSR2臭氧总量月平均资料对四川盆地(28～31°N,104～106°E)、青藏高原(27～37°N,80～95°E)、云贵高原(23～27°N,98～106°E)3个区域的臭氧总量空间分布及变化趋势进行了对比分析。得到了以下结论,四川盆地常年存在臭氧总量最大值,青藏高原次之,云贵高原最低。在2003—2012年这10 a间西南地区臭氧总量总体呈上升趋势,这同全球臭氧总量近几十年的变化趋势相一致,其中上升趋势云贵高原四川盆地青藏高原。西南地区在这十年间分别出现了臭氧总量最小值年(2008年)和臭氧总量最大值年(2010年),其中青藏高原还出现了一个臭氧总量最小值年(2004年)。就臭氧总量季节变化而言,在2003—2012年10 a间西南地区臭氧总量在春季存在最大值,但是青藏高原的臭氧总量在秋季存在最小值,而四川盆地和云贵高原的臭氧总量在冬季存在最小值。     

基于TRMM/LIS资料的浙江省及周边地区闪电特征和气象要素分析

利用TRMM/LIS 0.1°超高分辨率闪电定位产品, 分析了浙江省及周边地区(117.5~123.0°E, 26~32°N)卫星闪电资料的时空分布特点; 并结合中国区域地面气象要素驱动数据集、亚洲大陆气溶胶光学厚度数据集, 分析了该区域闪电与气象要素的关系。结果表明: 研究区域内闪电平均密度为5.97 f1/(km2·a), 其中陆地闪电平均密度为7.94 f1/(km2·a), 海洋闪电平均密度为2.09 f1/(km2·a), 陆地闪电平均密度为海洋闪电平均密度的3.80倍; 平均闪电密度值逐月变化特征在陆地和海洋区域有很好的一致性, 夏季闪电密度最大, 冬季闪电密度值最小; 陆地闪电密度日变化呈现单峰结构, 海洋闪电密度日变化呈现双峰双谷波形。该区域陆地气温、地面辐射、比湿及降水率均与闪电密度的月变化成正相关, 其中地面降水率和闪电密度月变化相关系数最高, 为0.858 0;气溶胶光学厚度与闪电密度月变化呈现弱的负相关, 相关系数为-0.397 8。      

云南闪电活动的时空分布特征

利用1998-2013年TRMM卫星上携带的闪电探测仪(LIS)监测的闪电资料以及云南6个气象站降水观测资料,分析云南闪电活动的时空分布特征及其与降水量的关系。结果表明:(1)云南地区平均闪电密度为4.7 fl·km^-2·a^-1,闪电密度分布与地形密切相关,自西北向东南呈"V"字型带状增大,滇南的西双版纳、普洱东南部和中越边境的闪电活动最为活跃,最高值为30.6 fl·km^-2·a^-1。(2)闪电活动具有明显的季节变化和日变化。春、夏季闪电活动明显多于秋、冬季,其中春季闪电活动主要发生在滇南,而夏季则在滇东。滇北闪电活动的月分布呈单峰型,峰值在7月或8月,且闪电密度与降水量有较好的相关性,而滇西、滇南和滇东南则呈双峰型,峰值在4月,次峰值在7月或8月,闪电密度与降水量的相关性较差。云南大部地区闪电易发生在当地时间16:00-20:00,而密度高值区的闪电活动多发生在夜间。(3)云南闪电活动明显受地形和海拔高度影响,且与季风密切相关。     

TRMM卫星观测到的华南地区的闪电时空分布特征

利用TRMM卫星上携带的闪电探测仪(LIS)所获取的9年闪电资料(1998—2006年)对华南地区闪电活动的时空分布特征进行了分析。该地区闪电次数的年差异较大,最多年份是最少年份的2倍多,闪电活动季节性特征非常明显,闪电主要集中发生在春末仲夏,呈现双峰值特征,4—8月是闪电高发期(约占全年总闪电活动的81.91%)。闪电活动的日变化表明,8月份闪电活动绝大多数发生在午后至傍晚时分,这也与对流活动相对应,5月份闪电活动除在午后有一个峰值区外,在凌晨也有一个不小的峰值区。华南地区的闪电密度高值区主要有：清远-广州一带、廉江市附近、海南岛中部,闪电密度低值区主要位于南海水面上。分析表明：华南地区闪电时空分布除与大尺度的天气系统背景有关外,还与太阳辐射、地形抬升、下垫面的性质等有关。太阳辐射的季节变化和日变化等是造成闪电时间分布的重要原因;地形的抬升作用和下垫面的性质及其差异是造成气候意义上中小尺度闪电空间分布差异的重要原因。     

用TRMM/LIS资料分析长江三角洲地区的闪电活动

统计分析了1998~2004年长江三角洲(长三角)地区由星载闪电成像传感器(LIS)观测的闪电资料，发现了该地区LIS闪电活动的一些时空分布特征:闪电次数的年差异较大，最多年份是最少年份的3倍；7~8月盛夏季节是闪电高发期，闪电次数和日数分别占全年的70%和60%；闪电高发期间的抬升指数(IL)小于-2℃；7~8月闪电主要集中于午后，3~6月则集中在上半夜；上海地区单日LIS闪电次数超过8次时，多伴有强对流天气和短时强降水；长三角地区的闪电活动区主要分布在上海的东部，部分沿江、沿湖地区和浙江的龙门山等山区；水域闪电少于陆地，大城市城区下风方向闪电活动较多，部分雷暴刚入海时有加强的趋势。分析表明:太阳辐射的季节变化和日变化等是造成闪电时间分布的主要原因；地形的动力作用和下垫面的物理特性及其差异是造成气候意义上中小尺度闪电空间分布差异的主要原因。文章对LIS闪电定位资料进行了探测效率订正，根据LIS注视时间计算了闪电密度，并与地基闪电定位资料和多普勒天气雷达资料进行了对比。LIS闪电活动特征的分析，对雷暴预警和防灾减灾有指导意义。     

青藏高原和北美夏季臭氧谷垂直结构和形成机制的比较

利用MLS卫星资料和ERA-Interim再分析资料,比较了青藏高原和北美夏季臭氧谷的垂直结构和形成机制。结果如下:青藏高原夏季臭氧谷在垂直方向上存在两个低值中心,一个中心位于对流层顶附近,强度约为-15 DU,形成原因主要为水平幅散,另一个中心位于上平流层,强度约为-1 DU,形成原因可能为光化学反应参与的氯自由基的催化损耗。北美夏季臭氧谷仅存在一个低值中心,位于对流层顶附近,该中心强度约为-5 DU,其形成的主要原因是水平辐散。     

江苏臭氧污染特征及其与气象因子的关系

本文利用2013—2017年江苏70个环境监测站资料和13个国家气象观测站常规观测资料,研究江苏臭氧污染特征及其与气象因子的关系。结果表明:江苏臭氧质量浓度和超标率逐年增长,其空间分布特征由东部沿海城市大于西部内陆城市逐渐转为东西部城市差异不明显,南部城市超标率总体高于北部;4—9月臭氧质量浓度处于较高水平,夏季超标占一半以上;日变化呈"单峰单谷"型,15时(北京时间)前后超标率最大,O_(3-8 h)较O_(3-1 h)峰值推后3—4 h;O_3对空气质量不达标的贡献率呈逐年上升趋势;臭氧质量浓度与颗粒物和前体物NO_x日变化呈反相关,且存在"周末效应"。江苏地区臭氧质量浓度总体与气温正相关,相对湿度负相关,气温高于25℃、相对湿度30%～50%区间、风速低于4 m·s~(-1)以下易出现高浓度臭氧;苏南的城市主要在东南风向对应较高的值,而苏北城市多在西南风向对应的较高臭氧质量浓度值。     

青藏高原臭氧低值中心的变化与我国气候的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料、GPCP降水资料以及我国160个台站的降水资料, 研究了青藏高原臭氧低值中心偏强年和偏弱年的气候差异。结果表明，5～7月平均的青藏高原臭氧总量变化与我国当年夏季、冬季以及第二年春季的气温和降水等有明显的相关关系:在臭氧低值中心偏强年夏季, 中国绝大部分地区地面气温比多年平均偏高, 长江以南地区降水偏多, 长江以北大部分地区降水偏少, 尤其是长江中下游和黄河中下游之间的地面降水偏少特别明显。在臭氧低值中心偏强年冬季和次年春季, 中国大部分地区冬季风比多年平均弱, 使得绝大部分地区地面气温偏高。臭氧低值中心偏弱年的情况基本上与偏强年相反。因此, 青藏高原上空臭氧低值中心的变化在气候预测中是一个值得重视的因子。     

CLM4.5模式对青藏高原土壤湿度的数值模拟及评估

本文利用1981～2016年的CRUNCEP资料（0.5°×0.5°）作为大气驱动数据,驱动CLM4.5（Community Land Model version 4.5）模式模拟了青藏高原地区1981～2016 年的土壤湿度时空变化。将模拟数据与台站观测资料、再分析资料（ERA-Interim和GLDAS-CLM）和微波遥感FY-3B/MWRI土壤湿度资料对比验证,表明了CLM4.5模拟资料可以合理再现青藏高原地区土壤湿度的空间分布和长期变化趋势。而且基于多种卫星遥感资料建立的较高分辨率（0.1°×0.1°）的青藏高原地表数据更加细致地刻画了土壤湿度的空间变化。对比结果表明:CLM4.5模拟土壤湿度与各个台站观测的时空变化一致,各层土壤湿度的模拟和观测均显著相关,且对浅层的模拟优于深层,但模拟结果比台站观测系统性偏大。模拟与再分析资料和微波遥感资料土壤湿度的空间分布具有一致性,均表现为从青藏高原的西北部向东南部逐渐增加的分布特点,三江源湿地和高原东南部为土壤湿度的高值区,柴达木盆地和新疆塔里木盆地的沙漠地区为低值区,土壤湿度由浅层向深层增加。土壤湿度的长期变化趋势基本表现为“变干—变湿”相间的带状分布,不同层次的土壤湿度变化趋势基本一致。模拟资料也合理地再现了夏季土壤湿度逐月的变化:高原西南地区的土壤湿度明显大范围增加,北部的柴达木盆地的干旱范围也明显的向北收缩,高原南部外围土壤湿度也明显增加,CLM4.5模拟土壤湿度比再分析资料和微波遥感资料更加细致地描述了夏季逐月土壤湿度空间分布及其变化特征。     

夏季南亚高压对其邻近UTLS区域臭氧分布的影响

利用欧洲中期数值预报中心（ECMWF）提供的ERA5高分辨率月平均再分析资料，分析了1991—2020年共30 a夏季6—8月南亚高压对其邻近上对流层—下平流层区域臭氧（O₃）分布的影响。结果表明：ERA5资料能清晰地刻画出南亚高压夏季6—8月的月变化及振荡特征，同时能很好地反映出对应的臭氧低值这一现象。此外，ERA5高分辨率资料还能揭示出臭氧低值的范围和强度变化与南亚高压的范围和强度变化之间存在紧密联系。当南亚高压异常偏强（弱）时，邻近区域的臭氧低值增强（减弱），当南亚高压中心位置发生振荡时，臭氧浓度纬向偏差的中心也随之发生变化，这种变化在南亚高压偏强年时更明显。但这种联系有一定复杂性，不同月份的相关性存在差异。南亚高压对臭氧浓度的这种影响主要与对流层的空气输送有关，臭氧低值中心位置和范围的变化与位涡低值、位温纬向偏差负值区域分布相对应。     

利用卫星资料分析我国北方东西部臭氧分布差异

利用SAGE Ⅱ和HALOE臭氧垂直分布资料和TOMS臭氧总量资料, 研究我国北方(45°~55°N和35°~45°N范围), 东部(105°~135°E) 和西部(75°~105°E) 大气臭氧总量和垂直分布特征和差异。结果表明:我国北方东部冬季、春季和秋季臭氧总量明显大于西部, 主要表现在平流层臭氧极大值附近及其以下高度臭氧含量东部比西部明显偏大, 这种差异在冬、春季尤为明显; 随着纬度的降低, 冬季和秋季臭氧总量东、西部差异减小, 但春季臭氧总量东、西部差异没有明显改变; 夏季, 在45°~55°N范围, 东、西部臭氧分布没有明显差异, 但在35°~45°N范围, 臭氧分布东、西部差异较明显, 臭氧总量东、西部差异达到20.6 DU, 16 km以下臭氧柱总量东、西部差异达到12.8 DU。该文还对导致我国东、西部臭氧分布差异的原因进行了分析。