闪电产生的氮氧化物对青藏高原臭氧低值区的可能影响

为进一步认识闪电放电对夏季青藏高原地区臭氧低值区形成的可能影响,本文利用2005年-2013年星载光学瞬变探测器O TD和闪电成像仪LIS资料合成的LIS/OTD2.3版本再分析格点资料与荷兰皇家气象研究所TIMES提供的由OMI卫星得到的对流层NO_2垂直浓度月均值资料(NO2VCD)以及臭氧总浓度柱月均值资料(TOC)分析了中国地区臭氧(O_3)的空间分布特征,确定了青藏高原臭氧低值区范围。分析了所选范围内夏季闪电、NO_2VCD的空间分布以及年际变化关系。基于上述分析结果,进一步计算分析了NO_2VCD与O_3逐年夏季间浓度的差值关系。结果表明:青藏高原臭氧低值区范围为25°-43°N、72°-107°E。闪电产生的氮氧化物(LNOX)会明显导致夏季青藏高原臭氧的降低。     

青藏高原臭氧低谷的加深及其可能的影响

通过分析 TOMS(1 979～ 1 992 )资料发现 :(1 )青藏高原的臭氧不仅存在递减趋势 ,而且是一个递减的强中心 ,这个递减的强中心是同纬度地区 3个递减中心之一 ;(2 )夏季青藏高原臭氧低谷有加深的趋势 ,其递减率最大值为 - 0 .336% /a;加深区域为 2 9～ 33°N,78～ 94°E。另外 ,分析 SAGE 资料的结果表明 :青藏高原臭氧递减的强中心的形成是由于其平流层下部臭氧异常减少造成的。根据研究结果的趋势估测 :从 1 992年到 2 0 0 0年 ,夏季青藏高原紫外辐射增加大约为 1 .3%～ 2 .3% ,可能引起白内障发病率上升大约 0 .8%～ 1 .4% ,皮肤癌上升大约 3.2 %～ 5.4%。     

非均相化学过程在青藏高原臭氧低谷形成中的作用

分析SAGE II资料发现:青藏高原对流层顶最高不超过17.6 km,夏季平均在17 km以下:来自对流层中低层的物质很少能被输送到17.5 km以上,来自对流层中低层的输送不会长时间持续地影响17.5 km以上的区域。青藏高原以及同纬度地区在15 20 km高度温度低于210 K,非均相化学反应可能在此起着重要作用。夏季青藏高原臭氧低谷的形成高度主要是15—20km,而且是长时间持续性的。分析结果显示:15—20km非均相化学过程在夏季青藏高原臭氧低谷的形成中可能起重要作用,特别在17.5—20km高度其所起的作用可能是主要的;而在17.5 km以下,从以往的研究可以知道青藏高原的动力和热力作用对夏季青藏高原臭氧低谷的形成起着主要作用。在春季和秋季,青藏高原上15—20km的臭氧"亏损"也可能是由于非均相化学过程造成的,使得青藏高原臭氧低谷每年从4月持续到10月。并且,影响非均相化学过程的主导因素可能是温度。     

青藏高原夏季臭氧低谷形成的机理-臭氧输送和化学过程

利用三维化学输送模式(OSLO CTM2)模拟青藏高原夏季臭氧低谷。结果表明：在青藏高原夏季臭氧低谷的形成和变化过程中，动力输送过程起着最主要作用，化学过程部分补偿了输送过程引起的臭氧减少。在动力输送过程中，水平输送在5月份是造成臭氧减少的主要原因，可在6月和7月成为使臭氧增加；垂直平流的作用不断增强，在6月和7月成为臭氧减少的主要因素；对流输送的作用在7月份大幅增加，其引起的臭氧减少可以与净的变化相比，其作用也不可忽视。气相的化学过程引起的臭氧增加的量值有时超过了臭氧的净变化的大小，因此它也起着重要作用。     

青藏高原上空氮氧化物的分布特征及其与臭氧的关系

利用1992—2002年的HALOE资料,选取青藏高原地区(28°~40°N,75°~105°E)的数据,分析了青藏高原地区NOX混合比的垂直分布特征,并对高原地区不同高度上NOX混合比与同纬度及同经度地区进行了比较,分析了NOX混合比与臭氧混合比纬向分布的关系,以及NOX混合比随时间的变化和O3混合比变化的关系。结果表明:青藏高原地区在300~30 hPa上夏季NOX的混合比高于冬季的混合比;夏季青藏高原地区200~30 hPa气层上NOX的混合比比同纬度其它地区高得多,100~60 hPa气层上NO2混合比比同经度其它地区也高得多;在100~30 hPa上,O3的纬向分布与NOX的纬向分布之间存在较明显的反相关关系;高原地区100 hPa附近和70~35 hPa之间夏季NOX混合比的变化与O3混合比的变化的反相关关系非常好。     

洛阳市臭氧污染特征及其与气象因子的关系

为了了解洛阳市O_3污染特征及其影响因素,利用2017年洛阳市7个国控点监测到的O_3、NO_2浓度及气象要素逐时数据,统计分析了2017年洛阳市O_3及NO_2的时间分布特征及NO_2浓度、气象因子对O_3浓度的影响。结果表明,洛阳市2017年O_3日最大8 h第90百分位数浓度为200μg/m~3,是二级标准的1.25倍。O_3和NO_2浓度存在明显的季节性变化特征,O_3浓度夏季最高,冬季的最低;NO_2浓度冬季最高,夏季的则最低。O_3浓度的日变化呈现为单峰分布,午后浓度较高,峰值出现在15:00左右;NO_2受机动车早晚高峰影响,表现为双峰分布,峰值分别出现在08:00和21:00。O_3与NO_2浓度呈现出良好的负指数函数关系,当洛阳市NO_2浓度低于40μg/m~3时,存在着O_3浓度超标的风险。高温低湿条件下有利于O_3的生成,当温度超过27℃时,洛阳市O_3小时浓度开始出现超标现象,且温度越高,超标风险越大;当相对湿度低于40%时,O_3小时平均浓度超标率最高为63.30%,随着相对湿度的增加,超标率逐渐降低,当相对湿度大于70%时,未出现O_3小时浓度超标现象。     

西太平洋地区大气边界层内臭氧的季节变化及其影响因子分析

利用臭氧探空资料,分析了西太平洋地区香港(Hong Kong)、那霸(Naha)和札幌(Sapporo)三个站点2000~2010年期间大气边界层内臭氧(O₃)的季节分布和年变化趋势。结果表明,三个站点O₃的季节分布存在明显的差异。其中,那霸和香港大气边界层内O₃季节平均呈双峰值分布,其峰值分别出现在春季和秋季;而札幌站为单峰分布,峰值出现在春季。造成季节分布差异的主要原因包括人为污染源和自然因素如气象条件。另外,三个站点大气边界层内O₃均呈上升趋势。其中札幌、那霸上升最快,分别达0.80 ppb a-1和0.77 ppb a-1。(ppb表示10-9,下同)香港的年际增长较不明显,但秋季增长却非常明显,高达1.21 ppb a-1。结合GOME (Global Ozone Monitoring Experiment) 和SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectro Meter for Atmospheric Chartography)卫星反演的NO₂数据发现,过去10年中国京津唐和东北地区的对流层内NO₂柱总量增加极为迅速。这些O₃前体物通过远距离输送是导致札幌、那霸O₃浓度增加的主要原因之一。珠江三角洲人为污染源的增加及偏北气流的影响,是导致香港地区秋季O₃增加的主要原因。     

青藏高原臭氧的ENSO

通过对臭氧卫星观测资料及大气环流资料的分析，研究了青藏高原上空臭氧年际变化中的 ＥＮＳＯ信号，并与同纬度无山区及赤道地区进行比较。研究指出：在 Ｅ１ Ｎｉｎｏ年（ＳＯＩ指数为负）青藏高原臭氧总量增加，在 Ｌａ Ｎｉｎａ年（ＳＯＩ指数为正）青藏高原臭氧总量减小。本文同时讨论了与ＥＮＳＯ事件有关的大气环流物质输送。     

青藏高原臭氧的ENSO

通过对臭氧卫星观测资料及大气环流资料的分析,研究了青藏高原上空臭氧年际变化中的ENSO信号,并与同纬度无山区及赤道地区进行比较.研究指出:在ElNino年(南方涛动指数为负),青藏高原臭氧总量偏大,在LaNina年(南方涛动指数为正),青藏高原臭氧总量偏小.同时讨论了与ENSO事件有关的大气环流物质输送.     

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。     

Evaluating the Ozone Valley over the Tibetan Plateau in CMIP6 Models

Total column ozone (TCO) over the Tibetan Plateau (TP) is lower than that over other regions at the same latitude, particularly in summer. This feature is known as the “TP ozone valley”. This study evaluates long-term changes in TCO and the ozone valley over the TP from 1984 to 2100 using Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6). The TP ozone valley consists of two low centers, one is located in the upper troposphere and lower stratosphere (UTLS), and the other is in the middle and upper stratosphere. Overall, the CMIP6 models simulate the low ozone center in the UTLS well and capture the spatial characteristics and seasonal cycle of the TP ozone valley, with spatial correlation coefficients between the modeled TCO and the Multi Sensor Reanalysis version 2 (MSR2) TCO observations greater than 0.8 for all CMIP6 models. Further analysis reveals that models which use fully coupled and online stratospheric chemistry schemes simulate the anticorrelation between the 150 hPa geopotential height and zonal anomaly of TCO over the TP better than models without interactive chemistry schemes. This suggests that coupled chemical-radiative-dynamical processes play a key role in the simulation of the TP ozone valley. Most CMIP6 models underestimate the low center in the middle and upper stratosphere when compared with the Microwave Limb Sounder (MLS) observations. However, the bias in the middle and upper stratospheric ozone simulations has a marginal effect on the simulation of the TP ozone valley. Most CMIP6 models predict the TP ozone valley in summer will deepen in the future.     

Dynamic Effects of the South Asian High on the Ozone Valley over the Tibetan Plateau

In this study, the TOMS/SBUV (Total Ozone Mapping Spectrometer/Solar Backscatter Ultraviolet Radiometer) data and SAGE (Stratospheric Aerosol and Gas Experiment) II data were employed to calculate the monthly total zonal ozone deviations over the Tibetan Plateau and the 150?C50-hPa zonal ozone variations. The results show that there is a significant correlation between the two, with a correlation coefficient of 0.977. From 150 to 50 hPa, the ozone valley over the Tibetan Plateau (OVTP) becomes the strongest based on the SAGE II data, and the South Asian high (SAH) is the most active according to the 40-yr reanalysis data of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ERA40), so a correlation between the SAH and the OVTP may exist. The WACCM3 (Whole Atmosphere Community Climate Model version 3) simulation results show that both SAH and OVTP could still present within 150?C50 hPa with reduced strength even when the height of the Tibetan Plateau was cut down to 1500 m. It is also shown that the seasonal variation of SAH would result in a matched seasonal variation of the OVTP, which suggests a meaningful effect of SAH on the OVTP. Meanwhile, it is found that the atmospheric circulation would impose different effects on the OVTP, depending on the SAH??s evolution stages and movement directions. At 150?C50 hPa, as the SAH approaches the plateau, the SAH zonal (meridional) transport would make the OVTP deeper (shallower), while the vertical transport of ozone produces a deeper (shallower) OVTP at the lower (higher) level; the combined dynamic effects lead to a weakened OVTP. When the SAH stabilizes over the plateau, the zonal (meridional) transport results in a shallower (deeper) OVTP while the vertical transport would create a deeper (shallower) OVTP at the middle (bottom and top) levels; the combined dynamic effects produce a deeper OVTP. As the SAH retreats from the plateau, the OVTP becomes deeper (shallower) under the zonal (meridional) effect or shallower under the vertical effect; the combined dynamic effects contribute to a deeper (shallower) OVTP at the middle (bottom and top) levels. The SAH would have a weak effect on the OVTP over the plateau when positioned over the tropical Pacific.     

青藏高原大气臭氧研究

总结了国内外有关青藏高原大气臭氧方面开展的研究工作，并简要地介绍了1996－1999年利用NILUV观测仪器在拉萨地区进行臭氧和紫外辐射观测的初步结论。     

Formation of the Summertime Ozone Valley over the Tibetan Plateau: The Asian Summer Monsoon and Air Column Variations

The summertime ozone valley over the Tibetan Plateau is formed by two influences,the Asian summer monsoon(ASM) and air column variations.Total ozone over the Tibetan Plateau in summer was ～33 Dobson units(DU) lower than zonal mean values over the ocean at the same latitudes during the study period 2005-2009.Satellite observations of ozone profiles show that ozone concentrations over the ASM region have lower values in the upper troposphere and lower stratosphere(UTLS) than over the non-ASM region.This is caused by frequent convective transport of low-ozone air from the lower troposphere to the UTLS region combined with trapping by the South Asian High.This offset contributes to a ～20-DU deficit in the ozone column over the ASM region.In addition,along the same latitude,total ozone changes identically with variations of the terrain height,showing a high correlation with terrain heights over the ASM region,which includes both the Tibetan and Iranian plateaus.This is confirmed by the fact that the Tibetan and Iranian plateaus have very similar vertical distributions of ozone in the UTLS,but they have different terrain heights and different total-column ozone levels.These two factors(lower UTLS ozone and higher terrain height) imply 40 DU in the lower-ozone column,but the Tibetan Plateau ozone column is only ～33 DU lower than that over the non-ASM region.This fact suggests that the lower troposphere has higher ozone concentrations over the ASM region than elsewhere at the same latitude,contributing ～7 DU of total ozone,which is consistent with ozonesonde and satellite observations.     

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。     

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。     

Study on Ozone Change over the Tibetan Plateau

This paper reviewed the main results with respect to the discovery of low center of total column ozone (TCO) over the Tibetan Plateau (TP) in summer, and its formation mechanism. Some important advances are summarized as follows: The fact is discovered that there is a TCO low center over the TP in summer, and the features of the background circulation over the TP are analyzed; it is confirmed that the TP is a pathway of mass exchange between the troposphere and stratosphere, and it influences the TCO low center over the TP in summer; models reproduce the TCO low center over the TP in summer, and the formation mechanism is explored; in addition, the analyses and diagnoses of the observation data indicate that not only there is the TCO low center over the TP in summer, but also TCO decrease trend over the TP is one of the strong centers of TCO decrease trend in the same latitude; finally, the model predicts the future TCO change over the TP.     

西藏高原闪电特性时空分布特征

利用2009年6月至2011年5月西藏高原闪电监测系统的闪电监测资料,分析了高原闪电分布的时空特征,结果表明:高原的闪电平均强度为61.89 kA,负闪占闪电总数的78.2％,平均强度55.97 kA,正闪占21.8％,平均强度83.14 kA;雨季前的闪电中主要为正闪,正闪占73％;而雨季期间的闪电中,正闪仅占闪电总数的9％;闪电频次的日变化特征呈单峰型分布,主要集中在15:00-21:00这段午后至夜间的时段内,且在17:00达到峰值,与午后至夜间这段时间为强对流发生条件较好的时段相一致,03:00至12:00左右是高原闪电低发时段;闪电的高发地区为那曲地区中东部、昌都地区西部、日喀则地区东部及山南地区,其中负闪有两个强中心,分别位于那曲地区的嘉黎县和山南地区的朗卡子县,而在南部的错那县也为正闪强中心;闪电强度表现为冬季高、夏季低,各月的闪电平均强度均在50 kA以上;拟合出高原地区的总闪、正闪和负闪的雷电流强度累积概率方程,拟合率均达0.99以上.