《雷暴过程中闪电产生nox的地面观测研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《雷暴过程中闪电产生nox的地面观测研究（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、雷暴过程中闪电产生NOx的地面观测研究 周筠 郄秀书 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所兰州 730000 摘 要 在青藏高原中部那曲地区利用氮氧化物分析仪大气平均电场仪以及快 慢电场变 化仪等设备对雷暴天气过程中的闪电及其电参量和 NOx的浓度作同步观测结果表明高 原中部引起 NOx浓度增加的雷暴天气过程主要有 4 种类型即闪电引起相同数目的 NOx浓 度的增加的峰值负地闪雷暴引起多个 NOx浓度增加峰值正地闪雷暴引起多个 NOx浓度 增加峰值负地闪雷暴引起单个 NOx浓度增加峰值对于同一观测点 NOx浓度的增量与闪 电数之间存在较好的线性关系对于那曲单次闪电所对应的地面 NOx浓度增量为
2、6.0110-9 6.01ppbv高原上那曲单次云地闪所产生的 NO 分子数的估算值分别为 2.511025和 2.511026而对于大通则较大分别为 2.31027和 2.31028由于各次闪电在云中的位置以及 传输环境的不同输送时间和输送距离之间不存在严格的线性关系 关键词 青藏高原中部 闪电 NOx浓度 同步观测 1 引 言 自由对流层大气中 NOxNO 和 NO2源主要包括来自平流层内 NOx的向下输送地 表面附近的 NOx向上输送飞机尾气产生的 NOx以及闪电产生的 NOx1NOx对于大气中 痕量气体的分布起着较为重要的作用它们的浓度与分布直接影响着臭氧O3及氢氧根 OH的增减在上层
3、对流层闪电产生的 NOx的作用是十分明显的2 3 在对流层上层由 于 NOx的生命期远大于地面因此它通过对 O3和 OH 的调制作用可影响雷暴并对气候变 化也有一定的影响此外 NOx在研究与气候相关的强迫辐射和大气氧化能力的过程中也都 起着非常重要的作用各国研究闪电对于全球的 NOx的年贡献范围约为 2-20Tg(N)/年4 5 由于存在诸多的不确定因素因此利用室内实验及野外观测对 NOx进行实际测量可为研究 闪电产生的 NOx提供重要的信息虽然在欧洲闪电 NOx计划EULINOX 6及 美国 辐射气溶胶臭氧的平流层对流层实验 A 部分STERAO-A 7取得了大量的资料 但是对于闪电产生 N
4、Ox的复杂机制及闪电对于 NOx的贡献仍然需要进一步的研究为此我 们于 2002 和 2003 年分别在青藏高原中部和东北部利用 NOx分析仪等仪器设备对雷暴天气 过程中自然闪电产生的 NOx进行了地面观测研究并揭示高原雷暴产生 NOx向低空的传输 特性及传输机制 2仪器及观测场地 研究中分别在 2002 年将观测点设于青藏高原东北部的大通37o0347”N, 101o3457”E, 2550m2003 年则将观测点设于青藏高原中部的那曲地区312430”N, 915421”E, 国家自然科学基金 十五重点项目40135010和中国科学院寒区旱区环境与工程研究所所创新领域 项目2004108资
5、助 E-mail: zhouyj 4507m观测点的地势均相对平坦且无 NOx污染源和明显的电磁干扰 观测中所用的仪器主要有 a 氮氧化物分析仪可实时连续记录雷暴天气过程大气中 NOx的浓度浓度量程为 0-2010-6ppmv噪声小于 0.2510-9ppbv可检测到的最低限小于 0.110-9 零漂移为 0.110-9/C b 倒置式大气平均电场仪可以实时测量大气的平均电场强度测量范围为 mkV /50响应时间为 0.1s探测范围约为 20km c 快慢电场变化仪可以测量闪电引起的地面快慢电场变化和极性时间常数分 别为 2ms 和 6s频率响应范围分别为 1KHz-5MHz 和 10Hz-3
6、MHz输出动态范围 为V10采用 8 通道数字示波器记录其采样率为 1M记录长度为 1MW d 单站闪电定位系统可测量地闪的方位极性回击数和相对强度等参数有效探测 距离为 100km e 雷暴警报器可监测 30km 范围内的雷电活动可记录闪电频数 在观测过程中大气平均电场各闪电观测设备与氮氧化物分析仪同步进行观测其中氮氧 化物分析仪及大气平均电场仪的采样率相同均为每秒钟采样 10 次 3 晴天稳定层结下的NOx浓度和大气电场 10:21:3910:53:1911:24:59 Local Time -20 -10 0 10 20 E (kV/m) 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80
7、 NOx (ppmv) a) 10:18:5312:48:5315:18:53 Local time -20 -10 0 10 20 E(kV/m) 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 NOx (ppmv) b) 图 1 晴天稳定大气层结中大气平均电场强度与 NOx浓度随时间的变化 a2002 年 7 月 11 日于大通和b2003 年 7 月 6 日于那曲 在分析青藏高原雷暴天气过程中闪电产生 NOx的特征之前首先研究晴天稳定大气层 结条件下 NOx的背景浓度场 图 1 分别为 2002 年 7 月 11 日在大通和 2003 年 7 月 6 日在那曲观测到的晴天稳定大气 层结
8、条件下NOx的背景浓度场和大气平均电场强度图中横坐标为当地时间左边纵坐标 E 为大气平均电场强度 单位为 kV/m 右边纵坐标NOx为大气中 NOx的浓度 单位为 ppmv 10-6其中灰色线为 NOx的浓度随时间的变化黑色线为大气平均电场强度随时间的变 化由图可知青藏高原大通和那曲 NOx的浓度在晴天稳定大气层结的条件下都比较平稳 在观测时段内 NOx的浓度较稳定其平均值约分别约为 15 和 43.89 ppbv10-9由于系统 本身所产生的噪声其值略有小的波动而大气平均电场强度平均分别约为 170 和-30V/m NOx浓度值和大气平均电场强度会因大气层结和观测时段的不同而略有所差异 4闪
9、电与NOx浓度的同步观测 青藏高原不仅远离大气污染源和人为的电磁辐射干扰源 而且一次雷暴过程中所发生的 闪电次数也较少 另外这里的雷暴多为局地过程 这对于研究雷暴过程中单次闪电或单位闪 电参数所产生或对应的 NOx浓度的增量都是十分有益的 41 闪电产生 NOx的雷暴天气过程 19:47:5720:21:1720:54:37 t 0.00 0.20 0.40 NOx (ppmv) -40.00 0.00 40.00 E(kV/m) Q P O N M L K J I H G F E D C B A AB CD EFGHI J K L M N O PQ a) 14:40:04 14:43:29
10、14:46:54 14:50:19 14:53:44 t -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 E(kV/m) 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 NOx(ppmv) A A B B C C D D E E b) 21:37:37 21:54:17 22:10:57 22:27:3722:44:17 t -40 -20 0 20 E (kV/m) 0.00 0.10 0.20 0.30 NOx(ppmv) AB C A BC c) 16:39:1917:20:5918:02:3918:44:19 19:25:59 t
11、 -50 0 50 E(kV/m) 0.00 0.10 0.20 0.30 NOx(ppmv) d) 图 2 雷暴天气过程中 NOx浓度与大气平均电场强度随时间的变化 a 为 2002 年 7 月 18 日在大通的观测b 为 2003 年 6 月 29 日b 为 2003 年 6 月 30 日和 c 为 2003 年 7 月 10 日 在那曲的观测其中灰色线为大气平均电场强度 E黑色为 NOx浓度NOx 在高原闪电与 NOx浓度的同步观测中主要存在以下四种类型的雷暴天气过程为 闪电引起相同数目的 NOx浓度的增加的峰值负地闪雷暴引起多个 NOx浓度的增加峰值 为正地闪雷暴引起多个 NOx浓度的
12、增加峰值IV 为负地闪雷暴引起单个 NOx浓度的增加 峰值 图 2 为各雷暴天气过程中 NOx浓度黑色线单位为 ppmv 与大气电场强度灰色线 单位为 kV/m随时间的变化其中 a为 2002 年 7 月 18 日 19:47-21:10 雷暴天气过程该过 程共有 17 次闪电A-Q和 17 个 NOx浓度增加的峰值A-Q它属于类型b 为 2003 年 6 月 29 日 14:40-14:55 的雷暴天气过程在该过程中共有 5 个 NOx浓度增加的峰值A BCD 和 E是分别由 5 个时间段ABCD 和 E内的闪电所引起的闪电中地 闪的极性皆为负它属于类型c 为 2003 年 6 月 30 日
13、 21:37-22:44 的雷暴天气过程在 这个过程中共出现了 3 次 NOx浓度增加的峰值这 3 个峰值AB和 C是由三个时段 AB和 C内的闪电分别引起的 闪电中地闪的极性皆为正它属于类型c 为 2003 年 7 月 10 日 16:39-19:42由一个时间段内的闪电引起单个 NOx浓度的增加峰值闪电中地 闪极性皆为负它属于类型 IV 雷暴天气过程中 NOx浓度的增量因闪电的不同不同的雷暴天气中闪电数云地闪比 率闪电的极性等都有着明显的差异而不同以上对高原闪电产生 NOx的雷暴天气过程 的分型是目前仅有的观测结果 42 闪电基本参量与 NOx浓度增加之间的关系 表 1 雷暴天气过程中闪电
14、基本参量与 NOx浓度的增量 时 间 地点 雷暴 阶段 闪电 次数 地闪 次数 云地 闪比率 闪电频数 /min NOx浓度的 增量(10-9) 闪电产生 NOx 分子数的估算 02/07/18 19:47-21:10 大通 1 90.6平均 值 1.641028 A 7 5 0.17 1.25 21.3 3.021027 B 2 1 1 1.74 4.3 6.111026 C 3 2 0.5 1.80 0 0 D 3 1 0.5 2.90 1.3 1.851026 03/06/29 14:40-14:55 E 2 1 1 1.43 0.3 4.261025 A 2 1 1 0.72 19 2
15、.701027 B 6 2 0.5 0.22 7.8 1.111027 03/06/30 21:37-22:44 C 2 0 0.08 7.3 1.041027 03/07/10 16:39-19:42 那曲 A 54 9 5 2.55 40 5.681027 青藏高原是世界上的第三冷极 高原地面年平均气温比四周低 10-14 C 特别是在夏季 青藏高原中部夏季日平均气温为 10 C 比我国东部平原同纬度的低 20 C 8其中由压高公式 可知两个观测点大通和那曲的气压分别约为标准大气压的 0.74 和 0.58 倍 由理想气体方程可知对于大通观测点单位体积的最大分子数约为 325 /1092
16、. 1 0319 . 0 28308206 . 0 74 . 0 m L mole K Kmole Lamt amt RT P V n o o = = 1 同样对于那曲观测点单位体积的最大分子数约为 325 /1051 . 1 m 假 设 闪 电 产 生 的NOx在 高 原 雷 暴 云 中 的 平 均 扩 散 圆 柱 体 体 积 为V 3922 1042 . 9 3000)1000(mmmhrV=高原上雷暴云体的平均半径为 1km 平均高度为 3 km9NOx分子在其中均匀分布那么对于大通与那曲两个观测点该体积 内的分子数最大分别为 35 1081 . 1 和 35 1042 . 1 高原云地闪的平均比率为 1.07, 并依 照 Price 等10的假设地闪能量是云闪的 10 倍那么云闪产生的 NOx分子数与总闪电产生的 NOx分子数之间的关系为 07.11 07 . 2 N NIC=
