试析贵州城市高浓度臭氧与区域性强雷暴的关联性全球臭氧约有90%集中在平流层，另外10%在对流层臭氧是平流层中天然大气最关键的组分，臭氧浓度的峰值出现在距地面10～25km处平流层中的臭氧可吸收短波紫外辐射，减少对人类和动植物的伤害，是地球生命物质的保护伞对流层臭氧的存在不仅会影响大气氧化性，而且由于臭氧的强氧化性，能参与多种大气污染物的化学转化过程，并对人类、生态系统、城市建设等造成伤害1、国内外研究现状1.1国外文献调研雷暴闪电产生臭氧是众所周知的，已知它包括两个基本的过程:其一是闪电产生大量氮氧化物，然后在空气中VOCs和自由基参与下氮氧化物通过光循环反应再产生臭氧;其二是闪电直接电离空气中的氧分子从而产生臭氧迄今大多数研究者都专注于前一种(NOx+VOCs)的光化学臭氧反应机制，有的还强调闪电产生的氮氧化物比人类活动有更大的贡献，例如K.Sudo(2007)[1]通过全球数值模式计算认为“在自由对流层，人类活动对O3生产的影响可能不那么明显，因为从地表输入的人为前体物有限，而闪电产生的氮氧化物贡献更大相比较而言，对于闪电直接产生的臭氧则研究不多，有的研究甚至认为闪电并不直接产生臭氧[2]。
实际上上世纪中期以来国内外不少研究都提到闪电直接产生臭氧的问题，大部分研究都肯定闪电过程中的电晕放电产生臭氧，但对于闪电的臭氧产生量估计存在较大的差异K.Minschwanner等(2008)[3]在美国素以研究雷暴著名的新墨西哥矿业技术学院使用实验室数据、O3探空仪、O3地面布阵等手段估算出一个5km范围的对流层内雷暴单体可产生1027～1028个O3分子(约等于105～106g)，并进而推算出全球雷暴电晕放电产生的臭氧约为110Tg/年(估值范围为40Tg/年～180Tg/年)，此数值相当于来自雷暴化学过程NOx产生的O3的21%，约等于对流层O3总化学产生率的3%另一项较为重要的雷暴产生臭氧的研究成果是德国学者在南美洲热带雨林对强雷暴进行野外探测研究取得的，H.Bozem(2014)[4]使用多种地面和飞机、气球等设备对强雷暴云体流入和流出的空气臭氧、NOx、VOCs及其它有关成分进行了取样探测，结合气象卫星遥感资料和积云动力学的研究方法得到的估算结果是:每次闪电可产生5.12×1028个O3分子(9.89×1026～9.82×1028)，这一估计值比K.Minschwanner等[3]的估计值高约5倍。
许多关于闪电和臭氧关系的进一步研究成果都指出雷暴闪电产生O3和NOx的机制是截然不同的Donohoe等[5](1977)测量了来自脉冲放电的NOx(包括NO和NO2)、N2O和O3，所使用的电力设备分别产生冷放电(低温电晕)和热放电(高温电弧)，他们指出:主要的NOx来自热放电而O3和N2O来自冷放电;Peyrous等[6](1982)通过一个更大型的实验证实了Donohoe等的工作，他指出O3主要来自低温的预放电而NOx来自高温放电;Levine等(1981)[2]则在一次大型放电(104J)中实测到所有的NOx都是在没有O3存在的情况下来自NO，所测得的NOx生成率是每焦耳生成5×1016个分子，全部来自NOSaunois等[7](2008)使用二维模式模拟非洲季风时期的臭氧输送结果表明，赤道地区地表的臭氧前锋在强雷暴深对流的作用下向上输送，然后在Hadley环流的上部区域被提升进入热带辐合带的纬向平流输送中这种季节性跨纬度的高空远距离输送可能是中东至东亚春季对流层臭氧的一部分来源1.2国内文献调研国内有关研究文献不多，费蕾蕾[8](2017)对广东-香港区域雷暴闪电活动地区地面NOx和O3进行了研究，发现闪电主要是增加了NOx，闪电发生地区的地面O3则显著减少。
在实施人工引雷实验中发现引雷前可能由于周围雷暴云内电晕放电导致的O3增加，还发现引雷后O3浓度下降，作者认为可能与闪电产生的氮氧化物对O3的“滴定”衰减有关叶香等[9](2017)报道并分析了一次冷锋过境与城市高浓度臭氧污染产生的联系，认为锋面雷暴闪电可能是城市夜间大面积臭氧产生的原因2、雷暴闪电产生臭氧的远距离输送2.1Hadley环流的跨纬带输送除了Saunois等的数值模式研究以外，一些研究报告还根据卫星遥感监测资料提出对Hadley环流远距离输送闪电臭氧的解释[10]图1是臭氧的全球分布全球地面臭氧大量集中在30°N附近，主要与北半球中纬度陆地面积大、植被和人类工业活动多有关但地面臭氧还有其他来源，雷暴闪电就是一个不能忽略的方面图2是全球闪电的分布从雷暴和臭氧全球的大尺度分布情况看，图1中阿拉伯半岛上的臭氧高值区可能和图2中撒哈拉沙漠以南的闪电高值区有关;第二个闪电与臭氧的关联区是印度尼西亚、马来半岛、印支半岛的闪电高发区—中国中东部和日本一带的臭氧高值区;第三个关联区是南美洲北部闪电高发区—大西洋臭氧高值区这三个区域关联可能与北半球大气环流中Hadley环流有关图1臭氧年均浓度的全球分布(单位:ppbv/年)图2闪电的全球分布Hadley环流是半球大气三圈环流中赤道低压带—副热带高压带之间的垂直环流圈，见图3。
赤道低压带上盛行上升气流，在中纬度副热带高压带盛行下沉气流在赤道低压带的南美洲北部、非洲北部和印尼—马来半岛—印支存在大片闪电多发区大量闪电产生的臭氧在强烈的上升气流中进入高空，又随高空西南风向下风方向传输数千公里到达30°N附近的哈得来环流下沉气流区，由于臭氧气体的比重大于空气，在副热带高压区就更容易下沉图3三圈环流模式赤道辐合带和哈德来环流的副热带下沉气流区图4臭氧的跨纬度带输送2.2雷暴云环流的臭氧输送大量闪电臭氧是被云内上升气流和对周围空气的夹卷等动力过程携带到高空，经过高空水平气流向下风向输送101km～102km，再经雷暴系统外围的补偿性下沉气流带至地面，见图5-1、5-2图5-1雷暴云环流的气流分布(+为上升气流—为下沉气流)图5-2强雷暴云环流的气流分布臭氧由于其氧化活性和易分解性，在对流层下层通常的环境条件下半衰期约为几十分钟至几小时尤其在还原性物质较多和环境温度较高时臭氧的衰变很大[11]因此在讨论城市大气臭氧的来源时，关于远距离传输问题，我们主要关注区域性强雷暴闪电的高空环流输送印度学者ChandrakalaBharali等[12](2015)通过丰富的资料分析论证，指出在印度东北部喜马拉雅山南麓春夏两季地面的臭氧来源除了光化学机制以外，雷暴闪电有着重要贡献，并且认为对地面臭氧增量起作用的主要是闪电的位置而不是闪电强度，春季夜间的O3高值主要来自适当位置地区的雷暴。
图6是ChandrakalaBharali等通过给出的地面臭氧浓度与远距离雷暴闪电的关系他们认为在雅鲁藏布江河口附近的闪电臭氧主要来自西南孟加拉国方向图6雅鲁藏布江河口2012-2014年臭氧浓度的加权轨迹簇分析图(上:春季，下:夏季)(浓度单位:ppb)3、贵州臭氧污染和雷暴闪电的初步关联分析鉴于大气环境监测站的监测记录都只能代表点位附近一个很小的区域，而臭氧具有很大的化学活性，在大气中具有很大的时-空变化，因此在考察区域性的臭氧分布时最好有多个监测站的资料，使之有较好的区域代表性，我们选择贵阳市对这一特征进行粗略的分析表1是贵阳市国控监测站2016-2018年最大8小时臭氧(O3-8)超标日期间省内外雷暴出现情况，测站中有一个出现O3-8160μg/m3即算一个臭氧超标日雷暴闪电资料取自ADTD雷电定位系统数据表1的数据表明:2016-2018年贵阳市共出现最大8小时臭氧超标日45天，其中伴有周围数百公里内存在区域性强雷暴的有43天，占比95.6%;贵州省内及周围省市均无闪电发生的有2天，仅占4.4%这个对比应该是明显的，它表明:如果贵阳市附近存在区域性雷暴的大面积闪电，在城市本身空气臭氧已达较高水平时，闪电区域产生的大量臭氧经过长距离传输可能叠加进来，导致城市臭氧浓度超标，出现以臭氧为主要污染物的城市空气污染。
表1贵阳市2016-2018年最大8小时臭氧超标(站)日附近区域雷暴出现统计4、贵州省闪电的一般特征4.1贵州雷暴闪电的基本统计4.1.1总闪电次数使用2015年8月———2018年4月共32个月ADTD雷电定位系统的资料对贵州省的雷电发生情况进行了时空分布的分析贵州省全年闪电总次数为418474次，平均每100km2闪电237.5次强对流雷暴天气的产生主要是丰富的太阳辐射热量供应、水汽供应与强烈对流抬升的地形条件表2是贵州省各地区闪电总次数比较，以铜仁市、黔西南州和黔东南州较多，主要是由于这几个地区是暖湿空气进入贵州省的主要通道，而且沿途地形抬升剧烈，容易产生强对流雷暴天气毕节地区闪电较少的原因则主要是地势高，热力条件较差，水汽供应条件也比其他地区差一些中部地区地处相对破碎平缓的苗岭山地，强对流发展条件稍差总的说，贵州省内的闪电发生情况并没有太大的差别表2贵州省各地区闪电次数4.1.2贵州省的闪电次数与国内外其它地区的比较表3是贵州省与国内外其他地区闪电资料的比较，可以清楚地看出越向内陆、纬度越高以及地形越均匀的地区，闪电次数就越少贵州各地的闪电在全国内陆城市比较起来，属于多发区表3贵州省闪电次数与国内外其他地区的比较(2015.8-2018.4)从表3也可以推论:贵州省空气臭氧来自雷暴闪电的贡献比国内其他城市多，因此在研究城市臭氧的预报方法及污染防控对策时应特别注意。
4.2贵州省闪电频率的地区分布图7是2016-2018年贵州省各季节和全年平均的闪电分布情况，每个季节都各有其特点雷暴的多少主要和冷(暖)空气进入贵州路径和抬升地形的坡度有关春季主要是冷空气从江汉平原向西南进入贵州铜仁和黔东南地区的冷锋系统;其次是从广西北上的南方暖湿气流进入贵州黔西南地区的暖锋系统;两种锋面经贵州高原地形抬升而发展强对流天气，造成系统性的雷暴天气夏季的雷暴主要是云贵高原地形起伏和太阳辐射加热地面不均匀造成的地方性雷暴;贵州城市的另一种闪电影响则来自云南、广西发展的大片区域性雷暴图7贵州省各季节及全年闪电频率的分布(10km×10km网格)4.3贵州省闪电的高度分布图8-1～8-2是一组强对流风暴区出现在平流层-电离层的闪电(等离子辉光放电)图像这些资料表明在对流层之上的平流层甚至电离层内都可受到对流层雷暴放电过程的影响而发生闪电活动我们使用ADTD雷电定位系统的资料对贵州省的闪电发生高度进行了不同地区不同季节的分析发现本省闪电大部分都发生在20km以上的平流层—下部电离层高空图8-1贯穿对流层顶进入平流层的强雷暴云上部闪电图8-2被称为“红色精灵”的平流层—电离层闪电贵州省闪电发生的高度见表4和图9。
发生在对流层的占41.4%，在平流层(臭氧层)的占25.9%，在电离层的占32.6%;可见将近60%的闪电是发生在对流层以上的平流层-臭氧层-电离层内表4各地区闪电发生高度及次数占比统计图9-1贵州省各地区各高度闪电次数的统计以上分析表明:我省大量闪电产生的臭氧可能主要是在20km以上的平流层生成的，其输送也主要是在高空进行，这也部分地解释了闪电造成的臭氧往往是对远距离外造成增量贡献而在近距离内的贡献并不明显(当然还有雷暴区的降雨吸收衰减影响)4.4贵州省闪电强度闪电按其先导所带电荷不同而具有极性，一般是负闪电多于正闪电，但正闪电由于其分支多于负闪电(见图10)而产生的空气电离产物可能更多Venkanna等[13](2016)认为典型的闪电是一对偶极子，在云的上部都是正闪电，云的下部都是负闪电图10-1贵州各季节强闪电(负)次数分布图10-2贵州各季节强闪电(正)次数分。