区域性强雷暴和贵州城市高浓度臭氧的关系

高兰兰 王德贤 张蓝月 王永红 王 琴 张春晖钟敏文 徐 徐 赵晓韵 刘 群 罗 皓 陈 龙

(1. 贵州省环境监测中心站，贵阳 550081；2. 贵州省山地资源研究所，贵阳 550002；3. 贵州省环境科学设计研究院，贵阳 550081；4. 贵阳市空气质量预测预警中心，贵阳 550002；5. 贵州众蓝科技有限公司，贵阳 550081)

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10～25 km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110 Tg/年(估值范围为40 Tg/年～180 Tg/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NO。

Saunois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

2.1 Hadley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。见图4。

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

(闪电高值区Hadley环流高空输送 )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Chandrakala Bharali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Chandrakala Bharali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O3-8160 μg/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100 km2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(10 km×10 km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20 km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

图9-2 贵州省各地区各高度闪电占比的统计

以上分析表明：我省大量闪电产生的臭氧可能主要是在20 km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)次数分布及示例

闪电强度可用回击峰值强度(10KA)来度量，贵州闪电强度平均约±30×10 KA，为讨论方便，我们将|100×10 KA|(包括正、负值)的闪电定为强闪电，初步估计强闪电占总闪电之比约为10%。

图10-1是各季节及全年贵州强负闪电强正闪电的分布。

由图10-1可见：强闪电无论正负都在毕节地区出现较多，其次是东部地区。值得注意的是：贵州省臭氧浓度的高值区常常不是强闪电多发区而是在其高空风的下风方向。

图11表明贵州省臭氧浓度在黔北、黔中和西部地区较高，而强闪电多出现在黔西北和黔东南。这意味着平均而言，无论是总的闪电次数(图9)还是强闪电次数高值区(图10)，与臭氧高浓度区都不存在很好的对应关系。

由此，我们认为：虽然贵州城市臭氧的高浓度有来自附近雷暴闪电活动的贡献，在一些地区臭氧超标的极端个例中绝大多数都有雷暴闪电的背景(见上文)。

5 雷暴闪电与城市空气臭氧关系的个例分析

通过全省一些高浓度臭氧个例和对应雷暴闪电过程的调查分析，可以发现两者的时间-空间联系。

5.1 2017年8月10日黔中地区臭氧高浓度个例

2017年8月10日从09时开始延续到20时，贵阳-遵义-仁怀一带的黔中地区出现了一次区域性的臭氧污染过程，图12是当天贵州省各城市最大小时浓度分布。黔中地区和毕节地区的局部都出现较高的臭氧浓度。与此同时整个白天贵州省出现大面积的强雷暴活动，见图13 。但臭氧高浓度区与强闪电区并不重合，例如黔东南和黔西南有较多闪电但臭氧并不高。

图12 2017-8-10黔中地区臭氧污染情况

图14分别给出了2017-8-10高臭氧时段贵州省地面以上10 km和50 km的闪电位置，可以看出此次雷暴闪电活动以清镇-安顺-黔西南片区和黔东南片区为主，但50 km以上平流层的闪电以清镇-安顺-黔西南片区为主，黔东南很少。因此黔中片区来自闪电的臭氧贡献可能主要与清镇-安顺-黔西南的雷暴活动有关。此次过程中贵阳市区有8个测点O3-8超标，见表5。从表5的对比可以发现在贵州山区夏季强雷暴活动期间，臭氧浓度得到很大的增量而氮氧化物则基本未发生变化。这一情况和参考文献[8]在广东得到的闪电期间附近氮氧化物增加而臭氧减少的结果显得互相矛盾。说明城市环境臭氧问题相当复杂，需要今后大家共同努力去解决。

图14 2017-8-10 09:00～19:00贵州省10 km以上和50 km以上高空闪电

表5 贵阳市2017年8月10日O3和NO2浓度与2016-2018年平均值比较

5.2 2017年9月19日贵州西部-中部-东南部大片地区臭氧高浓度个例

2017年9月19日贵州西部-中部-东南部出现大片带状臭氧高浓度区，浓度并不很高(见图15)，在90～140 μg/m3之间，出现时间主要在13时-17时。在同一地带由于冷锋进入出现了降温和降水，同时还有大片雷暴区，从清晨05时到下午19时全省共出现闪电68 349次，其中贵阳市共发生闪电2 418次(见图16)。此次雷暴过程面积大，持续时间长，臭氧高浓度区和雷暴集中区域对应较清楚。表明地面臭氧的增量主要来自当地的雷暴闪电，而且主要与50 km高空的闪电有关。

图15 2017-9-19贵州省最大臭氧小时浓度分布

图16-1 2017-9-19 05时-19时贵州省闪电次数(10 km×10 km网格)

图16-2 2017-9-19 05时-19时贵州省50 km以上高空闪电(10 km×10 km网格)

5.3 2017年6月6日贵州-云南交界地区的高浓度臭氧个例

2017年6月6日位于滇黔交界乌蒙山主峰附近的威宁县(海拔2400 m)城市国控监测站出现了接连7小时的臭氧小时浓度极高值，从62 μg/m3急剧升至628 μg/m3(见图17)。考虑到这种局地臭氧高浓度飙升一般都与附近强大的臭氧排放源有关，我们调查了贵州、云南、四川、重庆和湖南的强对流天气活动情况，发现在距离威宁西南方200 km～300 km以外的云南昆明、楚雄、玉溪区域从当天02时-09时有大片强雷暴发展，与图17上威宁的图18是当天02时-09时云、贵、川等5省区闪电的情况，发现当天周边雷暴天气活动不强，湖南方向的闪电主要在对流层；只有云南昆明、楚雄、玉溪区域有高层闪电活动，有利于平流层内的西南气流向威宁方向输送。

图17 2017年6月6日威宁臭氧小时浓度曲线

O3浓度剧烈升高基本同步。

图18-1 2017年6月6日云贵川区域对流层闪电

图18-2 2017年6月6日云贵川区域平流层闪电

图18-3 2017年6月6日云贵川区域整层闪电

此外需要考虑的是，威宁县的空气臭氧还可能来自大批风电场发电机和高压放电设备。根据我们的调查分析，来自风电场的臭氧贡献在威宁县国控点监测值时间序列上表现得很平稳，没有明显的时间起伏；尤其在02时-09时这个平时是臭氧最低的时段，不可能出现如此高的数值飙升；因此我们初步认为图17的过程是高空上风向大片强雷暴闪电造成的。

6 结论

(1)贵州城市臭氧形成污染，往往有强雷暴活动的背景(占比可超过95%)。

(2)对贵州城市臭氧污染造成影响的雷暴活动既有贵州本地的，也有附近云南、四川的，其远距离传输影响距离大约为200 km～300 km。

(3)产生大量臭氧的闪电放电过程可能主要来自地面以上20 km～50 km的雷暴云上部以及50 km～100 km的平流层-电离层。

(4)粗略的估算表明：一个区域性强雷暴系统可以对其下风向几十至几百公里外的城市产生几十μg/m3的臭氧浓度贡献，从而导致城市臭氧浓度超标。