閃電活動(dòng)對(duì)NO2 質(zhì)量濃度變化的影響

莊燕洵，馮海山，黃惺惺，殷啟元

（1.廣東省氣象公共安全技術(shù)支持中心，廣東廣州 510640；2.災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 116024；3.廣州市氣候與農(nóng)業(yè)氣象中心，廣東廣州 511430）

NO2性質(zhì)較穩(wěn)定，是NOx在大氣中的普遍存在形式，NO2污染影響空氣質(zhì)量、公眾身體健康和氣候變化［1－2］。廣東省對(duì)于空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)主要包括細(xì)顆粒物、可吸入顆粒物、CO、O3、SO2和NO2。氣象條件與空氣質(zhì)量之間的關(guān)系是當(dāng)前環(huán)境氣象業(yè)務(wù)中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，空氣質(zhì)量與風(fēng)場(chǎng)、大氣環(huán)流、降水、閃電、溫度等關(guān)系密切［3－6］。閃電產(chǎn)生NOx是雷電物理、大氣化學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向之一［7］，閃電對(duì)NOx的貢獻(xiàn)取決于閃電所釋放的能量［8］。Guo［9］利用閃電衛(wèi)星資料對(duì)東亞地區(qū)閃電產(chǎn)生的NOx進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，閃電產(chǎn)生NOx的量具有明顯的時(shí)空規(guī)律。雷暴天氣發(fā)生時(shí)，NOx峰值由閃電產(chǎn)生，且峰值出現(xiàn)時(shí)間在一定程度上滯后于閃電［10］，NOx質(zhì)量濃度峰值主要出現(xiàn)在雷暴成熟期［11］。全球工業(yè)化進(jìn)程加快對(duì)NOx的釋放產(chǎn)生影響［12］，但在對(duì)流層頂，閃電依舊是NOx的主要來(lái)源［13］。夏秋季節(jié)NOx在副熱帶急流的作用下可擴(kuò)散到整個(gè)低緯度區(qū)域［14］，強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)有利于其從對(duì)流層往下墊面?zhèn)鬏敗?/p>

本研究利用廣東省環(huán)境國(guó)控站NO2數(shù)據(jù)，分析廣東省NO2空間分布特征，并挑選前汛期重大天氣過(guò)程個(gè)例，研究閃電活動(dòng)對(duì)NO2質(zhì)量濃度變化的影響，為環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)、評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

NO2數(shù)據(jù)來(lái)源于華南區(qū)域環(huán)境氣象業(yè)務(wù)平臺(tái)，102個(gè)環(huán)境國(guó)控站遍布廣東省，尤其珠三角區(qū)域站點(diǎn)分布較密集，并且2014年開(kāi)始有較齊全的數(shù)據(jù)，因此本研究采用2014—2017年共4年的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行分析。

閃電數(shù)據(jù)來(lái)自粵港澳閃電定位系統(tǒng)，16個(gè)探測(cè)站遍布廣東省，可實(shí)時(shí)測(cè)量閃電發(fā)生的時(shí)間、閃擊地點(diǎn)、電流幅值等，定位精度較高，是開(kāi)展雷電科學(xué)研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法

由于閃電和NO2數(shù)據(jù)單位、尺度不一致，無(wú)法進(jìn)行趨勢(shì)分析，因而需要先將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，將帶量綱的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為量綱一的單純數(shù)字，映射到同一區(qū)間上進(jìn)行綜合的測(cè)評(píng)分析。本研究將采用“Z-score標(biāo)準(zhǔn)化”方法來(lái)分析閃電次數(shù)與NO2質(zhì)量濃度關(guān)系，先計(jì)算原始數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差為1，變量值在0附近波動(dòng)，高于平均水平則大于0，低于平均水平則小于0。

1.3 相關(guān)性分析

本研究在分析NO2質(zhì)量濃度和閃電之間關(guān)系時(shí)，采用相關(guān)性分析方法來(lái)驗(yàn)證兩種要素之間的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 NO2質(zhì)量濃度空間分布

通過(guò)ArcGIS中的地統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)廣東省2014—2017年的NO2質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到NO2質(zhì)量濃度空間分布（圖1）。從圖1可以看出，2014—2017年NO2質(zhì)量濃度中部地區(qū)從珠三角地區(qū)開(kāi)始向四周由高到低分布；從中部向北部，NO2質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先降低、后升高、最后又降低的趨勢(shì)，其中，中部地區(qū)廣州市NO2質(zhì)量濃度變動(dòng)較大，最高值為大于45μg／m3，最低值為15～20μg／m3。

圖1 2014—2017年廣東省NO2質(zhì)量濃度空間分布

整個(gè)廣東省內(nèi)，NO2空間分布呈現(xiàn)出2個(gè)高值區(qū)，最高值出現(xiàn)在中部地區(qū)佛山市和廣州市交界處，達(dá)到45μg／m3以上，次高值出現(xiàn)在清遠(yuǎn)市東部地區(qū)，質(zhì)量濃度達(dá)40～45μg／m3。東部的汕尾市沿海地區(qū)和西部的湛江市、茂名市沿海地區(qū)質(zhì)量濃度最低，小于15μg／m3，其次為廣州市北部、韶關(guān)市北部、梅州市東部和潮州市，質(zhì)量濃度為15～20μg／m3，呈現(xiàn)出5個(gè)低值區(qū)。中部珠三角地區(qū)，NO2質(zhì)量濃度等值線較密，變動(dòng)幅度較大；其它地區(qū)NO2質(zhì)量濃度等值線較疏，變動(dòng)幅度較小。

2.2 閃電活動(dòng)對(duì)NO2質(zhì)量濃度變化的影響

在空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，前汛期降水過(guò)后，在降雨的清除作用及風(fēng)的擴(kuò)散作用下，空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）經(jīng)常沒(méi)有降低反而升高。這是由于降雨和風(fēng)雖有利于污染物沉降和擴(kuò)散，但前汛期降雨多伴隨雷暴，閃電導(dǎo)致對(duì)流層上部NOx增加并通過(guò)湍流、雨滴下落拖曳作用等傳輸?shù)降孛?，因而?dǎo)致地面NO2質(zhì)量濃度增加，AQI升高。

廣東省近地面大氣中的NO2觀測(cè)數(shù)據(jù)年限較短，存在一定局限性，不適合進(jìn)行氣候統(tǒng)計(jì)合成分析。因此，選取前汛期中較大范圍的雷暴天氣過(guò)程來(lái)分析閃電與NO2質(zhì)量濃度變化的關(guān)系，本研究以2016年4月全省大范圍颮線過(guò)程做典型個(gè)例分析。

1）颮線天氣過(guò)程概述。

2016年4月8—15日，廣東省出現(xiàn)一次范圍較廣的強(qiáng)對(duì)流天氣，局部地區(qū)大暴雨伴隨著局地雷雨大風(fēng)、冰雹、颮線過(guò)程。其中，13日凌晨至上午期間，一條約500 km長(zhǎng)、30～40 km寬的颮線，自西向東襲擊廣東。13日05：00（北京時(shí)，下同）前后，颮線開(kāi)始影響珠三角，10：00前后移出廣東省。受其影響，粵北、珠三角市縣出現(xiàn)大雨到暴雨，并出現(xiàn)大范圍短時(shí)雷雨大風(fēng)。

2）NO2質(zhì)量濃度變化分析。

利用2016年4月8—15日NO2數(shù)據(jù)進(jìn)行逐日統(tǒng)計(jì)，得到全省NO2質(zhì)量濃度逐日變化（圖略）和空間分布（圖2）。

由逐日變化可以看出，在該次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程中，全省NO2質(zhì)量濃度總體呈上升趨勢(shì)，平均30.37μg／m3，最大值出現(xiàn)在13日為40.40μg／m3，其次為14日的40.13μg／m3，最小值出現(xiàn)在15日為22.43μg／m3。空間分布上（圖2），全省NO2質(zhì)量濃度逐步升高，11日達(dá)到峰值，高值區(qū)主要位于珠三角和粵西北，12日略有減小，13—14日達(dá)到第2個(gè)峰值，也是集中分布在珠三角和粵西北，15日全省減小。

圖2 2016年4月8—15日NO2質(zhì)量濃度（單位：μg／m3）逐日空間分布

3）閃電活動(dòng)過(guò)程分析。

對(duì)2016年4月8—15日閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行逐日統(tǒng)計(jì)，得到全省閃電次數(shù)逐日變化（圖略）和空間分布圖（圖3）。

由逐日變化可以看出，該次強(qiáng)對(duì)流天氣中，廣東省閃電次數(shù)總體呈上升趨勢(shì)，日均發(fā)生閃電22 177次，最大值出現(xiàn)在13日44 236次，超出平均值1倍，其次為10日43 358次，閃電次數(shù)最小值出現(xiàn)在11日，僅465次。空間分布上（圖3），8日全省閃電主要集中在粵北；9日粵東西北、珠三角普遍出現(xiàn)閃電；10日除了粵西，全省大部分閃電頻繁發(fā)生；11日閃電活動(dòng)消停，僅在沿海地區(qū)出現(xiàn)零星閃電；12日閃電活躍在珠三角和粵北；13日閃電發(fā)生范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，頻次達(dá)到最高值，主要是由強(qiáng)颮線等強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)導(dǎo)致的；14日閃電次數(shù)減少較明顯，主要分布在珠三角和粵東；15日閃電活躍地區(qū)主要集中在廣東省北部。4）NO2質(zhì)量濃度與閃電活動(dòng)的趨勢(shì)分析。

圖3 2016年4月8—15日閃電次數(shù)逐日空間分布

該次過(guò)程影響廣東8 d，將每天的NO2質(zhì)量濃度和閃電次數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理并得到變化趨勢(shì)線?？芍?，NO2質(zhì)量濃度和閃電次數(shù)變化趨勢(shì)線分別為y＝0.182 7x－2.101和y＝0.125 1x－1.439，說(shuō)明該次天氣過(guò)程中，兩者變化趨勢(shì)具有共性，均呈直線上升的趨勢(shì)。

5）NO2質(zhì)量濃度與閃電活動(dòng)的相關(guān)分析。

由于NOx的產(chǎn)生是復(fù)雜的，無(wú)法分辨出近地面測(cè)量的NOx是由閃電產(chǎn)生，因此選取位于郊區(qū)的某一站點(diǎn)——帽峰山森林公園站，分析NO2質(zhì)量濃度與閃電活動(dòng)相關(guān)性，盡可能地去除人為排放的NOx背景值。

（1）相同時(shí)間尺度下，NO2質(zhì)量濃度與閃電次數(shù)相關(guān)性。

取4月8—15日共8 d數(shù)據(jù)，處理NO2和站點(diǎn)20 km半徑范圍閃電數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出每小時(shí)的值，得到樣本數(shù)據(jù)，即每個(gè)變量每天有24個(gè)樣本數(shù)據(jù)，2個(gè)變量逐小時(shí)變化情況如圖4所示。利用SPSS軟件進(jìn)行分析，NO2與閃電次數(shù)的顯著性檢驗(yàn)值為0，小于顯著性水平0.01，說(shuō)明具備統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，兩者明顯相關(guān)。

圖4 2016年4月8—15日NO2質(zhì)量濃度與閃電次數(shù)逐小時(shí)變化

（2）NO2質(zhì)量濃度與閃電次數(shù)超前滯后相關(guān)性。

NO2質(zhì)量濃度峰值跟閃電次數(shù)峰值存在超前滯后的關(guān)系。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)閃電超前NO216 h時(shí)，兩者相關(guān)性最高。

NO2滯后16 h時(shí)，兩組變量逐小時(shí)變化情況如圖5所示，通過(guò)SPSS計(jì)算得到，閃電次數(shù)與NO2質(zhì)量濃度的顯著性檢驗(yàn)值為0，小于顯著性水平0.01，具有統(tǒng)計(jì)意義，兩者顯著相關(guān)。另外，分析得到相關(guān)系數(shù)0.363，說(shuō)明閃電次數(shù)與NO2質(zhì)量濃度之間正相關(guān)。經(jīng)查相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表，數(shù)據(jù)通過(guò)0.01顯著性的水平檢驗(yàn)，即當(dāng)NO2質(zhì)量濃度峰值相對(duì)閃電次數(shù)峰值滯后16 h時(shí)，在置信水平0.99上，兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)性是顯著的。

圖5 2016年4月8—15日NO2質(zhì)量濃度與閃電次數(shù)逐小時(shí)變化（NO2滯后16 h）

高溫高壓的閃電通道使得通道內(nèi)的氮、氧原子及分子被電離，進(jìn)而發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氮氧化物，生成的NOx被湍流帶出通道，傳輸?shù)降孛嫘枰欢〞r(shí)間，因此NO2質(zhì)量濃度達(dá)到峰值的時(shí)間相對(duì)于閃電峰值有所延遲。由于閃電具有隨機(jī)性，每次發(fā)生的位置不同，受閃電發(fā)生位置和傳輸環(huán)境的不同所影響，NO2輸送到地面的距離和時(shí)間不同，每個(gè)雷暴過(guò)程對(duì)應(yīng)的滯后時(shí)間也不相同。對(duì)于本研究所選案例，在閃電峰值出現(xiàn)16 h后，NO2質(zhì)量濃度達(dá)到峰值，滯后時(shí)間是16 h。

3 結(jié)論

1）2014—2017年廣東省NO2質(zhì)量濃度高值區(qū)主要位于中部珠三角地區(qū)佛山和廣州交界處，總體上從中部地區(qū)向四周延伸分布，NO2的質(zhì)量濃度由高到低，等值線由密集到稀疏。

2）選取2016年4月強(qiáng)對(duì)流過(guò)程作為典型個(gè)例，從時(shí)空尺度上對(duì)NO2質(zhì)量濃度與閃電進(jìn)行比對(duì)和相關(guān)性分析。該次天氣過(guò)程中，NO2質(zhì)量濃度和閃電次數(shù)變化趨勢(shì)一致，呈直線上升的趨勢(shì)，兩者顯著相關(guān)。對(duì)位于郊區(qū)的某一站點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，閃電峰值出現(xiàn)16 h后NO2質(zhì)量濃度才達(dá)到峰值，兩者之間存在超前或滯后的相關(guān)性。