不同類(lèi)型氣溶膠對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)地閃活動(dòng)影響

吳嘯天 王曉妍 鄭 棟 張義軍

1)(復(fù)旦大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系, 上海 200438) 2)(中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)

引 言

閃電是一種發(fā)生于雷暴云中的強(qiáng)烈放電現(xiàn)象,閃電活動(dòng)產(chǎn)生的大電流、高電壓、強(qiáng)電磁輻射等效應(yīng)會(huì)對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)威脅[1-3]。大量統(tǒng)計(jì)分析和模擬試驗(yàn)指出氣溶膠是影響閃電活動(dòng)的重要因素。氣溶膠能夠作為云凝結(jié)核以及冰核影響云中微物理過(guò)程的發(fā)展,進(jìn)而影響閃電活動(dòng)的發(fā)生[4-6]。區(qū)域研究發(fā)現(xiàn)氣溶膠濃度升高會(huì)造成閃電活動(dòng)增加[7-8]。Altaratz等[9]基于全球閃電定位系統(tǒng)(World Wide Lightning Location Network,WWLLN)觀測(cè)資料研究發(fā)現(xiàn)氣溶膠濃度較高時(shí),強(qiáng)閃電密度較大。除此之外,大量研究還關(guān)注城市氣溶膠對(duì)閃電活動(dòng)的影響[10-13]。Wang等[14]對(duì)我國(guó)成都、武漢、濟(jì)南3個(gè)城市的研究發(fā)現(xiàn)氣溶膠濃度較高時(shí),閃電密度較大,而正地閃比例較小。以上研究均表明,氣溶膠能夠促進(jìn)閃電活動(dòng)的發(fā)生。

除了作為云凝結(jié)核參與云微物理過(guò)程,氣溶膠還能夠散射、吸收太陽(yáng)輻射[15-16],導(dǎo)致到達(dá)地面的輻射通量減小,大氣層結(jié)更為穩(wěn)定,不利于對(duì)流活動(dòng)發(fā)生。有的研究認(rèn)為隨著氣溶膠濃度不斷增加,氣溶膠的輻射作用漸漸加大,可與微物理作用抵消甚至表現(xiàn)出抑制閃電活動(dòng)[17]。Tan等[18]指出夏季南京氣溶膠光學(xué)厚度與閃電密度呈負(fù)相關(guān),進(jìn)一步分析氣溶膠與對(duì)流有效位能等的關(guān)系發(fā)現(xiàn)這可能是由氣溶膠的輻射作用導(dǎo)致。Du等[19]的研究指出在氣溶膠濃度較低的地區(qū),氣溶膠濃度與閃電密度呈正相關(guān),在氣溶膠濃度較高的地區(qū),二者呈負(fù)相關(guān)。Zhao等[20]對(duì)比氣溶膠濃度較高的四川盆地與氣溶膠濃度較低的高原地區(qū)閃電活動(dòng)的研究也支持以上結(jié)果。孫萌宇等[21]利用總閃資料以及PM2.5資料針對(duì)北京地區(qū)研究也得到類(lèi)似結(jié)論:當(dāng)氣溶膠濃度低于130 μg·m-3時(shí),兩者呈正相關(guān),但當(dāng)氣溶膠濃度超過(guò)150 μg·m-3時(shí),兩者呈負(fù)相關(guān)。這些研究結(jié)果體現(xiàn)了氣溶膠與閃電活動(dòng)關(guān)系的復(fù)雜性。

氣溶膠類(lèi)型多樣,不同類(lèi)型的氣溶膠具有不同的物理性質(zhì),不同類(lèi)型氣溶膠的微物理作用及輻射作用不盡相同,研究認(rèn)為不同類(lèi)型的氣溶膠對(duì)于閃電活動(dòng)的影響有所不同。Sun等[22]對(duì)2021年北京的一次沙塵暴過(guò)程的分析表明,沙塵氣溶膠可能通過(guò)增加冰核等方式加劇閃電活動(dòng)并導(dǎo)致正地閃比例提升。Wang等[23]對(duì)比非洲兩處分別被沙塵氣溶膠和煙塵氣溶膠控制地區(qū)的閃電指出,當(dāng)氣溶膠光學(xué)厚度(aerosol optical depth,AOD)較低時(shí),兩個(gè)區(qū)域的閃電數(shù)隨AOD的增大急劇上升,但當(dāng)AOD超過(guò)0.3后,沙塵氣溶膠控制區(qū)的閃電數(shù)隨AOD增大而減小,但煙塵氣溶膠控制區(qū)閃電數(shù)變化不明顯,這可能是由兩個(gè)地區(qū)主導(dǎo)的氣溶膠性質(zhì)不同所致。Pan等[24]研究海洋上氣溶膠與閃電活動(dòng)的關(guān)系指出,可能由于海鹽氣溶膠直徑較大,易產(chǎn)生較大云滴,加速暖雨過(guò)程,導(dǎo)致閃電活動(dòng)減弱。

綜上所述,氣溶膠對(duì)閃電活動(dòng)的影響復(fù)雜,氣溶膠種類(lèi)以及環(huán)境條件均可對(duì)二者關(guān)系產(chǎn)生較大影響,同時(shí)二者關(guān)系在不同地區(qū)也存在差異,因此它們之間的關(guān)系仍需進(jìn)一步研究。國(guó)內(nèi)已有研究往往集中單一城市,僅有少量研究關(guān)注地區(qū)[25],為了解長(zhǎng)江三角洲(簡(jiǎn)稱(chēng)長(zhǎng)三角)及其周邊地區(qū)氣溶膠與地閃活動(dòng)的關(guān)系,本文通過(guò)地基地閃定位資料,氣溶膠光學(xué)厚度資料以及大氣再分析資料,研究長(zhǎng)三角及周邊地區(qū)地閃活動(dòng)與氣溶膠的相關(guān)性,揭示不同類(lèi)型氣溶膠與地閃活動(dòng)的關(guān)系。

1 資料與研究方法

1.1 資料簡(jiǎn)介

中國(guó)氣象局全國(guó)地閃定位探測(cè)系統(tǒng)集成了到達(dá)時(shí)間差和磁定向方法(advanced time of arrival and direction,ADTD)。ADTD探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)多站測(cè)量地閃回?fù)糨椛涞碾姶艌?chǎng)確定電流參數(shù),利用時(shí)差法結(jié)合磁向法對(duì)地閃進(jìn)行定位。該系統(tǒng)能提供地閃發(fā)生時(shí)間、經(jīng)緯度、極性和峰值電流等信息。自2009年ADTD探測(cè)系統(tǒng)基本能夠覆蓋中國(guó)中部及東部的絕大多數(shù)地區(qū)[26]。ADTD地閃定位資料需要進(jìn)行質(zhì)量控制和歸閃處理,剔除參與定位的站點(diǎn)數(shù)小于5和電流強(qiáng)度小于10 kA的地閃定位資料,因?yàn)橄到y(tǒng)常常將近距離的云閃誤判為正地閃。將時(shí)間間隔小于0.5 s,空間距離小于10 km的地閃定位資料歸為同一地閃。本文利用ADTD資料,研究2015—2021年長(zhǎng)三角及周邊地區(qū)(27.5°～35°N,115°～122.5°E)地閃活動(dòng)與氣溶膠的關(guān)系。

MERRA2(the modern-era retrospective analysis for research and applications,version 2)資料集是美國(guó)國(guó)家航空航天局提供的再分析資料[27]。本文使用MERRA2氣溶膠再分析資料,包含大氣氣溶膠、硫酸鹽氣溶膠、沙塵氣溶膠、海鹽氣溶膠、有機(jī)碳?xì)馊苣z等的光學(xué)厚度和散射系數(shù),資料水平分辨率為0.625°×0.5°,時(shí)間分辨率為小時(shí),空間范圍及時(shí)間范圍與地閃資料相同。長(zhǎng)三角地區(qū)氣溶膠以硫酸鹽氣溶膠為主(0.361,約占70%),有機(jī)碳(0.061)、黑碳(0.035)以及沙塵氣溶膠(0.041)對(duì)大氣氣溶膠AOD(0.513)的貢獻(xiàn)相近,本文選用沙塵氣溶膠和硫酸鹽氣溶膠討論不同類(lèi)型氣溶膠對(duì)地閃的影響。

ERA5是由歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的第5代全球大氣再分析資料,通過(guò)同化系統(tǒng)將模式產(chǎn)品與觀測(cè)資料結(jié)合,以獲得多種大氣和氣候變量、陸地和海洋狀態(tài)參數(shù)逐小時(shí)最佳估計(jì)。研究指出ERA5再分析資料代表性更好[28],因此得到廣泛應(yīng)用。由于地閃活動(dòng)受多種熱力-動(dòng)力因素影響,本文探究相對(duì)濕度對(duì)氣溶膠影響地閃活動(dòng)的原因。

統(tǒng)計(jì)分析前統(tǒng)一各類(lèi)資料的時(shí)空分辨率,時(shí)間分辨率為逐日,水平分辨率插值為0.5°×0.5°。

1.2 研究方法

地閃活動(dòng)和氣溶膠濃度均具有明顯的季節(jié)變化和空間分布特征,為排除季節(jié)和空間位置的影響,首先將單一格點(diǎn)在該月份每日AOD由高到低排序,比較AOD最高的10%與最低的10%情況的地閃密度差異,無(wú)地閃日則不統(tǒng)計(jì)。利用Pearson線性相關(guān)系數(shù)定量描述變量間線性相關(guān)關(guān)系的強(qiáng)弱。

2 結(jié)果分析

2.1 氣溶膠光學(xué)厚度和地閃密度時(shí)空分布

2015—2021年長(zhǎng)三角及其周邊地區(qū)平均地閃密度、大氣AOD、硫酸鹽AOD以及沙塵AOD的空間分布如圖1所示。由圖1可見(jiàn),地閃密度的空間分布呈緯向分布,且隨緯度升高而遞減,高值中心位于浙江沿海與江西部分丘陵地區(qū),低值中心位于皖西北。硫酸鹽AOD與大氣AOD的空間分布較為類(lèi)似,結(jié)合AOD大小可知長(zhǎng)三角地區(qū)以硫酸鹽氣溶膠為主。大氣AOD大致呈西北向東南遞減的趨勢(shì),低值中心出現(xiàn)在浙江與福建兩省交界處,這可能與其位置靠近武夷山區(qū)和海洋有關(guān),安徽部分山區(qū)(大別山與黃山)大氣AOD相較于周邊區(qū)域偏低,海洋地區(qū)大氣AOD相較于陸地地區(qū)偏低。沙塵AOD呈緯向分布,隨緯度升高遞增,但AOD較小。

圖1 2015—2021年長(zhǎng)三角及周邊地區(qū)地閃密度、大氣AOD、硫酸鹽AOD和沙塵AOD空間分布Fig.1 Spatial distribution of cloud-to-ground lightning density,atmosphere AOD,sulfate AOD and dust AOD in the Yangtze River Delta from 2015 to 2021

圖2為2015—2021年長(zhǎng)三角及周邊地區(qū)逐月平均的大氣AOD、硫酸鹽AOD、沙塵AOD和地閃數(shù)。由圖2可見(jiàn),大氣AOD為0.40～0.65,峰值出現(xiàn)在3月,隨后快速下降,9月降至最低;硫酸鹽AOD為雙峰特征,3月和6月均為峰值;沙塵AOD先增加并在4月達(dá)到峰值,隨后下降,7月為最低值;地閃數(shù)在8月達(dá)到最大,由于1—2月和10—12月熱力條件差,地閃活動(dòng)不明顯,在后續(xù)章節(jié),僅針對(duì)地閃活動(dòng)較為活躍的4-9月進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖2 2015—2021年長(zhǎng)三角及周邊地區(qū)逐月平均的大氣AOD、硫酸鹽AOD、沙塵AOD和地閃數(shù)Fig.2 Monthly averaged atmosphere AOD,sulfate AOD,dust AOD and cloud-to-ground lightning number in the Yangtze River Delta from 2015 to 2021

續(xù)圖2

2.2 地閃活動(dòng)和氣溶膠關(guān)系

圖3為2015—2021年長(zhǎng)三角及其周邊地區(qū)有地閃日的平均大氣AOD、硫酸鹽AOD和沙塵AOD較無(wú)地閃日的相對(duì)變化。由于長(zhǎng)三角及周邊地區(qū)氣溶膠以由硫酸鹽氣溶膠為主,有地閃日的大氣AOD和硫酸鹽AOD相對(duì)變化的空間分布類(lèi)似,硫酸鹽氣溶膠作為云凝結(jié)核可參與云內(nèi)過(guò)程,促進(jìn)對(duì)流發(fā)生發(fā)展,這可能是有地閃日大氣AOD和硫酸鹽AOD較高的原因。有地閃日沙塵AOD較低。

逐月統(tǒng)計(jì)也得到類(lèi)似結(jié)果,圖4為2015—2021年4—9月長(zhǎng)三角及其周邊地區(qū)逐月平均的大氣AOD、硫酸鹽AOD和沙塵AOD在有地閃日和無(wú)地閃日的對(duì)比,樣本為各格點(diǎn)日平均值。由圖4可見(jiàn),4月有地閃日的大氣AOD比無(wú)地閃日偏高50%,其余月份二者差異較小。硫酸鹽AOD與大氣AOD的結(jié)果相似, 5月和9月有地閃日硫酸鹽AOD和無(wú)地閃日的差異達(dá)到20%,6月和7月二者差異不明顯。Stolz等[29]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱力條件較好時(shí),污染條件下與清潔條件下同高度云的雷達(dá)反射率因子之差較熱力條件較差時(shí)偏小,推測(cè)熱力條件較好時(shí)氣溶膠的作用會(huì)減弱,因此夏季氣溶膠對(duì)于地閃生成的影響不明顯。所有月份有地閃日的沙塵AOD均較無(wú)地閃日偏低20%以上。由圖3與圖4可以看到,長(zhǎng)三角及其周邊區(qū)域AOD與地閃活動(dòng)存在一定關(guān)系,地閃活躍時(shí),大氣AOD和硫酸鹽AOD較高,沙塵AOD較低。

圖4 2015—2021年4—9月長(zhǎng)三角及其周邊地區(qū)逐月平均的大氣AOD、硫酸鹽AOD和沙塵AOD在有地閃日和無(wú)地閃日的箱線圖Fig.4 Box plots of monthly averaged total AOD,sulfate AOD and dust AOD in cloud-to-ground lighting days and no cloud-to-ground lightning days in the Yangtze River Delta from Apr to Sep during 2015-2021

氣溶膠不僅影響地閃生成,也影響地閃活躍程度。圖5為AOD較高與較低條件下地閃密度的差值。在硫酸鹽AOD較高時(shí),大部分地區(qū)地閃密度較高,表明硫酸鹽氣溶膠對(duì)于地閃活動(dòng)有促進(jìn)作用。由于研究區(qū)域內(nèi)主要為硫酸鹽氣溶膠,大氣AOD與硫酸鹽氣溶膠AOD有較為類(lèi)似的結(jié)果。沙塵氣溶膠與硫酸鹽氣溶膠的影響明顯不同,沙塵AOD較高時(shí),地閃密度偏低。

圖5 AOD較高與較低條件下地閃密度差值Fig.5 Spatial distribution of differences in cloud-to-ground lightning density between high and low AOD conditions

2.3 地閃密度與AOD及相對(duì)濕度的關(guān)系

以上比較不同類(lèi)型AOD和AOD高低條件下地閃活動(dòng)的差異,以下定量分析地閃密度與AOD的相關(guān)性。圖6為地閃密度與硫酸鹽AOD的散點(diǎn)圖。有研究指出氣溶膠與閃電活動(dòng)的關(guān)系在AOD達(dá)到閾值后發(fā)生轉(zhuǎn)變。為了找出關(guān)系轉(zhuǎn)變的閾值,采用文獻(xiàn)[30]的方法,對(duì)已有資料進(jìn)行高斯函數(shù)擬合,將擬合所得峰值作為閾值;對(duì)低于閾值和高于閾值的情況分別計(jì)算皮爾森線性相關(guān)系數(shù)和擬合直線。由圖6可見(jiàn),各月份硫酸鹽AOD低于閾值(圖中細(xì)虛線,下同)時(shí),其與地閃密度為較弱或中等的正相關(guān)關(guān)系,且均達(dá)到0.05顯著性水平;當(dāng)硫酸鹽AOD高于閾值時(shí),其與地閃密度的相關(guān)關(guān)系未達(dá)到0.05顯著性水平。Wang等[22]指出,某些氣象條件下氣溶膠微物理效應(yīng)與輻射效應(yīng)共存,氣溶膠與閃電活動(dòng)不一定表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系,而是相關(guān)性不明顯。不同月份的閾值也存在較大區(qū)別,表明硫酸鹽氣溶膠與地閃活動(dòng)關(guān)系的復(fù)雜性。

圖6 2015—2021年4—9月長(zhǎng)三角及其周邊地區(qū)地閃密度與硫酸鹽AOD散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter plots of cloud-to-ground lightning density and sulfate AOD in the Yangtze River Delta from Apr to Sep during 2015-2021

地閃活動(dòng)不僅與氣溶膠有關(guān),也受熱力動(dòng)力條件影響。研究認(rèn)為低層相對(duì)濕度會(huì)影響地閃活動(dòng),低層相對(duì)濕度過(guò)低難以形成可產(chǎn)生地閃活動(dòng)的對(duì)流云,低層相對(duì)濕度過(guò)高可能由于蒸發(fā)不利于上升運(yùn)動(dòng)[31]。圖7為地閃密度與850 hPa相對(duì)濕度的散點(diǎn)圖。由圖7可見(jiàn),4月、5月和6月地閃密度與低層相對(duì)濕度為正相關(guān)關(guān)系,其余月份兩者相關(guān)關(guān)系不顯著或較弱。

圖7 2015—2021年4—9月長(zhǎng)三角及其周邊地區(qū)地閃密度與850 hPa相對(duì)濕度散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter plots of cloud-to-ground lightning density and 850 hPa relative humidity in the Yangtze River Delta from Apr to Sep during 2015-2021

相對(duì)濕度會(huì)影響硫酸鹽AOD的值,圖8為硫酸鹽AOD與850 hPa相對(duì)濕度的散點(diǎn)圖(R為相關(guān)系數(shù),P為顯著性水平,下同)。AOD同時(shí)受相對(duì)濕度與氣溶膠數(shù)濃度的影響,氣溶膠粒子數(shù)濃度不變時(shí),隨著相對(duì)濕度的增加,硫酸鹽氣溶膠的吸濕增長(zhǎng)特性使得氣溶膠半徑增大,導(dǎo)致AOD提升[32]。云凝結(jié)核的數(shù)目也受相對(duì)濕度以及氣溶膠粒子數(shù)濃度的影響,氣溶膠粒子數(shù)濃度較大且水汽條件相對(duì)較差會(huì)導(dǎo)致云凝結(jié)核數(shù)目小于氣溶膠粒子數(shù)目[33-34]。由圖8可見(jiàn),硫酸鹽AOD較低時(shí),4—6月、7月和9月兩者為正相關(guān)關(guān)系,達(dá)到0.05顯著性水平,此時(shí)相對(duì)濕度升高有利于硫酸鹽氣溶膠形成云凝結(jié)核,促進(jìn)對(duì)流的生成與發(fā)展,進(jìn)而有利于地閃活動(dòng)加強(qiáng);8月相對(duì)濕度較高,但硫酸鹽AOD與相對(duì)濕度的關(guān)系不明確,這是因?yàn)锳OD增大也可能源于氣溶膠數(shù)濃度的增加。

圖8 2015—2021年4—9月長(zhǎng)三角及其周邊地區(qū)硫酸鹽AOD與850 hPa相對(duì)濕度散點(diǎn)圖Fig.8 Scatter plots of sulfate AOD and 850 hPa relative humidity in the Yangtze River Delta from Apr to Sep during 2015-2021

圖9為地閃密度與沙塵氣溶膠的關(guān)系。由圖9可見(jiàn),與硫酸鹽氣溶膠明顯不同,沙塵氣溶膠與地閃活動(dòng)為負(fù)相關(guān)關(guān)系或者相關(guān)不明顯。4—6月沙塵AOD與地閃密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,達(dá)到0.05顯著性水平,7—9月兩者相關(guān)關(guān)系不顯著。長(zhǎng)三角地區(qū)沙塵AOD占大氣AOD的比例較小,尤其是7—9月是沙塵氣溶膠最低的月份(圖2),因此二者關(guān)系最弱。

圖9 2015—2021年4—9月長(zhǎng)三角及其周邊地區(qū)地閃密度與沙塵AOD散點(diǎn)圖Fig.9 Scatter plots of cloud-to-ground lightning density and dust AOD in the Yangtze River Delta from Apr to Sep during 2015-2021

3 結(jié)論與討論

本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析2015—2021年地閃定位資料和AOD再分析資料,得到如下結(jié)論:

1) 長(zhǎng)三角及其周邊地區(qū)有地閃日的硫酸鹽AOD較高,沙塵AOD較低。

2) 在地閃活動(dòng)較為活躍的月份,隨著硫酸鹽AOD的升高,地閃密度增加,但硫酸鹽AOD超過(guò)一定閾值后,地閃密度減小或保持不變,且不同月份的閾值存在差異。4—6月沙塵AOD與地閃活動(dòng)呈負(fù)相關(guān),7—9月關(guān)系不顯著。

3) 低層相對(duì)濕度與地閃密度主要為正相關(guān)關(guān)系。硫酸鹽AOD較低時(shí),其與相對(duì)濕度為正相關(guān),硫酸鹽AOD較高時(shí),二者關(guān)系不顯著。

同一區(qū)域內(nèi)地閃活動(dòng)對(duì)不同種類(lèi)氣溶膠響應(yīng)不同,這與不同種類(lèi)氣溶膠的輻射特性和吸濕特性以及氣溶膠粒徑大小等特征有關(guān)。研究顯示:提升氣溶膠濃度可以形成更多粒徑更小的云滴,這類(lèi)云滴更易到達(dá)對(duì)流云上層,影響地閃的生成[35-37],硫酸鹽氣溶膠濃度的升高可以通過(guò)以上過(guò)程促進(jìn)地閃活動(dòng)。隨著氣溶膠濃度不斷加大,氣溶膠的輻射作用不斷加強(qiáng),導(dǎo)致與高硫酸鹽氣溶膠濃度二者為較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系或相關(guān)不明顯[23,38],且相關(guān)關(guān)系轉(zhuǎn)變的閾值在不同月份存在差異,這說(shuō)明氣溶膠與地閃活動(dòng)關(guān)系的復(fù)雜性。沙塵氣溶膠的影響較為復(fù)雜:從輻射作用看,沙塵氣溶膠的吸收作用遠(yuǎn)高于硫酸鹽氣溶膠[39];從微物理效應(yīng)看,沙塵氣溶膠可作為冰核影響冰相過(guò)程[22,40],但被水溶性污染物包裹的沙塵粒子可作為云凝結(jié)核促進(jìn)對(duì)流生成和發(fā)展[41]。同時(shí),強(qiáng)對(duì)流對(duì)沙塵氣溶膠的清除作用可能導(dǎo)致兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。研究指出,沙塵氣溶膠的粒徑遠(yuǎn)高于硫酸鹽氣溶膠[42-43],這可能導(dǎo)致地閃活動(dòng)減弱[24]。