基于闪电及多种卫星观测数据改进华南地区对流层中上层臭氧的数值模拟

Nitrogen oxides (NOx) produced by lightning (LNOx) is the most important natural precursor of ozone（O3）in the middle and upper troposphere, which has an important influence on atmospheric chemistry and climate change. Lightning activities in South China is rather active, which may have an inigorable effect on the temporal and spatial distribution of tropospheric O3 over this area. However, it is found that an underestimation of the impact of LNOx may lead to a modeling (the GEOS Chem model) underestimation of O3 in the middle and upper troposphere over South China while compared with ozonesonde data. This may due to that the temporal and spatial distribution of lightning activity in the model is not well represented. Therefore, this study plans to employ two methods to optimize improve the LNOx source estimation, one is to adjust the detailed temporal-spatial structure of the flash frequency using with in-situ observed data of lightning activities in this area, the other is to assimilate observations of NO2, O3, HNO3, and CO measured by multiple satellite measurements into the GEOS-Chem model based on the EnKF approach. Furthermore, the effect of lightning NOx on tropospheric O3 will be simulated and analyzed quantitatively, in order to provide the scientific basis for the further study in the influence of lightning and tropospheric O3 on air quality and climate change over South China.

闪电源氮氧化物（LNOx）是对流层中上层臭氧（O3）最重要的自然源前体物，对大气化学和气候变化均有重要影响。华南及周边地区闪电活动异常活跃，可能对该地区对流层臭氧的时空分布有着不容忽视的影响。然而，研究发现大气化学模式（GEOS-Chem）对该地区对流层中上层O3探空实测浓度存在严重低估，而对LNOx影响的低估极有可能是这种低估的重要原因。模式中对LNOx影响的低估，可能是因为模式里对实际闪电活动的时空分布代表性不足。针对此问题，本研究将通过两种方法探讨模式的优化，一是利用地基闪电定位系统的实测数据对卫星观测的闪电时空分布进行优化，二是利用LNOx化学反应相关的多种卫星观测（包括NO2、O3、HNO3和CO）进行数据同化，从而改进模式里闪电活动的时空分布及LNOx清单，进而定量化研究LNOx对对流层O3生成的影响，为进一步研究闪电以及对流层O3对该地区大气环境和气候变化的影响提供科学依据。

闪电源氮氧化物（LNOx）是对流层中上层臭氧（O3）最重要的自然源前体物，对大气化学和气候变化均有重要影响。华南及周边地区闪电活动异常活跃，可能对该地区对流层臭氧的时空分布有着不容忽视的影响。然而，研究发现大气化学模式（GEOS-Chem）对该地区对流层中上层O3探空实测浓度存在严重低估，而对LNOx影响的低估极有可能是这种低估的重要原因。模式中对LNOx影响的低估，可能是因为模式里对实际闪电活动的时空分布代表性不足。针对此问题，本研究将通过两种方法探讨模式的优化，一是利用地基闪电定位系统的实测数据对卫星观测的闪电时空分布进行优化，二是利用LNOx化学反应相关的多种卫星观测（包括NO2、O3、HNO3和CO）进行数据同化，从而改进模式里闪电活动的时空分布及LNOx清单，进而定量化研究LNOx对对流层O3生成的影响，为进一步研究闪电以及对流层O3对该地区大气环境和气候变化的影响提供科学依据。本研究完成了部分研究目标，开展了多源闪电监测数据的对比分析，以及新增了人工引雷对地面污染物影响的研究分析。本研究着重针对卫星和广东地区地面观测的闪电数据进行了分析，包括闪电产生的氮氧化物总量，地闪和云闪产生氮氧化物的比例，卫星和地面观测的闪电数对比等，初步认识到卫星观测的闪电产生氮氧化物的基本规律，以及卫星和地面观测的闪电的数量关系。此外，针对地闪对闪电产生氮氧化物总量的贡献较大的分析结果，对人工引雷对地面污染物影响进行了研究分析，初步探讨了闪电对地面多种大气污染物影响的时空分布规律。