雷电衍生大气污染物：特征、相关物理化学过程和对大气污染影响

Lightning physics and lightning protection used to be the focus of research interest. Recently, lightning chemistry also becomes a "hot spot" research area. Utilizing the existing artificial lightning base in Guangzhou Conghua, which is unique in China, we plan to establish a lightning chemistry baseline station, with advanced air pollutant monitoring equipments and proven chemical analysis capability, to obtain first hand surveillance and monitoring data related to lightning physics and atmospheric chemistry. Source characteristics, chemical transformation, and formation mechanisms, for lightning generated atmospheric pollutants (NOx, Ozone and others) near surface below 3km of the troposphere in frequent lightning occurring regions are found through in-depth observation and analysis. Effect of lightning on secondary organic aerosol (SOA), fine particle formation as well as macromolecule organic matter formation and dissociation are also explored. We also make use of the lightning monitoring and surveillance data from the China Power Plant Grid lightning monitoring network, and reference to the monitoring data from the Conghua Tianhu air quality monitoring station which lies in a typical high frequency lightning occurring region. Using our lightning NOx sourcing information, we can more accurately calculate the contribution of lightning source to regional NOx. Modeling simulation is then performed to analyze the impact of lightning on regional air pollution in surface and lower troposphere. These simulation results provide a scientific base for the formulation of regional air pollution control and global climate change adaptation strategy. In addition, this project will train and nourish experts in the field of lightning chemistry as well as promote and foster interest in this and relevant fields in China.

雷电物理和雷电防护一直备受关注。有关雷电化学的研究最近也成为热点之一，目前的研究主要集中在高空大气层。本项目拟在雷电频发的华南地区，利用先进的大气监测仪器和成熟的化学分析能力，在广州从化国内唯一的人工雷电试验基地，建立一个雷电化学本底站，收集第一手雷电物理和大气化学相关的观测数据。通过深入分析，得到雷电高发地区近地面三公里以内雷电衍生的大气污染物（NOx，臭氧等）源特征及其变化成因和机制；探索雷电对大气中挥发性有机物，二次有机污染物、细粒子和有机大分子等的影响；结合中国电网的雷电监测信息和资料，以自然雷电发生时典型雷电高发区大气环境监测站的数据为参考，利用同位素方法解析雷电对典型地区大气中NOx的贡献，利用模型分析雷电源对对流层底部大气污染的影响，为区域空气污染及应对全球气候变化的控制对策提供科学依据。此外，项目的实施还将培养我国雷电化学方面的人才，推动和促进国内相关学科的发展。

闪电作为最常见的天气灾害之一，直接威胁人类的生命和财产安全。同时，闪电的高温、高压等特点能够迅速引起多种大气化学反应，进而对大气化学组分及大气环境质量产生影响。本项目利用广州从化野外人工引雷实验基地，建立了我国首个人工引雷——雷电化学观测平台。开展人工引雷实验，在距引雷点约90米处的监测室内对NOx，O3，颗粒物粒径分布及化学组分进行在线监测。此外，项目还研究了自然闪电对香港地区近地面大气污染物浓度的影响。通过对闪电定位系统、气象数据、地形地貌等数据的综合分析，对珠三角及香港地区的闪电时空分布特征及其影响因素进行了研究。.项目执行期间共计成功引雷23次。人工引雷实验结果显示，闪电过程可能导致局地NOx的快速增长以及O3浓度的改变，亚微米级细颗粒数浓度也在引雷成功后快速增长。单颗粒气溶胶质谱分析显示，引雷过程中出现了显著的铁离子特征峰，究其原因主要是由于引雷火箭导线熔化产生。因此含铁颗粒占比的显著增加从侧面反映出闪电通道中化学组分的改变会对颗粒物化学组分产生一定影响。对香港地区闪电日近地面NOx及O3浓度变化的研究结果显示， NOx浓度在闪电日增长4.1%~20.5%，而O3浓度则减少26.5%~44.4%。土地利用类型、闪电参数及气象参数均对闪电日NOx和O3浓度变化具有重要影响。对华南闪电时空分布的研究结果显示，微环境特征（如地形、城市化程度、人口、城市规模和结构）以及气候和气象条件是影响华南地区雷电活动的重要因素。.本研究所取得的相关成果为闪电的大气化学效应及其影响机制的深入研究提供了全新的研究方法与平台和一定的数据基础。项目执行期间共发表研究论文6篇，参加国际学术会议2次，培养博士生5名，博士后1名。