吳嘯天 王曉妍 鄭 棟 張義軍

1)(復旦大學大氣與海洋科學系, 上海 200438) 2)(中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室, 北京 100081)

引 言

閃電是一種發(fā)生于雷暴云中的強烈放電現(xiàn)象,閃電活動產(chǎn)生的大電流、高電壓、強電磁輻射等效應會對人們的生命財產(chǎn)安全帶來威脅[1-3]。大量統(tǒng)計分析和模擬試驗指出氣溶膠是影響閃電活動的重要因素。氣溶膠能夠作為云凝結核以及冰核影響云中微物理過程的發(fā)展,進而影響閃電活動的發(fā)生[4-6]。區(qū)域研究發(fā)現(xiàn)氣溶膠濃度升高會造成閃電活動增加[7-8]。Altaratz等[9]基于全球閃電定位系統(tǒng)(World Wide Lightning Location Network,WWLLN)觀測資料研究發(fā)現(xiàn)氣溶膠濃度較高時,強閃電密度較大。除此之外,大量研究還關注城市氣溶膠對閃電活動的影響[10-13]。Wang等[14]對我國成都、武漢、濟南3個城市的研究發(fā)現(xiàn)氣溶膠濃度較高時,閃電密度較大,而正地閃比例較小。以上研究均表明,氣溶膠能夠促進閃電活動的發(fā)生。

除了作為云凝結核參與云微物理過程,氣溶膠還能夠散射、吸收太陽輻射[15-16],導致到達地面的輻射通量減小,大氣層結更為穩(wěn)定,不利于對流活動發(fā)生。有的研究認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[17]。Tan等[18]指出夏季南京氣溶膠光學厚度與閃電密度呈負相關,進一步分析氣溶膠與對流有效位能等的關系發(fā)現(xiàn)這可能是由氣溶膠的輻射作用導致。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,在氣溶膠濃度較高的地區(qū),二者呈負相關。Zhao等[20]對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)閃電活動的研究也支持以上結果。孫萌宇等[21]利用總閃資料以及PM2.5資料針對北京地區(qū)研究也得到類似結論:當氣溶膠濃度低于130 μg·m-3時,兩者呈正相關,但當氣溶膠濃度超過150 μg·m-3時,兩者呈負相關。這些研究結果體現(xiàn)了氣溶膠與閃電活動關系的復雜性。

氣溶膠類型多樣,不同類型的氣溶膠具有不同的物理性質(zhì),不同類型氣溶膠的微物理作用及輻射作用不盡相同,研究認為不同類型的氣溶膠對于閃電活動的影響有所不同。Sun等[22]對2021年北京的一次沙塵暴過程的分析表明,沙塵氣溶膠可能通過增加冰核等方式加劇閃電活動并導致正地閃比例提升。Wang等[23]對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,當氣溶膠光學厚度(aerosol optical depth,AOD)較低時,兩個區(qū)域的閃電數(shù)隨AOD的增大急劇上升,但當AOD超過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,這可能是由兩個地區(qū)主導的氣溶膠性質(zhì)不同所致。Pan等[24]研究海洋上氣溶膠與閃電活動的關系指出,可能由于海鹽氣溶膠直徑較大,易產(chǎn)生較大云滴,加速暖雨過程,導致閃電活動減弱。

綜上所述,氣溶膠對閃電活動的影響復雜,氣溶膠種類以及環(huán)境條件均可對二者關系產(chǎn)生較大影響,同時二者關系在不同地區(qū)也存在差異,因此它們之間的關系仍需進一步研究。國內(nèi)已有研究往往集中單一城市,僅有少量研究關注地區(qū)[25],為了解長江三角洲(簡稱長三角)及其周邊地區(qū)氣溶膠與地閃活動的關系,本文通過地基地閃定位資料,氣溶膠光學厚度資料以及大氣再分析資料,研究長三角及周邊地區(qū)地閃活動與氣溶膠的相關性,揭示不同類型氣溶膠與地閃活動的關系。

1 資料與研究方法

1.1 資料簡介

中國氣象局全國地閃定位探測系統(tǒng)集成了到達時間差和磁定向方法(advanced time of arrival and direction,ADTD)。ADTD探測系統(tǒng)通過多站測量地閃回擊輻射的電磁場確定電流參數(shù),利用時差法結合磁向法對地閃進行定位。該系統(tǒng)能提供地閃發(fā)生時間、經(jīng)緯度、極性和峰值電流等信息。自2009年ADTD探測系統(tǒng)基本能夠覆蓋中國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行質(zhì)量控制和歸閃處理,剔除參與定位的站點數(shù)小于5和電流強度小于10 kA的地閃定位資料,因為系統(tǒng)常常將近距離的云閃誤判為正地閃。將時間間隔小于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年長三角及周邊地區(qū)(27.5°～35°N,115°～122.5°E)地閃活動與氣溶膠的關系。

MERRA2(the modern-era retrospective analysis for research and applications,version 2)資料集是美國國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、有機碳氣溶膠等的光學厚度和散射系數(shù),資料水平分辨率為0.625°×0.5°,時間分辨率為小時,空間范圍及時間范圍與地閃資料相同。長三角地區(qū)氣溶膠以硫酸鹽氣溶膠為主(0.361,約占70%),有機碳(0.061)、黑碳(0.035)以及沙塵氣溶膠(0.041)對大氣氣溶膠AOD(0.513)的貢獻相近,本文選用沙塵氣溶膠和硫酸鹽氣溶膠討論不同類型氣溶膠對地閃的影響。

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

統(tǒng)計分析前統(tǒng)一各類資料的時空分辨率,時間分辨率為逐日,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,無地閃日則不統(tǒng)計。利用Pearson線性相關系數(shù)定量描述變量間線性相關關系的強弱。

2 結果分析

2.1 氣溶膠光學厚度和地閃密度時空分布

2015—2021年長三角及其周邊地區(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,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的空間分布較為類似,結合AOD大小可知長三角地區(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,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,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,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月達到峰值,隨后下降,7月為最低值;地閃數(shù)在8月達到最大,由于1—2月和10—12月熱力條件差,地閃活動不明顯,在后續(xù)章節(jié),僅針對地閃活動較為活躍的4-9月進行統(tǒng)計分析。

圖2 2015—2021年長三角及周邊地區(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 地閃活動和氣溶膠關系

圖3為2015—2021年長三角及其周邊地區(qū)有地閃日的平均大氣AOD、硫酸鹽AOD和沙塵AOD較無地閃日的相對變化。由于長三角及周邊地區(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相對變化的空間分布類似,硫酸鹽氣溶膠作為云凝結核可參與云內(nèi)過程,促進對流發(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)計也得到類似結果,圖4為2015—2021年4—9月長三角及其周邊地區(qū)逐月平均的大氣AOD、硫酸鹽AOD和沙塵AOD在有地閃日和無地閃日的對比,樣本為各格點日平均值。由圖4可見,4月有地閃日的大氣AOD比無地閃日偏高50%,其余月份二者差異較小。硫酸鹽AOD與大氣AOD的結果相似, 5月和9月有地閃日硫酸鹽AOD和無地閃日的差異達到20%,6月和7月二者差異不明顯。Stolz等[29]研究發(fā)現(xiàn)當熱力條件較好時,污染條件下與清潔條件下同高度云的雷達反射率因子之差較熱力條件較差時偏小,推測熱力條件較好時氣溶膠的作用會減弱,因此夏季氣溶膠對于地閃生成的影響不明顯。所有月份有地閃日的沙塵AOD均較無地閃日偏低20%以上。由圖3與圖4可以看到,長三角及其周邊區(qū)域AOD與地閃活動存在一定關系,地閃活躍時,大氣AOD和硫酸鹽AOD較高,沙塵AOD較低。

圖4 2015—2021年4—9月長三角及其周邊地區(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,大部分地區(qū)地閃密度較高,表明硫酸鹽氣溶膠對于地閃活動有促進作用。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有較為類似的結果。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,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及相對濕度的關系

以上比較不同類型AOD和AOD高低條件下地閃活動的差異,以下定量分析地閃密度與AOD的相關性。圖6為地閃密度與硫酸鹽AOD的散點圖。有研究指出氣溶膠與閃電活動的關系在AOD達到閾值后發(fā)生轉(zhuǎn)變。為了找出關系轉(zhuǎn)變的閾值,采用文獻[30]的方法,對已有資料進行高斯函數(shù)擬合,將擬合所得峰值作為閾值;對低于閾值和高于閾值的情況分別計算皮爾森線性相關系數(shù)和擬合直線。由圖6可見,各月份硫酸鹽AOD低于閾值(圖中細虛線,下同)時,其與地閃密度為較弱或中等的正相關關系,且均達到0.05顯著性水平;當硫酸鹽AOD高于閾值時,其與地閃密度的相關關系未達到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與輻射效應共存,氣溶膠與閃電活動不一定表現(xiàn)為負相關關系,而是相關性不明顯。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關系的復雜性。

圖6 2015—2021年4—9月長三角及其周邊地區(qū)地閃密度與硫酸鹽AOD散點圖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

地閃活動不僅與氣溶膠有關,也受熱力動力條件影響。研究認為低層相對濕度會影響地閃活動,低層相對濕度過低難以形成可產(chǎn)生地閃活動的對流云,低層相對濕度過高可能由于蒸發(fā)不利于上升運動[31]。圖7為地閃密度與850 hPa相對濕度的散點圖。由圖7可見,4月、5月和6月地閃密度與低層相對濕度為正相關關系,其余月份兩者相關關系不顯著或較弱。

圖7 2015—2021年4—9月長三角及其周邊地區(qū)地閃密度與850 hPa相對濕度散點圖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

相對濕度會影響硫酸鹽AOD的值,圖8為硫酸鹽AOD與850 hPa相對濕度的散點圖(R為相關系數(shù),P為顯著性水平,下同)。AOD同時受相對濕度與氣溶膠數(shù)濃度的影響,氣溶膠粒子數(shù)濃度不變時,隨著相對濕度的增加,硫酸鹽氣溶膠的吸濕增長特性使得氣溶膠半徑增大,導致AOD提升[32]。云凝結核的數(shù)目也受相對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較差會導致云凝結核數(shù)目小于氣溶膠粒子數(shù)目[33-34]。由圖8可見,硫酸鹽AOD較低時,4—6月、7月和9月兩者為正相關關系,達到0.05顯著性水平,此時相對濕度升高有利于硫酸鹽氣溶膠形成云凝結核,促進對流的生成與發(fā)展,進而有利于地閃活動加強;8月相對濕度較高,但硫酸鹽AOD與相對濕度的關系不明確,這是因為AOD增大也可能源于氣溶膠數(shù)濃度的增加。

圖8 2015—2021年4—9月長三角及其周邊地區(qū)硫酸鹽AOD與850 hPa相對濕度散點圖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系。由圖9可見,與硫酸鹽氣溶膠明顯不同,沙塵氣溶膠與地閃活動為負相關關系或者相關不明顯。4—6月沙塵AOD與地閃密度呈負相關關系,達到0.05顯著性水平,7—9月兩者相關關系不顯著。長三角地區(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),因此二者關系最弱。

圖9 2015—2021年4—9月長三角及其周邊地區(qū)地閃密度與沙塵AOD散點圖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 結論與討論

本文通過統(tǒng)計分析2015—2021年地閃定位資料和AOD再分析資料,得到如下結論:

1) 長三角及其周邊地區(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與地閃活動呈負相關,7—9月關系不顯著。

3) 低層相對濕度與地閃密度主要為正相關關系。硫酸鹽AOD較低時,其與相對濕度為正相關,硫酸鹽AOD較高時,二者關系不顯著。

同一區(qū)域內(nèi)地閃活動對不同種類氣溶膠響應不同,這與不同種類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。研究顯示:提升氣溶膠濃度可以形成更多粒徑更小的云滴,這類云滴更易到達對流云上層,影響地閃的生成[35-37],硫酸鹽氣溶膠濃度的升高可以通過以上過程促進地閃活動。隨著氣溶膠濃度不斷加大,氣溶膠的輻射作用不斷加強,導致與高硫酸鹽氣溶膠濃度二者為較弱的負相關關系或相關不明顯[23,38],且相關關系轉(zhuǎn)變的閾值在不同月份存在差異,這說明氣溶膠與地閃活動關系的復雜性。沙塵氣溶膠的影響較為復雜:從輻射作用看,沙塵氣溶膠的吸收作用遠高于硫酸鹽氣溶膠[39];從微物理效應看,沙塵氣溶膠可作為冰核影響冰相過程[22,40],但被水溶性污染物包裹的沙塵粒子可作為云凝結核促進對流生成和發(fā)展[41]。同時,強對流對沙塵氣溶膠的清除作用可能導致兩者呈負相關關系。研究指出,沙塵氣溶膠的粒徑遠高于硫酸鹽氣溶膠[42-43],這可能導致地閃活動減弱[24]。