对流输送和闪电对大气成分垂直分布的影响及其机理研究

The environmental and climate effects of atmospheric pollutants not only depend on the concentration, but also to a large extent depend on their vertical distribution in the atmosphere. Deep convective clouds are the main carrier for vertical transport of atmospheric mass, can transport the pollutants-containing air from their sources in the boundary layer to the upper troposphere (UT) or even the lower stratosphere in a relatively short time, and thus influence the regional to global atmospheric environment and climate. The proposed project will be embroidered on the interactions between atmospheric physical processes and atmospheric combined pollution, through analysis of satellite data, field measurements and numerical modeling, to achieve the following objectives: 1) To determine and understand the relative importance of dynamical transport vs lightning to the concentrations of NOx and ozone at UT; 2) To determine the main physical and chemical processes controlling the vertical transport; 3) To elucidate the special distribution of the production of NOx by lightning (LNOx) over China and its contribution to the total NOx; 4) To estimate the possibility of new particle formation at UT over China. This study will be a significant contribution to understanding the mechanisms of long-range transport of pollutants, their interactions with cloud and radiation, and the effects on air quality and climate change.

大气污染物的环境、气候效应不仅决定于其浓度的多少，在很大程度上还决定于其在大气中的垂直分布。深对流云是大气质量垂直输送的主要载体，它能够使含有各种污染气体和气溶胶的大气在相对较短的时间内由边界层源区输送到对流层上层甚至平流层低层，影响区域和全球大气环境和气候。本项目围绕重大专项中大气物理过程与大气复合污染的相互影响机制的研究方向，通过外场探空和激光雷达观测试验、卫星资料分析、和数值模拟，确定和理解动力输送和云中放电过程对中国典型地区对流层上层NOx和臭氧浓度的相对重要性；确定影响污染物垂直输送的主要云物理化学过程；揭示中国地区LNOx产量及其占总NOx比例的时空分布特征；获得新气溶胶粒子在中国地区对流层上层形成的可能性及数浓度。本研究对于理解大气污染物的远距离输送、与云和辐射的相互作用、以及对空气质量和气候变化的影响具有重要意义。

大气污染物的环境、气候效应不仅决定于其浓度的多少，在很大程度上还决定于其在大气中的垂直分布。深对流云是大气质量垂直输送的主要载体，它能够使含有各种污染气体和气溶胶的大气在相对较短的时间内由边界层源区输送到对流层上层甚至平流层低层，影响区域和全球大气环境和气候。本项目围绕重大专项中大气物理过程与大气复合污染的相互影响机制的研究方向，通过外场观测试验、卫星资料分析、和数值模拟，确定和理解动力输送和云中放电过程对中国典型地区对流层上层NOx和臭氧浓度的相对重要性；确定影响污染物垂直输送的主要云物理化学过程；揭示中国地区LNOx产量及其占总NOx比例的时空分布特征；获得新气溶胶粒子在中国地区对流层上层形成的可能性及数浓度。项目所取得的重要结果包括：1）来自近地层的污染物对对流层上层化学组分的贡献与来自对流层中层的贡献相当，而2.1~4.5 km的示踪气体在下沉外流作用下可到达近地层，占近地层气体总浓度的85%以上；2）动力输送是控制源层高度气体浓度变化的主导因子，而气体在源层高度以外的分布与多个因子有关，且气体溶解性越大，微物理过程和化学过程对气体分布的贡献越大，液滴蒸发以及冰粒子升华是影响这一结果的关键过程；3）揭示了青藏高原臭氧低谷与闪电产生氮氧化物的关系，即青藏高原夏季对流层LNOx浓度的大幅度上升造成对流层O3的浓度的大量上升，对O3的大量耗散起到了一定的补偿作用，抑制了O3低谷的进一步深化；4）得到了利用OMI数据估算LNOx的计算方法，我们的方法对背景NO2较不敏感，更适合于污染区域内的对流过程的计算；5）通过外场探空试验，分析了O3在对流前后的垂直分布特征，验证了WRF-chem模式的模拟结果，分析了不同强度对流过程对化学成分垂直分布影响的差异及其机理，为研究深对流对臭氧的影响提供了宝贵的材料。本研究对于理解大气污染物的远垂直输送、与云和辐射的相互作用、以及对空气质量和气候变化的影响具有重要意义。