利用高分辨OMI反演算法估算闪电NO_x的产率

研究表明，闪电氮氧化物（LNO_x）是对流层上层氮氧化物（NO_x）的主要来源，对臭氧和羟基具有重大影响。然而，目前全球的LNO_x产率依然存在很大的不确定性（32–1100 mol NO_x/闪电）。与传统方法相比，卫星测量范围广且时序长，可用于估算和比较不同地区LNO_x的产率。实验室银燕教授研究团队，针对臭氧监测器（OMI）开发了普适性算法（同时适用于污染和清洁地区），提出了最新的LNO_x产率及其分布。

首先，利用带有闪电参数化方案的高分辨率WRF-Chem模式，对2014年美国对流频发季节进行模拟。其次，将模拟结果和中分辨率成像光谱仪（MODIS）云产品和反射率资料传入至新算法，进而得到LNO_x的1×1˚网格化产量。接着，将网格化产量与地球网络总闪电网络（ENTLN）的总闪资料进行匹配，得到LNO_x的产率分布图。最后，将算法所涉及的不确定性来源考虑进去，综合考虑求和与回归的方法，最终估算得到的平均生产率为32 ± 15 mol LNO₂/闪电、90 ± 50 mol LNO_x/闪电、6 ± 3 mol LNO₂/闪击和17 ± 10 mol LNO_x/闪击。

与前人研究的对比结果显示，由于该算法将云层以下的LNO₂考虑进去，估算得到的LNO₂产量会更大（尤其针对于高云）。 同时，对于污染地区，如果没有对污染背景的NO₂进行校正，LNO_x产率可能被高估18％以上，但在清洁地区或者云上有大量LNO_x的地区，估算结果受影响不大。除此以外，敏感性试验结果表明，尽管空气质量因子（AMF）的计算是非线性的，但模式中较大的LNO产量设置会导致LNO_x的产率增大62 %。与此同时，处于云上方的对流层LNO₂与总对流层LNO₂的比率，和LNO₂与NO₂的比例，一起构成了复杂的综合效应。

研究指出，对于污染地区的LNO_x估算，需对NO₂污染背景浓度进行细致的考虑。而最近发射的卫星仪器（对流层监测仪，TROPOMI）和新型的闪电成像仪（LMI）可对其进行补充。此外，闪电通道长度和WRF-Chem中更详细的闪电参数化，亦可改善目前对LNOx产率的估计。未来将本研究开发的算法与上述资料结合，将在局地和全球范围内提高LNO_x生产的准确性。

上述研究成果已在Atmospheric Measurement Techniques上发表（doi: 10.5194/amt-13-1709-2020），得到国家自然科学基金项目（91644224，41705118）的资助。第一作者为博士研究生张昕，通讯作者为银燕教授。

参考文献：

Zhang, Xin; Yin, Yan; van der A, Ronald; Lapierre, Jeff L.; Chen, Qian; Kuang, Xiang et al. (2020): Estimates of lightning NO_x production based on high-resolution OMI NO₂ retrievals over the continental US. In Atmos. Meas. Tech. 13 (4), pp. 1709–1734. DOI: 10.5194/amt-13-1709-2020.

图 1 (a)  2014年5-8月对流层NO₂平均柱密度，污染城市（兰辛，新奥尔良和奥兰多）用星号表示，清洁城市（休伦，查尔斯镇和塔伯勒）用三角形表示 (b) NO₂Vis方法与LNO₂Vis方法估算得到的平均产率之差。(c) LNO₂方法与NO₂Vis方法估算得到的平均产率之差 (d) LNO₂Vis与LNO₂之比。

图 2 (a)  LNO₂Vis与LNO₂之比和云压的核密度估计 (b) LNO₂产率与和云压的核密度估计