闪电产生氮氧化物LNOx及其输送过程的模式计算.pdfVIP

闪电产生氮氧化物 LNOx 及其输送过程的模式计算 郭凤霞 言穆弘 张义军 董万胜 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 兰州 730000 摘 要 利用三维强风暴动力电耦合模式模拟讨论了一次雷暴过程中放电活动特征及平流和湍流对 LNOx的输送 特征 结论表明 在中部负电荷区域的上边缘 对应上升气流区外围 水平流场中心部位的区域 因为放 电传输距离较长 所以强放电区主要落在这些部位 且向上传输 在负电荷中心区也有少数放电点 但传 输距离较短 闪电产生的氮氧化物逸出闪道后 被云中平流和湍流输送 最后在弱流场区域内形成 LNOx浓 度中心 峰值达 9ppbv LNOx的输送主要以平流为主 但在云底层及雷暴消散阶段 湍流输送也起重要作 用 在雷暴云消亡期 LNOx的峰值为 2.7ppbv 比晴天值大 1个量级 关键词 模式 放电 LNOx 时空分布 输送 1 引言 全球闪电产生的氮氧化物 LNOx 在 2-20TgN/yr 之间 [1] 是对流层上部 NOx的主要源 NOx在闪道高温下产生 在通道温度降到3000K时 化学反应基本停止 产生的NOx被 冻住 然后通过辐射 冲击波和湍流扩散导热作用向外输送 冲击波和辐射传输很小 约占 10% 且持续时间很短 NOx主要依靠湍流混合向闪道外输送 湍流能使 NO 离开通道约 100m 距离 传输时间超过 100s 优势输送率为 10cm3/s[2 3] 雷暴云中 LNOx的时空分布观测结果很少 只有一些数值模拟结果 Helsdon [4]首次在三 维风暴电模式 SEM 中考虑了与 NOx有关的9 种物质的 18 种化学反应 利用闪道产生的能 量估算了 LNOx的值并模拟了 NOx产生后的分布特征 结果表明 随着雷暴云消散 云下部产 生的 NOx向下输送并保持在较低的高度 云上部产生的 NOx随上升气流输送到云砧处 所以 雷暴云发展后期云底和云砧 LNOx的浓度都很大 其量级与 STERAO 计划的观测数值一致 目前国内还没有利用云模式对闪电产生 NOx及其随后的输送特征做过研究 本文利用三 维强风暴动力电耦合模式模拟了一次雷暴云发展过程中放电及 LNOx时空分布特征及平流和 湍流对闪电产生氮氧化物在中小尺度范围内的输送特征 2 LNOx时空分布特征的模拟结果 2.1 放电模拟 0 5 10 15 20 25 30 35 0 3 6 9 12 15 18 1 7 13 19 25 31 37 图 1 33min 以前格点放电频数分布 图 2 33min 的空间垂直电场 kV/m 分布 y=18km 的 X-Z 剖面上 y=18km 的 X-Z 剖面上 *国家自然科学重大基金项目和中国科学院知识创新重大项目 KZCX1-SW-04 共同资助 A B C a 引入放电参数化后 利用三维动力-电耦合模式 可以模拟云闪时空分布 在整个模拟 云生命期中 共发生 2638 次放电 持续时间约 230s 30.5min 时发生第一次放电 随着电 场增强 放电频数迅速增加 一分钟后 达 300 次/10s 以上 接着迅速回落 此后通过起 电过程 电场增大 放电频数又很快增加 33.7min 又出现 491 次/10s 峰值 雷暴云旺盛阶 段电荷结构为偶极性 从图 1 可见 放电垂直高度主要集中在 8.5-11.5km 内 其中在 9-12km 范围内有三个强 放电区域 A,B,C 对照图 1 和图 2 可见 强放电区域都落在负电场区内 且都不在最大负电 场中心区 在 33min 时刻 模拟最大负极性垂直电场可在 400kV/m 以上 但强放电区域落在 约 200kV/m 负电场区内 对应中部负电荷区域的上边缘 然后向上传输 在正 负中心区域 也有少量放电点 2.2 LNOx模拟 2.2.1 LNOx空间分布 比较图 1 和图3 可见 二者并不重合 LNOx由产生的中心区域 经过输送后 形成一上 一下两个浓度为 5ppbv 的中心区域 其中高层的浓度中心比源中心抬升约 1km 底层浓度中 心向下降低了约 1.5km 水平均沿 X 增大的方向偏移 2km 图 1 A 区域相对应的垂直上升速度大约为 10m/s B C 处对应的上升速度都较弱