地中海地区的闪电活动和气溶胶外文翻译资料

Lightning activity and aerosols in the Mediterranean region

E. Proestakis, S. Kazadzis, K. Lagouvardos, V. Kotroni, A. Kazantzidis

A、Institute of Environmental Research and Sustainable Development, National Observatory of Athens, Lofos Koufou, Penteli, Athens 15236, Greece

B、Laboratory of Atmospheric Physics, Department of Physics, University of Patras, 26500, Greec

Keywords:

Lightning

Aerosol atmospheric optical depth Mediterranean Sea

ZEUS lightning detection network MODIS

abstract

In the framework of this study, the effect of aerosols on lightning activity has been investigated for the first time over the broader Mediterranean Sea. Atmospheric optical depth data retrieved by MODIS on board Aqua satellite and cloud to ground lightning activity data provided by ZEUS network operated by the National Observatory of Athens were analyzed for a time period spanning from 01/01/2005 up to 31/12/2013. The results indicate the importance of aerosols in lightning modulation. The mean aerosol optical depth (AOD) values of the days with lightning activity were found to be higher than the mean seasonal AOD in 90% of the under study domain. Furthermore, the increasing rate of lightning activity with increasing aerosol loading was found to be more pronounced during summertime and for AOD values up to 0.4. Additionally, the spatial analysis showed that the percentage of days with lightning activity during summertime is increasing with increasing AOD. Finally, time series showed similar temporal behavior between AOD seasonal anomalies and days with lightning activity differences. Both the spatial and temporal analysis showed that lightning activity is correlated to AOD, a charac- teristic consistent for all seasons.

1、Introduction

Lightning activity has received attention globally over the past few decades due to the link with severe incidents. Lightning activity is not only directly but also indirectly associated with livestock and human in- juries and deaths. Furthermore, forest fires, electrical, and communica- tion system breakdowns, and damage to human property have impact to people as individuals and to societies as a whole. Environmental interest is also present, as lightning activity is closely related to tropo- spheric ozone and convective precipitation.

Westcott (1995) was the first to investigate the connection between urban areas and lightning strikes frequency. The analysis of lightning data recorded by the National Lightning Detection Network (NLDN) from 1989 to 1992 for sixteen United States metropolitan cities showed enhancement of lightning activity over and downwind for most urban areas. The concluding suggestion that the spatial change of lightning activity is associated not only with topographic features and meteoro- logical effects but also with anthropogenic emissions raised many ques- tions and led to numerous studies.a study performed by Murray et al. (2000), who reported on the influ- ence of natural aerosols on lightning occurrence. The authors noticed that increased concentrations of aerosols advected into the atmosphere during 1998, due to biomass burning in Central America, led to anoma- lous higher lightning activity over the central United States. The diurnal and seasonal cycle of lightning activity was additionally studied by Orville et al. (2001) by using NLDN data over Houston from 1989 to 2000. Furthermore, mechanisms responsible for the enhanced lightning activity were identified as the unique regional geographical features (coastline), the heat island over Houston, and the increased level of aerosol concentration due to anthropogenic activity, although a separa- tion of the effects was not possible. In order to decouple the aforemen- tioned topographical and meteorological effects from the aerosol effect on lightning, Steiger and Orville (2003) studied the unique case of Southern Louisiana. The results indicated a clear relationship between major pollutant areas and increased lightning activity.

Meanwhile, technological advances and upgrades of lighting detec- tion systems allowed scientific groups originating from different coun- tries to study the spatial and temporal distribution of lightning activity. Holt et al. (2001) studied the strong seasonal, spatial, and tem- poral trends of lightning activity over Europe and the United Kingdom by utilizing the Arrival Time Difference (ATDnet) lightning detection system. Defer et al. (2005) investigated the lightning activity distribu- tion over the eastern Mediterranean during the cold period of the year focusing on lightning multiplicity and duration while Katsanos et al. (2007) studied the spatial and temporal distribution of lightning in the central and eastern Mediterranean, with emphasis on the relationshipof lightning activity with precipitation. Soriano et al. (2001), on the con- trary, investigated the cloud electrical activity over the Iberian Peninsula for the warm seasons between 1992 and 1994 and highlighted the strong spatial correlation between convective precipitation and cloud to ground lightning activity. Kotroni and Lagouvardos (2008) who investigated the relation of lightning activity with terrain height, slope, and vegetation in the Mediterranean area, found among other results, a positive relationship of lightning activity with elevation during spring and summer and with the elevation slope throughout the year except winter. A study performed by Soriano and Pablo (2002) investigated the urban effect of nine small Spanish towns on lightning activity and reported statistically significant lightning activity enhancement over and downwind of most study areas. Furthermore, positive correlation between both the population number a

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地中海地区的闪电活动和气溶胶

E. Proestakis, S. Kazadzis, K. Lagouvardos, V. Kotroni, A. Kazantzidis

摘要：

在本研究的框架下，首次研究了气溶胶对更广阔的地中海闪电活动的影响。对雅典国家天文台宙斯网络提供的Aqua卫星上MODIS获取的大气光学深度数据和云对地面闪电活动数据进行了分析，时间跨度为2005年1月1日至2013年12月31日。结果表明气溶胶在闪电调制中的重要性。在90%的研究区域，闪电活动日气溶胶平均光学深度(AOD)值高于季节平均AOD值。此外，随着气溶胶负荷的增加，闪电活动的增加速度在夏季更为明显，AOD值高达0.4。此外，空间分析表明，夏季闪电活动日的百分比随着AOD的增加而增加。最后，AOD季节异常与有闪电活动差异的日之间的时间序列表现出相似的时间行为。时空分析表明，雷电活动与AOD有关，AOD是一种四季一致的特征。

关键词:

闪电、地中海气溶胶大气光学深度、宙斯闪电探测网络MODIS。

1、介绍

在过去的几十年里，闪电活动因其与严重事件的联系而受到全球的关注。闪电活动不仅直接而且间接地与牲畜和人类的陪审团和死亡有关。此外，森林火灾、电力和社区系统崩溃以及对人类财产的破坏对个人和整个社会都有影响。由于闪电活动与正球形臭氧和对流降水密切相关，因此也引起了人们对环境的关注。

Westcott(1995)是第一个研究城市区域与雷击频率之间联系的人。对1989年至1992年美国16个大城市的国家闪电探测网(NLDN)记录的闪电数据进行的分析表明，大多数城市地区的上空和下风处的闪电活动增强。闪电活动的空间变化不仅与地形特征和大气逻辑效应有关，而且与人为排放有关，这一结论提出了许多问题，并引发了许多研究。Murray等人(2000)的一项研究报告了自然气溶胶对闪电发生的影响。作者注意到，1998年期间，由于中美洲的生物质燃烧，进入大气层的气溶胶浓度增加，导致美国中部地区的闪电活动增加。Orville等人(2001)利用1989年至2000年休斯顿上空的NLDN数据对闪电活动的日变化和季节变化周期进行了研究。此外，闪电活动增强的机制被确定为独特的区域地理特征(海岸线)、休斯顿上空的热岛和人为活动导致的气溶胶浓度的增加，尽管无法将这些影响分开。为了将上述地形和气象效应与气溶胶对闪电的影响分离开来，Steiger和Orville(2003)研究了路易斯安那州南部的一个特例。结果表明，主要污染区域与雷电活动增加之间存在明显的关系。

同时，技术的进步和照明技术系统的升级使得来自不同国家的科学团体能够尝试研究闪电活动的时空分布。Holt等(2001)利用到达时间差(ATDnet)闪电探测系统研究了欧洲和英国闪电活动的强季节、空间和瞬变电磁学趋势。推迟et al。(2005)调查了闪电活动distribu在地中海东部,冷战时期的关注闪电多样性和持续时间而Katsanos et al。(2007)研究了闪电的空间和时间分布在地中海中部和东部,与强调relationshipof闪电活动与沉淀。Soriano等(2001)对伊比利亚半岛1992 ~ 1994年暖季的云电活动进行了对比研究，强调了对流降水与云和地面闪电活动之间存在很强的空间相关性。Kotroni和Lagouvardos(2008)研究了地中海地区闪电活动与地形高度、坡度和植被的关系，发现除冬季外，春季和夏季的闪电活动与海拔高度以及全年的海拔坡度呈正相关。Soriano和Pablo(2002)的一项研究调查了西班牙9个小镇的城市对闪电活动的影响，并报告了统计上显著的闪电活动增强在大多数研究区域的上空和下风处。此外，人口数量与人为排放均与闪电变化百分比呈正相关。

与现有文献相一致的还有关于南美洲的研究，Farias et al.(2009)、Naccarato et al.(2003)和Pinto et al.(2004)重点研究了巴西大都市地区(圣保罗、坎皮纳斯、圣若泽、贝洛奥里藏特)，并证实与郊区和周边地区相比，城市地区的雷击密度增强。Kar等人(2009)通过研究气溶胶浓度增加对韩国5个大城市闪电活动百分比变化的影响，得出了类似的结果。

在过去的十年中，致力于环境研究的卫星逐渐允许测量包括气溶胶浓度在内的大量大气质量，并具有更高的空间覆盖年龄。Altaratz et al。(2010)已经调查闪电活动之间的联系和不同大气,包括其他气溶胶光学深度(AOD)检索的值mod -害死分辨率成像光谱仪(MODIS) Aqua卫星,2006年和2009年之间的旱季,岑-击毙Brazil-Amazon。每日平均AOD值和闪电从MODIS-Aqua, MODIS-Terra,另外和热带降雨测量任务卫星使用的拉尔和帕瓦尔(2011)和元et al。(2011)为了调查的总闪电活动时间从2001年到2008年在2000 - 2008年间在班加罗尔和热带海洋,分别。结果表明，雷电增强与气溶胶负荷密切相关。Wang等人(2011)研究了2000年至2006年中国Perl河三角洲大都市区上空气溶胶和闪电活动之间的关系。MODIS和云对研究区域地面雷击密度反演的年AOD均值在广东大都市区的地理分布相似，数值较高。最近，Kucienska等人(2014)研究了60°S到60°N纬度不同AOD类别的闪电活动与AOD之间的关系。结果表明，随着AOD的增加，雷击活动增加。这种相关性在大西洋西部、中非、中欧、东北亚和Am- azon地区更为明显。

Khain等人(2008)结合典型热带气旋大气条件下的天气研究与预报(WRF)模型和希伯来大学云模型(HUCM)，研究了气溶胶对光照活动密度的可能影响。结果表明，大陆气溶胶浓度的增加为气旋外围的光照活动创造了更有利的条件。气溶胶和热带气旋相互作用的进一步研究(Khain et al.， 2010;Rosenfeld等人(2012)强化了大陆气溶胶浓度增加与光照活动增强相关的假设。此外，Mansell和Ziegler(2013)研究了气溶胶浓度变化对雷电活动的影响，发现气溶胶浓度越高(至2000 cm-3)，雷电活动越强，气溶胶浓度越高，雷电活动越弱。此外，Gryspeerdt等(2014)研究了MODIS-Aqua AOD获取的气溶胶指数与TRMM闪电成像传感器(LIS) 2005-2007年期间以及30°S - 30°N之间的地理区域数据之间的关系。作者记录了高气溶胶指数人口地区与低气溶胶指数人口地区的闪电率的增加，特别是在陆地上。最后，Zhao等(2015)利用WRF模型研究了受污染和清洁气溶胶大气情况下的闪电活动波动。他们的研究结果与先前的研究结果一致，显示在相似的气象背景下，气溶胶浓度的增加会导致闪电活动的增强。

据报道，一些基于陆地和卫星仪器的研究报告了气溶胶和闪电活动之间的联系。但是，还没有对地中海盆地更广泛的地区进行这种研究。地中海南部为撒哈拉沙漠所环绕，北部为人口众多、工业化程度高的欧洲，自然气溶胶和人为气溶胶共存。Basart等人(2009)基于1994年至2007年期间的气溶胶机器人网络(AERONET)观测，报道了地中海-地中海地区气溶胶特征。研究表明,尽管在地中海地区大气的成分是地理上开掘削弱,气溶胶浓度主要特点是大陆,都自然(生物、矿物、生物质燃烧),表示“人的基因(城市和工业微粒)起源的气溶胶,叠加在海上和粗非洲尘埃粒子。De Meij et al.(2012)在当地报道了2000年至2010年期间地中海中部地区主要污染气溶胶类型emis中SO2、black carbon (BC)、NOx和NH3的变化趋势。此外，Boselli等(2012)认为，撒哈拉沙尘输送、东北/西北陆相气团和海上西风气团主导着地中海中部地区气溶胶长距离转运港。关于强而极端的气溶胶事件，Gkikas等人(2009)基于MODIS-Terra观测，研究了2000 - 2007年期间，在550 nm气溶胶(AOD)作用下，地中海地区柱状光灭绝的季节变化。他们报告说，强事件在地中海西部和夏季更为频繁，而与撒哈拉沙尘暴发有关的极端事件(AOD高达5.0)主要发生在地中海中部和东部地区的春季。由于潮湿的沉积作用，极端的气溶胶事件在冬季是罕见的。此外，随着非洲大陆的距离增加，AOD呈南北向递减趋势。

本研究的目的是利用宙斯闪电探测系统和卫星仪器提供的数据，研究大气气溶胶在更广阔的地中海上空的闪电特性。当地时间13时30分左右，搭载在下午太阳同步Aqua卫星上的中分辨率成像光谱仪(MODIS)获取了550 nm处的AOD值。MODIS/Aqua AOD值的高精度已经在全球范围内建立起来，相对于地面设备的要求(Levy et al.， 2010)。在海面上，AOD(plusmn;0.03plusmn;0.05*AOD)的精度高于植被覆盖的陆地(plusmn;0.05plusmn;0.2*AOD) (Remer et al.， 2005)。水/ MODIS大气产品在不同的处理级别提供，描述它们对气溶胶和云的空间和时间分辨率。在2级数据中，气溶胶光学特性以10公里times;10公里(最低点)的名义分辨率提供。将以卫星立交桥5分钟为间隔的2级要求汇总为3级数据，按日1°times;1°的空间分辨率在规则经纬度网格上提供。在本研究的框架中，使用了Aqua的level 3 AOD数据。

为了研究AOD与云电活动的关系，使用了从ZEUS获取的闪电数据。宙斯是一个远程闪电探测网络系统，由希腊雅典国家天文台(NOA)运营和维护。它由六个传感器组成，分布在欧洲各地，更精确地说是在英国伯明翰;鲁开德、丹麦;罗马尼亚雅西;Larnaka,塞浦路斯;希腊雅典;宙斯从2005年开始监测云层到地面的光照活动，提供了大量的数据存档。在研究期间(01/01/2005-31/12/2013)，闪电数据的可用性高达总运营天数的94%。

Kotroni和Lagouvardos(2008)针对英国Met Office Arrival Time Difference (ATD)闪电定位系统研究了ZEUS探测特性。据报道，与ATD网络相比，ZEUS在白天能够更有效地检测闪电活动。Lagouvardos等人(2009)通过将闪电探测和定位精度与LINET网络工作进行比较，研究了宙斯在中欧和西欧的特征。据报道，虽然宙斯闪电白天探测率低于LINET探测率(约25%)，但无论是在空间上还是在临时上，探测网络都捕获了闪电活动的主要中心，重叠率均为95%。据报道，ZEUS探测效率约为25%，定位精度约为6公里。

对研究区2005年1月1日至2013年12月31日的闪电季节活动进行了分析(图2a-d)。分析了4800多万次雷击。结果表明，冬季闪电活动最少(占记录总数的3%)，夏季闪电活动最明显(占记录总数的49%)。注意每个季节雷击的规模不同。在春季(MAM)和秋季(SON)，闪电活动分别占所记录闪电总数的13%和33%。此外，在冬季，雷暴通常在海面上演变，而在夏季，闪电的交流特性主要在陆地上转移。在春季和秋季，闪电活动在陆地和海洋上的分布更加均匀。

在本研究框架内，ZEUS数据仅考虑MODIS-Aqua AOD数据可用的天数。此外，只有在探测到一次以上的雷击时，才在每个1°times;1°的网格表面进行雷击活动。根据Altaratz et al。(2010),一个气溶胶系统中定义1°times;1°网格表面积的一生approxi -伴侣10 h。出于这个原因,从宙斯数据样本,只闪电记录10点和13:59 UTC之间使用,期间包括大气气溶胶的Aqua卫星天桥时间和条件被认为是常数。

为了研究闪电活动的日变化在研究地区和时间10点至13:59 UTC,闪电活动的分析记录每小时,海——儿子了(图3)。从宙斯闪电活动的观察,闪电活动是在其最大环流DJF期间和在其最低。在MAM和JJA期间，随着太阳辐照度的增加和土壤的最大加热所产生的局部对流系统，闪电活动高峰出现在协调世界时12:00到15:00之间。相反，在DJF过程中，当闪电活动主要发生在海面上时，闪电的日变化很小，而在DJF过程和SON过程中，闪电的日活动都表现出明显的最大值。根据ZEUS记录的闪电活动，在协调世界时10:00 - 13:59之间探测到的闪电在DJF期间占30.7%，在MAM期间占34.6%，在JJA和SON期间占31.9%和29.1%。结果与全球闪电活动观测(Blakeslee et al.， 2014)和欧洲宙斯闪电活动研究(Kotroni and Lagouvardos, 2008)一致;Galanaki等，2015)。这4小时选择的时间段，在协调世界时10:00到13:59之间，相当于超过1500万次闪电。得到的闪电数据集汇总为1°times;1°网格网格。因此，ZEUS网格化的空间尺度与Aqua的AOD空间尺度相同，搭配准确。目前的分析集中在更广阔的地中海地区，范围在0°E到32°E之间，32°N到46°N之间(图1)。

使用了两种不同的方法。在第一个方法中，将每个网格盒的雷击总数与气溶胶加载条件进行了比较。雷击活动与柱状AOD测量(地面或卫星)的一致性是一个困难的任务，因为后者不能在多云条件下进行。因此，试图将闪电活动与卫星AOD参数联系起来的研究使用了1°times;1°或更大的区域。通过大面积的考虑，可以在每个网格盒内部相对均匀的AOD条件的临界假设下使用AOD。图4为2008年7月16日的一个典型例子。可以看出，协调世界时10:00 - 13:59之间的闪电活动主要记录在MODIS无法提供AOD测量的区域，因为这些区域的云层覆盖范围很广。这一缺陷导致了第二种应用方法的产生，这种方法是由高雷暴活动期间的高云层覆盖条件造成的(Altaratz et al.， 2010)。根据这种方法，闪电活动被划分为“闪电活跃日”，每个网格框至少记录两次闪电。

2、结果

我们首先研究了雷电活动日的大气AOD条件，并对每个网格盒的平均AOD条件进行了研究。为了将气象对闪电产生的影响与气溶胶效应部分解耦，将分析分为四个部分，分别在2005年1月1日至2013年

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