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Lightning and thunderstorms, Part I: Observational data and model results

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Abstract:

Lightning is an important source for nitrogen oxides (NO) in the atmosphere. To differentiate between the impact of lightning produced NO and anthropogenic NO emissions on the global atmospheric chemistry, we present a simulation of flash densities and the corresponding NO emissions from the global climate chemistry model ECHAM4.L39(DLR)/CHEM (E39/C). The basis for a realistic simulation of flash densities is the realistic representation of deep convection in the model E39/C. This will be validated by observations from the International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP). We will discuss the difficulties that arise, when cloud parameters from these satellite measurements will be compared with the corresponding properties taken from a global model. The flash densities in E39/C are represented by a new lightning parameterization that connects the flash frequency of a thunderstorm with the convective air mass transport within the thunderstorm cell. This property is a reasonable and physically based indicator for lightning within a deep convective cloud. The number of convective events is simulated realistically by E39/C. The simulated heights of convective cloud tops are consistent with the observations. However, in midlatitudes over Europe, the simulated cloud top heights seem to be underestimated. The flash densities show a good agreement with the OTD observations, although the ratio of flash densities over land and over the oceans seems to be underestimated. In midlatitudes over Europe, the simulated flash densities are too low compared to the observations, this can be explained through the shortcomings of the convection parameterization. The simulated NO emissions show maxima in the tropics and in the midlatitudes, being separated significantly from the aircraft emissions. The maximum values of lightning NO emissions (in terms of ng(N) s m), lying approximately 5 km below the tropopause, are higher than the corresponding emissions from aircrafts by a factor of three. Furthermore, the maximum aircraft emissions tend to be at higher altitude and farther north compared to the lightning NO production.

German
Blitze sind eine wichtige Quelle für Stickoxide (NO x ) in der Atmosphäre. Um den Einfluss der durch Blitze produzierten Stickoxide auf die globale Chemie der Atmosphäre von anthropogenen Emissionen abgrenzen zu können, wird eine Simulation von Blitzdichten und den entsprechenden NO x -Emissionen in dem globalen Klima-Chemie Modell ECHAM4.L39(DLR)/CHEM (E39/C) vorgestellt. Grundlage für eine realistische Simulation der Blitzdichten ist die realistische Darstellung der Konvektion im Modell E39/C. Diese wird mit Hilfe der ISCCP Wolkenklimatologie validiert. Dabei werden die Schwierigkeiten diskutiert, die aus diesen Satellitenmessungen abgeleiteten Wolkenparameter mit Größen zu vergleichen, die aus einem globalen Modell entnommen wurden. Die Blitzdichten werden in E39/C durch eine neue Blitzparametrisierung dargestellt, die die Blitzrate eines Gewitters an den konvektiven Massentransport in der Gewitterzelle koppelt. Diese Größe stellt einen guten, auf physikalischen Grundlagen basierenden Indikator für die Blitzaktivität einer Gewitterwolke dar. Die Häufigkeit von konvektiven Ereignissen wird vom Modell realistisch wiedergegeben. Die simulierten Oberkanten von konvektiven Wolken sind konsistent mit den Beobachtungsdaten. Jedoch scheinen in den mittleren Breiten über Europa zu niedrige Wolkenhöhen simuliert zu werden. Die Blitzdichten in E39/C zeigen eine gute Übereinstimmung mit den OTD-Beobachtungen, auch wenn das Verhältnis der Blitzdichten über Land zu denen über dem Meer leicht unterschätzt wird. In den mittleren Breiten über Europa werden im Vergleich zu den Satellitendaten zu niedrige Werte simuliert, dies kann durch die zu Grunde liegende Konvektionsparametrisierung erklärt werden. Die simulierten NO x -Emissionen weisen Maxima in den Tropen und mittleren Breiten auf, die etwa 5 km unterhalb der Tropopause liegen und deutlich von den Zentren der Emissionen des Luftverkehrs entfernt liegen. Die maximalen Stickoxid-Emissionen durch Blitze sind etwa um einen Faktor 3 höher als die entsprechenden Emissionen durch den Flugverkehr. Außerdem treten die maximalen Emissionen durch den Flugverkehr in größeren Höhen und weiter nördlich auf als die Emissionen durch die Blitze.

Keywords:

Document Type: Research Article

DOI: http://dx.doi.org/10.1127/0941-2948/2002/0011-0379

Publication date: November 1, 2002

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