We investigated variations in the relative sensitivity of surface ozone formation in summer to precursor species concentrations of volatile organic compounds (VOCs) and nitrogen oxides (NOx) as inferred from the ratio of the tropospheric columns of formaldehyde to nitrogen dioxide (the “Ratio”) from the Aura Ozone Monitoring Instrument (OMI). Our modeling study suggests that ozone formation decreases with reductions in VOCs at Ratios <1 and NOx at Ratios >2; both NOx and VOC reductions may decrease ozone formation for Ratios between 1 and 2. Using this criteria, the OMI data indicate that ozone formation became: 1. more sensitive to NOx over most of the United States from 2005 to 2007 because of the substantial decrease in NOx emissions, primarily from stationary sources, and the concomitant decrease in the tropospheric column of NO2, and 2. more sensitive to NOx with increasing temperature, in part because emissions of highly reactive, biogenic isoprene increase with temperature, thus increasing the total VOC reactivity. In cities with relatively low isoprene emissions (e.g., Chicago), the data clearly indicate that ozone formation became more sensitive to NOx from 2005 to 2007. In cities with relatively high isoprene emissions (e.g., Atlanta), we found that the increase in the Ratio due to decreasing NOx emissions was not obvious as this signal was convolved with variations in the Ratio associated with the temperature dependence of isoprene emissions and, consequently, the formaldehyde concentration.

A three‐dimensional (3‐D) cloud‐scale chemical transport model that includes a parameterized source of lightning NO x on the basis of observed flash rates has been used to simulate six midlatitude and subtropical thunderstorms observed during four field projects. Production per intracloud ( P IC ) and cloud‐to‐ground ( P CG ) flash is estimated by assuming various values of P IC and P CG for each storm and determining which production scenario yields NO x mixing ratios that compare most favorably with in‐cloud aircraft observations. We obtain a mean P CG value of 500 moles NO (7 kg N) per flash. The results of this analysis also suggest that on average, P IC may be nearly equal to P CG , which is contrary to the common assumption that intracloud flashes are significantly less productive of NO than are cloud‐to‐ground flashes. This study also presents vertical profiles of the mass of lightning NO x after convection based on 3‐D cloud‐scale model simulations. The results suggest that following convection, a large percentage of lightning NO x remains in the middle and upper troposphere where it originated, while only a small percentage is found near the surface. The results of this work differ from profiles calculated from 2‐D cloud‐scale model simulations with a simpler lightning parameterization that were peaked near the surface and in the upper troposphere (referred to as a “C‐shaped” profile). The new model results (a backward C‐shaped profile) suggest that chemical transport models that assume a C‐shaped vertical profile of lightning NO x mass may place too much mass near the surface and too little in the middle troposphere.

Abstract Eighteen lightning flash rate parameterization schemes (FRPSs) were investigated in a Weather Research and Forecasting model coupled with chemistry cloud‐resolved simulation of the 29–30 May 2012 supercell storm system observed during the Deep Convective Clouds and Chemistry (DC3) field campaign. Most of the observed storm's meteorological conditions were well represented when the model simulation included both convective damping and lightning data assimilation techniques. Newly‐developed FRPSs based on DC3 radar observations and Lightning Mapping Array data are implemented in the model, along with previously developed schemes from the literature. The schemes are based on relationships between lightning and various kinematic, structural, and microphysical thunderstorm characteristics (e.g., cloud top height, hydrometeors, reflectivity, and vertical velocity) available in the model. The results suggest the model‐simulated graupel and snow/ice hydrometeors require scaling factors to more closely represent proxy observations. The model‐simulated lightning flash trends and total flashes generated by each scheme over the simulation period are compared with observations from the central Oklahoma Lightning Mapping Array. For this supercell system, 13 of the 18 schemes overpredicted flashes by >100% with the group of FRPSs based on storm kinematics and structure (particularly updraft volume) performing slightly better than the hydrometeor‐based schemes. During the storm's first 4 hr, the upward cloud ice flux FRPS, which is based on the combination of vertical velocity and hydrometeors, well represents the observed total flashes and flash rate trend; while, the updraft volume scheme well represents the observed flash rate peak and subsequent sharp decline in flash rate.

Abstract A cloud‐resolved storm and chemistry simulation of a severe convective system in Oklahoma constrained by anvil aircraft observations of NO x was used to estimate the mean production of NO x per flash in this storm. An upward ice flux scheme was used to parameterize flash rates in the model. Model lightning was also constrained by observed lightning flash types and the altitude distribution of flash channel segments. The best estimate of mean NO x production by lightning in this storm was 80–110 mol per flash, which is smaller than many other literature estimates. This result is likely due to the storm having been a high flash rate event in which flash extents were relatively small. Over the evolution of this storm a moderate negative correlation was found between the total flash rate and flash extent and energy per flash. A longer‐term simulation at 36‐km horizontal resolution with parameterized convection was used to simulate the downwind transport and chemistry of the anvil outflow from the same storm. Convective transport of low‐ozone air from the boundary layer decreased ozone in the anvil outflow by up to 20–40 ppbv compared with the initial conditions, which contained stratospheric influence. Photochemical ozone production in the lightning‐NO x enhanced convective plume proceeded at a rate of 10–11 ppbv per day in the 9–11 km outflow layer over the 24‐hr period of downwind transport to the Southern Appalachians. Photochemical production plays a large role in the restoration of upper tropospheric ozone following deep convection.