山西省中北部地區(qū)近地面晴天大氣電場特征及其與污染物的關系

李 芳，付亞平，郝孝智，范衛(wèi)東，李云飛，3

（1.山西省氣象災害防御技術中心，山西 太原030002；2.山西省大氣探測技術保障中心，山西 太原030002；3.山西平安防雷檢測有限公司，山西 太原030002）

大氣電場是大氣電學的重要參數(shù)。觀測發(fā)現(xiàn)，晴天大氣電場相對于大地帶有正極性電荷，它的方向始終是垂直向下的。晴天大氣電場為正值，陸地的變化范圍為19耀310 V/m，海洋的變化范圍為50耀250 V/m[1]。人類對大氣電場的觀測研究已有100多年的歷史[2]，研究證明大氣電場對各種大氣變化的反應非常迅速，全球因素和局地因素都會引起大氣電場的變化。

雖然大氣電場已應用到閃電、大氣研究等很多領域[3]，但大范圍、多站點大氣電場的分析較少，對其變化規(guī)律仍未清晰全面地掌握，主要原因是地面大氣電場儀的布設不夠廣，觀測數(shù)據(jù)的變化受到各種條件的影響[4]。對于山西這樣一個地形多樣，典型大陸性氣候、工業(yè)局部發(fā)達、污染嚴重的省份，局地因素對大氣電場的變化占主導作用。云、氣溶膠、沙塵、水汽、溫度這些因素具有非常明顯的局地特征。因此，開展地域性的大氣電場觀測研究不僅對大氣電學研究有著重要幫助，而且對由于閃電、氣溶膠濃度等的變化引起的大氣電場變化有著非常重要的意義。另外，由于多站點大區(qū)域的大氣電場觀測較少，研究也相對較少。因此本文將利用山西省中北部地區(qū)8個站點的大氣電場觀測結果進行分析研究。

1 數(shù)據(jù)資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)資料的來源和處理

研究所使用的數(shù)據(jù)為2013年1月1日—2015年12月31日山西省大氣電場監(jiān)測系統(tǒng)的資料，包括朔州、忻州、古交、太原（尖草坪、小店兩個站）、陽泉、榆次、離石共8個大氣電場觀測站。由于室外觀測的大氣電場數(shù)據(jù)會受到機械噪聲等因素的影響[5]，太原市區(qū)站點周邊高大建筑密集，受影響較大故未選取。朔州、忻州、古交位于山西省北部地區(qū)，其余5個站位于山西省中部地區(qū)（圖1）。電場儀均安裝在氣象觀測站值班室屋頂，高度約4 m，周圍開闊無較大遮擋物，符合大氣電場儀的觀測要求[6]，氣象站同步還有日照、溫度、濕度、雨量、風速等的觀測。

圖1 8個大氣電場監(jiān)測站點布置

晴天的定義在學術界存在一定差異，根據(jù)Israelsson[7]、Latha[8]、Harrison[9]的定義，綜合分析后確定此次研究的晴天標準為：全天沒有降水，沒有低云，太陽在08：00—18：00間有70%以上時間保證直射，平均風速約8 m/s，大氣電場測試值沒有明顯擾動[10]。由于晴天大氣電場為正值且在正常情況下脈動幅度不會突變，去除了小于0和個別較大的數(shù)據(jù)。

1.2 主要研究方法與原理

大氣離子是大氣中最主要的荷電粒子，所以大氣離子的活動規(guī)律與大氣電場的強度聯(lián)系密切[1]。研究表明晴天大氣電場和氣溶膠濃度存在相關，氣溶膠濃度增大時大氣電場強度也隨之增大。晴天大氣的電導率與大氣電場強度為負相關，E表示大氣電場強度，u表示大氣離子等速運動的速度，ke表示大氣離子遷移率，其關系為：

而大氣電導率取決于大氣中輕離子的濃度、輕離子電荷和輕離子遷移率。表1為世界各類地區(qū)晴天大氣的電導率[1]，可以看到地域性差異較大，工業(yè)區(qū)周圍為最低值。工業(yè)區(qū)周圍氣溶膠濃度較大，由于氣溶膠對大氣輕離子有吸附作用，形成大氣重離子，硫氫化合物、氮氧化合物、懸浮物對大氣輕離子都有吸附作用，使得輕離子濃度降低，大氣電導率下降，晴天大氣電場強度增加。氣溶膠濃度與大氣電場強度為正相關。

表1 不同污染地區(qū)晴天大氣的電導率

下文將對各站晴天大氣電場進行統(tǒng)計分析，主要研究日變化和年變化，分析尋找山西省中北部地區(qū)晴天大氣電場的地域性特點。并按照上述原理著重分析了各站晴天大氣電場與SO2、NO2、PM10、PM2.5濃度的相關性，研究山西省中北部地區(qū)晴天大氣電場明顯高于普通陸地的原因。

2 晴天大氣電場變化

2.1 晴天大氣電場日變化

圖2 晴天近地面大氣電場日變化

圖2為8個站的晴天大氣電場平均日變化，可以看出8個站均屬于典型的大陸雙峰雙谷型，波谷和波峰的出現(xiàn)時段保持較好的一致性，波谷分別出現(xiàn)在4：00—6：00和12：00—16：00，波峰分別出現(xiàn)在7：00—10：00和19：00—21：00，振幅超過平均值的60豫。下午的波谷略低于早晨，傍晚的波峰略低于上午。

2.2 晴天大氣電場的年變化

圖3為8個站點晴天大氣電場的年變化，可以看出各站年變化均為單峰單谷型，與文獻[1]結果一致。各站的年變化曲線具有很好的一致性，波峰出現(xiàn)在冬季（1月、2月），波谷出現(xiàn)在夏季（6月、7月），峰值為0.8耀3.0 kV/m，谷值為0.2耀0.8 kV/m。各站年變化的春季和夏季、夏季和秋季的交界明顯，秋季和冬季、冬季和春季的交界不明顯。

晴天大氣電場年變化幅度用年較差表示，文獻[1]指出陸地的年較差平均值通常為30%~130%，平均值為65%。計算各站晴天大氣電場年較差，結果為朔州83%，忻州112%，古交171%，尖草坪99%，小店161%，陽泉84%，榆次88%，離石102%，可以看出古交、小店的年較差最大，比文獻[1]給出的陸地年較差范圍要大，忻州、離石、尖草坪次之，朔州、陽泉、榆次較小。

圖3 晴天近地面大氣電場年變化

3 晴天大氣電場變化與主要污染物

3.1 日變化與主要污染物相關性分析

氣溶膠是大氣中通過各種物理和化學過程產(chǎn)生的多種尺度粒子混合而成的，不同尺度、元素、化學狀況的氣溶膠產(chǎn)生的影響也不同，二氧化硫可以合成硫氧化合物，二氧化氮可以合成氮氧化合物[11]。由于缺乏氣溶膠的直接觀測數(shù)據(jù)，從環(huán)境監(jiān)測站獲取了SO2、NO2、PM10、PM2.5的觀測數(shù)據(jù)，這4種物質(zhì)均為氣溶膠的主要來源。受環(huán)境監(jiān)測站點位置的限制等原因，研究選取了尖草坪、朔州、忻州、陽泉4個站進行分析，環(huán)境監(jiān)測站的位置與尖草坪、忻州、朔州、陽泉4個大氣電場監(jiān)測站的距離不超過3 km。由于冶煉、化工生產(chǎn)單位較多等各種工業(yè)排放原因，增加了尖草坪、朔州站周邊的氣溶膠含量[12]。忻州、陽泉站氣溶膠含量較大的原因為隨風飄散的工業(yè)排放以及汽車尾氣排放[13]。

圖4可以看出4個站的晴天大氣電場強度與SO2、PM2.5的曲線保持較好的一致性，與NO2、PM10的曲線差別較大。表2給出了4個站晴天大氣電場強度日變化與SO2、NO2、PM10、PM2.5相關系數(shù)的計算結果。由表2可見，晴天大氣電場強度日變化與SO2、PM2.5顯著相關，即大氣電場強度日變化與SO2、PM2.5保持較好的相關性，相關系數(shù)的置信度為95%。而大氣電場強度日變化與NO2相關性較差，與PM10不相關。

表2 晴天大氣電場日變化與主要污染物的相關系數(shù) （琢0.05=0.388）

日變化第一個波谷出現(xiàn)在污染物排放少、地面揚塵較輕的時段，此時大氣對流運動較弱，氣溶膠濃度較低；第二個波谷出現(xiàn)在午后時段，因為此時湍流及熱對流垂直輸送加強，將氣溶膠不斷輸向高層，致使近地面氣溶膠逐漸減弱。第一個波峰出現(xiàn)在日出后，此時人類活動開始，加上輻射使得大氣的熱對流逐漸加強，使得近地面大氣中的氣溶膠含量增加；第二個波峰出現(xiàn)在傍晚時段，這是由于此時湍流及熱對流垂直輸送逐漸減弱，氣溶膠開始下沉而聚集于近地面處的結果[14]。由此可以得出，地方性電場日變化與太陽和人類活動關系密切。

本研究與張祎等[15]的研究結果一致，晴天大氣電場強度的變化和區(qū)域的氣溶膠含量有關。在實際觀測中還發(fā)現(xiàn)，晴天大氣電場還存在幾分鐘到十幾分鐘的脈動起伏變化。初步認為與太陽升起后，近地面氣溫升高，引起湍流破壞了地面大氣電場的穩(wěn)定有關，其機理還有待進一步研究。

3.2 年變化與主要污染物相關性分析

圖4 大氣電場與排放物日變化關系

圖5給出了4個站晴天大氣電場強度與SO2、NO2、PM10、PM2.5的年變化情況，可以看出4個站的晴天大氣電場強度與SO2、PM2.5的曲線保持較好的一致性，與NO2、PM10的曲線差別較大。表3給出了4個站晴天大氣電場強度年變化與SO2、NO2、PM10、PM2.5相關系數(shù)的計算結果。晴天大氣電場強度年變化與SO2、PM2.5顯著相關，即晴天大氣電場強度年變化與SO2、PM2.5保持較好的相關性，相關系數(shù)的置信度為95%。而晴天大氣電場強度年變化與PM10的相關性較差，與NO2不相關。

山西中北部地區(qū)的采暖季為11月—次年3月（冬季、秋末、春初），共計5個月時間，在每年的1月、2月達到采暖燃煤頂峰，排放也達到頂峰，6月、7月沒有采暖燃煤排放。采暖季燃煤量的增加為空氣中SO2、PM10、PM2.5等物質(zhì)的濃度大幅增加的主要原因[16-17]。dlerman等[18]的研究結果為全球冬季氣溶膠濃度大于夏季，因為冬季大氣對流較弱，層結穩(wěn)定，各種污染物不易擴散，集中在地面附近，進入春季后對流逐漸加強，破壞了大氣的層結穩(wěn)定，地表污染物得到擴散，在夏季對流達到鼎盛時期，污染物擴散迅速，進入秋季后又逐漸形成了穩(wěn)定的大氣層結。另外夏季大氣中氣溶膠含量較小的原因與降水豐富對大氣的沖刷有關[19]。

表3 晴天大氣電場年變化與主要污染物的相關系數(shù) （琢0.05=0.532）

圖5 大氣電場與排放物年變化關系

大氣中氣溶膠含量的增加不僅能直接降低大氣電導率，產(chǎn)生的化學作用還會降低大氣輕離子的含量使大氣電導率降低。由于晴天大氣電場強度與大氣中氣溶膠含量為正相關，與晴天大氣電導率為負相關[20]，導致大氣電場強度增加，與觀測結果一致。從圖5可以看出8個站的NO2并沒有明顯的年變化且與大氣電場強度年變化不一致，文獻[21]指出NO2的主要產(chǎn)生源為汽車尾氣和工業(yè)排放，隨季節(jié)的變化不明顯。

4 結論

通過對山西省中北部地區(qū)8個站大氣電場強度的統(tǒng)計分析和與大氣中四種主要污染物的相關性分析，得出以下結論：

（1）各站的晴天大氣電場強度日變化均屬于大陸雙峰雙谷型，波谷出現(xiàn)在4：00—6：00和12：00—16：00，波峰出現(xiàn)在在7：00—10：00和19：00—21：00，下午的波谷略低于早晨，傍晚的波峰略低于上午。

（2）各站點晴天大氣電場強度的年變化為單峰單谷型。波峰出現(xiàn)在冬季（1月、2月），波谷出現(xiàn)在夏季（6月、7月），峰值為0.8耀3.0 kV/m，谷值為0.2耀0.8 kV/m。各站年變化的春季和夏季、夏季和秋季的交界明顯，秋季和冬季、冬季和春季的交界不明顯。

（3）晴天大氣電場強度的日變化與PM2.5、SO2濃度保持較好的正相關，與NO2相關性較差，與PM10不相關。

（4）晴天大氣電場強度的年變化與PM2.5、SO2濃度保持較好的正相關，與PM10相關性較差，與NO2不相關。

晴天大氣電場強度的變化受氣溶膠，主要指大氣排放物的影響較大，存在很大的地域性，尤其在工業(yè)和汽車排放較高的區(qū)域更加明顯，所以在利用大氣電場強度變化進行雷暴預警預報時[22-23]，電場報警級別的閾值應經(jīng)過長期觀測對比做出訂正后設定。

致謝：在研究過程中山西省氣象臺趙桂香，太原市環(huán)保局孫建斌、賈斌等給予了大力支持，在此表示感謝！

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