山西太原地區不同天氣過程中的大氣電場特征研究

李云飛，張華明

（1.山西省大氣探測技術保障中心，山西 太原 030002；2.山西平安防雷檢測有限公司，山西 太原 030032；3.山西省氣象災害防御技術中心，山西 太原 030002）

地殼及大氣中的放射性物質以及宇宙射線對大氣的電離導致大氣中形成大氣離子，大氣離子的存在形成了大氣電場[1-2]。雖然對大氣電場的研究持續了很久，但目前對大氣電場的研究主要集中在雷暴電場和預警方面[3-5]，實際上大氣離子對氣溶膠粒子的形成、凝集等微觀物理過程有重要的影響[6-8]，因此，大氣電場對大氣污染、全球氣候及各種天氣過程有著敏銳的反應。Carslaw[9]等的工作顯示大氣電場對云中粒子的形成有較大的影響，Williams[10]的研究表明雷暴與全球氣溫有密切關系，Guo[11-12]等人的工作顯示大氣電導率的增加與空氣污染物的增加是有關聯的。大氣電場對沙塵、霧霾、雷暴、大風等各種極端天氣的反應也是敏銳的，吳亭[13]等發現沙塵期間大氣電場變化劇烈，5 min之內的變化幅度在5～10 kV/m；Schmidt[14]等人在沙塵暴過程中離地面1.7 cm處大氣電場強度可達166 kV/m；陸家榆等[15]給出，荷電顆粒物的空間電荷效應是影響直流電暈放電和高壓直流輸電線路電磁環境的重要因素之一。

1 數據資料

本文用到太原地區兩站大氣電場資料，一部布設于山西省氣象局三樓樓頂，同步的PM10、PM2.5、PM1.0等顆粒物資料以及氣象資料來源太原國家觀象臺，兩站相距約5 km；另一部布設于尖草坪氣象站，對應氣象資料和顆粒物資料來自氣象站。閃電定位資料由山西省氣象局布設的ADTD高精度雷電探測儀獲得，表1給出了主要的觀測設備情況。本文給出的晴天過程[16-18]為降水為0，低云為0，天空中的總云量少于4，平均風速小于4 m/s。最后，分析電場記錄，將有明顯大擾動過程的排除。

表1 觀測設備情況

2 資料分析

2.1 晴天大氣電場

圖1給出了2008—2015年太原地區晴天大氣電場的平均日變化，從圖中可以看出，晴天近地面大氣電場日變化曲線為雙峰雙谷型，為大陸復雜型，峰值分別為早上09：00和晚上21：00左右，谷值出現在06：00和13：00，在14：00左右還出現1個小峰值。

圖2給出了2012-06—2015-02的大氣電場與PM10、PM2.5、PM1.0的日變化，從中可以看出大氣電場的日變化與氣溶膠日變化特征相似。2012-06—2015-02的大氣電場與PM10、PM2.5、PM1.0的相關性分別為0.827，0.767，0.753.Kamra和Dhanorkar[19-20]的研究表明，近地面的電離率與氣溶膠濃度呈正比，凌晨06：00左右溫度比較低，大氣對流比較弱，同時，人類活動也比較弱，氣溶膠已經充分沉降，所以，此時大氣電場出現第一次谷值。

早上09：00左右，隨著“日出”，溫度開始升高，大氣中的對流活動逐漸增加，這一時段同時疊加交通活動繁忙，而且大氣電場安裝在市中心，所以，達到第一個峰值。

午后，由于溫度比較高，導致空氣對流旺盛，使近地面的氣溶膠輸送到高層大氣，造成地面含量減少，形成大氣電場日變化的第二個谷值。

雖然午后較強的對流將氣溶膠輸送到高層大氣，但是，此時段也屬于上下班的交通繁忙階段，汽車尾氣也比較多，而且14：00左右正是一天中太陽輻射最強、光化學反應最強的時刻，因此，14：00左右大氣電場出現一個小峰值。張華明[18]等對太原地區PM1.0/PM10、PM1.0/PM2.5比值的日變化進行了分析，發現PM1.0/PM10、PM1.0/PM2.5在14：00左右達到了極大值。晚峰值與許多其他大陸站相同，隨著風速對流的降低，氣溶膠逐漸沉降至近地面[21]，大氣電場伴隨氣溶膠在21：00左右達到最大。

圖1 晴天大氣電場日變化

圖2 大氣電場與顆粒物的日變化

2.2 雷暴天氣過程中的大氣電場

雷暴天氣條件下大氣電場值和電場極性的變化與閃電放電距離大氣電場觀測點的距離密切相關。在雷暴云接近大氣電場儀時，電場值常常會出現快變抖動現象，電場的快變抖動出現的原因可能是較多的云閃在雷暴云中發生或者是發生的地閃距離電場儀比較遠。

圖3給出了太原地區2012-07-30一次雷暴天氣大氣電場與閃電分布，我們將地閃接地點距電場儀的距離與大氣電場的曲線變化疊加到一起，其中，橫坐標給出了大氣電場隨時間的演變以及閃電發生的時間，左縱坐標為大氣電場強度，右縱坐標為閃電距離大氣電場儀的距離。我們將距電場儀半徑20 km范圍內發生50次以上閃電的雷暴過程定義為一次強雷暴過程，通過分析電場變化與閃擊距離之間的關系，將一次雷暴過程的大氣電場變劃分為5個階段：①閃電臨近電場異常。此階段閃電主要發生電場儀15 km以外，在此階段大氣電場開始出現小幅度的抖動，主要原因為此時雷暴正在向電場儀的方向移動，但是，仍未到達大氣電場的探測范圍內，所以，此時閃電頻數比較低，且閃擊點離電場儀的位置都比較遠。②閃電發生初期。此階段地閃集中發生在距離大氣電場儀13～15 km之間，這時電場變得更加活躍，幅值迅速增加，且閃擊點離電場儀越來越近。在該時間段內，電場幅值持續超過某一個值，表明遠處的雷暴云逐漸移近或者此處的雷暴云正處于迅速發展的過程中，充放電比較多。③此時閃電發生在距離電場儀10～13 km的范圍內，該階段閃擊點距離電場儀很近，但仍未落到10 km范圍內，所以，也可以認為，遠處的雷暴云正在向電場儀靠近。此時的電場頻繁上下震蕩跳動，幅值比較大，且頻繁出現閾值的突變。④閃電發生高峰期。在此階段，大氣電場儀的周圍10 km范圍內發生大量的中閃電，電場曲線變化劇烈，出現大量的閾值突變。⑤雷暴云消散或遠離大氣電場儀的過程。此階段大氣電場經過一段時間后幅值減小，逐漸回歸于平穩。

圖3 2012-07-30大氣電場與閃電分布

2.3 沙塵天氣過程中的大氣電場特征

圖4給出了2013-02-28、2013-03-09、2013-03-23這3次沙塵過程中大氣電場與PM10、PM2.5、PM1.0的日變化，其中，大氣電場用AEF表示。放大大氣電場的線形可以看出，隨著沙塵的來臨，大氣電場快速降為負值，并且絕對值始終保持較大。在3次沙塵天氣過程中，大氣電場與PM10的相關性分別為－0.769，－0.717，－0.727；PM2.5的相關性分別為－0.771，－0.717，－0.726；PM1.0的相關性分別為0.439，0.180，0.338；大氣電場與PM10、PM2.5呈很好的負相關，與PM1.0呈現正相關，且相關性比較低。Latham[22]等研究表明，不同粒徑沙粒之間的不對稱摩擦加熱是沙塵大氣電場形成的主要原因，不同極性的電荷在不同粒徑的沙粒間轉移輸送，小粒子帶負電荷，大粒子帶正電荷，而PM10、PM2.5、則是沙塵氣溶膠的主要來源[23]，因此，沙塵大氣電場主要由PM10、PM2.5沙塵氣溶膠摩擦、碰撞產生，大氣電場與PM10、PM2.5相關性比較高。

2.4 大風天氣過程下的大氣電場

圖5給出了2011-04-30、2013-04-08這2次大風過程中大氣電場的日變化，其中，2013-04-08同時給出了大氣電場與PM10、PM2.5、PM1.0的日變化。由此可以看出，隨著大風過程的來臨，大氣電場由穩定變化迅速變為負值，PM10、PM2.5含量也隨著大風過程的來臨有較大的增長，大氣電場與PM10、PM2.5、PM1.0的相關性分別為－0.809，－0.834，0.415.這說明，大風天氣過程中的較大風速會將裸露地表的粒子吹起，使得PM10、PM2.5含量增加，從而使得大氣電場的絕對值增強。

圖4 沙塵天氣條件下大氣電場與PM 10、PM 2.5、PM 1.0日變化

圖5 大風天氣過程中大氣電場日變化

圖6 2013-01-19—23太原大氣電場強度、相對濕度的逐時變化

2.5 霧霾天氣過程中的大氣電場

圖6給出了2013-01-19—23大氣電場強度、相對濕度的逐時變化。從圖6中可以看出，大氣電場強度在此次霧霾過程中發生劇烈的變化，大氣電場強度多次出現陡升陡降，而且電場極性多次出現正負轉換。不同于沙塵與大風天氣條件下較高的風速，整個霧霾過程中地面風速比較小。

一般情況下，晴天大氣電場為正值，在此次霧霾過程中，大氣電場基本為負值，主要原因是相對濕度比較高。此次霧霾過程的平均相對濕度為87.71%，是2013-01—03晴天天氣下的2.30倍，PM10、PM2.5、PM1.0分別增加1.72倍、2.19倍、1.84倍，較高的濕度使得大氣中的污染物吸濕溶解于水。邸志東等[24]的研究表明，太原地區PM2.5水溶性成分中陽離子占PM2.5質量的8.112%，負離子占19.07%，顆粒物呈酸性，因此，大氣電場轉變為負值。

3 結論

通過對太原地區大氣電場以及同步的氣象資料、大氣污染物資料的分析，探討了不同天氣過程中近地面大氣電場的變化特征，主要得出以下結論：①晴天條件下，近地面大氣電場日變化曲線呈雙峰雙谷變化，峰值分別出現在09：00和21：00，晴天大氣電場與PM10、PM2.5、PM1.0的相關性分別為0.827，0.767，0.753.②在雷暴云向電場儀移動的過程中，閃擊點與大氣電場之間存在一定的對應關系，根據閃擊點的位置可將電場分為5個階段。③隨著沙塵的來臨，大氣電場快速降為負值，并且絕對值始終保持較大；大氣電場與PM10、PM2.5呈很好的負相關，與PM1.0呈現正相關，且相關性比較低。沙塵大氣電場主要由PM10、PM2.5沙塵氣溶膠摩擦、碰撞產生，因此，大氣電場與PM10、PM2.5的相關性比較高。④隨著大風過程的來臨，大氣電場由穩定變化迅速變為負值，大氣電場與PM10、PM2.5、PM1.0的相關性分別為－0.809，－0.834，0.415.在大風天氣過程中，較大的風速會將裸露地表的粒子吹起，使得PM10、PM2.5含量增加，從而使得大氣電場的絕對值增強。⑤大氣電場強度在霧霾過程中發生劇烈的變化，大氣電場強度多次出現陡升陡降，而且電場極性多次出現正負轉換。相對濕度較高是霧霾過程中大氣電場值變為負值的主要原因。

大氣電場對污染氣體、極端天氣的變化有著敏銳的反應，利用多種方法，深入分析極端天氣下大氣電場值的變化情況以及大氣電場特征，對極端天氣的預報預警、生態環境保護等工作的順利進行有重要意義。

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