西藏阿里地區的晴天大氣電場特征*

王詩涵 李磊 陳濤 宋佳軍 提爍 李文 羅靜 蘇建峰蔡春林 李仁康 吳晗

1(中國科學院國家空間科學中心 空間天氣學國家重點實驗室 北京 100190)

2(中國科學院大學 北京 100049)

3(中國科學院電工研究所 北京 100190)

4(云南師范大學物理與電子信息學院 昆明 650500)

5(南方科技大學地球與空間科學學院 深圳 518055)

0 引言

大氣電場是大氣電學的物理參數，對于地震預警、雷電與電磁脈沖探測、電波傳播、空間天氣現象等研究具有重要科學和工程意義。影響大氣電場的因素很多，包括太陽活動[1]、天氣條件[1-3]、大氣污染物[4]、場地周圍環境[5]等。按照不同天氣條件下的大氣電場，可分為晴天大氣電場和擾動大氣電場，其中晴天大氣電場具有明顯的日變化特征[2,5-7]和年變化特征[8]。有關大氣電場的測量研究，包括大氣電場云體帶電、閃電放電、保障運載火箭發射[9-13]、震前大氣電場異常[14-23]以及特殊地形大氣電場高度分布等[24,25]，但由于觀測條件的限制，對于大氣電場的變化規律依然缺乏系統、全面了解。

青藏高原大氣電場已有很多相關研究。Zhou等[3]利用1998 年4-9 月間進行的大氣平均電場觀測實驗，結合GAME-TIBET 青藏高原云和降水的多普勒雷達，研究了青藏高原那曲地區冰雹天氣條件下的大氣電場特征；Zhang等[26]對青藏高原東部地區的大氣電場特征進行了分析，總結得出青藏高原東部地區不同天氣條件下的大氣電場特征，其中晴天大氣電場呈單峰單谷型，在04:00-05:00 BLT（北京時間）左右為峰值，約為320～340 V·m-1，在17:00-18:00 BLT左右為谷值，約為60 V·m-1。此外，國內外研究者基于卡耐基曲線對不同地區和觀測時間的大氣電場的特征進行了相關研究。例如Burns等[8]在南極洲的沃斯托克（78.5°S，107°E）進行了長期的大氣電場觀測研究，選取了1998-2002 年期間收集到720 天晴天條件的大氣電場數據，詳細分析了該地區的晴天大氣電場日變化、季節變化和年變化特點。Helin等[27]在奧地利距離蓋斯堡塔170 m 的高山上進行了晴天大氣電場觀測，對于不同地形的觀測結果進行了比較分析，并對由于地形因素產生的修正系數進行了討論。Wu等[2]利用在北京大學物理樓樓頂觀測的2004年8 月-2005 年11 月大氣電場資料，討論分析了不同天氣條件下近地面大氣電場特征，其中北京地區晴天條件下卡耐基曲線呈雙峰雙谷，谷值分別出現在05:00 BLT 和 12:00 BLT，峰值分別出現在07:00 BLT和23:00 BLT。

對大氣電場日變化的研究，通過對比不同區域的大氣電場卡內基曲線，可以計算出由地形、地質條件決定的當地因子，有利于將地質條件、當地環境對大氣電場的調制作用與太陽活動、地質活動的電場信號分離開，對于研究一個區域大氣電場特征是具有重要意義的。本文通過對西藏阿里地區2021 年10 月10 日至2021 年11 月10 日期間23 天晴天數據進行處理，得到晴天條件下大氣電場在這段時間內的平均卡耐基曲線。考慮到儀器的噪聲擾動，對該曲線進行了平滑處理，給出了西藏阿里地區晴天條件下的大氣電場特征，并與北京市昌平地區十三陵觀測臺站于2021 年10 月10日至2021 年11 月10日期間的21 天晴天大氣電場卡耐基曲線相比較，并對其電場特性差異的原因進行了分析和討論。

1 觀測設備與條件

1.1 觀測設備

阿里地區位于中國西藏自治區西部、青藏高原北部，山脈眾多，平均海拔高度大于4500 m。全年氣候寒冷干燥，日夜溫差大，降雨量偏少，降水主要集中在5-9 月，占全年降水量的80%以上。阿里地區地域遼闊、人煙稀少，外界干擾少，適合用于大氣電場的相關觀測研究。

在西藏自治區阿里地區噶爾縣獅泉河鎮阿里地震臺（80.12°E，32.51°N，海拔4259 m）的主樓樓頂上（距離地面約3 m）安裝了一臺FAMEMS-DF02 場磨式大氣電場儀，該電場儀為場磨式結構，測量范圍是-50～+50 kV·m-1，測量精確度＜30 V·m-1，分辨率10 V·m-1，功耗≤5 W，由太陽能電池板提供12 V 的穩壓電源，電場儀探頭高度為1.5 m。FAMEMSDF02 場磨式大氣電場儀主要由探頭、主機箱、太陽能電池板、固定支架、天線5 部分組成。打開開關，電場儀探頭內部扇葉開始高速旋轉，采集大氣電場信息，大氣電場數據通過RS232 模塊送至主機箱內的4G 通信模塊，通過移動網絡發至服務器，計算機終端從服務器上實時獲取數據，以.dat 文件格式保存，每秒鐘記錄一個時間點和對應的電場數據，每天的電場數據生成一個文件。

1.2 觀測條件

研究晴天大氣電場的特征，對于“晴天”這一概念必須有清楚、明確的定義。國外相關領域的專家給出了一些“晴天”定義，Harrison等[28]定義晴天能見度在2 km 以上，相對濕度小于95%，沒有降水，沒有1500 m 以下的低層云，近地面的風速介于1～7 m·s-1之間；Latha[29]將滿足天空中的云量小于3/8、風速小于4 m·s-1、沒有降水的天氣條件定義為晴天；Israelsson等[30]在瑞典馬斯塔天文臺進行大氣電的觀測實驗中，由于缺乏相應的氣象數據，因此把電場值在0～250 V·m-1之間的天氣條件看作晴天。參考上述的晴天定義，在本文中，以無降水、平均風速小于4 m·s-1、相對濕度小于95%的天氣條件作為晴天判別條件。通過中國氣象數據網*http://data.cma.cn/獲得獅泉河氣象臺（站臺編號：55228）的逐小時氣象數據，包括降水量、風速、相對濕度數據，篩選出2021 年10 月10 日至2021 年11 月10 日期間有23 天為晴天，將對應的23 天大氣電場數據挑選出來，作為晴天條件下的大氣電場數據，進而對其特征進行分析討論。

2 觀測數據建模與分析

對于任何電子系統，在進行測量時會不可避免地引入噪聲，假設各采樣時刻的噪聲獨立同分布[31]；其幅度服從均值為0，方差均為σ2的Gauss 分布，即

其中，Am和wn分別表示在m和n時刻的信號和噪聲，E(·)為期望算子。

信號為二階寬平穩過程，即

考慮加性噪聲，則每個采樣時刻的觀測值應為

為了得到盡可能接近真實值的數據，需要通過x對A進行估計。為便于計算，通常將信號的估計值選取為多次測量值的線性組合，即

上述估計應滿足：估計的方差應達到最小，且權重之和應歸一化。于是，可以通過下面的條件極值問題對權重進行求解：

其中，e表示元素全為1的N×1 列向量。于是，可構造Lagrange 函數

對于觀測向量x，由于各次觀測相互獨立，故各次觀測聯合概率分布為

于是可以獲得該估計的Fisher 信息量與估計均值，分別可以表示為

即將各次觀測值取算數平均，可以得到真實信號的最小方差無偏估計（MVUE），且該最小方差達到Crammer-Rao 下界（CRLB），即得到真實信號的最優線性無偏估計（BLUE）。

考慮觀測量的自相關函數

其中，N0為噪聲功率。不難看出，如果不對信號進行平均處理，則觀測量的自相關函數應當具有沖激特性，而通過觀測量的算術平均對信號進行估計后，其自相關函數如圖1 所示。

從圖1 可以看出，在對觀測量取平均后，其自相關函數不含沖激特性，即噪聲干擾N0得到抑制。

圖1 信號估計值的自相關函數Fig.1 Autocorrelation function of estimated signal

對自相關進行傅里葉變換可得功率譜，有

從圖2 所示的功率譜中可以看出：經過平均處理，噪聲的功率被抑制到10-7量級，相對于信號衰減了約60 dB。即對觀測數據取平均后，抑制了噪聲的影響，所得數值更加接近真實信號。

圖2 估計信號的功率譜Fig.2 Power spectrum of estimated signal

3 卡耐基曲線

對于阿里地震臺2021 年10 月10 日至2021 年11 月10 日期間的23 天晴天大氣電場數據，首先對每分鐘的數據進行平均，然后將23 天的晴天大氣電場數據按相應時刻再平均，得到西藏阿里地區的原始平均卡耐基曲線。為了對比研究和深入探索空間輻射環境特征，在北京市昌平區十三陵地震臺（116.23°E，40.25°N，海拔198 m）的主樓樓頂上（距離地面約3 m）也安裝了一臺FAMEMS-DF02 場磨式大氣電場儀，該電場儀與阿里地震臺的大氣電場儀型號、性能完全相同。選用與西藏阿里地震臺相同日期的21 天晴天大氣電場數據，采樣相同的數據處理方法，得到北京昌平原始平均卡耐基曲線。

圖3 分別給出了西藏阿里地區（藍線）和北京昌平（紅線）的原始平均卡耐基曲線。在圖3 中，橫軸表示的是北京時間（UTC+8，由于經度差別，2021 年10-11 月阿里地區的日出時間比北京地區晚2 小時10 分鐘左右，其日落時間比北京地區晚2 小時30 分鐘左右），縱軸代表測得的垂直方向上的大氣電場值，單位為kV·m-1。圖中的兩條曲線就是平均后得到的大氣電場平均卡耐基曲線。對比圖3 中的兩條曲線，西藏阿里地區的大氣電場值明顯高于北京昌平地區，且其主要特征具有明顯差異。此外，由圖3 可以看出，儀器存在噪聲干擾（通常為高斯白噪聲），測量的數據中有輕微由儀器噪聲引起的干擾波動，但與大氣電場數值相比較小。在對信號進行估計的基礎上，為了進一步降低噪聲影響，將阿里地區和北京昌平地區的平均大氣電場卡耐基曲線平滑后得到的標準卡耐基曲線如圖4 所示，其中藍色曲線為阿里地區平滑后的標準卡耐基曲線，紅色曲線為北京昌平地區平滑后的標準卡耐基曲線。

圖3 西藏阿里地區與北京昌平地區大氣電場2021 年10 月10 日至2021 年11 月10 日的晴天平均卡耐基曲線Fig.3 Average Carnegie curve of the atmospheric electric field in Ngari Prefecture of Tibet and Changping,Beijing from 10 October to 10 November 2021

圖4 西藏阿里地區與北京昌平地區2021 年10 月10 日至2021 年11 月10 日平滑后的標準大氣電場卡耐基曲線Fig.4 Standard atmospheric electric field Carnegie curve after smoothing from October 10 to November 10,2021 in Ngari Prefecture,Tibet and Changping,Beijing

圖4 的橫、縱坐標意義與圖3 一致，是圖3 經過平滑處理后的結果。由圖4 可以看出，在西藏阿里地區，該曲線整體上呈現單峰、單谷的特點，谷值出現在早上7時左右，峰值出現在12:00 BLT左右。07:00 BLT至12:00 BLT，電場值增大至峰值0.43 kV·m-1；中午12 時至次日早上7 時，空氣中的氣溶膠成分相對穩定，大氣電場緩慢降低至7:00 BLT 的谷值0.3 kV·m-1。通過計算得到，西藏阿里地區的大氣電場卡耐基曲線平均電場值為0.38 kV·m-1。

圖4 中西藏阿里地區的卡耐基曲線呈現單峰、單谷規律的主要原因分析如下：近地面的傳導電流近似為固定常數，由廣義歐姆定律J=σ E（其中J，σ，E分別為晴天大氣電流、電導率和電場）可得：近地面晴天大氣電流近似為常數時，大氣電場與電導率成反比。當氣溶膠濃度增大時，大氣重離子濃度隨之增大，而大氣電導率與大氣輕離子濃度呈正相關，所以大氣電導率隨之減小，進而大氣電場也就增大。因此，近地面大氣電場與近地面的氣溶膠濃度呈現正相關[32]。對于西藏阿里地區，在凌晨至早上7 時左右，近地面氣溶膠濃度不斷下降，大氣電場也隨之下降，至早上7 時出現第一谷值。而后，由于熱對流和湍流垂直輸送作用不斷加強，使得近地面大氣中氣溶膠濃度增大，地面氣溶膠濃度迅速出現峰值，與大氣電場的峰值對應。然后，由于熱對流和湍流垂直輸送較為旺盛，大量的氣溶膠不斷向上輸送，使得下午至晚上期間地面氣溶膠濃度緩慢下降直到第二天上午。

北京昌平地區的卡耐基曲線整體上呈現雙峰、雙谷的特點，兩次峰值分別約在09:00 BLT 和16:00 BLT，兩次谷值分別出現在12:00 BLT 和24:00 BLT。從00:00 BLT 至09:00 BLT，氣溶膠在近地面聚集增大，大氣電場隨之增大，在09:00 BLT 時出現第一次峰值，為0.24 kV·m-1，09:00-12:00 BLT 時，由于太陽輻射作用，熱對流和湍流垂直輸送作用旺盛，氣溶膠向上輸送其溶度不斷降低，大氣電場緩慢下降至0.19 kV·m-1達到第一次谷值，然后12:00-16:00 BLT，由于垂直輸送作用氣溶膠濃度再次增大，大氣電場也再次出現快速增大的趨勢，16:00 BLT 達到第二次峰值，約為0.23 kV·m-1，在16:00-24:00 BLT，大氣逐漸趨于穩定，氣溶膠濃度緩慢下降，大氣電場也再次緩慢下降至第二次的谷值，約為0.19 kV·m-1，24 時之后直到次日凌晨大氣電場緩慢上升。通過計算得到，北京昌平地區的大氣電場卡耐基曲線平均電場值為0.22 kV·m-1。對比北京昌平地區的卡耐基曲線兩個峰值和谷值發現：中午的谷值與晚上的大氣電場谷值接近，上午的大氣電場峰值與下午的電場峰值也基本相等。

4 結論與討論

通過對西藏阿里地震臺和北京昌平十三陵地震臺2021 年10 月10 日至2021 年11 月10 日期間的晴天同期大氣電場數據的對比分析，發現西藏阿里地區的卡耐基曲線與北京市昌平地區主要存在以下三方面差別。

（1）西藏阿里地區與北京市昌平地區的卡耐基曲線屬于兩種不同類型。西藏阿里的卡耐基曲線是單峰單谷，而北京市昌平的曲線是雙峰雙谷。造成兩種不同類型的因素主要由當地的地形和環境因素決定：西藏阿里偏僻，遠離人口密集的大城市，遠離氣溶膠源，而北京昌平與之相反，因此北京昌平的氣溶膠變化比西藏阿里更為復雜，卡耐基曲線變化也就相對復雜。兩個地區的不同氣溶膠濃度變化特性決定了大氣電場的卡耐基曲線明顯不同。

（2）橫軸都表示的是北京時間，但兩條卡耐基曲線的峰值、谷值出現的時間點有明顯差別，這主要是由于經度差別，2021 年10-11 月阿里地區的日出時間比北京地區晚2 小時10 分鐘左右，其日落時間比北京地區晚2 小時30 分鐘左右，日出日落時間決定了氣溶膠含量的垂直輸送強度和時間，進而影響了卡耐基曲線的峰值、谷值時間點。

（3）西藏阿里地區與北京昌平地區的卡耐基曲線除了主要趨勢、峰谷時間點不同之外，其平均值也有很大差別，西藏阿里地區比北京昌平的晴天大氣電場平均值高約0.16 kV·m-1。其原因是西藏阿里的海拔比北京昌平高出4000 m 左右，高海拔特征會造成等電位面的起伏和畸變，等勢線會被壓縮，因此海拔高的地區大氣電場基準值比海拔低的地方更大。

通過文中對從西藏阿里地區2021 年10 月10 日至2021 年11 月10 日期間23 天晴天平均卡耐基曲線進行分析、處理，并與北京市昌平十三陵觀測臺站同期觀測數據的卡耐基曲線對比，得出以下結論：不同于北京市昌平區的雙峰雙谷特點，西藏阿里地區由于遠離人口密集的大城市、遠離氣溶膠源，其卡耐基曲線變化更為簡單，呈現單峰單谷的特點；西藏屬于高原地區，由于海拔比北京昌平地區高出4000 m 左右，大氣電場等勢線被壓縮，西藏阿里地區的大氣電場日均值為0.38 kV·m-1，北京昌平地區的大氣電場日均值是0.22 kV·m-1，西藏阿里地區比北京昌平的晴天大氣電場平均值高約0.16 kV·m-1。

該文詳細地分析了西藏阿里地區的卡耐基曲線，總結出了西藏阿里地區的晴天大氣電場特征。比較了西藏阿里地區和北京昌平的晴天大氣電場特征的差異，并對其原因進行了詳細分析討論，實驗結果和結論對研究高原地區的晴天大氣電場特征具有重要的參考價值和科學意義。

致謝西藏地震臺甘茂老師對此項工作給予了支持和協助，中國氣象數據網提供了獅泉河氣象臺氣象數據，子午工程對該項目給予特別支持。