欧亚大陆晴天大气电场变化特征统计分析

张祎,张卫斌,王振会,李浩

(1.浙江省防雷中心,浙江 杭州 310008;2.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;

3.南京信息工程大学 大气物理学院,江苏 南京 210044)

欧亚大陆晴天大气电场变化特征统计分析

张祎1,张卫斌1,王振会2,3,李浩1

(1.浙江省防雷中心,浙江 杭州 310008;2.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;

3.南京信息工程大学 大气物理学院,江苏 南京 210044)

摘要：对欧亚大陆中纬度陆地9个晴天大气电场观测站点的观测数据进行了分析。结果表明:欧亚大陆中纬度陆地9个站点晴天大气电场强度的日变化主要成单峰单谷和双峰双谷两种波形。各站点的晴天大气电场强度季节变化也较为明显:冬季晴天大气电场强度值较大,夏季晴天大气电场强度值较小。晴天大气电场强度值的日变化总体上与大气电导率呈负相关,与爱根核浓度、绝对湿度呈正相关,并且温度梯度也对其有一定的影响。

关键词：晴天;大气电场;统计

中图分类号：

文章编号：1674-7097(2015)05-0703-07P427.31

文献标志码：码：A

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20111230001

Abstract:Fair-weather atmospheric electric field data observed at nine stations over mid-latitude areas of Eurasian Continent are analyzed.The results show that the diurnal variation of fair-weather atmospheric electric field exhibits in two ways:a single oscillation with a peak and trough and a double oscillation with two peaks and two troughs.The seasonal variation is obvious,which is higher in winter and lower in summer.Diurnal variation of fair-weather atmospheric electric field is negatively correlated with the air conductivity and positively correlated with both the Aitken nuclei concentration and the absolute humidity and it is also affected by temperature gradient.

收稿日期：2014-12-30；改回日期：2015-07-14

基金项目:国家科技支撑计划项目(2013BAK05B03)

通信作者：陆桂荣,高级工程师,研究方向为气候变化,lgr2200@126.com.

Analysis of fair-weather atmospheric electric field over

Eurasian Continent

ZHANG Yi1,ZHANG Wei-bin1,WANG Zhen-hui2,3,LI Hao1

(1.Lightning Protection Center of Zhejiang Province,Hangzhou 310008,China;

2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;

3.School of Atmospheric Physics,NUIST,Nanjing 210044,China)

Key words:fair-weather;atmospheric electric field;statistics

0引言

大气电场强度是大气电学的重要参数,受全球尺度和局地尺度的众多因素影响(Israelsson and Tammet,2001)。地面大气电场的强度、极性和变化特征,不仅有助于分析研究雷暴云中的电荷结构、分布以及演变特征(罗霞等,2007;郭凤霞等,2012),同时对雷暴的监测预警也具有重要作用(孟青等,2005;高太长等,2006;王强等,2009;Aranguren et al.,2009;李颖等,2013)。而晴天大气电场强度的长期观测对了解全球气候变化、空气污染等具有重要的意义。近年来,吴亭等(2009)研究发现,北京地区近地面晴天大气电场日变化呈双峰双谷;该值的变化与气溶胶含量的变化、绝对湿度呈正相关。Serrano et al.(2006)利用里斯本1955—1991年的晴天大气电场数据,研究了宇宙射线、人工辐射及气溶胶浓度对电场强度数据的影响。因此,大气电场数据的分析对大气电学相关研究的开展具有重要的意义。

尽管关于晴天大气电场的观测研究已有一百多年的历史,但大范围多站点晴天大气电场强度的统计分析较少。因此,本文将利用欧亚大陆中纬度陆地9个站点晴天大气电场强度的数据,对该区域的电场强度、电场与相关气象要素进行分析。

1资料介绍及预处理

使用的数据来源于晴天大气电场数据集ATMEL2007A(Tammet,2009)。该数据集为电场强度、大气电导率、气温等各参量每小时的平均值,共包含13个站的数据,其中12个为北半球陆地站,另1个为海洋站(Tammet,2009)。12个陆地站中9个站有电场强度数据。本文利用这9个站的数据开展研究。9个站点均位于欧亚大陆,具体位置分布如图1所示。

由于野外观测的大气电场数据可能受到机械噪声等因素的影响(杨仲江等,2010;陈红兵等,2012),因此本文首先对9个站点的晴天大气电场强度数据进行了范围选择。选取数据的方法参考Israelsson and Tammet(2001),具体步骤如下:

1)由于晴天大气电场强度大于0,剔除小于0的电场强度数据值。

图1　晴天大气电场测站分布Fig.1　The distribution of the stations

2)对于剩余的数据,以0为起点,20 V/m为间隔,统计各测站每个区间的电场个数,得到电场数据区间的分布。

3)根据统计结果,依照各测站晴天大气电场数据区间分布符合近似正态分布原则,剔除电场强度的少数较大值,最终确定各测站晴天大气电场强度范围(表1)。

表1　9个站点晴天大气电场强度范围选择

2数据分析

2.1　晴天大气电场强度日变化

首先,根据选定的数据集,统计了9个站点每个站点晴天大气电场强度的平均日变化(图2),可以看出,9个站点晴天大气电场的日变化波形可以分为两种,单峰单谷形和双峰双谷形。其中:Irkutsk、Marsta、Odessa、Verhnee Dubrovo及Wank站为单峰单谷形;而Dusheti、South-Sakhalinsk、Tashkent及Voeikovo站为双峰双谷形。各站点峰谷时间的统计见表2(当地时间,下同)。

图2　晴天大气电场强度日变化　　a.单峰单谷;b.双峰双谷Fig.2　Diurnal variation of fair-weather atmospheric electric field　　a.single peak and trough;b.double peaks and troughs

表2　晴天大气电场强度日变化峰谷时刻统计

结合图2和表2,可以看出:1)就单峰单谷晴天大气电场波形而言,波谷均出现在02:30—04:30;波峰主要出现在下午至傍晚时刻14:30—18:30。2)双峰双谷的各站点晴天大气电场波形,第一个波谷出现在02:30—05:30,第一个波峰出现在07:30—09:30;第二个波谷出现在中午12:30—15:30,而对应的第二个波峰出现在17:30—21:30。3)所有站点首次波谷的发生时间具有较好的一致性。这是由于晴天大气电场强度受全球普遍日变化机制和地方性日变化机制共同作用的结果。全球普遍日变化机制与全球雷暴活动有关(陈渭民,2003),02:30—05:30之间雷暴活动较少,晴天大气电场强度值较小;地方性日变化机制与局地条件有关,一般情况下,受地方性日变化机制影响,在此时段大气电场强度值也出现极小值。4)双峰双谷波形站点的晴天大气电场强度值随纬度增高而增大,而单峰单谷波形的晴天大气电场观测站点则不符合此规律。5)单峰单谷波形的站点中,Odessa及Verhnee Dubrovo的电场波形在波峰附近均有一些小的波动。这些扰动均发生在午后及晚上,应该是由于傍晚时热对流和湍流的作用,导致近地面水汽、气溶胶浓度发生变化,从而影响电场强度值的波动。6)Voeikovo站点观测的电场波形,第一个波谷较强,持续时间也较强;而第二个波谷较弱,持续时间也较短。

2.2　晴天大气电场强度月变化

根据选定的数据集,求得各站点晴天大气电场强度的月变化(图3),可以看出,除了Wank站点外,其他站点的晴天大气电场强度月变化,都具有明显的季节特性:冬季各站点晴天大气电场强度值较大,而到了4月以后,该值显著减小;在夏季6—8月,一般出现最小值;到了秋季9月以后,电场强度值又有所增加。该统计结果与Serrano et al.(2006)、Latha(2007)和徐斌等(2009)的观测结果较为一致。

另外图3中显示,各站点晴天大气电场强度值并没有显著受纬度效应的影响,这可能的原因是9个站点均处于欧亚大陆中纬度地区,纬度差异并不明显。另一可能原因是,相比较纬度因素影响而言,各站点晴天大气电场强度值更易受局地环境因素的影响。

图3　晴天大气电场强度的月变化Fig.3　The monthly variation of the fair-weather atmospheric electric field

2.3　晴天大气电场强度日变化与气象要素的关系

晴天大气电场强度受到多种气象要素的影响。为了进一步探讨各气象要素可能对其产生的作用,本文将结合各站点同步观测的气象要素进行分析。具体方法为:根据选定的晴天大气电场数据,选出对应时刻的气象要素参量,统计了各参量与晴天大气电场强度的平均值日变化关系。由于水汽、气溶胶相关数据仅在Marsta、Wank两个站点有相应的观测,此方面的气象要素仅以这两站为例进行分析。

2.3.1晴天大气电场强度日变化与电导率的关系

根据文献(Serrano et al.,2006)及欧姆定理可知,晴天大气满足:

J=σE=V/R。

(1)

其中:J为晴天大气的电流密度;σ为大气电导率;E为晴天大气的电场强度;V为整层大气的电位差;R为整层晴天大气柱电阻。由于晴天大气的电流密度J几乎为恒定值(Serrano et al.,2006),因此大气电导率σ和晴天大气电场强度E成反比。多数站点晴天大气电场强度与电导率的日变化资料验证了这一点,统计结果如表3所示。Tashkent站点没有电导率资料。表3表明:除Voeikovo,各站点晴天大气电场强度值与电导率均成负相关。其中,最弱相关系数的站点是Verhnee Dubrovo,相关系数为-0.477 5;最强相关系数的站点是Wank,达到-0.888 8;其他各站点的相关系数主要集中在-0.800 0附近。

表3　晴天大气电场强度与电导率相关系数

2.3.2晴天大气电场强度与爱根核浓度

晴天大气电场强度与气溶胶含量有关系。由于仅Wank站有爱根核浓度资料,本文仅统计了该站点爱根核浓度与晴天大气电场强度的关系(图4)。由于气溶胶粒子(盛裴轩等,2006)按尺度可以分为爱根核、大粒子和巨粒子,而爱根核所占的浓度最大,因此利用该参量进行统计,能在一定程度上反应出晴天大气电场与大气气溶胶粒子的关系。

由图4可见,Wank站点爱根核浓度的日变化与晴天大气电场强度的日变化趋势较为一致,均为单峰单谷型。其中,爱根核浓度的波谷略微滞后于电场强度,而两个参量的波峰则完全对应。此外,爱根核浓度与晴天大气电场强度的日变化呈正相关,相关系数为0.91。

图4　晴天大气Wank站电场强度与爱根核浓度的日变化Fig.4　Diurnal variation of fair-weather atmospheric electric field and concentration of Aitken nuclei(Wank station)

这是因为,首先:晴天大气电场强度E与电导率成反比,电导率主要由轻离子的浓度、轻离子的电荷和它的迁移率决定。

文献(Serrano et al.,2006)中给出了晴天大气中电导率的计算公式:

σ=n+q+μ++n-q-μ-。

(2)

其中:n为离子浓度;q为电荷;μ为迁移率;上标“+”和“-”代表正负极性。结合公式(1)、(2)可知,晴天大气电场强度E与电导率σ成负相关,该电场强度值进一步由离子浓度、电荷和迁移率决定。又由于晴天大气的电导率主要取决于轻离子(陈渭民,2003),因此可知,晴天大气电场强度E主要由轻离子的浓度、轻离子的电荷和它的迁移率决定。

其次,由于大气气溶胶对于大气轻离子具有吸附作用,从而形成了大气重离子(陈渭民,2003;吴亭等,2009)。

因此最终得到,气溶胶粒子通过与大气离子的相互作用,从而影响大气电场强度。当大气中的气溶胶含量增加时,大气中的轻离子浓度相应的减少,轻离子的迁移率也减小,从而电导率减小,最终导致晴天大气电场强度的增加。反之,当大气中的气溶胶含量减小时,晴天大气电场强度也将相应的减小。

Adlerman and Williams(1996)的研究指出,在任何半球,冬季地表的气溶胶浓度值均大于夏季气溶胶浓度。该结论合理地解释本文2.2中大多数站点晴天大气电场强度值的季节变化规律:冬季晴天大气电场强度值较大,夏季晴天大气电场强度值较小。冬季,由于边界层对流较弱或者陆地逆温层明显,大气层结较稳定,空气中污染物较集中于地表,使空气中的离子吸附于这些颗粒,导致迁移率下降,从而晴天大气电场强度值增加。而到了春夏季,日益激烈的边界层对流活动将气溶胶微粒驱散开,使气溶胶地表浓度减小,最终导致晴天大气电场强度值的下降;另一个可能的原因是,北半球大部分区域夏季降水较为充沛,降水对气溶胶粒子有冲刷的作用(施能,1996),导致夏季气溶胶浓度下降,从而电场强度值下降。对于Wank站点显示的不同结果,可能该站点受到周围环境,海拔高度等因素的影响,需要进一步加以研究。

2.3.3晴天大气电场强度日变化与绝对湿度的关系

晴天大气电场强度日变化与绝对湿度的日变化如图5所示,可见:1)Marsta站和Wank站,两个站点绝对湿度的日变化均为单峰单谷结构。2)两个站点晴天大气电场强度与绝对湿度的日变化均成正相关,相关系数分别为0.69(Marsta站)、0.89(Wank站)。3)两个站点晴天大气电场强度与绝对湿度日变化的波谷有很好的一致性,而绝对湿度的波峰均超前于电场强度的波峰,其中Marsta站点更为显著。

图5　晴天大气电场强度与绝对湿度日变化　　a.Marsta站;b.Wank站Fig.5　Diurnal variation of fair-weather atmospheric electric field and absolute humidity　　a.Marsta station;b.Wank station

徐斌等(2009)研究发现西藏地区晴天大气电场的变化趋势与当地大气相对湿度的变化相似,但是不能确认该参量是否为影响晴天大气电场的主要因素。吴亭等(2009)研究指出,晴天大气电场强度与绝对湿度相关性很明显,因为水汽分子与大气轻离子结合,但不会形成重离子,使迁移率有所减小,从而使大气电场强度增强。而本文通过对两个站点晴天大气电场强度日变化和绝对湿度日变化的研究表明,两个参量的相关性较为明显。这可能是由于大气中的N2+、O2+等正离子将于水汽进行结合,形成荷正离子的质子水合成物(陈渭民,2003),当大气中的水汽分子增加时,正离子与水汽的结合概率也增加,从而离子的迁移率下降,最终导致晴天大气电场强度增加。

2.3.4晴天大气电场强度日变化与垂直温度梯度的关系

图6是Marsta站点晴天大气电场强度的日变化与0.8～10 m高度间垂直温度梯度(简称温度梯度)的关系,可见,温度梯度的日变化与电场强度日变化均呈现单峰单谷结构,但两者的变化趋势总体上相反。03:30开始,随着温度梯度的下降,电场强度逐步增加,该过程于09:30左右结束;14:30—20:30时,Marsta站点的电场强度逐步下降,而对应的温度梯度则相应增加;因此总体上,两个参量的日变化趋势呈弱的负相关,相关系数为-0.59。

图6　晴天大气Marsta站电场强度与温度梯度的日变化Fig.6　Diurnal variation of fair-weather atmospheric electric field and gradient of temperature(Marsta station)

研究表明:温度梯度将导致空气的流动,从而影响空间电荷的分布,最终引起大气电场强度的变化(Law,1963;Latha,2007)。晴天大气电场强度方向为垂直向下,地面相对于大气层带负电。当温度梯度为增强时,大气的上升运动也增强,近地面净的负离子将随着气流的移动而上升,电导率增加,电位差减小,从而大气电场强度相应减小。相反,当温度梯度减小时,大气的运动将减弱,此时电导率也将减小,大气电场强度则相应增加;特别是当温度梯度小于零,出现逆温层时,由于人类活动产生的气溶胶、污染物等颗粒将较稳定地沉降或聚集于地表,此时大气电场将增加。

3结论

1)欧亚大陆中纬度陆地九个站点的晴天大气电场强度的日变化主要分为单峰单谷和双峰双谷两种类型。其中:Irkutsk、Marsta、Odessa、Verhnee Dubrovo及Wank为单峰单谷形;而Dusheti、South-Sakhalinsk、Tashkent及Voeikovo为双峰双谷形。所有站点首次波谷发生的时间集中于02:30—05:30,有很好的一致性。

2)各站点的晴天大气电场强度呈现一定的季节变化特征:冬季晴天大气电场强度值较大,而夏季晴天大气电场值较小。其原因可能是冬季边界层对流较弱,层结较稳定;夏季边界层对流活动增强。而各站点电场强度值受纬度效应的影响不明显。

3)晴天大气电场强度值与电导率、爱根核浓度、绝对湿度及温度梯度等气象要素有一定的关系。各站点晴天大气电场强度值总体上与电导率成负相关,相关系数集中在-0.80附近;由于对大气轻离子的吸附作用,Wank站爱根核浓度的日变化与晴天大气电场强度的日变化呈正相关,相关系数为0.91;晴天大气电场强度与绝对湿度的日变化成正相关:Marsta及Wank两个站的相关系数分别为0.69、0.89;此外,通过控制空间电荷及气溶胶粒子的空间分布,Marsta站点的温度梯度与晴天大气电场强度呈弱的负相关,相关系数为-0.59。

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(责任编辑：张福颖)

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