山西太原地区不同天气过程中的大气电场特征研究

李云飞，张华明

（1.山西省大气探测技术保障中心，山西 太原 030002；2.山西平安防雷检测有限公司，山西 太原 030032；3.山西省气象灾害防御技术中心，山西 太原 030002）

地壳及大气中的放射性物质以及宇宙射线对大气的电离导致大气中形成大气离子，大气离子的存在形成了大气电场[1-2]。虽然对大气电场的研究持续了很久，但目前对大气电场的研究主要集中在雷暴电场和预警方面[3-5]，实际上大气离子对气溶胶粒子的形成、凝集等微观物理过程有重要的影响[6-8]，因此，大气电场对大气污染、全球气候及各种天气过程有着敏锐的反应。Carslaw[9]等的工作显示大气电场对云中粒子的形成有较大的影响，Williams[10]的研究表明雷暴与全球气温有密切关系，Guo[11-12]等人的工作显示大气电导率的增加与空气污染物的增加是有关联的。大气电场对沙尘、雾霾、雷暴、大风等各种极端天气的反应也是敏锐的，吴亭[13]等发现沙尘期间大气电场变化剧烈，5 min之内的变化幅度在5～10 kV/m；Schmidt[14]等人在沙尘暴过程中离地面1.7 cm处大气电场强度可达166 kV/m；陆家榆等[15]给出，荷电颗粒物的空间电荷效应是影响直流电晕放电和高压直流输电线路电磁环境的重要因素之一。

1 数据资料

本文用到太原地区两站大气电场资料，一部布设于山西省气象局三楼楼顶，同步的PM10、PM2.5、PM1.0等颗粒物资料以及气象资料来源太原国家观象台，两站相距约5 km；另一部布设于尖草坪气象站，对应气象资料和颗粒物资料来自气象站。闪电定位资料由山西省气象局布设的ADTD高精度雷电探测仪获得，表1给出了主要的观测设备情况。本文给出的晴天过程[16-18]为降水为0，低云为0，天空中的总云量少于4，平均风速小于4 m/s。最后，分析电场记录，将有明显大扰动过程的排除。

表1 观测设备情况

2 资料分析

2.1 晴天大气电场

图1给出了2008—2015年太原地区晴天大气电场的平均日变化，从图中可以看出，晴天近地面大气电场日变化曲线为双峰双谷型，为大陆复杂型，峰值分别为早上09：00和晚上21：00左右，谷值出现在06：00和13：00，在14：00左右还出现1个小峰值。

图2给出了2012-06—2015-02的大气电场与PM10、PM2.5、PM1.0的日变化，从中可以看出大气电场的日变化与气溶胶日变化特征相似。2012-06—2015-02的大气电场与PM10、PM2.5、PM1.0的相关性分别为0.827，0.767，0.753.Kamra和Dhanorkar[19-20]的研究表明，近地面的电离率与气溶胶浓度呈正比，凌晨06：00左右温度比较低，大气对流比较弱，同时，人类活动也比较弱，气溶胶已经充分沉降，所以，此时大气电场出现第一次谷值。

早上09：00左右，随着“日出”，温度开始升高，大气中的对流活动逐渐增加，这一时段同时叠加交通活动繁忙，而且大气电场安装在市中心，所以，达到第一个峰值。

午后，由于温度比较高，导致空气对流旺盛，使近地面的气溶胶输送到高层大气，造成地面含量减少，形成大气电场日变化的第二个谷值。

虽然午后较强的对流将气溶胶输送到高层大气，但是，此时段也属于上下班的交通繁忙阶段，汽车尾气也比较多，而且14：00左右正是一天中太阳辐射最强、光化学反应最强的时刻，因此，14：00左右大气电场出现一个小峰值。张华明[18]等对太原地区PM1.0/PM10、PM1.0/PM2.5比值的日变化进行了分析，发现PM1.0/PM10、PM1.0/PM2.5在14：00左右达到了极大值。晚峰值与许多其他大陆站相同，随着风速对流的降低，气溶胶逐渐沉降至近地面[21]，大气电场伴随气溶胶在21：00左右达到最大。

图1 晴天大气电场日变化

图2 大气电场与颗粒物的日变化

2.2 雷暴天气过程中的大气电场

雷暴天气条件下大气电场值和电场极性的变化与闪电放电距离大气电场观测点的距离密切相关。在雷暴云接近大气电场仪时，电场值常常会出现快变抖动现象，电场的快变抖动出现的原因可能是较多的云闪在雷暴云中发生或者是发生的地闪距离电场仪比较远。

图3给出了太原地区2012-07-30一次雷暴天气大气电场与闪电分布，我们将地闪接地点距电场仪的距离与大气电场的曲线变化叠加到一起，其中，横坐标给出了大气电场随时间的演变以及闪电发生的时间，左纵坐标为大气电场强度，右纵坐标为闪电距离大气电场仪的距离。我们将距电场仪半径20 km范围内发生50次以上闪电的雷暴过程定义为一次强雷暴过程，通过分析电场变化与闪击距离之间的关系，将一次雷暴过程的大气电场变划分为5个阶段：①闪电临近电场异常。此阶段闪电主要发生电场仪15 km以外，在此阶段大气电场开始出现小幅度的抖动，主要原因为此时雷暴正在向电场仪的方向移动，但是，仍未到达大气电场的探测范围内，所以，此时闪电频数比较低，且闪击点离电场仪的位置都比较远。②闪电发生初期。此阶段地闪集中发生在距离大气电场仪13～15 km之间，这时电场变得更加活跃，幅值迅速增加，且闪击点离电场仪越来越近。在该时间段内，电场幅值持续超过某一个值，表明远处的雷暴云逐渐移近或者此处的雷暴云正处于迅速发展的过程中，充放电比较多。③此时闪电发生在距离电场仪10～13 km的范围内，该阶段闪击点距离电场仪很近，但仍未落到10 km范围内，所以，也可以认为，远处的雷暴云正在向电场仪靠近。此时的电场频繁上下震荡跳动，幅值比较大，且频繁出现阈值的突变。④闪电发生高峰期。在此阶段，大气电场仪的周围10 km范围内发生大量的中闪电，电场曲线变化剧烈，出现大量的阈值突变。⑤雷暴云消散或远离大气电场仪的过程。此阶段大气电场经过一段时间后幅值减小，逐渐回归于平稳。

图3 2012-07-30大气电场与闪电分布

2.3 沙尘天气过程中的大气电场特征

图4给出了2013-02-28、2013-03-09、2013-03-23这3次沙尘过程中大气电场与PM10、PM2.5、PM1.0的日变化，其中，大气电场用AEF表示。放大大气电场的线形可以看出，随着沙尘的来临，大气电场快速降为负值，并且绝对值始终保持较大。在3次沙尘天气过程中，大气电场与PM10的相关性分别为－0.769，－0.717，－0.727；PM2.5的相关性分别为－0.771，－0.717，－0.726；PM1.0的相关性分别为0.439，0.180，0.338；大气电场与PM10、PM2.5呈很好的负相关，与PM1.0呈现正相关，且相关性比较低。Latham[22]等研究表明，不同粒径沙粒之间的不对称摩擦加热是沙尘大气电场形成的主要原因，不同极性的电荷在不同粒径的沙粒间转移输送，小粒子带负电荷，大粒子带正电荷，而PM10、PM2.5、则是沙尘气溶胶的主要来源[23]，因此，沙尘大气电场主要由PM10、PM2.5沙尘气溶胶摩擦、碰撞产生，大气电场与PM10、PM2.5相关性比较高。

2.4 大风天气过程下的大气电场

图5给出了2011-04-30、2013-04-08这2次大风过程中大气电场的日变化，其中，2013-04-08同时给出了大气电场与PM10、PM2.5、PM1.0的日变化。由此可以看出，随着大风过程的来临，大气电场由稳定变化迅速变为负值，PM10、PM2.5含量也随着大风过程的来临有较大的增长，大气电场与PM10、PM2.5、PM1.0的相关性分别为－0.809，－0.834，0.415.这说明，大风天气过程中的较大风速会将裸露地表的粒子吹起，使得PM10、PM2.5含量增加，从而使得大气电场的绝对值增强。

图4 沙尘天气条件下大气电场与PM 10、PM 2.5、PM 1.0日变化

图5 大风天气过程中大气电场日变化

图6 2013-01-19—23太原大气电场强度、相对湿度的逐时变化

2.5 雾霾天气过程中的大气电场

图6给出了2013-01-19—23大气电场强度、相对湿度的逐时变化。从图6中可以看出，大气电场强度在此次雾霾过程中发生剧烈的变化，大气电场强度多次出现陡升陡降，而且电场极性多次出现正负转换。不同于沙尘与大风天气条件下较高的风速，整个雾霾过程中地面风速比较小。

一般情况下，晴天大气电场为正值，在此次雾霾过程中，大气电场基本为负值，主要原因是相对湿度比较高。此次雾霾过程的平均相对湿度为87.71%，是2013-01—03晴天天气下的2.30倍，PM10、PM2.5、PM1.0分别增加1.72倍、2.19倍、1.84倍，较高的湿度使得大气中的污染物吸湿溶解于水。邸志东等[24]的研究表明，太原地区PM2.5水溶性成分中阳离子占PM2.5质量的8.112%，负离子占19.07%，颗粒物呈酸性，因此，大气电场转变为负值。

3 结论

通过对太原地区大气电场以及同步的气象资料、大气污染物资料的分析，探讨了不同天气过程中近地面大气电场的变化特征，主要得出以下结论：①晴天条件下，近地面大气电场日变化曲线呈双峰双谷变化，峰值分别出现在09：00和21：00，晴天大气电场与PM10、PM2.5、PM1.0的相关性分别为0.827，0.767，0.753.②在雷暴云向电场仪移动的过程中，闪击点与大气电场之间存在一定的对应关系，根据闪击点的位置可将电场分为5个阶段。③随着沙尘的来临，大气电场快速降为负值，并且绝对值始终保持较大；大气电场与PM10、PM2.5呈很好的负相关，与PM1.0呈现正相关，且相关性比较低。沙尘大气电场主要由PM10、PM2.5沙尘气溶胶摩擦、碰撞产生，因此，大气电场与PM10、PM2.5的相关性比较高。④随着大风过程的来临，大气电场由稳定变化迅速变为负值，大气电场与PM10、PM2.5、PM1.0的相关性分别为－0.809，－0.834，0.415.在大风天气过程中，较大的风速会将裸露地表的粒子吹起，使得PM10、PM2.5含量增加，从而使得大气电场的绝对值增强。⑤大气电场强度在雾霾过程中发生剧烈的变化，大气电场强度多次出现陡升陡降，而且电场极性多次出现正负转换。相对湿度较高是雾霾过程中大气电场值变为负值的主要原因。

大气电场对污染气体、极端天气的变化有着敏锐的反应，利用多种方法，深入分析极端天气下大气电场值的变化情况以及大气电场特征，对极端天气的预报预警、生态环境保护等工作的顺利进行有重要意义。

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