歐亞大陸晴天大氣電場變化特征統(tǒng)計分析

張祎,張衛(wèi)斌,王振會,李浩

(1.浙江省防雷中心,浙江 杭州 310008;2.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;

3.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院,江蘇 南京 210044)

歐亞大陸晴天大氣電場變化特征統(tǒng)計分析

張祎1,張衛(wèi)斌1,王振會2,3,李浩1

(1.浙江省防雷中心,浙江 杭州 310008;2.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;

3.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院,江蘇 南京 210044)

摘要：對歐亞大陸中緯度陸地9個晴天大氣電場觀測站點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:歐亞大陸中緯度陸地9個站點(diǎn)晴天大氣電場強(qiáng)度的日變化主要成單峰單谷和雙峰雙谷兩種波形。各站點(diǎn)的晴天大氣電場強(qiáng)度季節(jié)變化也較為明顯:冬季晴天大氣電場強(qiáng)度值較大,夏季晴天大氣電場強(qiáng)度值較小。晴天大氣電場強(qiáng)度值的日變化總體上與大氣電導(dǎo)率呈負(fù)相關(guān),與愛根核濃度、絕對濕度呈正相關(guān),并且溫度梯度也對其有一定的影響。

關(guān)鍵詞：晴天;大氣電場;統(tǒng)計

中圖分類號：

文章編號：1674-7097(2015)05-0703-07P427.31

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼：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

基金項(xiàng)目:國家科技支撐計劃項(xiàng)目(2013BAK05B03)

通信作者：陸桂榮,高級工程師,研究方向?yàn)闅夂蜃兓?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

大氣電場強(qiáng)度是大氣電學(xué)的重要參數(shù),受全球尺度和局地尺度的眾多因素影響(Israelsson and Tammet,2001)。地面大氣電場的強(qiáng)度、極性和變化特征,不僅有助于分析研究雷暴云中的電荷結(jié)構(gòu)、分布以及演變特征(羅霞等,2007;郭鳳霞等,2012),同時對雷暴的監(jiān)測預(yù)警也具有重要作用(孟青等,2005;高太長等,2006;王強(qiáng)等,2009;Aranguren et al.,2009;李穎等,2013)。而晴天大氣電場強(qiáng)度的長期觀測對了解全球氣候變化、空氣污染等具有重要的意義。近年來,吳亭等(2009)研究發(fā)現(xiàn),北京地區(qū)近地面晴天大氣電場日變化呈雙峰雙谷;該值的變化與氣溶膠含量的變化、絕對濕度呈正相關(guān)。Serrano et al.(2006)利用里斯本1955—1991年的晴天大氣電場數(shù)據(jù),研究了宇宙射線、人工輻射及氣溶膠濃度對電場強(qiáng)度數(shù)據(jù)的影響。因此,大氣電場數(shù)據(jù)的分析對大氣電學(xué)相關(guān)研究的開展具有重要的意義。

盡管關(guān)于晴天大氣電場的觀測研究已有一百多年的歷史,但大范圍多站點(diǎn)晴天大氣電場強(qiáng)度的統(tǒng)計分析較少。因此,本文將利用歐亞大陸中緯度陸地9個站點(diǎn)晴天大氣電場強(qiáng)度的數(shù)據(jù),對該區(qū)域的電場強(qiáng)度、電場與相關(guān)氣象要素進(jìn)行分析。

1資料介紹及預(yù)處理

使用的數(shù)據(jù)來源于晴天大氣電場數(shù)據(jù)集ATMEL2007A(Tammet,2009)。該數(shù)據(jù)集為電場強(qiáng)度、大氣電導(dǎo)率、氣溫等各參量每小時的平均值,共包含13個站的數(shù)據(jù),其中12個為北半球陸地站,另1個為海洋站(Tammet,2009)。12個陸地站中9個站有電場強(qiáng)度數(shù)據(jù)。本文利用這9個站的數(shù)據(jù)開展研究。9個站點(diǎn)均位于歐亞大陸,具體位置分布如圖1所示。

由于野外觀測的大氣電場數(shù)據(jù)可能受到機(jī)械噪聲等因素的影響(楊仲江等,2010;陳紅兵等,2012),因此本文首先對9個站點(diǎn)的晴天大氣電場強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行了范圍選擇。選取數(shù)據(jù)的方法參考Israelsson and Tammet(2001),具體步驟如下:

1)由于晴天大氣電場強(qiáng)度大于0,剔除小于0的電場強(qiáng)度數(shù)據(jù)值。

圖1　晴天大氣電場測站分布Fig.1　The distribution of the stations

2)對于剩余的數(shù)據(jù),以0為起點(diǎn),20 V/m為間隔,統(tǒng)計各測站每個區(qū)間的電場個數(shù),得到電場數(shù)據(jù)區(qū)間的分布。

3)根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果,依照各測站晴天大氣電場數(shù)據(jù)區(qū)間分布符合近似正態(tài)分布原則,剔除電場強(qiáng)度的少數(shù)較大值,最終確定各測站晴天大氣電場強(qiáng)度范圍(表1)。

表1　9個站點(diǎn)晴天大氣電場強(qiáng)度范圍選擇

2數(shù)據(jù)分析

2.1　晴天大氣電場強(qiáng)度日變化

首先,根據(jù)選定的數(shù)據(jù)集,統(tǒng)計了9個站點(diǎn)每個站點(diǎn)晴天大氣電場強(qiáng)度的平均日變化(圖2),可以看出,9個站點(diǎn)晴天大氣電場的日變化波形可以分為兩種,單峰單谷形和雙峰雙谷形。其中:Irkutsk、Marsta、Odessa、Verhnee Dubrovo及Wank站為單峰單谷形;而Dusheti、South-Sakhalinsk、Tashkent及Voeikovo站為雙峰雙谷形。各站點(diǎn)峰谷時間的統(tǒng)計見表2(當(dāng)?shù)貢r間,下同)。

圖2　晴天大氣電場強(qiáng)度日變化　　a.單峰單谷;b.雙峰雙谷Fig.2　Diurnal variation of fair-weather atmospheric electric field　　a.single peak and trough;b.double peaks and troughs

表2　晴天大氣電場強(qiáng)度日變化峰谷時刻統(tǒng)計

結(jié)合圖2和表2,可以看出:1)就單峰單谷晴天大氣電場波形而言,波谷均出現(xiàn)在02:30—04:30;波峰主要出現(xiàn)在下午至傍晚時刻14:30—18:30。2)雙峰雙谷的各站點(diǎn)晴天大氣電場波形,第一個波谷出現(xiàn)在02:30—05:30,第一個波峰出現(xiàn)在07:30—09:30;第二個波谷出現(xiàn)在中午12:30—15:30,而對應(yīng)的第二個波峰出現(xiàn)在17:30—21:30。3)所有站點(diǎn)首次波谷的發(fā)生時間具有較好的一致性。這是由于晴天大氣電場強(qiáng)度受全球普遍日變化機(jī)制和地方性日變化機(jī)制共同作用的結(jié)果。全球普遍日變化機(jī)制與全球雷暴活動有關(guān)(陳渭民,2003),02:30—05:30之間雷暴活動較少,晴天大氣電場強(qiáng)度值較小;地方性日變化機(jī)制與局地條件有關(guān),一般情況下,受地方性日變化機(jī)制影響,在此時段大氣電場強(qiáng)度值也出現(xiàn)極小值。4)雙峰雙谷波形站點(diǎn)的晴天大氣電場強(qiáng)度值隨緯度增高而增大,而單峰單谷波形的晴天大氣電場觀測站點(diǎn)則不符合此規(guī)律。5)單峰單谷波形的站點(diǎn)中,Odessa及Verhnee Dubrovo的電場波形在波峰附近均有一些小的波動。這些擾動均發(fā)生在午后及晚上,應(yīng)該是由于傍晚時熱對流和湍流的作用,導(dǎo)致近地面水汽、氣溶膠濃度發(fā)生變化,從而影響電場強(qiáng)度值的波動。6)Voeikovo站點(diǎn)觀測的電場波形,第一個波谷較強(qiáng),持續(xù)時間也較強(qiáng);而第二個波谷較弱,持續(xù)時間也較短。

2.2　晴天大氣電場強(qiáng)度月變化

根據(jù)選定的數(shù)據(jù)集,求得各站點(diǎn)晴天大氣電場強(qiáng)度的月變化(圖3),可以看出,除了Wank站點(diǎn)外,其他站點(diǎn)的晴天大氣電場強(qiáng)度月變化,都具有明顯的季節(jié)特性:冬季各站點(diǎn)晴天大氣電場強(qiáng)度值較大,而到了4月以后,該值顯著減小;在夏季6—8月,一般出現(xiàn)最小值;到了秋季9月以后,電場強(qiáng)度值又有所增加。該統(tǒng)計結(jié)果與Serrano et al.(2006)、Latha(2007)和徐斌等(2009)的觀測結(jié)果較為一致。

另外圖3中顯示,各站點(diǎn)晴天大氣電場強(qiáng)度值并沒有顯著受緯度效應(yīng)的影響,這可能的原因是9個站點(diǎn)均處于歐亞大陸中緯度地區(qū),緯度差異并不明顯。另一可能原因是,相比較緯度因素影響而言,各站點(diǎn)晴天大氣電場強(qiáng)度值更易受局地環(huán)境因素的影響。

圖3　晴天大氣電場強(qiáng)度的月變化Fig.3　The monthly variation of the fair-weather atmospheric electric field

2.3　晴天大氣電場強(qiáng)度日變化與氣象要素的關(guān)系

晴天大氣電場強(qiáng)度受到多種氣象要素的影響。為了進(jìn)一步探討各氣象要素可能對其產(chǎn)生的作用,本文將結(jié)合各站點(diǎn)同步觀測的氣象要素進(jìn)行分析。具體方法為:根據(jù)選定的晴天大氣電場數(shù)據(jù),選出對應(yīng)時刻的氣象要素參量,統(tǒng)計了各參量與晴天大氣電場強(qiáng)度的平均值日變化關(guān)系。由于水汽、氣溶膠相關(guān)數(shù)據(jù)僅在Marsta、Wank兩個站點(diǎn)有相應(yīng)的觀測,此方面的氣象要素僅以這兩站為例進(jìn)行分析。

2.3.1晴天大氣電場強(qiáng)度日變化與電導(dǎo)率的關(guān)系

根據(jù)文獻(xiàn)(Serrano et al.,2006)及歐姆定理可知,晴天大氣滿足:

J=σE=V/R。

(1)

其中:J為晴天大氣的電流密度;σ為大氣電導(dǎo)率;E為晴天大氣的電場強(qiáng)度;V為整層大氣的電位差;R為整層晴天大氣柱電阻。由于晴天大氣的電流密度J幾乎為恒定值(Serrano et al.,2006),因此大氣電導(dǎo)率σ和晴天大氣電場強(qiáng)度E成反比。多數(shù)站點(diǎn)晴天大氣電場強(qiáng)度與電導(dǎo)率的日變化資料驗(yàn)證了這一點(diǎn),統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。Tashkent站點(diǎn)沒有電導(dǎo)率資料。表3表明:除Voeikovo,各站點(diǎn)晴天大氣電場強(qiáng)度值與電導(dǎo)率均成負(fù)相關(guān)。其中,最弱相關(guān)系數(shù)的站點(diǎn)是Verhnee Dubrovo,相關(guān)系數(shù)為-0.477 5;最強(qiáng)相關(guān)系數(shù)的站點(diǎn)是Wank,達(dá)到-0.888 8;其他各站點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)主要集中在-0.800 0附近。

表3　晴天大氣電場強(qiáng)度與電導(dǎo)率相關(guān)系數(shù)

2.3.2晴天大氣電場強(qiáng)度與愛根核濃度

晴天大氣電場強(qiáng)度與氣溶膠含量有關(guān)系。由于僅Wank站有愛根核濃度資料,本文僅統(tǒng)計了該站點(diǎn)愛根核濃度與晴天大氣電場強(qiáng)度的關(guān)系(圖4)。由于氣溶膠粒子(盛裴軒等,2006)按尺度可以分為愛根核、大粒子和巨粒子,而愛根核所占的濃度最大,因此利用該參量進(jìn)行統(tǒng)計,能在一定程度上反應(yīng)出晴天大氣電場與大氣氣溶膠粒子的關(guān)系。

由圖4可見,Wank站點(diǎn)愛根核濃度的日變化與晴天大氣電場強(qiáng)度的日變化趨勢較為一致,均為單峰單谷型。其中,愛根核濃度的波谷略微滯后于電場強(qiáng)度,而兩個參量的波峰則完全對應(yīng)。此外,愛根核濃度與晴天大氣電場強(qiáng)度的日變化呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.91。

圖4　晴天大氣Wank站電場強(qiáng)度與愛根核濃度的日變化Fig.4　Diurnal variation of fair-weather atmospheric electric field and concentration of Aitken nuclei(Wank station)

這是因?yàn)?首先:晴天大氣電場強(qiáng)度E與電導(dǎo)率成反比,電導(dǎo)率主要由輕離子的濃度、輕離子的電荷和它的遷移率決定。

文獻(xiàn)(Serrano et al.,2006)中給出了晴天大氣中電導(dǎo)率的計算公式:

σ=n+q+μ++n-q-μ-。

(2)

其中:n為離子濃度;q為電荷;μ為遷移率;上標(biāo)“+”和“-”代表正負(fù)極性。結(jié)合公式(1)、(2)可知,晴天大氣電場強(qiáng)度E與電導(dǎo)率σ成負(fù)相關(guān),該電場強(qiáng)度值進(jìn)一步由離子濃度、電荷和遷移率決定。又由于晴天大氣的電導(dǎo)率主要取決于輕離子(陳渭民,2003),因此可知,晴天大氣電場強(qiáng)度E主要由輕離子的濃度、輕離子的電荷和它的遷移率決定。

其次,由于大氣氣溶膠對于大氣輕離子具有吸附作用,從而形成了大氣重離子(陳渭民,2003;吳亭等,2009)。

因此最終得到,氣溶膠粒子通過與大氣離子的相互作用,從而影響大氣電場強(qiáng)度。當(dāng)大氣中的氣溶膠含量增加時,大氣中的輕離子濃度相應(yīng)的減少,輕離子的遷移率也減小,從而電導(dǎo)率減小,最終導(dǎo)致晴天大氣電場強(qiáng)度的增加。反之,當(dāng)大氣中的氣溶膠含量減小時,晴天大氣電場強(qiáng)度也將相應(yīng)的減小。

Adlerman and Williams(1996)的研究指出,在任何半球,冬季地表的氣溶膠濃度值均大于夏季氣溶膠濃度。該結(jié)論合理地解釋本文2.2中大多數(shù)站點(diǎn)晴天大氣電場強(qiáng)度值的季節(jié)變化規(guī)律:冬季晴天大氣電場強(qiáng)度值較大,夏季晴天大氣電場強(qiáng)度值較小。冬季,由于邊界層對流較弱或者陸地逆溫層明顯,大氣層結(jié)較穩(wěn)定,空氣中污染物較集中于地表,使空氣中的離子吸附于這些顆粒,導(dǎo)致遷移率下降,從而晴天大氣電場強(qiáng)度值增加。而到了春夏季,日益激烈的邊界層對流活動將氣溶膠微粒驅(qū)散開,使氣溶膠地表濃度減小,最終導(dǎo)致晴天大氣電場強(qiáng)度值的下降;另一個可能的原因是,北半球大部分區(qū)域夏季降水較為充沛,降水對氣溶膠粒子有沖刷的作用(施能,1996),導(dǎo)致夏季氣溶膠濃度下降,從而電場強(qiáng)度值下降。對于Wank站點(diǎn)顯示的不同結(jié)果,可能該站點(diǎn)受到周圍環(huán)境,海拔高度等因素的影響,需要進(jìn)一步加以研究。

2.3.3晴天大氣電場強(qiáng)度日變化與絕對濕度的關(guān)系

晴天大氣電場強(qiáng)度日變化與絕對濕度的日變化如圖5所示,可見:1)Marsta站和Wank站,兩個站點(diǎn)絕對濕度的日變化均為單峰單谷結(jié)構(gòu)。2)兩個站點(diǎn)晴天大氣電場強(qiáng)度與絕對濕度的日變化均成正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.69(Marsta站)、0.89(Wank站)。3)兩個站點(diǎn)晴天大氣電場強(qiáng)度與絕對濕度日變化的波谷有很好的一致性,而絕對濕度的波峰均超前于電場強(qiáng)度的波峰,其中Marsta站點(diǎn)更為顯著。

圖5　晴天大氣電場強(qiáng)度與絕對濕度日變化　　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)研究發(fā)現(xiàn)西藏地區(qū)晴天大氣電場的變化趨勢與當(dāng)?shù)卮髿庀鄬穸鹊淖兓嗨?但是不能確認(rèn)該參量是否為影響晴天大氣電場的主要因素。吳亭等(2009)研究指出,晴天大氣電場強(qiáng)度與絕對濕度相關(guān)性很明顯,因?yàn)樗肿优c大氣輕離子結(jié)合,但不會形成重離子,使遷移率有所減小,從而使大氣電場強(qiáng)度增強(qiáng)。而本文通過對兩個站點(diǎn)晴天大氣電場強(qiáng)度日變化和絕對濕度日變化的研究表明,兩個參量的相關(guān)性較為明顯。這可能是由于大氣中的N2+、O2+等正離子將于水汽進(jìn)行結(jié)合,形成荷正離子的質(zhì)子水合成物(陳渭民,2003),當(dāng)大氣中的水汽分子增加時,正離子與水汽的結(jié)合概率也增加,從而離子的遷移率下降,最終導(dǎo)致晴天大氣電場強(qiáng)度增加。

2.3.4晴天大氣電場強(qiáng)度日變化與垂直溫度梯度的關(guān)系

圖6是Marsta站點(diǎn)晴天大氣電場強(qiáng)度的日變化與0.8～10 m高度間垂直溫度梯度(簡稱溫度梯度)的關(guān)系,可見,溫度梯度的日變化與電場強(qiáng)度日變化均呈現(xiàn)單峰單谷結(jié)構(gòu),但兩者的變化趨勢總體上相反。03:30開始,隨著溫度梯度的下降,電場強(qiáng)度逐步增加,該過程于09:30左右結(jié)束;14:30—20:30時,Marsta站點(diǎn)的電場強(qiáng)度逐步下降,而對應(yīng)的溫度梯度則相應(yīng)增加;因此總體上,兩個參量的日變化趨勢呈弱的負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.59。

圖6　晴天大氣Marsta站電場強(qiáng)度與溫度梯度的日變化Fig.6　Diurnal variation of fair-weather atmospheric electric field and gradient of temperature(Marsta station)

研究表明:溫度梯度將導(dǎo)致空氣的流動,從而影響空間電荷的分布,最終引起大氣電場強(qiáng)度的變化(Law,1963;Latha,2007)。晴天大氣電場強(qiáng)度方向?yàn)榇怪毕蛳?地面相對于大氣層帶負(fù)電。當(dāng)溫度梯度為增強(qiáng)時,大氣的上升運(yùn)動也增強(qiáng),近地面凈的負(fù)離子將隨著氣流的移動而上升,電導(dǎo)率增加,電位差減小,從而大氣電場強(qiáng)度相應(yīng)減小。相反,當(dāng)溫度梯度減小時,大氣的運(yùn)動將減弱,此時電導(dǎo)率也將減小,大氣電場強(qiáng)度則相應(yīng)增加;特別是當(dāng)溫度梯度小于零,出現(xiàn)逆溫層時,由于人類活動產(chǎn)生的氣溶膠、污染物等顆粒將較穩(wěn)定地沉降或聚集于地表,此時大氣電場將增加。

3結(jié)論

1)歐亞大陸中緯度陸地九個站點(diǎn)的晴天大氣電場強(qiáng)度的日變化主要分為單峰單谷和雙峰雙谷兩種類型。其中:Irkutsk、Marsta、Odessa、Verhnee Dubrovo及Wank為單峰單谷形;而Dusheti、South-Sakhalinsk、Tashkent及Voeikovo為雙峰雙谷形。所有站點(diǎn)首次波谷發(fā)生的時間集中于02:30—05:30,有很好的一致性。

2)各站點(diǎn)的晴天大氣電場強(qiáng)度呈現(xiàn)一定的季節(jié)變化特征:冬季晴天大氣電場強(qiáng)度值較大,而夏季晴天大氣電場值較小。其原因可能是冬季邊界層對流較弱,層結(jié)較穩(wěn)定;夏季邊界層對流活動增強(qiáng)。而各站點(diǎn)電場強(qiáng)度值受緯度效應(yīng)的影響不明顯。

3)晴天大氣電場強(qiáng)度值與電導(dǎo)率、愛根核濃度、絕對濕度及溫度梯度等氣象要素有一定的關(guān)系。各站點(diǎn)晴天大氣電場強(qiáng)度值總體上與電導(dǎo)率成負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)集中在-0.80附近;由于對大氣輕離子的吸附作用,Wank站愛根核濃度的日變化與晴天大氣電場強(qiáng)度的日變化呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.91;晴天大氣電場強(qiáng)度與絕對濕度的日變化成正相關(guān):Marsta及Wank兩個站的相關(guān)系數(shù)分別為0.69、0.89;此外,通過控制空間電荷及氣溶膠粒子的空間分布,Marsta站點(diǎn)的溫度梯度與晴天大氣電場強(qiáng)度呈弱的負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.59。

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(責(zé)任編輯：張福穎)

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