山西太原地區(qū)不同天氣過(guò)程中的大氣電場(chǎng)特征研究

李云飛，張華明

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

地殼及大氣中的放射性物質(zhì)以及宇宙射線對(duì)大氣的電離導(dǎo)致大氣中形成大氣離子，大氣離子的存在形成了大氣電場(chǎng)[1-2]。雖然對(duì)大氣電場(chǎng)的研究持續(xù)了很久，但目前對(duì)大氣電場(chǎng)的研究主要集中在雷暴電場(chǎng)和預(yù)警方面[3-5]，實(shí)際上大氣離子對(duì)氣溶膠粒子的形成、凝集等微觀物理過(guò)程有重要的影響[6-8]，因此，大氣電場(chǎng)對(duì)大氣污染、全球氣候及各種天氣過(guò)程有著敏銳的反應(yīng)。Carslaw[9]等的工作顯示大氣電場(chǎng)對(duì)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(guān)系，Guo[11-12]等人的工作顯示大氣電導(dǎo)率的增加與空氣污染物的增加是有關(guān)聯(lián)的。大氣電場(chǎng)對(duì)沙塵、霧霾、雷暴、大風(fēng)等各種極端天氣的反應(yīng)也是敏銳的，吳亭[13]等發(fā)現(xiàn)沙塵期間大氣電場(chǎng)變化劇烈，5 min之內(nèi)的變化幅度在5～10 kV/m；Schmidt[14]等人在沙塵暴過(guò)程中離地面1.7 cm處大氣電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)166 kV/m；陸家榆等[15]給出，荷電顆粒物的空間電荷效應(yīng)是影響直流電暈放電和高壓直流輸電線路電磁環(huán)境的重要因素之一。

1 數(shù)據(jù)資料

本文用到太原地區(qū)兩站大氣電場(chǎng)資料，一部布設(shè)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(lái)源太原國(guó)家觀象臺(tái)，兩站相距約5 km；另一部布設(shè)于尖草坪氣象站，對(duì)應(yīng)氣象資料和顆粒物資料來(lái)自氣象站。閃電定位資料由山西省氣象局布設(shè)的ADTD高精度雷電探測(cè)儀獲得，表1給出了主要的觀測(cè)設(shè)備情況。本文給出的晴天過(guò)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(fēng)速小于4 m/s。最后，分析電場(chǎng)記錄，將有明顯大擾動(dòng)過(guò)程的排除。

表1 觀測(cè)設(shè)備情況

2 資料分析

2.1 晴天大氣電場(chǎng)

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

圖2給出了2012-06—2015-02的大氣電場(chǎng)與PM10、PM2.5、PM1.0的日變化，從中可以看出大氣電場(chǎng)的日變化與氣溶膠日變化特征相似。2012-06—2015-02的大氣電場(chǎng)與PM10、PM2.5、PM1.0的相關(guān)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(duì)流比較弱，同時(shí)，人類活動(dòng)也比較弱，氣溶膠已經(jīng)充分沉降，所以，此時(shí)大氣電場(chǎng)出現(xiàn)第一次谷值。

早上09：00左右，隨著“日出”，溫度開(kāi)始升高，大氣中的對(duì)流活動(dòng)逐漸增加，這一時(shí)段同時(shí)疊加交通活動(dòng)繁忙，而且大氣電場(chǎng)安裝在市中心，所以，達(dá)到第一個(gè)峰值。

午后，由于溫度比較高，導(dǎo)致空氣對(duì)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(chǎng)日變化的第二個(gè)谷值。

雖然午后較強(qiáng)的對(duì)流將氣溶膠輸送到高層大氣，但是，此時(shí)段也屬于上下班的交通繁忙階段，汽車(chē)尾氣也比較多，而且14：00左右正是一天中太陽(yáng)輻射最強(qiáng)、光化學(xué)反應(yīng)最強(qiáng)的時(shí)刻，因此，14：00左右大氣電場(chǎng)出現(xiàn)一個(gè)小峰值。張華明[18]等對(duì)太原地區(qū)PM1.0/PM10、PM1.0/PM2.5比值的日變化進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)PM1.0/PM10、PM1.0/PM2.5在14：00左右達(dá)到了極大值。晚峰值與許多其他大陸站相同，隨著風(fēng)速對(duì)流的降低，氣溶膠逐漸沉降至近地面[21]，大氣電場(chǎng)伴隨氣溶膠在21：00左右達(dá)到最大。

圖1 晴天大氣電場(chǎng)日變化

圖2 大氣電場(chǎng)與顆粒物的日變化

2.2 雷暴天氣過(guò)程中的大氣電場(chǎng)

雷暴天氣條件下大氣電場(chǎng)值和電場(chǎng)極性的變化與閃電放電距離大氣電場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)的距離密切相關(guān)。在雷暴云接近大氣電場(chǎng)儀時(shí)，電場(chǎng)值常常會(huì)出現(xiàn)快變抖動(dòng)現(xiàn)象，電場(chǎng)的快變抖動(dòng)出現(xiàn)的原因可能是較多的云閃在雷暴云中發(fā)生或者是發(fā)生的地閃距離電場(chǎng)儀比較遠(yuǎn)。

圖3給出了太原地區(qū)2012-07-30一次雷暴天氣大氣電場(chǎng)與閃電分布，我們將地閃接地點(diǎn)距電場(chǎng)儀的距離與大氣電場(chǎng)的曲線變化疊加到一起，其中，橫坐標(biāo)給出了大氣電場(chǎng)隨時(shí)間的演變以及閃電發(fā)生的時(shí)間，左縱坐標(biāo)為大氣電場(chǎng)強(qiáng)度，右縱坐標(biāo)為閃電距離大氣電場(chǎng)儀的距離。我們將距電場(chǎng)儀半徑20 km范圍內(nèi)發(fā)生50次以上閃電的雷暴過(guò)程定義為一次強(qiáng)雷暴過(guò)程，通過(guò)分析電場(chǎng)變化與閃擊距離之間的關(guān)系，將一次雷暴過(guò)程的大氣電場(chǎng)變劃分為5個(gè)階段：①閃電臨近電場(chǎng)異常。此階段閃電主要發(fā)生電場(chǎng)儀15 km以外，在此階段大氣電場(chǎng)開(kāi)始出現(xiàn)小幅度的抖動(dòng)，主要原因?yàn)榇藭r(shí)雷暴正在向電場(chǎng)儀的方向移動(dòng)，但是，仍未到達(dá)大氣電場(chǎng)的探測(cè)范圍內(nèi)，所以，此時(shí)閃電頻數(shù)比較低，且閃擊點(diǎn)離電場(chǎng)儀的位置都比較遠(yuǎn)。②閃電發(fā)生初期。此階段地閃集中發(fā)生在距離大氣電場(chǎng)儀13～15 km之間，這時(shí)電場(chǎng)變得更加活躍，幅值迅速增加，且閃擊點(diǎn)離電場(chǎng)儀越來(lái)越近。在該時(shí)間段內(nèi)，電場(chǎng)幅值持續(xù)超過(guò)某一個(gè)值，表明遠(yuǎn)處的雷暴云逐漸移近或者此處的雷暴云正處于迅速發(fā)展的過(guò)程中，充放電比較多。③此時(shí)閃電發(fā)生在距離電場(chǎng)儀10～13 km的范圍內(nèi)，該階段閃擊點(diǎn)距離電場(chǎng)儀很近，但仍未落到10 km范圍內(nèi)，所以，也可以認(rèn)為，遠(yuǎn)處的雷暴云正在向電場(chǎng)儀靠近。此時(shí)的電場(chǎng)頻繁上下震蕩跳動(dòng)，幅值比較大，且頻繁出現(xiàn)閾值的突變。④閃電發(fā)生高峰期。在此階段，大氣電場(chǎng)儀的周?chē)?0 km范圍內(nèi)發(fā)生大量的中閃電，電場(chǎng)曲線變化劇烈，出現(xiàn)大量的閾值突變。⑤雷暴云消散或遠(yuǎn)離大氣電場(chǎng)儀的過(guò)程。此階段大氣電場(chǎng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后幅值減小，逐漸回歸于平穩(wěn)。

圖3 2012-07-30大氣電場(chǎng)與閃電分布

2.3 沙塵天氣過(guò)程中的大氣電場(chǎng)特征

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

2.4 大風(fēng)天氣過(guò)程下的大氣電場(chǎng)

圖5給出了2011-04-30、2013-04-08這2次大風(fēng)過(guò)程中大氣電場(chǎng)的日變化，其中，2013-04-08同時(shí)給出了大氣電場(chǎng)與PM10、PM2.5、PM1.0的日變化。由此可以看出，隨著大風(fēng)過(guò)程的來(lái)臨，大氣電場(chǎng)由穩(wěn)定變化迅速變?yōu)樨?fù)值，PM10、PM2.5含量也隨著大風(fēng)過(guò)程的來(lái)臨有較大的增長(zhǎng)，大氣電場(chǎng)與PM10、PM2.5、PM1.0的相關(guān)性分別為－0.809，－0.834，0.415.這說(shuō)明，大風(fēng)天氣過(guò)程中的較大風(fēng)速會(huì)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(chǎng)的絕對(duì)值增強(qiáng)。

圖4 沙塵天氣條件下大氣電場(chǎng)與PM 10、PM 2.5、PM 1.0日變化

圖5 大風(fēng)天氣過(guò)程中大氣電場(chǎng)日變化

圖6 2013-01-19—23太原大氣電場(chǎng)強(qiáng)度、相對(duì)濕度的逐時(shí)變化

2.5 霧霾天氣過(guò)程中的大氣電場(chǎng)

圖6給出了2013-01-19—23大氣電場(chǎng)強(qiáng)度、相對(duì)濕度的逐時(shí)變化。從圖6中可以看出，大氣電場(chǎng)強(qiáng)度在此次霧霾過(guò)程中發(fā)生劇烈的變化，大氣電場(chǎng)強(qiáng)度多次出現(xiàn)陡升陡降，而且電場(chǎng)極性多次出現(xiàn)正負(fù)轉(zhuǎn)換。不同于沙塵與大風(fēng)天氣條件下較高的風(fēng)速，整個(gè)霧霾過(guò)程中地面風(fēng)速比較小。

一般情況下，晴天大氣電場(chǎng)為正值，在此次霧霾過(guò)程中，大氣電場(chǎng)基本為負(fù)值，主要原因是相對(duì)濕度比較高。此次霧霾過(guò)程的平均相對(duì)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(qū)PM2.5水溶性成分中陽(yáng)離子占PM2.5質(zhì)量的8.112%，負(fù)離子占19.07%，顆粒物呈酸性，因此，大氣電場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)太原地區(qū)大氣電場(chǎng)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(guò)程中近地面大氣電場(chǎng)的變化特征，主要得出以下結(jié)論：①晴天條件下，近地面大氣電場(chǎng)日變化曲線呈雙峰雙谷變化，峰值分別出現(xiàn)在09：00和21：00，晴天大氣電場(chǎng)與PM10、PM2.5、PM1.0的相關(guān)性分別為0.827，0.767，0.753.②在雷暴云向電場(chǎng)儀移動(dòng)的過(guò)程中，閃擊點(diǎn)與大氣電場(chǎng)之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)閃擊點(diǎn)的位置可將電場(chǎng)分為5個(gè)階段。③隨著沙塵的來(lái)臨，大氣電場(chǎng)快速降為負(fù)值，并且絕對(duì)值始終保持較大；大氣電場(chǎng)與PM10、PM2.5呈很好的負(fù)相關(guān)，與PM1.0呈現(xiàn)正相關(guān)，且相關(guān)性比較低。沙塵大氣電場(chǎng)主要由PM10、PM2.5沙塵氣溶膠摩擦、碰撞產(chǎn)生，因此，大氣電場(chǎng)與PM10、PM2.5的相關(guān)性比較高。④隨著大風(fēng)過(guò)程的來(lái)臨，大氣電場(chǎng)由穩(wěn)定變化迅速變?yōu)樨?fù)值，大氣電場(chǎng)與PM10、PM2.5、PM1.0的相關(guān)性分別為－0.809，－0.834，0.415.在大風(fēng)天氣過(guò)程中，較大的風(fēng)速會(huì)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(chǎng)的絕對(duì)值增強(qiáng)。⑤大氣電場(chǎng)強(qiáng)度在霧霾過(guò)程中發(fā)生劇烈的變化，大氣電場(chǎng)強(qiáng)度多次出現(xiàn)陡升陡降，而且電場(chǎng)極性多次出現(xiàn)正負(fù)轉(zhuǎn)換。相對(duì)濕度較高是霧霾過(guò)程中大氣電場(chǎng)值變?yōu)樨?fù)值的主要原因。

大氣電場(chǎng)對(duì)污染氣體、極端天氣的變化有著敏銳的反應(yīng)，利用多種方法，深入分析極端天氣下大氣電場(chǎng)值的變化情況以及大氣電場(chǎng)特征，對(duì)極端天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等工作的順利進(jìn)行有重要意義。

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