2010-2020 年大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)集

李仁康，陳濤，李文，羅靜

1. 云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，昆明 650500

2. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190

引 言

大氣電場(chǎng)的變化同時(shí)受到閃電活動(dòng)和太陽(yáng)活動(dòng)影響，大氣電場(chǎng)的變化代表著全球大氣電路的狀態(tài)[1-3]，全球電路模型如圖1 所示。

圖1 (a)全球電路模型示意圖；(b)簡(jiǎn)化的等效電路圖[2]

圖1 中Jz是垂直大氣電流，是平流層電阻，Rt是對(duì)流層電阻。電流流經(jīng)對(duì)流層，到達(dá)平流層，在晴天區(qū)域通過(guò)大氣層到達(dá)地面?？梢钥闯觯妆┳鳛槿螂娐纺Ｐ椭械脑?，對(duì)Jz的控制占主導(dǎo)地位，維持著由“雷暴→電離層→晴天大氣→地面”所構(gòu)成的全球大氣電路，Jz的改變將會(huì)引起近地面大氣電場(chǎng)Ez的擾動(dòng)。

Ez的變化同時(shí)還受太陽(yáng)活動(dòng)的影響[4]，關(guān)注由太陽(yáng)活動(dòng)導(dǎo)致大氣電場(chǎng)擾動(dòng)，進(jìn)而對(duì)局部地區(qū)天氣產(chǎn)生的影響，不僅能了解太陽(yáng)活動(dòng)→大氣電場(chǎng)→局部地區(qū)天氣之間的內(nèi)在聯(lián)系，也能從太陽(yáng)活動(dòng)導(dǎo)致大氣變化的角度去理解太陽(yáng)活動(dòng)通過(guò)直接的電磁輻射和間接的粒子輻射去影響人類生存圈的演化過(guò)程。

全球電路模型作為一個(gè)全球性的模型，太陽(yáng)活動(dòng)時(shí)，引起的近地面大氣電場(chǎng)（即Ez）的擾動(dòng)也是全球性的，只不過(guò)在不同的緯度，Ez對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)事件的響應(yīng)不同。在緯度較高的地方，Ez的擾動(dòng)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)事件的響應(yīng)在時(shí)間上相對(duì)迅速，擾動(dòng)的幅度也相對(duì)劇烈。而中低緯地區(qū)Ez的擾動(dòng)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)事件的響應(yīng)在時(shí)間上則可能相對(duì)滯后，擾動(dòng)的幅度也相對(duì)平緩，但是時(shí)間上的滯后與幅度上的平緩并不表示中低緯地區(qū)大氣電場(chǎng)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)事件沒(méi)有響應(yīng)。

因此研究太陽(yáng)活動(dòng)期間，中低緯地區(qū)近地面Ez的變化特點(diǎn)，包括不同太陽(yáng)活動(dòng)事件期間，近地面Ez的擾動(dòng)幅度和擾動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間隨緯度的變化特點(diǎn)，以及近地面Ez的擾動(dòng)對(duì)局部地區(qū)天氣的影響。開(kāi)展不同空間天氣背景條件下大氣電場(chǎng)的研究，也將為提升全球電路模型的模擬精度，完善云層電荷分布模型，評(píng)估靜電云微物理過(guò)程提供重要的支撐。因此，研究太陽(yáng)活動(dòng)期間，中低緯地區(qū)近地面大氣電場(chǎng)的變化特點(diǎn)，對(duì)于研究空間天氣引起的近地面大氣電場(chǎng)變化，進(jìn)而引起的局部地區(qū)天氣的變化有著重要的應(yīng)用價(jià)值。

子午工程沿東經(jīng)120°子午線附近，利用北起漠河、經(jīng)北京、武漢，南至海南并延伸到南極中山站，以及東起上海、經(jīng)武漢、成都、西至拉薩的沿北緯30°緯度線附近現(xiàn)有的15 個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站，建成一個(gè)以鏈為主、鏈網(wǎng)結(jié)合的，運(yùn)用地磁（電）、無(wú)線電、光學(xué)和探空火箭等多種手段，連續(xù)監(jiān)測(cè)地球表面20-30 km 以上到幾百公里的中高層大氣、電離層和磁層，以及十幾個(gè)地球半徑以外的行星際空間環(huán)境中的地磁場(chǎng)、電場(chǎng)、中高層大氣的風(fēng)場(chǎng)、密度、溫度和成分，電離層、磁層和行星際空間 中 的 有 關(guān) 參 數(shù) ， 聯(lián) 合 運(yùn) 作 的 大 型 空 間 環(huán) 境 地 基 監(jiān) 測(cè) 系 統(tǒng)（http://www.spaceweather.ac.cn/page.php?title=meriproject）。

其中，黑龍江漠河站、長(zhǎng)春農(nóng)安站、武漢九峰站、廣東肇慶站、成都郫縣站都安裝有大氣電場(chǎng)儀，表1 給出了各個(gè)臺(tái)站的經(jīng)緯度。

表1 子午工程大氣電場(chǎng)儀所在各臺(tái)站的地理位置

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

子午工程大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)采用的是場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀進(jìn)行測(cè)量，這類電場(chǎng)儀的基本原理是導(dǎo)體表面感應(yīng)電荷測(cè)量法，這種方法利用導(dǎo)體在電場(chǎng)中產(chǎn)生的感應(yīng)電荷來(lái)測(cè)量電場(chǎng)。最典型的代表就是場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀[5-7]，如圖2 所示。

圖2 場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀示意圖[5]

當(dāng)垂直方向的電場(chǎng)線能夠“照射”到感應(yīng)片上的時(shí)候，在感應(yīng)片上會(huì)感應(yīng)出電荷。當(dāng)電場(chǎng)線被動(dòng)片擋住以后，感應(yīng)片上的電荷為零。如果讓動(dòng)片不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，感應(yīng)片就會(huì)持續(xù)輸出交流信號(hào)，而這一交流信號(hào)的幅值和電場(chǎng)強(qiáng)度呈線性比例關(guān)系。感應(yīng)片輸出的是交流電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)前置放大電路的I-V（電流-電壓）轉(zhuǎn)換以后得到了一個(gè)交流電壓信號(hào)。感應(yīng)信號(hào)是一個(gè)正弦變化的波形，儀器可通過(guò)測(cè)量電流的大小進(jìn)而推得電場(chǎng)的大小，但這種交變信號(hào)不能確定電場(chǎng)的極性，可在感應(yīng)器中產(chǎn)生一個(gè)與感應(yīng)信號(hào)同步的參考信號(hào)，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的處理就可檢出極性[8]。

測(cè)量到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)標(biāo)定處理之后進(jìn)行存儲(chǔ)，最終數(shù)據(jù)通過(guò)子午工程數(shù)據(jù)中心發(fā)布（https://data.meridianproject.ac.cn/），用戶在網(wǎng)站注冊(cè)之后可以直接下載成品數(shù)據(jù)，進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)為文本格式，文件后綴名為txt，讀取后進(jìn)行處理、分析，可做進(jìn)一步研究。

2.1 數(shù)據(jù)文件交換接口

數(shù)據(jù)文件定義：每一類數(shù)據(jù)文件描述如表2 所示。

表2 子午工程大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)文件定義

注：XXX 為MHT（黑龍江漠河站）、JFT（武漢九峰站）、NAT（長(zhǎng)春農(nóng)安站）、ZQT（廣東肇慶站）、PXT（成都郫縣站）。

2.2 數(shù)據(jù)文件格式描述示例

數(shù)據(jù)文件名稱：大氣電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)文件描述：大氣電場(chǎng)垂直分量

數(shù)據(jù)級(jí)別：一級(jí)科學(xué)數(shù)據(jù)

文件格式：txt

數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)時(shí)間分割：24 小時(shí)

文件格式樣例：

00：00：01 0.6950

00：00：02 0.6925

00：00：03： -10.5678

文件格式描述：數(shù)據(jù)文件由數(shù)據(jù)項(xiàng)組成，數(shù)據(jù)項(xiàng)按照時(shí)間先后順序由各個(gè)時(shí)刻的觀測(cè)值連續(xù)分行排列組成，每個(gè)時(shí)刻觀測(cè)值包含觀測(cè)時(shí)間、電場(chǎng)值兩個(gè)變量，觀測(cè)值采用“ ”（七位空格）為分隔符，浮點(diǎn)類型，有效數(shù)據(jù)保留4 位小數(shù)，格式說(shuō)明如表3 所示。表4 給出了武漢九峰站2020 年1 月20 日的大氣電場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)樣例，數(shù)據(jù)采樣的時(shí)間精度為1 s，即每秒一個(gè)數(shù)據(jù)，一天共測(cè)量86 400個(gè)數(shù)據(jù)，第一列為時(shí)間，第二列為測(cè)量的電場(chǎng)值。

表3 大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)文件格式說(shuō)明

表4 武漢九峰站2020 年1 月20 日大氣電場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)樣例

基于該數(shù)據(jù)繪制的2020 年1 月20 日大氣電場(chǎng)圖如圖3 所示。

圖3 武漢九峰站2020 年1 月20 日大氣電場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)圖

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

大氣電場(chǎng)儀利用接收傳感面板（被電機(jī)驅(qū)動(dòng)的遮板交替屏蔽）在大氣中產(chǎn)生感應(yīng)電荷的原理，獲取大氣電場(chǎng)。測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍為：-20 kV/m～+20 kV/m，分辨率為2.5 V/m，頻帶范圍為DC-1Hz，時(shí)間分辨率為1 s。

同時(shí)，針對(duì)個(gè)別數(shù)據(jù)異常問(wèn)題，我們采取了一系列的算法及措施，以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。如果部分通道測(cè)量數(shù)據(jù)不可用，或者是無(wú)效的，那么對(duì)于這部分無(wú)效測(cè)量數(shù)據(jù)，用數(shù)字99 代替。如果用Matlab 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理畫圖時(shí)，可以把電場(chǎng)值等于99 的部分剔除，用NanN（Not a Number）代替?；蛘呖梢圆捎貌逯捣?，將前后相鄰的2-3 個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)平均來(lái)代替該無(wú)效測(cè)量值。

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

由于引起大氣電場(chǎng)擾動(dòng)的因素很多，有空間天氣、人工活動(dòng)、雷暴以及地震活動(dòng)等。因此本數(shù)據(jù)可支持研究近地面大氣電場(chǎng)的日平均變化特點(diǎn)，即卡內(nèi)基曲線，以及研究太陽(yáng)活動(dòng)事件（耀斑短波輻射事件，日冕物質(zhì)拋射，以及由太陽(yáng)活動(dòng)導(dǎo)致的地磁擾動(dòng)，輻射帶粒子沉降）對(duì)中低緯地區(qū)近地面大氣電場(chǎng)的影響，包括大氣電場(chǎng)的擾動(dòng)幅度以及擾動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間隨緯度的變化特點(diǎn)和規(guī)律。

結(jié)合衛(wèi)星測(cè)量的太陽(yáng)活動(dòng)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)（天基觀測(cè)）以及閃電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（地基觀測(cè)），加強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)事件導(dǎo)致的近地面大氣電場(chǎng)變化特性的研究，以及由于近地面大氣電場(chǎng)變化進(jìn)而影響局部地區(qū)天氣的研究，通過(guò)天基、地基觀測(cè)和理論研究，了解太陽(yáng)活動(dòng)→近地面大氣電場(chǎng)→局地地區(qū)天氣變化之間的內(nèi)在聯(lián)系，分析它們之間相互作用的機(jī)理。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

數(shù)據(jù)已經(jīng)在子午工程數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)并發(fā)布（https://data.meridianproject.ac.cn/），并提供數(shù)據(jù)查詢下載服務(wù)，具體步驟如圖4、圖5、圖6 所示。

圖4 臺(tái)站選擇

登錄子午工程數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站，如果是首次登錄的，需要進(jìn)行注冊(cè)，注冊(cè)完成后，輸入賬號(hào)和密碼就可以登錄。然后就進(jìn)入到的數(shù)據(jù)中心的首頁(yè)，再首頁(yè)用鼠標(biāo)單擊“數(shù)據(jù)目錄”，然后選擇“地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)”下邊的“大氣電場(chǎng)儀”，便會(huì)出現(xiàn)子午工程的5 個(gè)大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)觀測(cè)站，如圖4 所示。

單擊所需要選取的臺(tái)站，進(jìn)入到該臺(tái)站大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)的下載界面，如圖5 所示，選擇好需要的時(shí)間，勾選“ElecField”，然后單擊“下載”，彈出“選擇下載參數(shù)”對(duì)話框，選擇“原始格式數(shù)據(jù)下載”，單擊“確定”即可進(jìn)入到相應(yīng)臺(tái)站大氣電場(chǎng)儀觀測(cè)數(shù)據(jù)列表，如圖6 所示。選中需要的文件，便可打包下載。

圖5 時(shí)間范圍選擇

圖6 數(shù)據(jù)下載

致 謝

感謝國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程支持；本項(xiàng)成果使用國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程科學(xué)數(shù)據(jù)；感謝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)基金支持；本數(shù)據(jù)論文的完成得到了國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)-國(guó)家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和幫助。特別感謝中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（鴻鵠專項(xiàng)）提供的部分?jǐn)?shù)據(jù)處理方法。感謝云南省博士后定向培養(yǎng)項(xiàng)目資助。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

李仁康（1989—），男，云南省昆明市人，博士研究生，講師，研究方向?yàn)榇髿怆妶?chǎng)數(shù)據(jù)分析與處理。主要承擔(dān)工作：大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析與處理。

陳濤（1961—），男，四川宜賓人，博士研究生，研究員，研究方向?yàn)榭臻g電磁場(chǎng)探測(cè)。主要承擔(dān)工作：大氣電場(chǎng)儀項(xiàng)目申請(qǐng)、規(guī)劃。

李文（1984—），男，安徽池州人，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理，主要承擔(dān)工作：大氣電場(chǎng)信號(hào)分析與處理。

羅靜（1977—），女，湖北宜昌人，碩士研究生，副研究員，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)處理。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)質(zhì)量管理。