山西省中北部地区近地面晴天大气电场特征及其与污染物的关系

李 芳，付亚平，郝孝智，范卫东，李云飞，3

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

大气电场是大气电学的重要参数。观测发现，晴天大气电场相对于大地带有正极性电荷，它的方向始终是垂直向下的。晴天大气电场为正值，陆地的变化范围为19耀310 V/m，海洋的变化范围为50耀250 V/m[1]。人类对大气电场的观测研究已有100多年的历史[2]，研究证明大气电场对各种大气变化的反应非常迅速，全球因素和局地因素都会引起大气电场的变化。

虽然大气电场已应用到闪电、大气研究等很多领域[3]，但大范围、多站点大气电场的分析较少，对其变化规律仍未清晰全面地掌握，主要原因是地面大气电场仪的布设不够广，观测数据的变化受到各种条件的影响[4]。对于山西这样一个地形多样，典型大陆性气候、工业局部发达、污染严重的省份，局地因素对大气电场的变化占主导作用。云、气溶胶、沙尘、水汽、温度这些因素具有非常明显的局地特征。因此，开展地域性的大气电场观测研究不仅对大气电学研究有着重要帮助，而且对由于闪电、气溶胶浓度等的变化引起的大气电场变化有着非常重要的意义。另外，由于多站点大区域的大气电场观测较少，研究也相对较少。因此本文将利用山西省中北部地区8个站点的大气电场观测结果进行分析研究。

1 数据资料和方法

1.1 数据资料的来源和处理

研究所使用的数据为2013年1月1日—2015年12月31日山西省大气电场监测系统的资料，包括朔州、忻州、古交、太原（尖草坪、小店两个站）、阳泉、榆次、离石共8个大气电场观测站。由于室外观测的大气电场数据会受到机械噪声等因素的影响[5]，太原市区站点周边高大建筑密集，受影响较大故未选取。朔州、忻州、古交位于山西省北部地区，其余5个站位于山西省中部地区（图1）。电场仪均安装在气象观测站值班室屋顶，高度约4 m，周围开阔无较大遮挡物，符合大气电场仪的观测要求[6]，气象站同步还有日照、温度、湿度、雨量、风速等的观测。

图1 8个大气电场监测站点布置

晴天的定义在学术界存在一定差异，根据Israelsson[7]、Latha[8]、Harrison[9]的定义，综合分析后确定此次研究的晴天标准为：全天没有降水，没有低云，太阳在08：00—18：00间有70%以上时间保证直射，平均风速约8 m/s，大气电场测试值没有明显扰动[10]。由于晴天大气电场为正值且在正常情况下脉动幅度不会突变，去除了小于0和个别较大的数据。

1.2 主要研究方法与原理

大气离子是大气中最主要的荷电粒子，所以大气离子的活动规律与大气电场的强度联系密切[1]。研究表明晴天大气电场和气溶胶浓度存在相关，气溶胶浓度增大时大气电场强度也随之增大。晴天大气的电导率与大气电场强度为负相关，E表示大气电场强度，u表示大气离子等速运动的速度，ke表示大气离子迁移率，其关系为：

而大气电导率取决于大气中轻离子的浓度、轻离子电荷和轻离子迁移率。表1为世界各类地区晴天大气的电导率[1]，可以看到地域性差异较大，工业区周围为最低值。工业区周围气溶胶浓度较大，由于气溶胶对大气轻离子有吸附作用，形成大气重离子，硫氢化合物、氮氧化合物、悬浮物对大气轻离子都有吸附作用，使得轻离子浓度降低，大气电导率下降，晴天大气电场强度增加。气溶胶浓度与大气电场强度为正相关。

表1 不同污染地区晴天大气的电导率

下文将对各站晴天大气电场进行统计分析，主要研究日变化和年变化，分析寻找山西省中北部地区晴天大气电场的地域性特点。并按照上述原理着重分析了各站晴天大气电场与SO2、NO2、PM10、PM2.5浓度的相关性，研究山西省中北部地区晴天大气电场明显高于普通陆地的原因。

2 晴天大气电场变化

2.1 晴天大气电场日变化

图2 晴天近地面大气电场日变化

图2为8个站的晴天大气电场平均日变化，可以看出8个站均属于典型的大陆双峰双谷型，波谷和波峰的出现时段保持较好的一致性，波谷分别出现在4：00—6：00和12：00—16：00，波峰分别出现在7：00—10：00和19：00—21：00，振幅超过平均值的60豫。下午的波谷略低于早晨，傍晚的波峰略低于上午。

2.2 晴天大气电场的年变化

图3为8个站点晴天大气电场的年变化，可以看出各站年变化均为单峰单谷型，与文献[1]结果一致。各站的年变化曲线具有很好的一致性，波峰出现在冬季（1月、2月），波谷出现在夏季（6月、7月），峰值为0.8耀3.0 kV/m，谷值为0.2耀0.8 kV/m。各站年变化的春季和夏季、夏季和秋季的交界明显，秋季和冬季、冬季和春季的交界不明显。

晴天大气电场年变化幅度用年较差表示，文献[1]指出陆地的年较差平均值通常为30%~130%，平均值为65%。计算各站晴天大气电场年较差，结果为朔州83%，忻州112%，古交171%，尖草坪99%，小店161%，阳泉84%，榆次88%，离石102%，可以看出古交、小店的年较差最大，比文献[1]给出的陆地年较差范围要大，忻州、离石、尖草坪次之，朔州、阳泉、榆次较小。

图3 晴天近地面大气电场年变化

3 晴天大气电场变化与主要污染物

3.1 日变化与主要污染物相关性分析

气溶胶是大气中通过各种物理和化学过程产生的多种尺度粒子混合而成的，不同尺度、元素、化学状况的气溶胶产生的影响也不同，二氧化硫可以合成硫氧化合物，二氧化氮可以合成氮氧化合物[11]。由于缺乏气溶胶的直接观测数据，从环境监测站获取了SO2、NO2、PM10、PM2.5的观测数据，这4种物质均为气溶胶的主要来源。受环境监测站点位置的限制等原因，研究选取了尖草坪、朔州、忻州、阳泉4个站进行分析，环境监测站的位置与尖草坪、忻州、朔州、阳泉4个大气电场监测站的距离不超过3 km。由于冶炼、化工生产单位较多等各种工业排放原因，增加了尖草坪、朔州站周边的气溶胶含量[12]。忻州、阳泉站气溶胶含量较大的原因为随风飘散的工业排放以及汽车尾气排放[13]。

图4可以看出4个站的晴天大气电场强度与SO2、PM2.5的曲线保持较好的一致性，与NO2、PM10的曲线差别较大。表2给出了4个站晴天大气电场强度日变化与SO2、NO2、PM10、PM2.5相关系数的计算结果。由表2可见，晴天大气电场强度日变化与SO2、PM2.5显著相关，即大气电场强度日变化与SO2、PM2.5保持较好的相关性，相关系数的置信度为95%。而大气电场强度日变化与NO2相关性较差，与PM10不相关。

表2 晴天大气电场日变化与主要污染物的相关系数 （琢0.05=0.388）

日变化第一个波谷出现在污染物排放少、地面扬尘较轻的时段，此时大气对流运动较弱，气溶胶浓度较低；第二个波谷出现在午后时段，因为此时湍流及热对流垂直输送加强，将气溶胶不断输向高层，致使近地面气溶胶逐渐减弱。第一个波峰出现在日出后，此时人类活动开始，加上辐射使得大气的热对流逐渐加强，使得近地面大气中的气溶胶含量增加；第二个波峰出现在傍晚时段，这是由于此时湍流及热对流垂直输送逐渐减弱，气溶胶开始下沉而聚集于近地面处的结果[14]。由此可以得出，地方性电场日变化与太阳和人类活动关系密切。

本研究与张祎等[15]的研究结果一致，晴天大气电场强度的变化和区域的气溶胶含量有关。在实际观测中还发现，晴天大气电场还存在几分钟到十几分钟的脉动起伏变化。初步认为与太阳升起后，近地面气温升高，引起湍流破坏了地面大气电场的稳定有关，其机理还有待进一步研究。

3.2 年变化与主要污染物相关性分析

图4 大气电场与排放物日变化关系

图5给出了4个站晴天大气电场强度与SO2、NO2、PM10、PM2.5的年变化情况，可以看出4个站的晴天大气电场强度与SO2、PM2.5的曲线保持较好的一致性，与NO2、PM10的曲线差别较大。表3给出了4个站晴天大气电场强度年变化与SO2、NO2、PM10、PM2.5相关系数的计算结果。晴天大气电场强度年变化与SO2、PM2.5显著相关，即晴天大气电场强度年变化与SO2、PM2.5保持较好的相关性，相关系数的置信度为95%。而晴天大气电场强度年变化与PM10的相关性较差，与NO2不相关。

山西中北部地区的采暖季为11月—次年3月（冬季、秋末、春初），共计5个月时间，在每年的1月、2月达到采暖燃煤顶峰，排放也达到顶峰，6月、7月没有采暖燃煤排放。采暖季燃煤量的增加为空气中SO2、PM10、PM2.5等物质的浓度大幅增加的主要原因[16-17]。dlerman等[18]的研究结果为全球冬季气溶胶浓度大于夏季，因为冬季大气对流较弱，层结稳定，各种污染物不易扩散，集中在地面附近，进入春季后对流逐渐加强，破坏了大气的层结稳定，地表污染物得到扩散，在夏季对流达到鼎盛时期，污染物扩散迅速，进入秋季后又逐渐形成了稳定的大气层结。另外夏季大气中气溶胶含量较小的原因与降水丰富对大气的冲刷有关[19]。

表3 晴天大气电场年变化与主要污染物的相关系数 （琢0.05=0.532）

图5 大气电场与排放物年变化关系

大气中气溶胶含量的增加不仅能直接降低大气电导率，产生的化学作用还会降低大气轻离子的含量使大气电导率降低。由于晴天大气电场强度与大气中气溶胶含量为正相关，与晴天大气电导率为负相关[20]，导致大气电场强度增加，与观测结果一致。从图5可以看出8个站的NO2并没有明显的年变化且与大气电场强度年变化不一致，文献[21]指出NO2的主要产生源为汽车尾气和工业排放，随季节的变化不明显。

4 结论

通过对山西省中北部地区8个站大气电场强度的统计分析和与大气中四种主要污染物的相关性分析，得出以下结论：

（1）各站的晴天大气电场强度日变化均属于大陆双峰双谷型，波谷出现在4：00—6：00和12：00—16：00，波峰出现在在7：00—10：00和19：00—21：00，下午的波谷略低于早晨，傍晚的波峰略低于上午。

（2）各站点晴天大气电场强度的年变化为单峰单谷型。波峰出现在冬季（1月、2月），波谷出现在夏季（6月、7月），峰值为0.8耀3.0 kV/m，谷值为0.2耀0.8 kV/m。各站年变化的春季和夏季、夏季和秋季的交界明显，秋季和冬季、冬季和春季的交界不明显。

（3）晴天大气电场强度的日变化与PM2.5、SO2浓度保持较好的正相关，与NO2相关性较差，与PM10不相关。

（4）晴天大气电场强度的年变化与PM2.5、SO2浓度保持较好的正相关，与PM10相关性较差，与NO2不相关。

晴天大气电场强度的变化受气溶胶，主要指大气排放物的影响较大，存在很大的地域性，尤其在工业和汽车排放较高的区域更加明显，所以在利用大气电场强度变化进行雷暴预警预报时[22-23]，电场报警级别的阈值应经过长期观测对比做出订正后设定。

致谢：在研究过程中山西省气象台赵桂香，太原市环保局孙建斌、贾斌等给予了大力支持，在此表示感谢！

参考文献：

[1]陈渭民.雷电学原理[M].气象出版社，2003：35-105.

[2]Rakov V A，Uman M A.Lightning：Physics and Effects[M].Cambridge：Cambridge University Press，2003：73-75.

[3]Harrison R G.The global atmospheric electrical circuit and climate.Surveys Geophy，2004，25：441-484.

[4]孟青，吕伟涛，姚雯，等.地面电场资料在雷电预警技术中的应用[J].气象，2005，31（9）：30-33.

[5]杨仲江，朱浩，唐宏科，等.地面电场仪测量数据的误差来源及分析处理[J].大气科学学报，2010，33（6）：751-756.

[6]罗福山，何渝晖，张健，等.新型倒装式旋转电场仪[J].空间科学学报，2004，24（6）：470-474.

[7]Israelsson S，TammetH.Variation offairweather atmospheric electricity at Marsta Observatory，Sweden，1993—1998[J].J Atmos Sol Terr Phys，2001，63：1693-1703.

[8]Latha R.Diurnal variation of surface electric field at a tropical station in different seasons：A study of plausible influences[J].Earth Planets Space，2003，55：677-685.

[9]Harrison R G.Long term measurements of the global atmospheric electric circuit at Eskdalemuir， Scotland，1911—1981[J].Atmos Res，2004，70：1-19.

[10]吴亭，吕伟涛，刘晓阳，等.北京地区不同天气条件下近地面大气电场特征[J].应用气象学报，2009，20（4）：394-400.

[11]Pandey S K，Tripathi B D，Mishra V K，et al.Size fractionated speciation of nitrate and sulfate aerosols in a sub-tropical industrial environment[J].Chemosphere，2006，63：49-57.

[12]王颖，梁依玲，王丽霞.气象条件对污染物浓度分布影响的研究[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（2）：69-74

[13]李霞，贾健.复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（6）：1-10.

[14]付亚平，杨世刚，郝孝智，等.污染地区大气电场特征分析 [C].第29届中国气象学会S13第十届防雷减灾论坛——雷电灾害与风险评估，2012.

[15]张祎，张卫斌，王振会，等.欧亚大陆晴天大气电场变化特征统计分析[J].大气科学学报，2015，38（5）：703-709.

[16]刘晓琳，王雪梅，张仁健，等.太原市冬季气溶胶污染特征及来源分析 [J].中国科学院研究生院学报，2006，23（4）：494-499.

[17]王浩宇，王三平，郭志明，等.太原市冬季SO2、PM10和PM2.5浓度城郊变化特征研究 [J].环境与可持续发展，2014，39（3）：190-193.

[18]Adlerman E J，Williams E R援Seasonal variation of global electriccircuit[J]援J Geophys Res，1996，101（D23）：29679—29688援

[19]付亚平，王海彦，卫金帅，等.太原市一次雷暴过程的地面大气电场分析[J].山西气象，2010（3）：22-24.

[20]孙景群.大气电学基础[M].北京：气象出版社，1987.

[21]张云芳.太原市空气质量状况分析报告[J].山西科技，2015.30（1）：82-84.

[22]孟青，吕伟涛，姚雯，等.地面电场资料在雷电预警技术中的应用[J]援气象，2005援31（9）：30-33援

[23]丁德平，李迅，邓长菊，等.北京地区大气电场的特征及雷电预警中的订正分析 [J].沙漠与绿洲气象，2012，6（4）：68-73.