2010-2020 年大气电场数据集

李仁康，陈涛，李文，罗静

1. 云南师范大学物理与电子信息学院，昆明 650500

2. 中国科学院国家空间科学中心，北京 100190

引 言

大气电场的变化同时受到闪电活动和太阳活动影响，大气电场的变化代表着全球大气电路的状态[1-3]，全球电路模型如图1 所示。

图1 (a)全球电路模型示意图；(b)简化的等效电路图[2]

图1 中Jz是垂直大气电流，是平流层电阻，Rt是对流层电阻。电流流经对流层，到达平流层，在晴天区域通过大气层到达地面。可以看出，雷暴作为全球电路模型中的源，对Jz的控制占主导地位，维持着由“雷暴→电离层→晴天大气→地面”所构成的全球大气电路，Jz的改变将会引起近地面大气电场Ez的扰动。

Ez的变化同时还受太阳活动的影响[4]，关注由太阳活动导致大气电场扰动，进而对局部地区天气产生的影响，不仅能了解太阳活动→大气电场→局部地区天气之间的内在联系，也能从太阳活动导致大气变化的角度去理解太阳活动通过直接的电磁辐射和间接的粒子辐射去影响人类生存圈的演化过程。

全球电路模型作为一个全球性的模型，太阳活动时，引起的近地面大气电场（即Ez）的扰动也是全球性的，只不过在不同的纬度，Ez对太阳活动事件的响应不同。在纬度较高的地方，Ez的扰动对太阳活动事件的响应在时间上相对迅速，扰动的幅度也相对剧烈。而中低纬地区Ez的扰动对太阳活动事件的响应在时间上则可能相对滞后，扰动的幅度也相对平缓，但是时间上的滞后与幅度上的平缓并不表示中低纬地区大气电场对太阳活动事件没有响应。

因此研究太阳活动期间，中低纬地区近地面Ez的变化特点，包括不同太阳活动事件期间，近地面Ez的扰动幅度和扰动的响应时间随纬度的变化特点，以及近地面Ez的扰动对局部地区天气的影响。开展不同空间天气背景条件下大气电场的研究，也将为提升全球电路模型的模拟精度，完善云层电荷分布模型，评估静电云微物理过程提供重要的支撑。因此，研究太阳活动期间，中低纬地区近地面大气电场的变化特点，对于研究空间天气引起的近地面大气电场变化，进而引起的局部地区天气的变化有着重要的应用价值。

子午工程沿东经120°子午线附近，利用北起漠河、经北京、武汉，南至海南并延伸到南极中山站，以及东起上海、经武汉、成都、西至拉萨的沿北纬30°纬度线附近现有的15 个监测台站，建成一个以链为主、链网结合的，运用地磁（电）、无线电、光学和探空火箭等多种手段，连续监测地球表面20-30 km 以上到几百公里的中高层大气、电离层和磁层，以及十几个地球半径以外的行星际空间环境中的地磁场、电场、中高层大气的风场、密度、温度和成分，电离层、磁层和行星际空间 中 的 有 关 参 数 ， 联 合 运 作 的 大 型 空 间 环 境 地 基 监 测 系 统（http://www.spaceweather.ac.cn/page.php?title=meriproject）。

其中，黑龙江漠河站、长春农安站、武汉九峰站、广东肇庆站、成都郫县站都安装有大气电场仪，表1 给出了各个台站的经纬度。

表1 子午工程大气电场仪所在各台站的地理位置

1 数据采集和处理方法

子午工程大气电场数据采用的是场磨式电场仪进行测量，这类电场仪的基本原理是导体表面感应电荷测量法，这种方法利用导体在电场中产生的感应电荷来测量电场。最典型的代表就是场磨式电场仪[5-7]，如图2 所示。

图2 场磨式电场仪示意图[5]

当垂直方向的电场线能够“照射”到感应片上的时候，在感应片上会感应出电荷。当电场线被动片挡住以后，感应片上的电荷为零。如果让动片不停地转动，感应片就会持续输出交流信号，而这一交流信号的幅值和电场强度呈线性比例关系。感应片输出的是交流电流信号，经过前置放大电路的I-V（电流-电压）转换以后得到了一个交流电压信号。感应信号是一个正弦变化的波形，仪器可通过测量电流的大小进而推得电场的大小，但这种交变信号不能确定电场的极性，可在感应器中产生一个与感应信号同步的参考信号，再经过进一步的处理就可检出极性[8]。

测量到的原始数据经过标定处理之后进行存储，最终数据通过子午工程数据中心发布（https://data.meridianproject.ac.cn/），用户在网站注册之后可以直接下载成品数据，进行进一步的分析处理。

2 数据样本描述

本数据为文本格式，文件后缀名为txt，读取后进行处理、分析，可做进一步研究。

2.1 数据文件交换接口

数据文件定义：每一类数据文件描述如表2 所示。

表2 子午工程大气电场数据文件定义

注：XXX 为MHT（黑龙江漠河站）、JFT（武汉九峰站）、NAT（长春农安站）、ZQT（广东肇庆站）、PXT（成都郫县站）。

2.2 数据文件格式描述示例

数据文件名称：大气电场观测数据

数据文件描述：大气电场垂直分量

数据级别：一级科学数据

文件格式：txt

数据文件存储时间分割：24 小时

文件格式样例：

00：00：01 0.6950

00：00：02 0.6925

00：00：03： -10.5678

文件格式描述：数据文件由数据项组成，数据项按照时间先后顺序由各个时刻的观测值连续分行排列组成，每个时刻观测值包含观测时间、电场值两个变量，观测值采用“ ”（七位空格）为分隔符，浮点类型，有效数据保留4 位小数，格式说明如表3 所示。表4 给出了武汉九峰站2020 年1 月20 日的大气电场测量数据样例，数据采样的时间精度为1 s，即每秒一个数据，一天共测量86 400个数据，第一列为时间，第二列为测量的电场值。

表3 大气电场数据文件格式说明

表4 武汉九峰站2020 年1 月20 日大气电场测量数据样例

基于该数据绘制的2020 年1 月20 日大气电场图如图3 所示。

图3 武汉九峰站2020 年1 月20 日大气电场测量数据图

3 数据质量控制和评估

大气电场仪利用接收传感面板（被电机驱动的遮板交替屏蔽）在大气中产生感应电荷的原理，获取大气电场。测量的动态范围为：-20 kV/m～+20 kV/m，分辨率为2.5 V/m，频带范围为DC-1Hz，时间分辨率为1 s。

同时，针对个别数据异常问题，我们采取了一系列的算法及措施，以保证数据质量。如果部分通道测量数据不可用，或者是无效的，那么对于这部分无效测量数据，用数字99 代替。如果用Matlab 进行数据处理画图时，可以把电场值等于99 的部分剔除，用NanN（Not a Number）代替。或者可以采用插值法，将前后相邻的2-3 个测量数据平均来代替该无效测量值。

4 数据价值

由于引起大气电场扰动的因素很多，有空间天气、人工活动、雷暴以及地震活动等。因此本数据可支持研究近地面大气电场的日平均变化特点，即卡内基曲线，以及研究太阳活动事件（耀斑短波辐射事件，日冕物质抛射，以及由太阳活动导致的地磁扰动，辐射带粒子沉降）对中低纬地区近地面大气电场的影响，包括大气电场的扰动幅度以及扰动的响应时间随纬度的变化特点和规律。

结合卫星测量的太阳活动数据、气象数据（天基观测）以及闪电监测数据（地基观测），加强太阳活动事件导致的近地面大气电场变化特性的研究，以及由于近地面大气电场变化进而影响局部地区天气的研究，通过天基、地基观测和理论研究，了解太阳活动→近地面大气电场→局地地区天气变化之间的内在联系，分析它们之间相互作用的机理。

5 数据使用方法和建议

数据已经在子午工程数据中心存储并发布（https://data.meridianproject.ac.cn/），并提供数据查询下载服务，具体步骤如图4、图5、图6 所示。

图4 台站选择

登录子午工程数据中心网站，如果是首次登录的，需要进行注册，注册完成后，输入账号和密码就可以登录。然后就进入到的数据中心的首页，再首页用鼠标单击“数据目录”，然后选择“地磁观测数据”下边的“大气电场仪”，便会出现子午工程的5 个大气电场数据观测站，如图4 所示。

单击所需要选取的台站，进入到该台站大气电场数据的下载界面，如图5 所示，选择好需要的时间，勾选“ElecField”，然后单击“下载”，弹出“选择下载参数”对话框，选择“原始格式数据下载”，单击“确定”即可进入到相应台站大气电场仪观测数据列表，如图6 所示。选中需要的文件，便可打包下载。

图5 时间范围选择

图6 数据下载

致 谢

感谢国家重大科技基础设施子午工程支持；本项成果使用国家重大科技基础设施子午工程科学数据；感谢国家重点实验室专项基金支持；本数据论文的完成得到了国家科技基础条件平台-国家空间科学数据中心（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和帮助。特别感谢中国科学院战略性先导科技专项（鸿鹄专项）提供的部分数据处理方法。感谢云南省博士后定向培养项目资助。

数据作者分工职责

李仁康（1989—），男，云南省昆明市人，博士研究生，讲师，研究方向为大气电场数据分析与处理。主要承担工作：大气电场数据的分析与处理。

陈涛（1961—），男，四川宜宾人，博士研究生，研究员，研究方向为空间电磁场探测。主要承担工作：大气电场仪项目申请、规划。

李文（1984—），男，安徽池州人，硕士研究生，工程师，研究方向为信号与信息处理，主要承担工作：大气电场信号分析与处理。

罗静（1977—），女，湖北宜昌人，硕士研究生，副研究员，研究方向为数据处理。主要承担工作：数据质量管理。