山西省中北部地區(qū)近地面晴天大氣電場特征及其與污染物的關(guān)系

李 芳，付亞平，郝孝智，范衛(wèi)東，李云飛，3

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

大氣電場是大氣電學(xué)的重要參數(shù)。觀測發(fā)現(xiàn)，晴天大氣電場相對于大地帶有正極性電荷，它的方向始終是垂直向下的。晴天大氣電場為正值，陸地的變化范圍為19耀310 V/m，海洋的變化范圍為50耀250 V/m[1]。人類對大氣電場的觀測研究已有100多年的歷史[2]，研究證明大氣電場對各種大氣變化的反應(yīng)非常迅速，全球因素和局地因素都會(huì)引起大氣電場的變化。

雖然大氣電場已應(yīng)用到閃電、大氣研究等很多領(lǐng)域[3]，但大范圍、多站點(diǎn)大氣電場的分析較少，對其變化規(guī)律仍未清晰全面地掌握，主要原因是地面大氣電場儀的布設(shè)不夠廣，觀測數(shù)據(jù)的變化受到各種條件的影響[4]。對于山西這樣一個(gè)地形多樣，典型大陸性氣候、工業(yè)局部發(fā)達(dá)、污染嚴(yán)重的省份，局地因素對大氣電場的變化占主導(dǎo)作用。云、氣溶膠、沙塵、水汽、溫度這些因素具有非常明顯的局地特征。因此，開展地域性的大氣電場觀測研究不僅對大氣電學(xué)研究有著重要幫助，而且對由于閃電、氣溶膠濃度等的變化引起的大氣電場變化有著非常重要的意義。另外，由于多站點(diǎn)大區(qū)域的大氣電場觀測較少，研究也相對較少。因此本文將利用山西省中北部地區(qū)8個(gè)站點(diǎn)的大氣電場觀測結(jié)果進(jìn)行分析研究。

1 數(shù)據(jù)資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)資料的來源和處理

研究所使用的數(shù)據(jù)為2013年1月1日—2015年12月31日山西省大氣電場監(jiān)測系統(tǒng)的資料，包括朔州、忻州、古交、太原（尖草坪、小店兩個(gè)站）、陽泉、榆次、離石共8個(gè)大氣電場觀測站。由于室外觀測的大氣電場數(shù)據(jù)會(huì)受到機(jī)械噪聲等因素的影響[5]，太原市區(qū)站點(diǎn)周邊高大建筑密集，受影響較大故未選取。朔州、忻州、古交位于山西省北部地區(qū)，其余5個(gè)站位于山西省中部地區(qū)（圖1）。電場儀均安裝在氣象觀測站值班室屋頂，高度約4 m，周圍開闊無較大遮擋物，符合大氣電場儀的觀測要求[6]，氣象站同步還有日照、溫度、濕度、雨量、風(fēng)速等的觀測。

圖1 8個(gè)大氣電場監(jiān)測站點(diǎn)布置

晴天的定義在學(xué)術(shù)界存在一定差異，根據(jù)Israelsson[7]、Latha[8]、Harrison[9]的定義，綜合分析后確定此次研究的晴天標(biāo)準(zhǔn)為：全天沒有降水，沒有低云，太陽在08：00—18：00間有70%以上時(shí)間保證直射，平均風(fēng)速約8 m/s，大氣電場測試值沒有明顯擾動(dòng)[10]。由于晴天大氣電場為正值且在正常情況下脈動(dòng)幅度不會(huì)突變，去除了小于0和個(gè)別較大的數(shù)據(jù)。

1.2 主要研究方法與原理

大氣離子是大氣中最主要的荷電粒子，所以大氣離子的活動(dòng)規(guī)律與大氣電場的強(qiáng)度聯(lián)系密切[1]。研究表明晴天大氣電場和氣溶膠濃度存在相關(guān)，氣溶膠濃度增大時(shí)大氣電場強(qiáng)度也隨之增大。晴天大氣的電導(dǎo)率與大氣電場強(qiáng)度為負(fù)相關(guān)，E表示大氣電場強(qiáng)度，u表示大氣離子等速運(yùn)動(dòng)的速度，ke表示大氣離子遷移率，其關(guān)系為：

而大氣電導(dǎo)率取決于大氣中輕離子的濃度、輕離子電荷和輕離子遷移率。表1為世界各類地區(qū)晴天大氣的電導(dǎo)率[1]，可以看到地域性差異較大，工業(yè)區(qū)周圍為最低值。工業(yè)區(qū)周圍氣溶膠濃度較大，由于氣溶膠對大氣輕離子有吸附作用，形成大氣重離子，硫氫化合物、氮氧化合物、懸浮物對大氣輕離子都有吸附作用，使得輕離子濃度降低，大氣電導(dǎo)率下降，晴天大氣電場強(qiáng)度增加。氣溶膠濃度與大氣電場強(qiáng)度為正相關(guān)。

表1 不同污染地區(qū)晴天大氣的電導(dǎo)率

下文將對各站晴天大氣電場進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要研究日變化和年變化，分析尋找山西省中北部地區(qū)晴天大氣電場的地域性特點(diǎn)。并按照上述原理著重分析了各站晴天大氣電場與SO2、NO2、PM10、PM2.5濃度的相關(guān)性，研究山西省中北部地區(qū)晴天大氣電場明顯高于普通陸地的原因。

2 晴天大氣電場變化

2.1 晴天大氣電場日變化

圖2 晴天近地面大氣電場日變化

圖2為8個(gè)站的晴天大氣電場平均日變化，可以看出8個(gè)站均屬于典型的大陸雙峰雙谷型，波谷和波峰的出現(xiàn)時(shí)段保持較好的一致性，波谷分別出現(xiàn)在4：00—6：00和12：00—16：00，波峰分別出現(xiàn)在7：00—10：00和19：00—21：00，振幅超過平均值的60豫。下午的波谷略低于早晨，傍晚的波峰略低于上午。

2.2 晴天大氣電場的年變化

圖3為8個(gè)站點(diǎn)晴天大氣電場的年變化，可以看出各站年變化均為單峰單谷型，與文獻(xiàn)[1]結(jié)果一致。各站的年變化曲線具有很好的一致性，波峰出現(xiàn)在冬季（1月、2月），波谷出現(xiàn)在夏季（6月、7月），峰值為0.8耀3.0 kV/m，谷值為0.2耀0.8 kV/m。各站年變化的春季和夏季、夏季和秋季的交界明顯，秋季和冬季、冬季和春季的交界不明顯。

晴天大氣電場年變化幅度用年較差表示，文獻(xiàn)[1]指出陸地的年較差平均值通常為30%~130%，平均值為65%。計(jì)算各站晴天大氣電場年較差，結(jié)果為朔州83%，忻州112%，古交171%，尖草坪99%，小店161%，陽泉84%，榆次88%，離石102%，可以看出古交、小店的年較差最大，比文獻(xiàn)[1]給出的陸地年較差范圍要大，忻州、離石、尖草坪次之，朔州、陽泉、榆次較小。

圖3 晴天近地面大氣電場年變化

3 晴天大氣電場變化與主要污染物

3.1 日變化與主要污染物相關(guān)性分析

氣溶膠是大氣中通過各種物理和化學(xué)過程產(chǎn)生的多種尺度粒子混合而成的，不同尺度、元素、化學(xué)狀況的氣溶膠產(chǎn)生的影響也不同，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]。由于缺乏氣溶膠的直接觀測數(shù)據(jù)，從環(huán)境監(jiān)測站獲取了SO2、NO2、PM10、PM2.5的觀測數(shù)據(jù)，這4種物質(zhì)均為氣溶膠的主要來源。受環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)位置的限制等原因，研究選取了尖草坪、朔州、忻州、陽泉4個(gè)站進(jìn)行分析，環(huán)境監(jiān)測站的位置與尖草坪、忻州、朔州、陽泉4個(gè)大氣電場監(jiān)測站的距離不超過3 km。由于冶煉、化工生產(chǎn)單位較多等各種工業(yè)排放原因，增加了尖草坪、朔州站周邊的氣溶膠含量[12]。忻州、陽泉站氣溶膠含量較大的原因?yàn)殡S風(fēng)飄散的工業(yè)排放以及汽車尾氣排放[13]。

圖4可以看出4個(gè)站的晴天大氣電場強(qiáng)度與SO2、PM2.5的曲線保持較好的一致性，與NO2、PM10的曲線差別較大。表2給出了4個(gè)站晴天大氣電場強(qiáng)度日變化與SO2、NO2、PM10、PM2.5相關(guān)系數(shù)的計(jì)算結(jié)果。由表2可見，晴天大氣電場強(qiáng)度日變化與SO2、PM2.5顯著相關(guān)，即大氣電場強(qiáng)度日變化與SO2、PM2.5保持較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)的置信度為95%。而大氣電場強(qiáng)度日變化與NO2相關(guān)性較差，與PM10不相關(guān)。

表2 晴天大氣電場日變化與主要污染物的相關(guān)系數(shù) （琢0.05=0.388）

日變化第一個(gè)波谷出現(xiàn)在污染物排放少、地面揚(yáng)塵較輕的時(shí)段，此時(shí)大氣對流運(yùn)動(dòng)較弱，氣溶膠濃度較低；第二個(gè)波谷出現(xiàn)在午后時(shí)段，因?yàn)榇藭r(shí)湍流及熱對流垂直輸送加強(qiáng)，將氣溶膠不斷輸向高層，致使近地面氣溶膠逐漸減弱。第一個(gè)波峰出現(xiàn)在日出后，此時(shí)人類活動(dòng)開始，加上輻射使得大氣的熱對流逐漸加強(qiáng)，使得近地面大氣中的氣溶膠含量增加；第二個(gè)波峰出現(xiàn)在傍晚時(shí)段，這是由于此時(shí)湍流及熱對流垂直輸送逐漸減弱，氣溶膠開始下沉而聚集于近地面處的結(jié)果[14]。由此可以得出，地方性電場日變化與太陽和人類活動(dòng)關(guān)系密切。

本研究與張祎等[15]的研究結(jié)果一致，晴天大氣電場強(qiáng)度的變化和區(qū)域的氣溶膠含量有關(guān)。在實(shí)際觀測中還發(fā)現(xiàn)，晴天大氣電場還存在幾分鐘到十幾分鐘的脈動(dòng)起伏變化。初步認(rèn)為與太陽升起后，近地面氣溫升高，引起湍流破壞了地面大氣電場的穩(wěn)定有關(guān)，其機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

3.2 年變化與主要污染物相關(guān)性分析

圖4 大氣電場與排放物日變化關(guān)系

圖5給出了4個(gè)站晴天大氣電場強(qiáng)度與SO2、NO2、PM10、PM2.5的年變化情況，可以看出4個(gè)站的晴天大氣電場強(qiáng)度與SO2、PM2.5的曲線保持較好的一致性，與NO2、PM10的曲線差別較大。表3給出了4個(gè)站晴天大氣電場強(qiáng)度年變化與SO2、NO2、PM10、PM2.5相關(guān)系數(shù)的計(jì)算結(jié)果。晴天大氣電場強(qiáng)度年變化與SO2、PM2.5顯著相關(guān)，即晴天大氣電場強(qiáng)度年變化與SO2、PM2.5保持較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)的置信度為95%。而晴天大氣電場強(qiáng)度年變化與PM10的相關(guān)性較差，與NO2不相關(guān)。

山西中北部地區(qū)的采暖季為11月—次年3月（冬季、秋末、春初），共計(jì)5個(gè)月時(shí)間，在每年的1月、2月達(dá)到采暖燃煤頂峰，排放也達(dá)到頂峰，6月、7月沒有采暖燃煤排放。采暖季燃煤量的增加為空氣中SO2、PM10、PM2.5等物質(zhì)的濃度大幅增加的主要原因[16-17]。dlerman等[18]的研究結(jié)果為全球冬季氣溶膠濃度大于夏季，因?yàn)槎敬髿鈱α鬏^弱，層結(jié)穩(wěn)定，各種污染物不易擴(kuò)散，集中在地面附近，進(jìn)入春季后對流逐漸加強(qiáng)，破壞了大氣的層結(jié)穩(wěn)定，地表污染物得到擴(kuò)散，在夏季對流達(dá)到鼎盛時(shí)期，污染物擴(kuò)散迅速，進(jìn)入秋季后又逐漸形成了穩(wěn)定的大氣層結(jié)。另外夏季大氣中氣溶膠含量較小的原因與降水豐富對大氣的沖刷有關(guān)[19]。

表3 晴天大氣電場年變化與主要污染物的相關(guān)系數(shù) （琢0.05=0.532）

圖5 大氣電場與排放物年變化關(guān)系

大氣中氣溶膠含量的增加不僅能直接降低大氣電導(dǎo)率，產(chǎn)生的化學(xué)作用還會(huì)降低大氣輕離子的含量使大氣電導(dǎo)率降低。由于晴天大氣電場強(qiáng)度與大氣中氣溶膠含量為正相關(guān)，與晴天大氣電導(dǎo)率為負(fù)相關(guān)[20]，導(dǎo)致大氣電場強(qiáng)度增加，與觀測結(jié)果一致。從圖5可以看出8個(gè)站的NO2并沒有明顯的年變化且與大氣電場強(qiáng)度年變化不一致，文獻(xiàn)[21]指出NO2的主要產(chǎn)生源為汽車尾氣和工業(yè)排放，隨季節(jié)的變化不明顯。

4 結(jié)論

通過對山西省中北部地區(qū)8個(gè)站大氣電場強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)分析和與大氣中四種主要污染物的相關(guān)性分析，得出以下結(jié)論：

（1）各站的晴天大氣電場強(qiáng)度日變化均屬于大陸雙峰雙谷型，波谷出現(xiàn)在4：00—6：00和12：00—16：00，波峰出現(xiàn)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）各站點(diǎn)晴天大氣電場強(qiáng)度的年變化為單峰單谷型。波峰出現(xiàn)在冬季（1月、2月），波谷出現(xiàn)在夏季（6月、7月），峰值為0.8耀3.0 kV/m，谷值為0.2耀0.8 kV/m。各站年變化的春季和夏季、夏季和秋季的交界明顯，秋季和冬季、冬季和春季的交界不明顯。

（3）晴天大氣電場強(qiáng)度的日變化與PM2.5、SO2濃度保持較好的正相關(guān)，與NO2相關(guān)性較差，與PM10不相關(guān)。

（4）晴天大氣電場強(qiáng)度的年變化與PM2.5、SO2濃度保持較好的正相關(guān)，與PM10相關(guān)性較差，與NO2不相關(guān)。

晴天大氣電場強(qiáng)度的變化受氣溶膠，主要指大氣排放物的影響較大，存在很大的地域性，尤其在工業(yè)和汽車排放較高的區(qū)域更加明顯，所以在利用大氣電場強(qiáng)度變化進(jìn)行雷暴預(yù)警預(yù)報(bào)時(shí)[22-23]，電場報(bào)警級(jí)別的閾值應(yīng)經(jīng)過長期觀測對比做出訂正后設(shè)定。

致謝：在研究過程中山西省氣象臺(tái)趙桂香，太原市環(huán)保局孫建斌、賈斌等給予了大力支持，在此表示感謝！

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