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1、第三章第三章 晴天大气电场晴天大气电场 3.1 大气电场的基本概念大气电场的基本概念3.2 大气电场的空间分布大气电场的空间分布3.3 大气电场的时间变化特征大气电场的时间变化特征3.4 晴天大气电场和气象条件晴天大气电场和气象条件成都信息工程学院 佘会莲问 题 的 提 出上一章指出大气中存在带电粒子上一章指出大气中存在带电粒子 大大气电场是粒子运动的动力气电场是粒子运动的动力雷暴活动发生在大气中，晴天电场为雷雷暴活动发生在大气中，晴天电场为雷电活动的背景场电活动的背景场3.1 大气电场的基本概念大气电场的基本概念一、晴天大气电场的方向一、晴天大气电场的方向 观测表明，晴天大气中观测表明，晴天
2、大气中始终始终存在方向存在方向垂直向下垂直向下的大气电场。的大气电场。这意味着这意味着大气相对于大地带正电荷大气相对于大地带正电荷，而大地带而大地带负电荷负电荷.大气和大地携带异性电荷是晴天大气大气和大地携带异性电荷是晴天大气电场的成因电场的成因问问 题题大气电场是怎样维持相对稳定的状态？二、晴天大气电场的表示二、晴天大气电场的表示式中：V为电位或地球和z高度大气间的电位差（V）z为垂直坐标（m）。为面电荷密度（C/m2）晴天时，全球各地的晴天时，全球各地的E E0 0都具有相同的符号和量级。场都具有相同的符号和量级。场强（或电位梯度）随高度减小，强（或电位梯度）随高度减小，10km10km高
3、处降至地表高处降至地表值的值的3%3%。晴天大气电场的参数晴天大气电场的参数n n总的晴天区地表电荷量约为-5105Cn n不同高度的垂直电场强度在地表呈现极大值，就全球平均而言其值为120V/m，而在海洋上则为130V/m。大气相对于地球的电位大气相对于地球的电位n n大气相对于地球的电位大气相对于地球的电位大气相对于地球的电位大气相对于地球的电位V V，一直到，一直到，一直到，一直到20km20km左右都随高左右都随高左右都随高左右都随高度而增加，度而增加，度而增加，度而增加，往上不再有明显的变化，约为往上不再有明显的变化，约为往上不再有明显的变化，约为往上不再有明显的变化，约为31031
4、05 5V V；n n在在在在20km20km以上的大气中存在很小的电位梯度，这些高以上的大气中存在很小的电位梯度，这些高以上的大气中存在很小的电位梯度，这些高以上的大气中存在很小的电位梯度，这些高度上的空气是高度导电的，空间电荷密度随高度增加度上的空气是高度导电的，空间电荷密度随高度增加度上的空气是高度导电的，空间电荷密度随高度增加度上的空气是高度导电的，空间电荷密度随高度增加而减小。而减小。而减小。而减小。注注 意意晴天大气晴天大气电场强度电场强度（或电位梯度）总体随高度减小（或电位梯度）总体随高度减小晴天大晴天大气相对于地表的电位气相对于地表的电位，一直到，一直到20km20km左右都随
5、左右都随高度而增加高度而增加三、晴天大气等电位面三、晴天大气等电位面大气中相大气中相同大气电同大气电位各点相位各点相联而成的联而成的连续曲面连续曲面 晴天大气等电位面平行于地面，并随高度递增晴天大气等电位面平行于地面，并随高度递增高度愈低，睛天大气等电位面的电位值愈小高度愈低，睛天大气等电位面的电位值愈小高度愈高，晴天大气等电位面的电位值愈大高度愈高，晴天大气等电位面的电位值愈大（1 1）对于平坦地面）对于平坦地面 晴天大气等电位面为平行与地面的平面，晴天大气等电位面为平行与地面的平面，单位法向量单位法向量n垂直向上，晴天大气电场只存垂直向上，晴天大气电场只存在垂直分量在垂直分量Ez，水平分量
6、，水平分量Ex Ey 0。晴天大气电场的表达式可改写为标量形式的晴天大气电场的表达式可改写为标量形式的表达式表达式 大气电场和等势面与地表曲率的关系大气电场和等势面与地表曲率的关系（2 2）起伏地表）起伏地表晴天大气等电位面因地表起伏和畸变而成为晴天大气等电位面因地表起伏和畸变而成为晴天大气等电位面因地表起伏和畸变而成为晴天大气等电位面因地表起伏和畸变而成为曲面，单位法向量曲面，单位法向量曲面，单位法向量曲面，单位法向量n n亦不再与坐标轴亦不再与坐标轴亦不再与坐标轴亦不再与坐标轴z z轴重合轴重合轴重合轴重合.因此，晴天大气电场不仅存在垂直分量因此，晴天大气电场不仅存在垂直分量因此，晴天大气
7、电场不仅存在垂直分量因此，晴天大气电场不仅存在垂直分量EzEz，还存在水平分量还存在水平分量还存在水平分量还存在水平分量ExEx和和和和EyEy。若观测点离山丘、洼地等地物的距离大于其垂直尺度的若观测点离山丘、洼地等地物的距离大于其垂直尺度的五倍五倍 左右，左右，或观测点离诸如电线杆等细长地物的距离大于其垂直尺或观测点离诸如电线杆等细长地物的距离大于其垂直尺度的度的 三倍三倍 左右时，左右时，地形和地物对晴天大气等电位面畸变的影响便可忽略地形和地物对晴天大气等电位面畸变的影响便可忽略晴天大气电场的符号晴天大气电场的符号n n在静电学中，在静电学中，电场的方向从正电荷指向负电电场的方向从正电荷指
8、向负电荷荷，即为正电场，反之为负电场，即为正电场，反之为负电场n n大气电场垂直向下为正，大气电场垂直向下为正，与坐标轴与坐标轴z z方向正好方向正好相反相反大气电场的空间分布 n n一、地理分布一、地理分布 n n二、二、随高度分布随高度分布一、大气电场的地理分布n n1 1、海洋：、海洋：、海洋：、海洋：由于下垫面条件相近，所以各处晴天大气电场之由于下垫面条件相近，所以各处晴天大气电场之由于下垫面条件相近，所以各处晴天大气电场之由于下垫面条件相近，所以各处晴天大气电场之间的差异较小，而且其间的差异较小，而且其间的差异较小，而且其间的差异较小，而且其变化规律多与全球性影响变化规律多与全球性影
9、响变化规律多与全球性影响变化规律多与全球性影响机制有关。机制有关。机制有关。机制有关。就全球而言，全球表面的晴天大气电场平均值约为就全球而言，全球表面的晴天大气电场平均值约为130Vm130Vm1 1全球海面晴天大气电场的平均值也接近于全球海面晴天大气电场的平均值也接近于130Vm130Vm1 1。晴天大气电场因时因地而异，与气溶胶浓度有密切的关系n n2 2、陆陆 地：地：因局地条件差别较大，所以各处晴天大气电场之间的差异也较大对于人口密集的大城市、工业区和离气溶胶自然对于人口密集的大城市、工业区和离气溶胶自然源较近的地区等，其地面晴天大气电场往往大于源较近的地区等，其地面晴天大气电场往往大
10、于130Vm1而小城镇和离气溶胶自然源较远的乡村地区等，而小城镇和离气溶胶自然源较远的乡村地区等，其地面晴天大气电场往往小于其地面晴天大气电场往往小于130Vm1地面与海洋的晴天大气电场地面与海洋的晴天大气电场下表列举了世界各地地面睛天大气电场的平均值下表列举了世界各地地面睛天大气电场的平均值n n3 3、晴天大气电场具有、晴天大气电场具有、晴天大气电场具有、晴天大气电场具有随纬度变化随纬度变化随纬度变化随纬度变化的分布特征。的分布特征。的分布特征。的分布特征。n n大陆上大陆上大陆上大陆上由于各处局地条件的差异及其对晴天大气由于各处局地条件的差异及其对晴天大气由于各处局地条件的差异及其对晴天
11、大气由于各处局地条件的差异及其对晴天大气电场的影响较大，因此，地面晴天大气电场随纬电场的影响较大，因此，地面晴天大气电场随纬电场的影响较大，因此，地面晴天大气电场随纬电场的影响较大，因此，地面晴天大气电场随纬度的变化度的变化度的变化度的变化并不明显并不明显并不明显并不明显.n n海洋上海洋上海洋上海洋上因各处的局地条件相近，所以海面上晴天因各处的局地条件相近，所以海面上晴天因各处的局地条件相近，所以海面上晴天因各处的局地条件相近，所以海面上晴天大气电场随纬度的变化规律大气电场随纬度的变化规律大气电场随纬度的变化规律大气电场随纬度的变化规律较为明显较为明显较为明显较为明显 020的海面晴天大气约
12、为的海面晴天大气约为120Vm1;2040的海面晴天大气电场约为的海面晴天大气电场约为125Vm1，40一一60的晴天大气电场明显增大，约的晴天大气电场明显增大，约1。再往两极，大气电场减小再往两极，大气电场减小 二、大气电场随高度分布n n1、近地层大气电场的高度分布、近地层大气电场的高度分布l l 通常，晴天大气电场具有随高度增加近似呈通常，晴天大气电场具有随高度增加近似呈通常，晴天大气电场具有随高度增加近似呈通常，晴天大气电场具有随高度增加近似呈指数规律递减指数规律递减指数规律递减指数规律递减的分布特征的分布特征的分布特征的分布特征.l l 即使在同一时刻，晴天大气电场在不同高度即使在同
13、一时刻，晴天大气电场在不同高度即使在同一时刻，晴天大气电场在不同高度即使在同一时刻，晴天大气电场在不同高度范围内随高度的分布规律也不尽相同范围内随高度的分布规律也不尽相同范围内随高度的分布规律也不尽相同范围内随高度的分布规律也不尽相同.晴天大气电场随高度的分布晴天大气电场随高度的分布在贴近地面的大气层中，在贴近地面的大气层中，晴天大气电场将受晴天大气电场将受大地大地电极电极效应的影响效应的影响 随高度增加而急剧递减随高度增加而急剧递减的变化特征的变化特征 大地电极效应影响晴天大地电极效应影响晴天大气电场的高度范围为大气电场的高度范围为几米至几十米，晴天大几米至几十米，晴天大气电场愈大，影响的高
14、气电场愈大，影响的高度范围也愈大度范围也愈大 晴晴天天大大气气电电场场的的类类型型第一类：指数型，适用于地面到高度2-3km第二类：所高度单调递减，低层为正，在高度3-4km左右改变符号第三类：500-700m电场达到最大值，然后随高度单调递减第四类：晴天大气电场随高度变化很小，其值为正日变化 n n变化波形：变化波形：变化波形：变化波形：指晴天大气电场日变化出现峰、谷的多指晴天大气电场日变化出现峰、谷的多指晴天大气电场日变化出现峰、谷的多指晴天大气电场日变化出现峰、谷的多少以少以少以少以 及峰、谷出现的时间。及峰、谷出现的时间。及峰、谷出现的时间。及峰、谷出现的时间。n n日变化的幅度日变化
15、的幅度日变化的幅度日变化的幅度则多用其日较差来表示。则多用其日较差来表示。则多用其日较差来表示。则多用其日较差来表示。指晴天大气电场相对值指晴天大气电场相对值指晴天大气电场相对值指晴天大气电场相对值E/EE/E，E E为某时段的晴天大气电场平均值为某时段的晴天大气电场平均值为某时段的晴天大气电场平均值为某时段的晴天大气电场平均值 E E为晴天大气电场日平均值。为晴天大气电场日平均值。为晴天大气电场日平均值。为晴天大气电场日平均值。n n晴天大气电场具有明显日变化，其变化规律因地晴天大气电场具有明显日变化，其变化规律因地晴天大气电场具有明显日变化，其变化规律因地晴天大气电场具有明显日变化，其变化
16、规律因地.因因因因季节而异。各地地面晴天大气电场季节而异。各地地面晴天大气电场季节而异。各地地面晴天大气电场季节而异。各地地面晴天大气电场日较差日较差日较差日较差的平均值的平均值的平均值的平均值可从可从可从可从2020变化至变化至变化至变化至170170左右，平均为左右，平均为左右，平均为左右，平均为6767。1 1、表征参量：、表征参量：大气电场的时间变化特征n n一是：一是：全球性全球性普遍变化机制，其变化规律与普遍变化机制，其变化规律与世界时有关，主要与全球世界时有关，主要与全球雷暴活动雷暴活动的日变化的日变化有关有关.n n二是：二是：地方性地方性局地变化机制，其变化规律与局地变化机制
17、，其变化规律与地方时有关，主要与局地大气状况的日变化地方时有关，主要与局地大气状况的日变化所导致所导致大气电导率和大气体电荷大气电导率和大气体电荷等大气电学等大气电学量的日变化有关量的日变化有关.2、影响机制、影响机制日变化日变化 陆地主要受地方时影响，海洋受世界时影响陆地主要受地方时影响，海洋受世界时影响陆地主要受地方时影响，海洋受世界时影响陆地主要受地方时影响，海洋受世界时影响根据各地地面和海面晴天大气电场日变化的观测结根据各地地面和海面晴天大气电场日变化的观测结果，可将晴天大气电场日变化归纳为三种基本类型果，可将晴天大气电场日变化归纳为三种基本类型n na、大陆简单型、大陆简单型 n n
18、b、大陆复杂型、大陆复杂型 n nc、海洋极地型、海洋极地型 3、大气电场的类型：、大气电场的类型：日变化日变化a a、大陆简单型：、大陆简单型：、大陆简单型：、大陆简单型：单峰、单谷，单峰、单谷，单峰、单谷，单峰、单谷，峰值出现在下午至傍晚（地方时峰值出现在下午至傍晚（地方时峰值出现在下午至傍晚（地方时峰值出现在下午至傍晚（地方时13-1913-19时）时）时）时），谷值出现于早晨（地方时，谷值出现于早晨（地方时，谷值出现于早晨（地方时，谷值出现于早晨（地方时2-62-6时），远离城市的乡村时），远离城市的乡村时），远离城市的乡村时），远离城市的乡村多为此类型。多为此类型。多为此类型。多为此
19、类型。b b、大陆复杂型、大陆复杂型、大陆复杂型、大陆复杂型 双峰双谷双峰双谷双峰双谷双峰双谷第一峰值出现在上第一峰值出现在上第一峰值出现在上第一峰值出现在上午午午午7-107-10时，时，时，时，第二峰值出现在第二峰值出现在第二峰值出现在第二峰值出现在18-2118-21时时时时第一谷值出现在早第一谷值出现在早第一谷值出现在早第一谷值出现在早晨晨晨晨2-62-6时时时时第二谷值出现在第二谷值出现在第二谷值出现在第二谷值出现在13-1613-16时时时时大城市和工业区表大城市和工业区表大城市和工业区表大城市和工业区表现为此类型现为此类型现为此类型现为此类型n nc c、海洋极地型：、海洋极地型
20、：、海洋极地型：、海洋极地型：单峰单谷型单峰单谷型单峰单谷型单峰单谷型，它与世，它与世，它与世，它与世界时有关，峰值出现界时有关，峰值出现界时有关，峰值出现界时有关，峰值出现在世界时在世界时在世界时在世界时1818181821212121时，时，时，时，谷值出现于谷值出现于谷值出现于谷值出现于2 2 2 26 6 6 6时。时。时。时。一年内变化较小一年内变化较小一年内变化较小一年内变化较小广阔的极地海洋和冰雪广阔的极地海洋和冰雪广阔的极地海洋和冰雪广阔的极地海洋和冰雪覆盖区为此类型覆盖区为此类型覆盖区为此类型覆盖区为此类型晴天大气电场和气象条件n n气象条件与晴天大气电场之间的关系，往往是通
21、气象条件与晴天大气电场之间的关系，往往是通气象条件与晴天大气电场之间的关系，往往是通气象条件与晴天大气电场之间的关系，往往是通过其他大气电学量，如过其他大气电学量，如过其他大气电学量，如过其他大气电学量，如大气电导率和大气体电荷大气电导率和大气体电荷大气电导率和大气体电荷大气电导率和大气体电荷密度密度密度密度对晴天大气电场产生间接影响的结果对晴天大气电场产生间接影响的结果对晴天大气电场产生间接影响的结果对晴天大气电场产生间接影响的结果 n n由于晴天大气电场与由于晴天大气电场与由于晴天大气电场与由于晴天大气电场与晴天大气电导率晴天大气电导率晴天大气电导率晴天大气电导率之间关系较之间关系较之间关
22、系较之间关系较为直接，并为直接，并为直接，并为直接，并呈负相关呈负相关呈负相关呈负相关n n对晴天大气电导率产生影响的气象条件，都将间对晴天大气电导率产生影响的气象条件，都将间对晴天大气电导率产生影响的气象条件，都将间对晴天大气电导率产生影响的气象条件，都将间接影响晴天大气电场接影响晴天大气电场接影响晴天大气电场接影响晴天大气电场.如如如如大气中气溶胶含量大气中气溶胶含量大气中气溶胶含量大气中气溶胶含量与晴天与晴天与晴天与晴天大气电场之间的关系大气电场之间的关系大气电场之间的关系大气电场之间的关系n n观测表明，观测表明，观测表明，观测表明，晴天大气电场与气溶胶含量呈正相关晴天大气电场与气溶胶含量呈正相关晴天大气电场与气溶胶含量呈正相关晴天大气电场与气溶胶含量呈正相关思考题思考题n n晴天大气电场与阴天大气电场相比，哪个比较强？试说明理由。