安装场地环境对地面大气电场观测的影响研究_刘晓东.pdf

2023年4月|41Application Research|应用研究安装场地环境对地面大气电场观测的影响研究安装场地环境对地面大气电场观测的影响研究刘晓东1,2,3，李庆君3，宋昊泽3，石茹琳3（1.内蒙古自治区气象科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区人工影响天气重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010051；3.内蒙古自治区雷电预警防护中心，内蒙古 呼和浩特 010051）摘要：为了研究安装场地环境对地面大气电场观测的影响，选取呼和浩特市 20182020 年大气电场观测资料，运用数理统计和有限差分方法开展了建筑物对地面大气电场影响的观测分析和模拟研究。结果表明，呼和浩特地区晴天大气电场日变化呈双峰双谷型，晴天大气电场均值为 123.34 V/m；其日变化与全球普遍变化较为一致，一年之中冬春季晴天大气电场强度较高。当大气电场仪安装在不同高度的建筑物屋顶或安装在离建筑物不同距离的地面时，建筑物对大气电场测量值影响的模拟结果表明，大气电场仪测量值修正系数与建筑物高度呈正相关，遮蔽仰角与建筑物高度呈正相关，而地面影响距离随着建筑物高度的不断增加其增大幅度减小；模拟的修正系数比较适合于该站长期观测大气电场的均值的修正。关键词：大气电场；建筑物；影响；修正系数Research on influence of installation site environment on ground atmospheric electric field observation LIU Xiaodong1,2,3,LI Qingjun3,SONG Haoze3,SHI Rulin3(1.Inner Mongolia Meteorological Institute,Hohhot 010051,China;2.Inner Mongolia Key Laboratory Of Manual Weather Modification,Hohhot 010051,China;3.Inner Mongolia Lightning Warning&Protection Center,Hohhot 010051,China)Abstract:In order to study the influence of installation site on the observation of atmospheric electric field on the ground,based on the data of atmospheric electric field from Hohhot 2018 to 2020,the observation analysis and simulation study of the influence of buildings on the ground atmospheric electric field were carried out by using mathematical statistics and finite difference method.The results show that the diurnal variation of the atmospheric electric field in Hohhot on fair-weather was double-peak and double-valley,and the average value of the atmospheric electric field on fair-weather was123.34 V/m;its diurnal variation was consistent with the global change,and the intensity of the atmospheric electric field on fair-weather in winter and spring was relatively higher throughout the year.When the atmospheric electric field meter is installed on the roof of a building with different heights or on the ground with different distances from the building,the simulation results show that the correction coefficient of the measured value of the atmospheric electric field meter was positively correlated with the height of the building,The height of the building was positively correlated with the shielding elevation angle,and the ground influence distance increases with the increasing height of the building.The correction coefficient of simulation was more suitable for the mean value of atmospheric electric field observed in the station for a long time.Key words:atmospheric electric field;building;influence;correction coefficient内蒙古自治区自然科学基金（2020MS04005）42|2023年第42卷第4期应用研究|Application Research0 引言全球大气电路的物理模型中，雷暴活动和晴天区大气电流共同维持了全球电路的平衡1，晴天大气电场是大气电学的重要物理量，它代表的是一个参考状态2，因此大气电场的研究对于分析雷电活动大气电场特征具有重要意义。国内外许多学者开展了建筑物等地面物体对于雷电电磁场的影响研究：文献3开展了卫星地面站建筑物对于雷电直击效应的研究；文献4-5分析了广州高建筑物对雷电电磁场的影响；文献6-7对雷电电磁场及大气电场的相关影响因素进行了研究；文献8-9分析了楼高对于云闪和地闪回击电场观测值比地面测量结果增大的现象；文献10模拟了建筑物高度和离建筑物的距离对地闪回击电场的影响；文献11-15对各地晴天大气电场观测值的变化特征开展了相关的研究，并开展了建筑物对大气电场影响的数值模拟研究；文献16-19采用有限差分法针对建筑物不同参数对大气电场畸变影响进行了数值模拟研究；文献20采用有限元法分析了建筑物对大气电场测量的影响；文献21-22分别采用不同方法模拟了雷暴天气下建筑物对大气电场的畸变效应。以上的模拟研究结果揭示了大气电场随着建筑物高度的增加而增大的规律并给出了关系式，目前模拟研究与实际观测结果的对比研究较少，因此本文结合呼和浩特市20182020年大气电场观测资料，对比研究建筑物对地面大气电场影响的观测和模拟结果，这对大气电场测量值的修正具有重要意义。1 资料与方法1.1 资料来源本文所用大气电场数据为内蒙古自治区气象局在呼和浩特市布置的8个Pre-storm 2.0大气电场仪20182020年的大气电场观测资料，Pre-storm 2.0的性能参数见表1。每次记录信息包含具体日期、时间、大气电场极性和强度等参数。呼和浩特市的8个大气电场仪布设于内蒙古气象局、伊利、河西公司、机场人影基地、炼油厂、医科大学附属医院、和林格尔气象局及和林格尔云计算中心，如图1所示。其中内蒙古气象局、河西公司、机场人影基地与和林格尔气象局在当地地面测场安装大气电场仪，其他都安装于建筑物屋顶。内蒙古气象局与医科大学附属医院站址距离为2 036.78 m，同步气象资料来源于相距 7 593.69 m的呼和浩特国家观象台。表 1Pre-storm 2.0 性能指标Tab.1 Pre-Storm 2.0 performance indicators序号性能参数技术指标1探测距离/km15 202电场测量量程/（kV/km）300 3003分辨力/（V/m）104最大允许测量误差/（V/m）（20+3%E）5采样频率/Hz1图 1大气电场仪站址分布Fig.1 The distribution of the stations of atmospheric electric field由于河西公司站址周边较为空旷，无建筑物遮挡，观测环境比较理想，故选取该站址作为呼和浩特市大气电场观测的基准站，如图2所示。医科大学附属医院站大气电场仪安装在高度为90.40 m的大楼屋面（该建筑物长和宽分别为71.00 m和20.25 m），内蒙古气象局站的南侧距离该站41.68 m处为内蒙古气象局预警大楼，该预警大楼长、宽和高分别为100.00 m、23.00 m和33.60 m；医科大学附属医院站和内蒙古气象局站大气电场仪分别安装在高楼的屋顶和大楼楼底旁边，因此选取这两站作为建筑物对大气电场影响的研究站。2023年4月|43Application Research|应用研究安装场地环境对地面大气电场观测的影响研究 （a）河西公司站 （b）附属医院站 （c）内蒙古气象局站图 2代表站周边环境Fig.2 Surrounding environment of representative station1.2 数据处理选取的代表站的观测资料情况见表2，其中晴天的选取是对呼和浩特国家观象台20182020年每日平均2 min风速大于6 m/s、平均总运量超过天空30%的整天数据剔除后的日数；晴天大气电场数据样本是在晴天日数大气电场观测数据基础上剔除大于1.0 kV/m或者小于0 kV/m数值的大气电场数据，通过上述条件筛选出20182020年237天晴天日数和275 410个晴天大气电场数据样本。表 2代表站观测资料情况Tab.2 Data information of representative station站点观测资料时段总数据样本/个晴天日数/天晴天数据样本/个河西公司2018-02-022018-12-31604 07198125 4222019-01-222019-12-13511 7617380 2022020-01-022020-12-30602 4356669 786附属医院2018-02-022018-12-30965 11798125 4222019-01-222019-12-13522 3937380 2022020-01-022020-12-30634 3596669 786气象局2018-04-242018-11-28186 45698125 4222019-03-042019-12-02256 4747380 2022020-01-022020-12-30431 7536669 7862 晴天大气电场的变化特征2.1 晴天大气电场日变化特征晴天大气电场日相对变化主要取决于电离层相对变化、晴天柱体电阻和大气总电导率相对变化，电离层电位相对变化主要受全球雷暴活动、宇宙辐射和太阳活动（如太阳紫外线辐射）等因素的制约，属于全球性的普遍变化；在大多数陆地测站，电位梯度极大值，即电场强度极小值在710时和1921时出现，电场强度极大值出现在46时和1216时23。晴天大气电场日变化如图3所示。可以看到，呼和浩特地区晴天近地面大气电场日变化基本上为双峰双谷型，3年晴天大气电场平均值为123.34 V/m，其变化范围为97.31155.65 V/m。在早晨6时左右，电场强度出现第一个主波谷