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1、第三章 晴天大气电场,3.1 大气电场的基本概念3.2 大气电场的空间分布3.3 大气电场的时间变化特征3.4 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 大气电场是粒子运动的动力雷暴活动发生在大气中，晴天电场为雷电活动的背景场,3.1 大气电场的基本概念,一、晴天大气电场的方向,观测表明，晴天大气中始终存在方向垂直向下的大气电场。这意味着大气相对于大地带正电荷，而大地带负电荷.大气和大地携带异性电荷是晴天大气电场的成因,问 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,式中：V为电位或地球和z高度大气间的电位差（V）z
2、为垂直坐标（m）。为面电荷密度（C/m2）,晴天时，全球各地的E0都具有相同的符号和量级。场强（或电位梯度）随高度减小，10km高处降至地表值的3%。,晴天大气电场的参数,总的晴天区地表电荷量约为-5105C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V，一直到20km左右都随高度而增加，往上不再有明显的变化，约为3105V；在20km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而减小。,注 意晴天大气电场强度（或电位梯度）总体随高度减小晴天大气相对于地
3、表的电位，一直到20km左右都随高度而增加,三、晴天大气等电位面,大气中相同大气电位各点相联而成的连续曲面,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高，晴天大气等电位面的电位值愈大,（1）对于平坦地面 晴天大气等电位面为平行与地面的平面，单位法向量n垂直向上，晴天大气电场只存在垂直分量Ez，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表达式,大气电场和等势面与地表曲率的关系,（2）起伏地表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n亦不再与坐标轴z轴重合.因此，晴天大气电场不仅存在垂直分量Ez，还存在水平分量Ex和Ey。
4、,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 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度的 三倍 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,晴天大气电场的符号,在静电学中，电场的方向从正电荷指向负电荷，即为正电场，反之为负电场大气电场垂直向下为正，与坐标轴z方向正好相反,3.2大气电场的空间分布,一、地理分布 二、随高度分布,一、大气电场的地理分布,1、海洋：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，而且其变化规律多与全球性影响机制有关。,就全球而言，全球表面的晴天大气电场平均值约为130Vm1全球海面晴天大气电场的平均值也接近于130Vm1
5、。,晴天大气电场因时因地而异，与气溶胶浓度有密切的关系,2、陆 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源较近的地区等，其地面晴天大气电场往往大于130Vm1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130Vm1,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,3、晴天大气电场具有随纬度变化的分布特征。大陆上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度的变化并不明显.海洋上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较为明显,020
6、的海面晴天大气约为120Vm1;2040的海面晴天大气电场约为125Vm1，40一60的晴天大气电场明显增大，约155v.m1。再往两极，大气电场减小,二、大气电场随高度分布,1、近地层大气电场的高度分布,通常，晴天大气电场具有随高度增加近似呈指数规律递减的分布特征.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.,晴天大气电场随高度的分布,在贴近地面的大气层中，晴天大气电场将受大地电极效应的影响 随高度增加而急剧递减的变化特征 大地电极效应影响晴天大气电场的高度范围为几米至几十米，晴天大气电场愈大，影响的高度范围也愈大,晴天大气电场的类型,第一类：指数型，适用于地面到
7、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,变化波形：指晴天大气电场日变化出现峰、谷的多少以 及峰、谷出现的时间。日变化的幅度则多用其日较差来表示。指晴天大气电场相对值E/E，E为某时段的晴天大气电场平均值 E为晴天大气电场日平均值。晴天大气电场具有明显日变化，其变化规律因地.因季节而异。各地地面晴天大气电场日较差的平均值可从20变化至170左右，平均为67。,1、表征参量：,3.3大气电场的时间变化特征,一是：全球性普遍变化机制，其变化规律与世界时有
8、关，主要与全球雷暴活动的日变化有关.二是：地方性局地变化机制，其变化规律与地方时有关，主要与局地大气状况的日变化所导致大气电导率和大气体电荷等大气电学量的日变化有关.,2、影响机制,日变化,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果，可将晴天大气电场日变化归纳为三种基本类型,a、大陆简单型 b、大陆复杂型 c、海洋极地型,3、大气电场的类型：,日变化,a、大陆简单型：单峰、单谷，峰值出现在下午至傍晚（地方时13-19时），谷值出现于早晨（地方时2-6时），远离城市的乡村多为此类型。,b、大陆复杂型 双峰双谷第一峰值出现在上午7-10时，第二峰值出现在
9、18-21时第一谷值出现在早晨2-6时第二谷值出现在13-16时大城市和工业区表现为此类型,c、海洋极地型：单峰单谷型，它与世界时有关，峰值出现在世界时1821时，谷值出现于26时。一年内变化较小广阔的极地海洋和冰雪覆盖区为此类型,3.4晴天大气电场和气象条件,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，如大气电导率和大气体电荷密度对晴天大气电场产生间接影响的结果 由于晴天大气电场与晴天大气电导率之间关系较为直接，并呈负相关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.如大气中气溶胶含量与晴天大气电场之间的关系观测表明，晴天大气电场与气溶胶含量呈正相关,思考题,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。,
