大气电场仪观测结果的修订.doc

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1、大气电场仪观测结果的修订周俊驰1，2王振会1，2郭凤霞1，2曾庆锋1，2徐鸣一1，2行鸿彦1，4季鑫源1，4虞进3摘要引言大气电场仪作为一种最常用的大气电场探测设备，可以长时间 连续地测量地面大气电场的强度和极性，既能够记录晴天的大气电 状态，又可记录雷暴发生前的电活动以及雷暴过程中的电场变化，在 雷电监测预警等许多方面具有重要应用价值1 目前普遍使用的电 场仪主要是场磨式的，场磨式电场仪由定片和转片等构件组成，转片 的旋转遮挡使定片上的感应电荷发生周期性变化，通过变化的电流 推算出电场值2 场磨式电场仪的探头可采用正置结构3，也可采用 倒置结构4-5 实际观测中，不同站点、不同型号的电场仪测

2、量结果往 往存在较大差异，晴天大气电场值从几百 V /m6到几 kV /m7不等 电场仪组网观测中，为确保各站点数据的一致性和可比性，需要对测 量值进行修订，除在实验室进行平行板标定8-10外，还需在观测现场 将测量值向地面标定2 为此，本文通过一系列试验，探究探头的朝 向和安装环境等因素对测量结果的影响，并提出修订方法，以期提高 电场仪测量结果的可靠性和不同站点测量数据的可比性0大气电场仪是测量大气电场的重要设备，其测量结果受多种因素影响 通过 一系列对 比 试 验 表 明: 电场仪采用探头 正置或倒置结构时的观测结果基本一 致，倒置结构有利于避免雨水带来的影 响 不同的安装环境对测量结果的

3、影响 很大，为了消除这种影响，提出了对观测 数据进行地面修订的方法，得 到 不 同 天 气条件下 的 修 订 系 数 所得结果对于实 现多站电场仪联网观测的数据一致性有 重要实际意义关键词电场 仪; 探 头 朝 向; 电 场 畸 变; 修 订 系数中图分类号 TH71; TG803文献标志码 A仪器设备及试验环境本研究使用了 2 种型号的电场仪，其中: NUIST 型( 下简称 NUIST) 由南京信息工程大学自主研制; AMEO34O 型( 下简称 AMEO340) 为法 国进口 2 种电场仪均为场磨式结构，原理相同 试验场地为南京信息工 程大学校园内气象观测场，观测场环境较空旷，距试验用电

4、场仪最近建 筑约 70 m 处有一座 6 m 高小楼，与电场仪地物张角约为 5，对试验结 果的影响可以忽略 每台电场仪周围 5 m 内没有其他仪器 本研究进行1收稿日期 2010-11-02资助项目 公益性行业科研专项( GYHY2008-06014)作者简介周俊驰，男，硕士生，从事雷电科学与技术 方面的研究 jimchow1985 hotmail com王振会( 通信作者) ，男，教授，博导，研究方 向为大气探测与大气遥感 eiap nuist edu cn了 10 个月的连续观测，AMEO340 为探头倒置式，NUIST 为探头正置式，金属立柱高度均为 1. 5 m 本研究采用 2 台 N

5、UIST 和 1 台 AMEO340 进行不同情况下的对比观测试验，分析差别原因，给出订正方案 表 1 为 2种所使用大气电场仪的主要性能参数探头正置与倒置结构对测量结果的影响21 南京信息工程大学 气象灾害省部共建教育部重点实验室，南京，2100442. 1 无降水天气下探头正置时 AMEO340 与 NUIST 的对比考虑到 AMEO340 的结构，仅在无降水天气下做 AMEO340 探头正 置试验，将其与 NUIST( 探头正置) 的观测结果进行比对 试验结果如表2 以 2009 年 10 月 28 日 3: 006: 00 为例，AMEO340 与 NUIST 测得的2南京信息工程大学

6、 大气物理学院，南京，2100443 浙江省湖州市气象局，湖州，3100004 南京信息工程大学 电子与信息工程学院，南京，210044电场曲线如图 1 所示，可见两者波形趋同，观测结果具有很好的一致性2. 2NUIST 探头正置与倒置时的对比在观测场安装 2 台 NUIST 型电场仪，水平距离5 m，一台( 1#) 探头正置，另一台( 2#) 探头倒置，通过对比可以判断探头朝向对测量结果的影响 试验表 1 2 种大气电场仪的主要性能参数Table 1 Specifications of the two electric field mills结果如表 3 其中，2009 年 12 月 79

7、日 3 天有阵雨，性能参数型号其他为无降水天气探测半径 /km电场范围 /( kV /m) 电场分辨率 /( V /m)NUISTAME034015 2015 50 + 50 50 + 50 20 20表 3Table 3NUIST 型 1#与 2#电场仪的对比试验结果Comparison of NUIST 1# and NUIST 2# results性能参数型号1#测得电场的绝对平均值 /2#测得电场的绝对平均值 /记录方式电力消耗 /W可靠性日期相关系数( kV /m)( kV /m)数据文档存储及变化曲线显示实时保存，雷雨自动记录100% 显示电场变化 NUIST 152009-12-

8、012009-12-022009-12-032009-12-042009-12-052009-12-062009-12-072009-12-082009-12-092009-12-101 711 541 631 581 621 764 674 175 261 861 691 511 631 561 651 753 592 633 311 770 9810 9790 9940 9910 9880 9960 6210 5420 7900 909AME03407100% 显示电场变化表 2 无降水期间探头正置时 AMEO340 与NUIST 的对比试验结果Table 2 Comparison of

9、AMEO340 and NUIST results with upward probes in fine weatherAMEO340 测得电场的绝对平均值 /( kV /m)NUIST 测得电场的绝对平均值 /( kV /m)日期相关系数2009-10-282009-10-302009-10-312009-11-012009-11-022009-11-032009-11-042009-11-052009-11-061 731 611 661 541 751 711 621 531 671 691 641 621 581 691 671 681 481 660 9150 9560 9470 9

10、210 9260 9360 9010 8940 936无降水情况下，如 2009 年 12 月 16 日，两者绝对平均值非常接近，相关系数很高，波形趋同 发生降 水时，两者测量结果则存在较大差异，如 12 月 79 日 以 12 月 8 日为例，可将该日的电场变化情况分为3 个阶段 第 1 阶段: 00: 0006: 00，如图 2 所示，此阶 段尚未发生降雨，1#与 2#观测结果基本一致 第 2 阶 段: 06: 0019: 00，如图 3 所示，此阶段为降雨阶段，可 以看到二者观测得到的电场曲线差异明显，且 1#测量 值呈现高频抖动 造成这种现象的原因，一是由于雨 水使 1#探头的感应片与

11、地瞬时短路，当把电机转速提 2009 -11 -07 1 76 1 73 0 921 高时，这种现象可以减少9; 二是由于雨滴带有电荷，相当于将感应片置于大量点电荷产生的电场中，对电场仪的测量结果影响较大 第 3 阶段为降雨结束后阶 段，如图 4 所示，2 个探头观测结果的相关性较降雨阶 段有所提高，但仍存在较大差异，这是由于感应片上 仍存在水滴，水滴所带电荷产生的电场仍对测量结果 存在影响 而采用倒置结构则可以避免这种影响，2# 与 AMEO340 都是倒置结构，如图 5 所示，降雨阶段与 无雨阶段的一致性无明显差异图 1 2009 年 10 月 28 日 AMEO340 与NUIST 型电

12、场仪实测电场值Fig 1 Electric field data measured by AMEO340 andNUIST on October 28，200933. 1架高探头及安装环境对测量结果的影响地表与架高探头的对比试验晴天大气电场是竖直向下的匀强电场6，地表图 2 2009 年 12 月 8 日 00: 0006: 00 雨前实测电场值Fig 2 Electric field data measured before rain by NUIST1#and NUIST2#，00: 0006: 00 on December 8，2009图 5 2009 年 12 月 8 日 NUIST2

13、#电场仪与AMEO340 的实测电场值Fig 5 Electric field data measured byNUIST2# and AMEO340 on December 8，2009成的电场畸变对观测结果的影响，将 2 台 NUIST 电场仪置于观测场内，水平距离 5 m，1#探头安装在立 柱上，2#探头埋入地中，探头与地表齐平 可以近似 认为，1#与 2#探头分别测得同一点不同高度处的大 气电场值 表 4 为 2009 年 10 月 23 日11 月 8 日的 对比实验观测结果可见，不同的天气情况下，大气电场幅值不同 时，1#探头测值 y1 与 2#探头测值 y2 的线性倍数有 较大差

14、异 晴天时，y1 的幅值较小; 阴雨天气时，y1 的 幅值较大 本试验期间，晴天时段共 13 个，1#探头测 得电场的绝对平均值均小于 5 kV /m; 阴雨( 含雷暴) 时段共 11 个，1 #探头测得电场的绝对平均值大于5 kV /m 的共 9 个，占 81. 8% 因此，以 y1 为 5 kV /m 作为临界值，将观测数据分成 2 组 当 5 kV /m y1 5 kV /m 时，取表 4 中相应线性倍数的平均值作 为修订系数图 3 2009 年 12 月 8 日 06: 0019: 00 雨时实测电场值Fig 3 Electric field data measured in rain

15、 on by NUIST1#and NUIST2#，06: 0019: 00 December 8，2009y2 = 0. 26y1 ，( 1)当电场强度 y1 5 kV /m 或 y1 5 kV /m 时，取表 4中相应线性倍数的平均值作为修订系数y2 = 0. 63y1 ，( 2)这样就可以将架高探头测得的电场值 y1 转换成为地面电场值 y2 在非雷暴过程中，大气电场值是不会大幅突变的11，但实际观测时，外界干扰因素会在测得电场 曲线中产生较大的瞬时脉冲 因此采用延时判断的图 4 2009 年 12 月 8 日 19: 0024: 00 雨后实测电场值Fig 4 Electric fie

16、ld data measured after rain by NUIST1#and NUIST2#，19: 0024: 00 on December 8，2009方法，即当 y1 幅值连续 60 s 处于 5 kV /m 之内时，采用式 ( 1 ) 进 行 修 订; 当 y1 幅 值 连 续 60 s 超 过 5 kV /m 时，则采用式( 2) 进行修订; 否则，维持原修订方程不变 当 y1 在 5 kV /m 附近时，修订结果的凸 起 物 体，如 建 筑 物、植被等会引起电场 的 畸变13 出于防水及安全因素考虑，电场仪探头需架 高安装在高 1. 5 m 的金属立柱上 为了了解架高造表 4

17、 探头架高对观测结果的影响Table 4Impacts of the raised probe on the result1#测得电场的绝对平均值 /( kV /m)2#测得电场的绝对平均值 /( kV /m)日期时间段天气线性倍数00: 0024: 0000: 0012: 0012: 0015: 0015: 0016: 0017: 0024: 0000: 0011: 0011: 0024: 0000: 0024: 0000: 0005: 0005: 0008: 0018: 0024: 0000: 0003: 0003: 0014: 0014: 0017: 0017: 0024: 0000:

18、0024: 0000: 0024: 0000: 0024: 0000: 0013: 0017: 0019: 0009: 0024: 0000: 0024: 0000: 0024: 0000: 0024: 0000: 0024: 00晴晴 阴 雷暴 阴雨 阴晴 阴 阴雨 晴阴 阴 晴 阴 晴 晴 晴 晴 晴雷暴 阴 晴 晴 晴晴y1 = 4 58y2y1 = 5 18y2 y1 = 1 51y2 y1 = 1 55y2 y1 = 1 78y2 y1 = 1 88y2 y1 = 5 26y2 y1 = 1 70y2 y1 = 1 75y2 y1 = 3 92y2 y1 = 2 01y2 y1 =

19、1 81y2 y1 = 4 81y2 y1 = 2 11y2 y1 = 4 29y2 y1 = 4 50y2 y1 = 5 32y2 y1 = 5 89y2 y1 = 4 57y2 y1 = 1 41y2 y1 = 2 15y2 y1 = 4 27y2 y1 = 4 72y2 y1 = 4 14y2 y1 = 4 42y22009-10-232009-10-241 421 716 0717 236 366 992 129 058 231 257 846 622 074 832 141 891 331 121 1915 466 910 981 161 311 640 310 334 0211 6

20、13 583 710 465 314 690 323 903 660 432 290 510 420 250 190 2610 933 210 230 250 320 372009-10-242009-10-252009-10-262009-10-272009-10-282009-10-292009-10-302009-10-312009-11-012009-11-022009-11-022009-11-042009-11-052009-11-062009-11-072009-11-08会出现个别跳变，但电场仪连续观测过程中难免受外界干扰因素影响，所以修订过程产生的个别跳变 点对整体观测结果的

21、影响可以忽略图 6 为 2009 年 11 月 9 日晴天大气电场下，使用该修订方法进行修订的结果 图 7 为 2009 年 11 月 11 日阴天大气电场较大时，使用该修订方法进行 修订的结果 图 8 为 2009 年 11 月 12 日雷暴天气过 程期间，使用该修订方法对雷暴期间大气电场进行 修订的结果 可以看到，修订值 Ec 与地表实测值( 2#)3. 2结果检验利用 2009 年 11 月 9 日11 月 14 日的观测结果对上述修订方法进行检验，结果如表 5表 5 结果检验Table 5 The result test1#测得电场的绝对平均值 /( kV /m)修订值的绝对平均值 /

22、( kV /m)2#测得电场的绝对平均值 /( kV /m)修订值与 2#测得电场绝对平均值 的相对误差 /%日期时间段天气00: 0024: 0000: 0024: 0000: 0024: 0000: 0012: 0012: 0015: 0015: 0024: 00晴晴 阴 晴雷暴晴2009-11-092009-11-102009-11-112009-11-121 692 216 922 4611 672 520 360 423 330 477 790 450 340 393 510 456 320 485 57 65 14 48 36 2物对电场的畸变同样会对测量结果有影响 因此，可以采用

23、上述修订方法，将电场值标定到地面，以实现 不同安装高度的电场仪网络的数据一致性 实际观 测过程中，仪器的差异、安装环境的不同，都会对电 场仪的测量结果产生影响，因此，上述公式不宜直接 普遍推广，其他站点的电场仪采用上述方法进行修 订时，y1 的阈值以及不同天气背景下的修订系数都 应根据各站的实际试验比对结果而决定结论及展望4本文通过一系列对比试验，对于大气电场仪测量结果的修订得到以下结论图 6 2009 年 11 月 9 日晴天的电场实测值与修订值Fig 6 Measured and calibrated data of electric field in fine weather on No

24、vember 9，20091)无降水条件下，采用探头正置或倒置结构的电场仪观测结果基本一致 实际观测中，正置探头受雨水影响较大，采用倒置结构利于避免这种影响2) 建立了架高探头的测量结果 y1 与地面电场 值 y2 之间的关系，以实现电场观测值的对地标定 当= 0. 26y1 ; 当 | y1 | 5 kV /m，y2y1 |5 kV /m，y2 = 0. 63y1 当然，实际观测过程中，仪器的差异，安装环境的不同，都会影响电场仪的测量结果，因此，上述公式不宜直接普遍推广，可以采用类似方法，得到其他站点电场仪独立适用的修订系数由于试验天数有限，修订系数需要利用更多的 观测数据来进一步验证及改进

25、，雨天测量结果的可 靠性有待提高，下垫面对电场仪测量结果的影响有 待定量分析，这是在接下来的工作中需要进一步研 究和完善的图 7 2009 年 11 月 11 日阴天的电场实测值与修订值Fig 7 Measured and calibrated data of electric field in overcast on November 11，2009参考文献References1 孟青，吕伟涛，姚雯，等 地面电场资料在雷电预警技术中的应用J 气象，2005，31( 9) : 30-33MENG Qing，L Weitao，YAO Wen，et al Application of detect

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28、asured and calibrated data of electric field in thunderstorm on November 12，20093 一致性较好，相对误差均未超过 10% 有时，受电源、场地等安装条件的限制，电场仪需安装在楼顶，建筑4 XIAO Zhenghua，HUI Shide，XIAO Qingfu，et al Invertedatmospheric average electric field millJ Plateau Mete- orology，1994，13( 1) : 106-112罗福山，何渝晖，张健，等 新型倒装式旋转电场仪J 空间科学学报，2

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34、1，2YU Jin3XING Hongyan1，4JI Xinyuan1，41 Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education，Nanjing University of Information Science Technology，Nanjing 2100442 School of Atmospheric Physics，Nanjing University of Information Science Technology，Nanjing 2100443 Meteorological Bureau of

35、Huzhou，Huzhou 3100004 School of Electronic and Information Engineering，Nanjing University of Information Science Technology，Nanjing 210044Abstract Electric field mills play an important role in measuring near-ground electric field，whose observation ac-curacy is prone to be influenced by many factors

36、 Based on experiments with upright and inverted probes，this paper demonstrates that the orientation souts of the probes makes no difference to the results，while inverted probes could minimize impacts of charged raindrops in the perennial and all-weather observation In addition，it puts up a calibra-

37、tion method to get the electric field value on the ground in different weathers and different amplitudes of atmospheric electric field，which can eliminate impacts of the surroundings to realize uniformity and comparability of data from multiple sitesKey words electric field mill; probe orientation; aberration of electric field; calibration factor