李 磊 蘇建峰 陳 濤 李 文 王詩(shī)涵 提 爍 羅 靜 孫海龍 董 偉 吳 偉

1(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心 空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

2(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

0 引言

探測(cè)近地表大氣中的空間電荷分布有助于揭示空間物理及大氣物理等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域諸多科學(xué)現(xiàn)象的物理本質(zhì)，而大氣電場(chǎng)是反映近地表大氣環(huán)境中電荷分布的重要大氣電學(xué)參量。大氣電場(chǎng)的時(shí)空特性會(huì)隨著地質(zhì)條件、環(huán)境條件、經(jīng)緯度改變而改變，在不同大氣環(huán)境和天氣條件下，大氣電場(chǎng)對(duì)應(yīng)不同的信號(hào)變化特征[1—6]。實(shí)時(shí)探測(cè)大氣電場(chǎng)的時(shí)空變化特性，不僅能夠用于大氣電學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究，而且能夠用于提前預(yù)警雷暴活動(dòng)[7—9]，對(duì)運(yùn)載火箭發(fā)射以及人類活動(dòng)安全等提供保障。

近年來(lái)設(shè)計(jì)研制了多種大氣靜電場(chǎng)的探測(cè)設(shè)備，開展了大氣電場(chǎng)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)[10—15]。Luo 等[16]采用場(chǎng)磨式結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一種倒裝式旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)儀，該電場(chǎng)儀適用性好、可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)性運(yùn)行。Li 等[17]設(shè)計(jì)了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列數(shù)字大氣電場(chǎng)儀器，在降低了設(shè)備功耗的同時(shí)，提高了測(cè)量精度。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣電場(chǎng)的多維度探測(cè)，Lin 等[18]首次提出三維定向分解算法，并結(jié)合GPS 及三維電場(chǎng)傳感器,設(shè)計(jì)了一種空中三維大氣電場(chǎng)定向測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)定向定位測(cè)量空中三維大氣電場(chǎng)的大小和方向。此外，Adzhiev 等[19]提出了一種適用于高空測(cè)量，能夠在—40～55℃工作的大氣電場(chǎng)儀，其測(cè)量范圍為±30 kV·m—1。

目前大氣電場(chǎng)儀的幾種常見類型主要有地面旋轉(zhuǎn)式電場(chǎng)儀、微火箭電場(chǎng)儀、滾筒式電場(chǎng)儀和球載雙球電場(chǎng)儀。這些大氣電場(chǎng)儀均只能對(duì)單一大氣電場(chǎng)這一物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)際大氣電場(chǎng)研究中，常需將大氣電場(chǎng)與其他參數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，如果不設(shè)計(jì)為綜合觀測(cè)設(shè)備，很難控制環(huán)境變量。除此之外，有研究發(fā)現(xiàn)震前數(shù)小時(shí)到一天左右大氣電場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)持續(xù)負(fù)異?，F(xiàn)象[20—24]，這對(duì)于防震減災(zāi)無(wú)疑是一重大發(fā)現(xiàn)。對(duì)于大震，震前氣象活動(dòng)出現(xiàn)明顯異常，可以排除氣象活動(dòng)對(duì)大氣電場(chǎng)信號(hào)的干擾[25]，但對(duì)于中小地震，空間天氣和氣象活動(dòng)的干擾難以排除。因此，需將大氣電場(chǎng)與氣象參數(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備，可以同時(shí)測(cè)量大氣電場(chǎng)和一些氣象活動(dòng)，用于氣象活動(dòng)與大氣電場(chǎng)的關(guān)聯(lián)性及排除性研究。本文給出了一種自主設(shè)計(jì)開發(fā)的集氣象觀測(cè)與大氣電場(chǎng)于一體的綜合觀測(cè)設(shè)備，重點(diǎn)就該綜合性觀測(cè)設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、探測(cè)原理、數(shù)據(jù)接收和傳輸、電場(chǎng)標(biāo)定等進(jìn)行分析。使用該設(shè)備開展觀測(cè)實(shí)驗(yàn)并與其他設(shè)備數(shù)據(jù)性能進(jìn)行對(duì)比，分析了相關(guān)的測(cè)量誤差。

1 大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備

大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和大氣電場(chǎng)在垂直方向上的分量等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)，在觀測(cè)大氣電場(chǎng)時(shí)空特性的同時(shí)也可以對(duì)比氣象參數(shù)。基于大氣電場(chǎng)與氣象參數(shù)的綜合觀測(cè)，需要從整體上綜合考慮各個(gè)傳感器的固定位置、供電、數(shù)據(jù)綜合處理與傳輸、電路保護(hù)等多個(gè)問(wèn)題。

圖1 給出了自主設(shè)計(jì)開發(fā)的大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由上到下依次為：風(fēng)速計(jì)、溫濕度傳感器、大氣電場(chǎng)探頭、太陽(yáng)能電池板、數(shù)傳天線、GPS 天線、電子學(xué)箱、支撐桿及底座。風(fēng)速計(jì)用于實(shí)時(shí)采集風(fēng)速大小，溫濕度傳感器采集溫度和濕度數(shù)據(jù)，大氣電場(chǎng)探頭可以實(shí)時(shí)采集垂直方向上的大氣電場(chǎng)強(qiáng)度，太陽(yáng)能電池板用于給綜合觀測(cè)設(shè)備供電，數(shù)傳天線和GPS 天線分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送和獲取設(shè)備所在的經(jīng)緯度信息，電子學(xué)箱、支撐桿和底座起外部防護(hù)與支撐作用。電子學(xué)箱內(nèi)包括開關(guān)、蓄電池、核心電路板、電路保護(hù)模塊、4GDTU 通信模塊和存儲(chǔ)卡。開關(guān)可以控制綜合觀測(cè)設(shè)備的通電與斷電；蓄電池用于儲(chǔ)存電能，確保設(shè)備在陰雨天條件下能夠連續(xù)工作7 天以上；核心電路板用于處理及整理數(shù)據(jù)；電路保護(hù)模塊用于在極端情況下保護(hù)電路；4GDTU 通信模塊對(duì)應(yīng)的功能為對(duì)處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，而存儲(chǔ)卡用于數(shù)據(jù)本地備份，即使特殊情況下傳輸中斷仍然本地存有備份數(shù)據(jù)。

圖1 大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備Fig. 1 Comprehensive observation equipment for atmospheric electric field

綜合觀測(cè)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，太陽(yáng)能板將太陽(yáng)能實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為電能，并將電能儲(chǔ)存在蓄電池中，由蓄電池給電路提供恒壓12 V 直流電源，大氣電場(chǎng)探頭中的內(nèi)部轉(zhuǎn)子開始以3000 r·s—1的速度快速旋轉(zhuǎn)，風(fēng)速計(jì)和溫濕度傳感器也開始工作，每秒鐘采集一次數(shù)據(jù)，包括溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等多個(gè)氣象參數(shù)和大氣電場(chǎng)數(shù)值，將以上參數(shù)送入電子學(xué)箱進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和整理，GPS 天線實(shí)時(shí)傳輸設(shè)備所在的經(jīng)緯度信息，最后由通信模塊和數(shù)傳天線將整理好的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，可以在云端獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)繪圖。目前由于通信流量的限制，只能每5 min 接收一組數(shù)據(jù)。

2 探測(cè)原理與數(shù)據(jù)傳輸

對(duì)于該綜合觀測(cè)設(shè)備，其中的大氣電場(chǎng)探頭采用場(chǎng)磨式結(jié)構(gòu)。如圖2 所示，該探頭包含直流電機(jī)、電機(jī)控制電路、前置放大器、接地電刷、絕緣連接桿、定子和轉(zhuǎn)子。直流電機(jī)作用是帶動(dòng)轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動(dòng)；電機(jī)控制電路可以控制直流電機(jī)、前置放大器用于放大直流電流；接地電刷是確保在旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件之間可以傳導(dǎo)電流；絕緣連接桿是為了確保定子不接地而轉(zhuǎn)子是通過(guò)中間金屬桿接地；定子是用于產(chǎn)生感應(yīng)電荷，而轉(zhuǎn)子是通過(guò)葉片旋轉(zhuǎn)，使定子外暴露面積周期性變化，以產(chǎn)生交變電流。定子和轉(zhuǎn)子為兩組形狀相似的扇形金屬導(dǎo)電片，定子被固定在支撐板上作為感應(yīng)片（產(chǎn)生感應(yīng)電荷），轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)機(jī)和轉(zhuǎn)桿帶動(dòng)勻速旋轉(zhuǎn)作為屏蔽片，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)動(dòng)金屬桿連在一起接地，定子通過(guò)絕緣連接桿與支撐板相連。

圖2 場(chǎng)磨式電場(chǎng)探頭構(gòu)造Fig. 2 Field mill type electric field detector structure

探頭正常工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，定子的每個(gè)扇葉葉片會(huì)周期性地交替被暴露在環(huán)境電場(chǎng)中，使得定子中的每個(gè)扇葉葉片產(chǎn)生感應(yīng)電荷，進(jìn)而產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流信號(hào)。由于大氣靜電場(chǎng)是一個(gè)直流分量，在感應(yīng)片上感應(yīng)出來(lái)的是很微弱的電流，需要經(jīng)過(guò)信號(hào)放大后才可以進(jìn)行大氣電場(chǎng)測(cè)量，因此前置放大器會(huì)將感應(yīng)產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)進(jìn)行放大，然后經(jīng)過(guò)電流—電壓轉(zhuǎn)換、放大、濾波、信號(hào)同步和整流等環(huán)節(jié)，輸出電壓信號(hào)，最終通過(guò)數(shù)據(jù)處理運(yùn)算，得到所需的大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)。

圖3 給出的是大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備功能模塊。大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備包含電場(chǎng)傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、GPS、CPU、4GDTU 數(shù)傳和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等模塊。CPU 主要用于處理、整理和輸出數(shù)據(jù)，4GDTU 數(shù)傳主要功能是數(shù)據(jù)發(fā)送。電場(chǎng)、溫度、濕度和風(fēng)速傳感器，以及GPS 模塊分別將每秒采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到CPU，由CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)收集整理并分別輸出到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和4GDTU 模塊。4GDTU 數(shù)傳模塊將CPU 輸出來(lái)的數(shù)據(jù)每秒一組上傳到服務(wù)器上。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊是將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫入存儲(chǔ)卡里，每天自動(dòng)生成一個(gè)文件，存滿一個(gè)月后，自動(dòng)打開原有的第一個(gè)文件進(jìn)行覆蓋寫入。因此綜合觀測(cè)設(shè)備中的存儲(chǔ)卡中會(huì)一直循環(huán)保留最近一個(gè)月的數(shù)據(jù)，在特殊極端情況造成斷電或者通信故障的情況下仍然可以利用鑰匙打開綜合觀測(cè)設(shè)備的電子學(xué)箱，從本地存儲(chǔ)卡里拷貝數(shù)據(jù)，解決了因特殊極端情況導(dǎo)致的數(shù)據(jù)中斷和丟失。

圖3 大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備功能模塊Fig. 3 Functional modules of the comprehensive observation equipment for atmospheric electric field

3 電場(chǎng)數(shù)據(jù)標(biāo)定

為了確保綜合設(shè)備中大氣電場(chǎng)探頭的有效性和可靠性，2021 年7 月12 日在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心對(duì)該綜合觀測(cè)設(shè)備的電場(chǎng)探頭進(jìn)行了數(shù)據(jù)標(biāo)定。電場(chǎng)數(shù)據(jù)標(biāo)定系統(tǒng)如圖4 所示。標(biāo)定系統(tǒng)主要包括電場(chǎng)屏蔽罩、直流可調(diào)電源、計(jì)算機(jī)和RS485 通信模塊。電場(chǎng)屏蔽罩的內(nèi)部包含上下兩個(gè)電極，用于產(chǎn)生恒穩(wěn)的直流電場(chǎng)，直流可調(diào)電源用以產(chǎn)生周期性變化的直流電壓，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)并繪圖，RS485 通信模塊用于電場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 電場(chǎng)標(biāo)定系統(tǒng)Fig. 4 Electric field calibration system

將電場(chǎng)屏蔽罩的上下兩個(gè)電極分別接直流電源的正負(fù)極以產(chǎn)生電場(chǎng)，電場(chǎng)探頭通電，RS485 通信模塊分別與電場(chǎng)探頭與計(jì)算機(jī)連接，檢查計(jì)算機(jī)是否可以接收數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)加在兩個(gè)電極的電源電壓參數(shù)，讓其電源輸出的是±100 V 的鋸齒波直流電壓，周期設(shè)為3000 s。利用標(biāo)尺測(cè)得電場(chǎng)屏蔽罩中兩個(gè)電極之間的距離d= 19.23 cm，計(jì)算得到理想情況產(chǎn)生的電場(chǎng)極值為Emax= ±Umax/d= ±0.52 kV·m—1。將電場(chǎng)探頭測(cè)量值與理論值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可知，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電場(chǎng)曲線與理論曲線相差0～0.1 kV·m—1，測(cè)量數(shù)據(jù)擬合得到的斜率與理論數(shù)據(jù)斜率的比值為96.9%，實(shí)驗(yàn)得到的大氣電場(chǎng)強(qiáng)度值與理論值相比較斜率相近但整體上比理論值低0～0.1 kV·m—1。造成這一誤差的主要原因可能是實(shí)驗(yàn)室大氣環(huán)境的實(shí)驗(yàn)誤差所導(dǎo)致。雖然標(biāo)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程已經(jīng)采取了一些屏蔽措施，例如利用屏蔽罩將整個(gè)系統(tǒng)罩住，但實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的真實(shí)電場(chǎng)值與計(jì)算得到的理論值可能存在殘留誤差。此外，電場(chǎng)探頭的量程是±50 kV·m—1，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)所造成的實(shí)驗(yàn)誤差占總量程的0.1%，未超過(guò)儀器自身的測(cè)量精度誤差范圍。

圖5 綜合設(shè)備中電場(chǎng)探頭的標(biāo)定曲線Fig. 5 Calibration curve of the electric field detector in the integrated device

4 數(shù)據(jù)分析對(duì)比

大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)格式如表1所示。信號(hào)強(qiáng)度以dB 為單位，大氣電場(chǎng)是指垂直方向上的大氣電場(chǎng)強(qiáng)度，以垂直指向地面為正，溫度、濕度和風(fēng)速是傳感器所在高度處的氣象參數(shù)值，日期和時(shí)刻均表示當(dāng)?shù)貢r(shí)間（UTC+8）。觀測(cè)時(shí)間分辨率為1 s，目前由于通信流量的限制，只能實(shí)現(xiàn)5 min 接收一組數(shù)據(jù)。

表1 綜合探測(cè)儀接收到的數(shù)據(jù)格式Table 1 Format of the data received by the integrated instrument

為驗(yàn)證儀器的實(shí)用性與可靠性，在北京市昌平區(qū)十三陵觀測(cè)站（116.24°E，40.26°N）安裝了一臺(tái)大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備，進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。利用2021 年8 月14－18 日觀測(cè)得到的溫度、濕度、風(fēng)速與大氣電場(chǎng)如圖6 所示。圖6（a）為溫度變化情況，5 天的溫度變化趨勢(shì)相近，均為單峰、單谷模式，中午左右溫度最高，早上和晚上溫度較低。8 月17 日和8 月18 日的溫度最高， 5 天中最高溫度為35℃，最低為18℃。圖6（b）為相對(duì)濕度變化情況，5 天的相對(duì)濕度變化趨勢(shì)相近，也均為單峰、單谷的模式，但與溫度曲線的變化趨勢(shì)相反，溫度較高時(shí)對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度較低。8 月17 日和8 月18 日的相對(duì)濕度最低，最低值為30%，而最大值對(duì)應(yīng)100%。圖6（c）為風(fēng)速變化曲線，5 天的風(fēng)速都很小，最大值為4 m·s—1，最小值為0 m·s—1，5 天的風(fēng)速變化趨勢(shì)相對(duì)平穩(wěn)。

圖6（d）為大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備測(cè)得的大氣電場(chǎng)。由圖6（d）可以明顯看出, 8 月14－16 日出現(xiàn)多次大氣電場(chǎng)的大幅度正負(fù)波動(dòng)，這是典型的雷電信號(hào)特征[26—27]，表明帶電雷雨云對(duì)大氣電場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行了調(diào)制，同時(shí)雷電活動(dòng)發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)于當(dāng)天相對(duì)濕度的最大值。除了上述時(shí)間段，其余大部分時(shí)間段內(nèi)大氣電場(chǎng)強(qiáng)度在0 kV·m—1附近波動(dòng)。

圖6 2021 年8 月14－18 日大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備在昌平區(qū)十三陵臺(tái)站的觀測(cè)曲線Fig. 6 Observation curve of the atmospheric electric field comprehensive observation equipment at Shisanling Station in Changping District from 14 to 18 in August 2021

為驗(yàn)證氣象觀測(cè)結(jié)果的可靠性，利用由中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)**http://data.cma.cn/得到的2021 年8 月14－18 日昌平十三陵觀測(cè)站的逐小時(shí)氣象數(shù)據(jù)，分別將對(duì)應(yīng)的溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速與綜合觀測(cè)設(shè)備測(cè)量結(jié)果相比較，得到的曲線如圖7 所示。圖7（a）、圖7（b）、圖7（c）分別對(duì)應(yīng)溫度、相對(duì)濕度與風(fēng)速的對(duì)比曲線，黃色曲線為實(shí)測(cè)結(jié)果，綠色曲線對(duì)應(yīng)由氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)得到的參考數(shù)據(jù)。

由圖7 可以看出，實(shí)測(cè)參數(shù)值比氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)對(duì)應(yīng)的參考值變化頻率高，且存在一定的差異。變化頻率不同的原因主要是綜合觀測(cè)設(shè)備接收到的氣象數(shù)據(jù)為5 min 一組，但氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)發(fā)布的氣象數(shù)據(jù)為60 min 一組，這使得綜合觀測(cè)設(shè)備觀測(cè)結(jié)果更易表現(xiàn)為高頻率波動(dòng)。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)發(fā)布的氣象數(shù)據(jù)對(duì)比，溫度的差異不超過(guò)±12.84%，平均誤差為±1.43%，超過(guò)99%的時(shí)刻在±10%以內(nèi)；對(duì)相對(duì)濕度而言，其差異不超過(guò)±10.75%，平均誤差為±2.88%，超過(guò)99%的時(shí)刻也在±10%以內(nèi)；風(fēng)速差異明顯小于溫濕度的對(duì)比結(jié)果，其差異不超過(guò)±5.38%。對(duì)于溫度、濕度和風(fēng)速這三個(gè)氣象參數(shù)綜合比較，兩者之間99%的時(shí)刻對(duì)應(yīng)誤差不超過(guò)10%，平均誤差為±0.5%。各氣象參數(shù)總的平均誤差不超過(guò)±3%。兩者觀測(cè)參數(shù)曲線對(duì)比后的差異原因主要是由于氣象站與觀測(cè)設(shè)備的位置相距3.6 km，氣象觀測(cè)環(huán)境存在差異。

圖7 2021 年8 月14－18 日昌平區(qū)十三陵臺(tái)站的大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備與中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的觀測(cè)對(duì)比曲線Fig. 7 Comparison curves of observations from 14 to 18 August 2021 at the Shisanling Station in Changping District for the integrated atmospheric electric field observation equipment and the Chinese meteorological data network

對(duì)于綜合觀測(cè)設(shè)備，除了氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)更加重要。為驗(yàn)證大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備中大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)的可靠性與科學(xué)性，在十三陵觀測(cè)站綜合觀測(cè)設(shè)備的旁邊相距10 m 的地方也放置了一臺(tái)FAMEMS-DF02 大氣電場(chǎng)儀，該型號(hào)大氣電場(chǎng)儀基于感應(yīng)電荷的探測(cè)原理，采用磨式結(jié)構(gòu)，可以單獨(dú)或局地組網(wǎng)使用，主要用于該處、或該地區(qū)各處遭雷擊危險(xiǎn)性大小的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。FAMEMS-DF02 大氣電場(chǎng)儀主要技術(shù)參數(shù)如下：測(cè)量的大氣電場(chǎng)量程為±50 kV·m—1，測(cè)量準(zhǔn)確度＜5%，響應(yīng)時(shí)間＜1 s，線性度＜1%，分辨力為10 V·m—1，可以采用市電（175～275 V）、UPS 或太陽(yáng)能電源三種供電方式。為了方便比較，將兩者2021 年8 月14－18 日的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較驗(yàn)證，5 天中2 臺(tái)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備與FAMEMS-DF02電場(chǎng)儀觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig. 8 Comparison curve between the atmospheric electric field comprehensive observation equipment and FAMEMS-DF02 electric field meter

由圖8 對(duì)比可知，8 月14－18 日期間除8 月16 日的明顯差異外，兩臺(tái)設(shè)備的大氣電場(chǎng)觀測(cè)曲線波動(dòng)趨勢(shì)一致。FAMEMS-DF02 大氣電場(chǎng)儀波動(dòng)幅度比大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備更大，造成這一差異的主要原因可能是由于FAMEMS-DF02 大氣電場(chǎng)儀接收到的數(shù)據(jù)是1 s 一組，而大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備接收到的則為5 min 一組，兩者均能體現(xiàn)出雷暴云信號(hào)特征且兩條曲線對(duì)應(yīng)的雷暴云時(shí)刻能夠重合。8 月16 日兩者的觀測(cè)曲線具有較為明顯的差異，與其他時(shí)間段相反，綜合觀測(cè)設(shè)備比FAMEMS-DF02 大氣電場(chǎng)儀波動(dòng)更明顯，持續(xù)時(shí)間更久，對(duì)比FAMEMS-DF02 大氣電場(chǎng)儀在綜合觀測(cè)設(shè)備波動(dòng)出現(xiàn)所對(duì)應(yīng)時(shí)間段所觀測(cè)到的大氣電場(chǎng)值，之間的平均絕對(duì)誤差為±0.166 kV·m—1，占總量程±50 kV·m—1的0.33%，其中95.1% 的時(shí)刻兩者之間的絕對(duì)誤差不超過(guò)±0.5 kV·m，84.1% 對(duì) 應(yīng) 的 時(shí) 段 絕 對(duì) 誤 差 不 超 過(guò)±0.1 kV·m—1。造成差異的原因可能是由于兩臺(tái)設(shè)備雖然放置在同一屋頂，但兩者之間有約10 m 的距離，這可能使兩臺(tái)儀器對(duì)雷電云的感知結(jié)果不同；兩臺(tái)設(shè)備之間存在系統(tǒng)誤差，這是造成大氣電場(chǎng)結(jié)果出現(xiàn)明顯差異的主要原因。

通過(guò)分析2021 年8 月14－18 日在昌平區(qū)十三陵臺(tái)站觀測(cè)到的5 天氣象數(shù)據(jù)與電場(chǎng)數(shù)據(jù)，并將其分別與中國(guó)氣象網(wǎng)站發(fā)布的逐小時(shí)氣象數(shù)據(jù)和FAMEMS-DF02 大氣電場(chǎng)儀的電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備的可靠性，該綜合性觀測(cè)設(shè)備對(duì)于研究大氣電場(chǎng)具有一定實(shí)用價(jià)值。

大氣電場(chǎng)的測(cè)量存在一些不可避免的誤差，首先是在標(biāo)定系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)環(huán)境對(duì)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差，這個(gè)誤差占總量程的比值不超過(guò)1%。電場(chǎng)儀所在的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地周圍環(huán)境，例如草、樹木、尖端物體和遮擋物等，都會(huì)對(duì)大氣電場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，這是主要的誤差來(lái)源。另外，由于磨式大氣電場(chǎng)儀定子產(chǎn)生的感應(yīng)電荷進(jìn)而所產(chǎn)生的交變電流非常微弱，容易受到外界干擾產(chǎn)生誤差。電路設(shè)計(jì)也可能引入一定的測(cè)量誤差。

5 討論與結(jié)論

根據(jù)大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備的原理與設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)和大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備的電場(chǎng)標(biāo)定原理，分析了2021 年8 月14－18 日的氣象參數(shù)和大氣電場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果。通過(guò)分別與中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的氣象數(shù)據(jù)以及FAMEMS-DF02 大氣電場(chǎng)儀的同時(shí)間觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，氣象參數(shù)之間在99%的時(shí)刻對(duì)應(yīng)誤差不超過(guò)±10%。其中溫度的平均誤差為±1.43%，相對(duì)濕度的平均誤差為±2.88%，風(fēng)速的平均誤差為±0.5%。各氣象參數(shù)總的平均誤差不超過(guò)±3%，造成差異的原因主要是由于氣象站與觀測(cè)設(shè)備的位置相距3.6 km，氣象觀測(cè)環(huán)境存在差異。兩者電場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果也存在一定差異，在同一時(shí)刻，其間的平均絕對(duì)誤差為±0.166 kV·m—1，其中95.1% 的時(shí)刻兩者之間的誤差不超過(guò)±0.5 kV·m—1。通過(guò)觀測(cè)研究分析，造成這一差異的主要原因?yàn)椋菏褂玫碾妶?chǎng)儀與綜合觀測(cè)設(shè)備接收數(shù)據(jù)的頻率分別為每1 s 一組數(shù)據(jù)和每5 min 一組數(shù)據(jù)；兩者之間的距離約為10 m，這使得兩者對(duì)雷電的感知結(jié)果不同；兩臺(tái)設(shè)備存在的系統(tǒng)誤差。

大氣電場(chǎng)綜合觀測(cè)設(shè)備是集氣象參數(shù)和大氣電場(chǎng)觀測(cè)于一體的綜合性觀測(cè)設(shè)備，可以同時(shí)獲得大氣電場(chǎng)強(qiáng)度和氣象參數(shù)，有利于進(jìn)行氣象活動(dòng)與大氣電場(chǎng)的關(guān)聯(lián)性及排除性研究，為大氣電學(xué)相關(guān)研究提供便利，可以用于研究空間天氣活動(dòng)、地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)以及氣象活動(dòng)對(duì)大氣電場(chǎng)信號(hào)的調(diào)制作用。未來(lái)在該綜合觀測(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)增加正負(fù)離子濃度儀、氣體濃度觀測(cè)和全天空相機(jī)等觀測(cè)設(shè)備，結(jié)合地方地震觀測(cè)臺(tái)的氡氣濃度等觀測(cè)數(shù)據(jù)，為研究地震等地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)提供參考依據(jù)。

致謝 中國(guó)科學(xué)院地震預(yù)測(cè)研究所張學(xué)民、熊攀、杜曉輝提供了實(shí)驗(yàn)支持，北京市昌平區(qū)十三陵觀測(cè)站提供了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供氣象數(shù)據(jù)。