大气电场是大气物理和空间物理领域的重要物理现象。大气电场的测量方法和特征研究对提高雷电灾害预警能力、研究雷暴云电荷结构、保障航天活动的顺利进行等具有重要的理论和应用价值。长期以来,人们将地面看作是理想的导体,认为大气电场只存在垂直于地面的分量。但大气电场仪的安装地面通常为混凝土、沥青、土壤等介质,并不能看作是良好的导体。基于此,分析地面介电常数对大气电场三维分量的影响,研究三维大气电场测量和传感器校准方法,利用三维大气电场仪观测不同天气过程中的大气电场,为雷电预警和雷暴云电荷模型的研究提供一种新的途径。主要研究内容和结论如下:（1）基于静电场理论,分析大气电场水平和垂直分量随地面介电常数、雷暴云的距离的变化趋势,发现随着雷暴云与大气电场仪的水平距离R和高度H的比值R/H的增加,水平分量将逐渐超过垂直分量。证明了雷暴天气时地面大气电场存在不可忽视的水平分量,为研制三维大气电场仪奠定了理论基础。（2）在传统大气电场仪的基础上,设计了三维大气电场测量电路。为提高观测数据的精度和一致性,研究了大气电场传感器的校准方法。利用解析法定量分析了大气电场传感器校准平台的结构参数、传感器自身、极板倾斜和瑕疵对均匀电场的影响,提出了校准平台的确定依据:若设极板的直径和间距分别为2D和2d,当传感器距离极板边缘的水平距离大于1.37d时,电场的不均匀性将小于0.5%;若传感器的等效直径为2 r,则极板的直径和间距均大于14.14r时,传感器引起的电场不均匀性将小于0.5%。（3）利用三维大气电场仪观测了不同天气过程中大气电场,得到结论:晴天地面大气电场的水平分量十分微弱,垂直分量的日变化具有双峰双谷的波形,气溶胶和水汽是造成日变化的重要原因,两者的浓度与大气电场呈正相关;在伴随有闪电的雨天,地面三维大气电场的峰值与雨强呈正相关,电场的峰值时间超前于雨强的峰值时间。雾霾天地面大气电场同时具有较强的垂直和水平分量,幅值和雾霾程度呈正相关,垂直分量随着雾霾增强而向负极性变化。雷暴天气过程中大气电场的大小和极性变化能反映雷暴云电荷的距离和闪电的种类。（4）提出了基于三维大气电场和多元经验模态分解（MEMD）的雷电预警方法。实验验证了三维大气电场估算雷暴云电荷中心方位角的可行性。利用IMF的能量和中心频率的变化进行了雷电预警,并采用江苏省闪电定位系统的观测数据进行了检验。统计分析表明检测概率达到了76.2%,虚警概率为27.3%。相对于传统的阈值法,虚警概率减少了14.4%。（5）基于雷暴云的多层电荷模型,建立地面三维大气电场与模型参数之间的函数关系。利用地面电场的观测值反演了各层电荷量、雷暴云与观测点的水平距离、电荷中心的高度等参数。利用反演得到的参数,估算了地面多个站点的大气电场值,结果表明估算值接近于实际站点的观测值。