武平縣負(fù)氧離子濃度預(yù)報(bào)模型的建立及檢驗(yàn)分析*

朱冬梅 盧海深 蔡添星

(福建省武平縣氣象局,福建 武平 364300 )

武平縣地處閩粵贛三省交界處，氣候獨(dú)特，風(fēng)光秀麗，境內(nèi)群山疊翠，溪流密布，是首批國(guó)家全域旅游示范區(qū)，2017年創(chuàng)福建省首個(gè)“中國(guó)天然氧吧”。國(guó)家級(jí)4A景區(qū)梁野山保護(hù)區(qū)擁有完好的天然原始森林群落，被譽(yù)為“天然綠色基因庫(kù)”。近年來(lái)，武平縣精心打造“來(lái)武平，我氧你”生態(tài)品牌，充分利用和發(fā)揮“中國(guó)天然氧吧”品牌效應(yīng)，積極推進(jìn)全域旅游示范區(qū)發(fā)展。2017年武平縣氣象局在武平縣城區(qū)(25.05N，116.06E，海拔高度307m)和梁野山景區(qū)(25.09N，116.08E，海拔高度593m)內(nèi)各安裝了一套Fair365負(fù)氧離子監(jiān)測(cè)儀，目前能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)氧離子濃度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，然而對(duì)負(fù)氧離子濃度的定量化預(yù)報(bào)與其在旅游生態(tài)環(huán)境的應(yīng)用尚未開(kāi)展，本文通過(guò)對(duì)武平縣城區(qū)和梁野山景區(qū)負(fù)氧離子濃度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，開(kāi)展其與氣溫、相對(duì)濕度、雨量等氣象因素的相關(guān)性研究，建立負(fù)氧離子濃度最優(yōu)預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)其定量化預(yù)報(bào)，深度融入“來(lái)武平，我氧你”的旅游宣傳，為武平生態(tài)旅游建設(shè)、文旅康氧項(xiàng)目的申報(bào)服務(wù)提供有力的數(shù)據(jù)支撐，建立具有武平特色的旅游氣象服務(wù)產(chǎn)品，為武平文化旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展增加效益。

1 資料選取和方法

1.1 觀測(cè)儀器和標(biāo)準(zhǔn)

負(fù)氧離子濃度測(cè)量采用北京華創(chuàng)維想科技開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司FR500負(fù)氧離子監(jiān)測(cè)儀，測(cè)量范圍是0～50000個(gè)/cm3，分辨率是1個(gè)/cm3,離子遷移率為0.4 cm3/v.sec。本文參考世界衛(wèi)生組織標(biāo)準(zhǔn)及中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(LY/T 2586-2016)，根據(jù)平均值劃分空氣負(fù)氧離子濃度等級(jí)，如表1所示。

表1 負(fù)氧離子濃度等級(jí)劃分

1.2 研究資料和方法

本文選取2017年12月-2018年11月武平縣城區(qū)及梁野山景區(qū)2個(gè)站點(diǎn)逐日、逐時(shí)負(fù)氧離子濃度實(shí)況資料，分析負(fù)氧離子濃度與相對(duì)濕度、氣溫、雨量等氣象要素的相關(guān)性，采用SPSS軟件選取與負(fù)氧離子濃度相關(guān)性好的氣象要素作為逐步回歸方程的預(yù)報(bào)因子，建立最優(yōu)預(yù)報(bào)模型。

2 武平縣負(fù)氧離子濃度與氣象要素的相關(guān)性分析

2.1 負(fù)氧離子濃度與氣象要素的相關(guān)性分析

本文從相對(duì)濕度、氣溫、雨量、風(fēng)速4個(gè)氣象要素來(lái)分析武平縣空氣負(fù)氧離子濃度與氣象因子之間的相關(guān)性。選取2017年12月至2018年11月武平城區(qū)站和梁野山站一整年負(fù)氧離子日資料與日平均氣溫(Tm)、日最高氣溫(Th)、日最低氣溫(Tl)、日平均風(fēng)速(V)、日平均相對(duì)濕度(U)、日雨量(R)6個(gè)氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)影響負(fù)氧離子濃度的因素較為復(fù)雜，武平縣2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的負(fù)氧離子濃度與影響的氣象因子也有所不同(見(jiàn)表2)。城區(qū)站負(fù)氧離子濃度與U、Tl、Tm和Th呈顯著正相關(guān)，與V呈負(fù)相關(guān)；梁野山站負(fù)氧離子濃度與R和U相呈顯著正相關(guān)，與Tm和Th不相關(guān)，與V呈負(fù)相關(guān)。由此可見(jiàn)，U是影響武平負(fù)氧離子濃度變化的關(guān)鍵因子，并與之呈正相關(guān)。

表2 武平負(fù)氧離子濃度與氣象因子的相關(guān)性分析

2.2 負(fù)氧離子濃度在不同天氣背景下的變化特征分析

從觀測(cè)的雨量要素分析，將2017年12月至2018年11月期間的天氣劃分為無(wú)雨(包含微量降水)、有雨兩類(lèi)，分別對(duì)負(fù)氧離子濃度進(jìn)行分析，結(jié)果表明，有雨天負(fù)氧離子濃度高于無(wú)雨天，梁野山站高于城區(qū)站。

城區(qū)無(wú)雨日數(shù)為229天，負(fù)氧離子濃度平均值為1279.9個(gè)/cm3，最大值為5166.8個(gè)/cm3，最小值為721.7個(gè)/cm3；有雨日數(shù)為136天，負(fù)氧離子濃度平均值為1564.2個(gè)/cm3，最大值為6757.4個(gè)/cm3，最小值為737.7個(gè)/cm3。

梁野山無(wú)雨日數(shù)為213天，負(fù)氧離子濃度平均值為1612.4個(gè)/cm3，最大值為2243個(gè)/cm3，最小值為1218.8個(gè)/cm3；有雨日數(shù)為152天，負(fù)氧離子濃度平均值為1782.9個(gè)/cm3，最大值為3205.1個(gè)/cm3，最小值為1207.8個(gè)/cm3。梁野山大氣負(fù)氧離子濃度極值差異相對(duì)較小。

2.3 負(fù)氧離子濃度與氣象因子的典型個(gè)例分析

由于梁野山大氣負(fù)氧離子濃度各尺度變化均較小，所以本文選取城區(qū)2018年9月7日一次強(qiáng)降雨天氣過(guò)程作為典型個(gè)例進(jìn)行分析。

武平縣城區(qū)9月7日為多云轉(zhuǎn)陰，有暴雨并伴有雷電，日雨量為63.9mm。由圖1可知，負(fù)氧離子濃度呈現(xiàn)明顯的日變化，7日負(fù)氧離子濃度呈現(xiàn)雙峰值，波動(dòng)起伏特征明顯，日均值高達(dá)6758.8個(gè)/cm3。結(jié)合此次降水過(guò)程分析，7日共出現(xiàn)2個(gè)降水時(shí)段與負(fù)氧離子濃度的雙峰值相對(duì)應(yīng)，降水從7日03時(shí)開(kāi)始持續(xù)到07時(shí)，可以看到降水出現(xiàn)后負(fù)氧離子濃度也迅速增大，負(fù)氧離子濃度從02時(shí)的1176.9個(gè)/cm3階越到14141.4個(gè)/cm3，并在雨量最大的04時(shí)出現(xiàn)一個(gè)峰值(15932.9個(gè)/cm3)，而后隨著降水的停止，負(fù)氧離子濃度也在下降；從18時(shí)到20時(shí)出現(xiàn)另一個(gè)降水時(shí)段，這個(gè)時(shí)段的降水較前個(gè)時(shí)段更加明顯并出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)34.6mm/h，從負(fù)氧離子濃度的變化來(lái)分析，隨著降水的再次出現(xiàn)，負(fù)氧離子濃度又一次增大，峰值依然出現(xiàn)在雨強(qiáng)最大對(duì)應(yīng)的18時(shí)(達(dá)16883.2個(gè)/cm3)，并且隨著降水的停止，負(fù)氧離子濃度也迅速減小到1000個(gè)/cm3以下。

從9月7日負(fù)氧離子濃度與R、U、T、V等氣象因子的相關(guān)性分析，結(jié)果表明負(fù)氧離子濃度與U、R呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.770和0.538。

圖1 2018年9月7日城區(qū)站負(fù)氧離子與雨量變化情況

3 武平縣負(fù)氧離子濃度預(yù)報(bào)模型的建立及檢驗(yàn)

3.1 武平縣負(fù)氧離子濃度預(yù)報(bào)模型的建立

通過(guò)上述相關(guān)性分析可得，影響武平縣空氣負(fù)氧離子濃度日變化的主要?dú)庀笠蜃邮荱、R、Th、V、Tm、Tl。將日平均負(fù)氧離子濃度作為因變量Y，U、R、Th、V、Tm、Tl作為自變量。采用SPSS軟件選取多元線性回歸和曲線回歸(線性、對(duì)數(shù)、二次項(xiàng)式、S模型等多種函數(shù))進(jìn)行擬合，選取最優(yōu)方式進(jìn)行逐步回歸，建立R2最大且通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的模型(見(jiàn)表3)。城區(qū)和梁野山的多元回歸方程和回歸系數(shù)均通過(guò)0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，梁野山站的回歸方程是以U顯著相關(guān)的線性方程為最佳模型，城區(qū)站的回歸方程雖然在統(tǒng)計(jì)上是顯著的，但擬合度不高。

表3 武平負(fù)氧離子濃度預(yù)報(bào)方程及檢驗(yàn)

3.2 武平縣城區(qū)站負(fù)氧離子濃度分季節(jié)預(yù)報(bào)模型的建立

為了進(jìn)一步建立更加精細(xì)的城區(qū)站負(fù)氧離子濃度預(yù)報(bào)模型，按照分季節(jié)的氣象要素相關(guān)性影響，建立不同季節(jié)的負(fù)氧離子獨(dú)立預(yù)報(bào)模型。先分析各季負(fù)氧離子濃度與氣象要素的相關(guān)性，再選取相關(guān)性最好的氣象因子建立曲線擬合回歸方程。以武平縣冬季預(yù)報(bào)模型為例，冬季負(fù)氧離子與相對(duì)濕度的相關(guān)性最好，利用武平縣城區(qū)站日平均負(fù)氧離子濃度為因變量Y，以日平均相對(duì)濕度為自變量U，用SPSS軟件進(jìn)行曲線擬合，預(yù)報(bào)模型擬合(圖2),預(yù)報(bào)模型和相關(guān)參數(shù)(表4)。

圖2 武平城區(qū)冬季預(yù)報(bào)模型擬合圖

表4 武平城區(qū)負(fù)氧離子冬季預(yù)報(bào)模型

多種擬合方式中，以二次多項(xiàng)式模型的相關(guān)系數(shù)(R2)0.386為最大，與負(fù)氧離子濃度實(shí)際觀測(cè)值的分布趨勢(shì)較接近。因此，城區(qū)站冬季負(fù)氧離子濃度預(yù)報(bào)模型選擇二次多項(xiàng)式，其回歸方程如下：

Y=1763.040-30.183U+0.316U2

(1)

其中Y為日平均負(fù)氧離子濃度，U為日平均相對(duì)濕度。

同樣，選取春季、夏季、秋季三季相關(guān)性最好的氣象因子建立曲線回歸預(yù)報(bào)方程，以日平均負(fù)氧離子濃度Y為因變量，以相關(guān)性最大的氣象因子為自變量，用多元線性回歸和曲線擬合(選擇線性、對(duì)數(shù)、二次多項(xiàng)式、S曲線)，得到城區(qū)其它季節(jié)的預(yù)報(bào)方程如下：

春季預(yù)報(bào)方程(二次多項(xiàng)式)：

Y=68.921+28.808U-0.157U2

(2)

夏季預(yù)報(bào)方程(S曲線)：

Y=e7.890-41.480/U

(3)

秋季預(yù)報(bào)方程：(S曲線)

Y=e7.629-25.429/U

(4)

3.3 預(yù)報(bào)模型的檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)際的預(yù)報(bào)效果，分別對(duì)武平縣城區(qū)站和梁野山站日負(fù)氧離子濃度預(yù)報(bào)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，選取2018年12月整月資料作為檢驗(yàn)樣本，將逐日數(shù)據(jù)代入武平縣城區(qū)負(fù)氧離子濃度全年預(yù)報(bào)模型及城區(qū)站分季節(jié)預(yù)報(bào)模型中，分別計(jì)算日負(fù)氧離子濃度數(shù)值(見(jiàn)圖3)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，分季節(jié)細(xì)化的相對(duì)濕度曲線回歸負(fù)氧離子濃度預(yù)報(bào)模型與實(shí)測(cè)負(fù)氧離子濃度值數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)更為一致，數(shù)值與實(shí)測(cè)值更為接近。因此，武平縣城區(qū)負(fù)氧離子濃度預(yù)測(cè)模型選用分季節(jié)的濕度曲線預(yù)報(bào)模型效果更好。

圖3 武平城區(qū)冬季負(fù)氧離子濃度預(yù)報(bào)模型檢驗(yàn)

從梁野山負(fù)氧離子濃度預(yù)報(bào)模型的檢驗(yàn)結(jié)果看，雖然選擇相對(duì)濕度單要素線性相關(guān)預(yù)報(bào)模型，但預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值接近，檢驗(yàn)效果非常好，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高。

圖4 武平梁野山負(fù)氧離子濃度預(yù)報(bào)模型檢驗(yàn)

4 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)武平縣負(fù)氧離子濃度變化與氣象因子的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)城區(qū)站和梁野山站影響負(fù)氧離子濃度的氣象要素略有不同，總體分析，影響武平縣負(fù)氧離子濃度日變化的關(guān)鍵氣象因子為相對(duì)濕度，并與之呈正相關(guān)。

從負(fù)氧離子濃度在不同天氣背景下的變化特征分析，發(fā)現(xiàn)負(fù)氧離子濃度在有雨天高于無(wú)雨天，梁野山站負(fù)氧離子濃度日平均值高于城區(qū)站。

在武平城區(qū)一次典型降水過(guò)程中負(fù)氧離子濃度與雨量變化情況分析，負(fù)氧離子濃度變化峰值與降水峰值有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且與相對(duì)濕度、雨量呈正相關(guān)。

從武平縣負(fù)離子濃度預(yù)報(bào)模型檢驗(yàn)來(lái)看，利用相對(duì)濕度建立的負(fù)氧離子濃度預(yù)報(bào)模型具有較好的預(yù)測(cè)能力。城區(qū)站分季節(jié)負(fù)氧離子濃度預(yù)報(bào)模型的預(yù)報(bào)值與實(shí)際值更接近，可為開(kāi)展負(fù)氧離子濃度精細(xì)化預(yù)報(bào)提供支撐。