江西省空氣負離子濃度特征與氣象因子相關分析

方硯秋 張方敏 陳龍 李柏貞 王懷清

(1 南京信息工程大學 應用氣象學院 氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心 /江蘇省農業(yè)氣象重點實驗室，南京 210044；2 江西省生態(tài)氣象中心，南昌 330096；3 江西省氣候中心，南昌 330096)

引 言

空氣負離子(Negative Air Ion， NAI)，又稱負氧離子，是空氣中一種帶負電的離子，具有殺菌、降塵、清潔空氣、提高免疫力、調節(jié)機能平衡的功效[1]。自然界中空氣負離子的產生機制主要分為物理、生物兩大類，物理類指大氣中的氧分子受閃電、雷暴、風暴及空氣和山地巖石中放射性元素誘導而發(fā)生電離以及水分子的分解等[2-3]；生物類指森林中樹冠、枝葉的尖端放電以及綠色植物光合作用中的光電效應等[4-5]。研究表明空氣負離子濃度越高，空氣質量越高，對人體越有益，因而空氣負離子濃度成為了評價空氣質量好壞的重要指標。

目前國內外學者關于空氣負離子濃度的研究主要集中于時空分布特征及水體、植物、建筑、溫濕壓風等天氣條件的影響[6-9]。研究指出，在森林和綠地空氣負離子濃度明顯高于城市中心，并且空氣負離子濃度時間變化差異較大；空氣負離子濃度總體表現(xiàn)為白天大于夜間，但對于峰值時刻不同學者研究結果不同[10-13]。有學者認為空氣負離子濃度與氣象因子以及天氣狀況有顯著相關的關系[14-16]；但是又有學者認為，空氣負離子濃度和氣象因子關系難以統(tǒng)一[17]。不同天氣條件下空氣負離子含量大小順序為雨天>晴天>陰天[15，18]，但降水時間和降水量對其的影響研究尚未有明確。

因此，本文選取2019年1—12月較為完整的江西省靖安森林試驗基地空氣負離子濃度觀測資料以及氣象因子資料進行分析。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

江西省森林生態(tài)氣象(靖安)觀測基地位于靖安縣生態(tài)公益林場周坊分場大洞口護林點(29°3′45″N， 115°21′45″E)，海拔279 m，坡度35°左右，山脈南坡。靖安屬于北亞熱帶濕潤氣候，春季回暖遲，有春寒，夏季炎熱時間長，秋季涼得快，冬季較寒冷，四季分明。全年雨量充沛，光照充足。春季(3—5月)陰冷多雨，平均氣溫為17.3℃，常出現(xiàn)大風、強降雨、冰雹等強對流性天氣，4月開始進入汛期；夏季(6—8月)溫高濕重，平均氣溫為27.6℃，汛期與伏秋期在此季交匯，6—7月中旬降雨集中，易發(fā)暴雨洪澇；秋季(9—11月)秋高氣爽，平均氣溫為19℃，多晴好天氣，風不大，濕度較小，氣溫適中；冬季(12月—次年2月)濕冷，平均氣溫為7.2℃，冷空氣影響頻繁，多偏北大風，近年來冬季平均氣溫呈上升趨勢，降水量也呈明顯上升的趨勢。

1.2 數(shù)據(jù)來源和方法

空氣負離子數(shù)據(jù)來源于江西省氣象局森林生態(tài)氣象(靖安)觀測基地觀測站，觀測采用EP100B大氣負離子監(jiān)測系統(tǒng)，采用電容式吸入法監(jiān)測NAI，測量范圍為0～9.99×108個/cm3，測量分辨率10個/cm3，遷移率大于等于0.4 cm2·v-1·s-1，測量精度小于等于8%，采集頻率10 s/次，觀測時間為2019年1月1日—12月31日。此外，在林中設立36 m高塔，在高塔上同步觀測地上四層(頂層(冠上5 m)、林冠層(22 m)、冠內層(8 m)、底層(1.5 m))、地被層和地下四層(地面以下5、10、20、40、80 cm)的風溫濕壓和太陽輻射等微氣象要素，觀測站參照國家林業(yè)局林業(yè)行業(yè)標準《森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站建設技術要求》建站，溫濕度與輻射觀測儀器采樣頻率10 s/次，存儲1 min均值，風向風速觀測儀器采樣頻率2 s/次，存儲1 min均值，降雨量觀測儀器降水時觸發(fā)，存儲時間[19]。為保證數(shù)據(jù)的真實可靠，對數(shù)據(jù)進行三倍標準差法檢驗與異常值的剔除，并對不同層的數(shù)據(jù)運用散點圖初步分析，選取與空氣負離子相關性最好的頂層(冠上5 m)氣象數(shù)據(jù)。

剔除異常值后，采用皮爾遜積矩相關系數(shù)法[12-14]、逐步回歸分析法[15，18]等常規(guī)氣象統(tǒng)計方法，研究不同時間尺度空氣負離子濃度特征。

2 結果分析

2.1 空氣負離子濃度變化特征

由圖1可見，靖安年平均空氣負離子濃度為2 187個/cm3，其中夏季平均空氣負離子濃度最高，為2 910個/cm3；春季次之，平均空氣負離子濃度為2 324個/cm3；冬季平均空氣負離子濃度為1 957個/cm3；秋季平均空氣負離子濃度最低，為1 756個/cm3。月平均濃度最大值為3 718個/cm3，出現(xiàn)在7月；最小值為1 385個/cm3，出現(xiàn)在1月。空氣負離子月平均濃度1—7月呈上升趨勢，7—12月呈下降趨勢，其中5—7月上升迅速，7—9月明顯下降。圖1 a中有5個月的月平均濃度超出年平均濃度，分別為2—4月、6月和7月。

空氣負離子濃度不同季節(jié)的日變化特征如圖2所示，四季日變化均呈現(xiàn)單峰分布，白天的空氣負離子濃度高于夜間，峰值均出現(xiàn)在白天，但是谷值出現(xiàn)時間季節(jié)差異較大。夏季，空氣負離子濃度峰值出現(xiàn)在06時(北京時，下同)，谷值出現(xiàn)在23時。春季，空氣負離子濃度峰值出現(xiàn)在10時，谷值出現(xiàn)在23時；秋季，空氣負離子濃度峰值出現(xiàn)在09時，谷值出現(xiàn)在13時；冬季，空氣負離子濃度峰值出現(xiàn)在13時，谷值出現(xiàn)在17時。

表1 空氣負離子濃度與各氣象因子尺度和月尺度相關系數(shù)Table 1 Correlation coefficient among negative air ion concentration and meteorological factors

圖1 空氣負離子濃度年變化Fig.1 Anaully variation of negative air ion concentration

圖2 空氣負離子濃度日變化Fig.2 Diurnal variation of negative air ion concentration

2.2 空氣負離子濃度與氣象因子相關性分析

各個氣象因子對空氣負離子濃度的影響不同。在月尺度上，除降水量(P<0.01)與空氣負離子濃度成顯著正相關外，其他氣象因子與空氣負離子濃度均沒有顯著的相關性，相關系數(shù)表現(xiàn)為降水量>相對濕度>氣溫>凈輻射>風速(表1)。其中，空氣負離子濃度的變化特征與月降水量的變化特征具有一致性(圖3)。在日尺度上，除風速以及凈輻射外，其他氣象因子與空氣負離子濃度均成顯著正相關(P<0.01)，其中相關系數(shù)表現(xiàn)為降水量>氣溫>相對濕度>凈輻射>風速(表1)。

圖3 空氣負離子濃度與月降雨量相關性Fig.3 Correlation of negative air ion concentrationwith precipitation

以5%的可靠性作為因變量的入選和剔除臨界值，采用逐步回歸法建立空氣負離子濃度的預測方程。結果顯示，在月尺度上，最優(yōu)空氣負離子濃度預測方程為降水量(PRE)的函數(shù)，即：Y=1 581.75+6.49PRE(R2=0.67，P<0.01)。在日尺度上，最優(yōu)空氣負離子濃度預測方程為氣溫(TA)和降水量(PRE)的函數(shù)，即：Y=903.05+79.49TA+27.31PRE(R2=0.47，P<0.01)。

不同天氣條件對空氣負離子濃度的影響也不同。四個季節(jié)晴天空氣負離子濃度均低于雨天，其中夏季晴雨天空氣負離子濃度相差最大(晴天日平均濃度為2 515.15個/cm3，雨天為3 428.65個/cm3)，春季與冬季晴雨天相差濃度相似(春季晴雨天相差416.22個/cm3，冬季晴雨天相差426.19個/cm3)，秋季晴雨天空氣負離子濃度相差最小(33.08個/cm3)。晴天空氣負離子濃度與氣象因子相關系數(shù)關系表現(xiàn)為氣溫>相對濕度>凈輻射>風速。表明，氣溫、相對濕度、凈輻射的增加均會導致空氣負離子濃度的升高。雨天相關系數(shù)表現(xiàn)為降水量>氣溫>凈輻射>相對濕度>風速(表2)。采用逐步回歸法，以不同天氣條件下的空氣負離子濃度為因變量，以氣象因子為自變量，得出不同天氣條件下的空氣負離子濃度的最優(yōu)預測模型，晴天時為氣溫和相對濕度的方程：Y=554.26+56.64TA+8.71RH(R2=0.20，P<0.01)；雨天時為氣溫和降水量的方程：Y=883.21+80.38TA+26.38PRE(R2=0.44，P<0.01)。

表2 空氣負離子濃度與各氣象因子相關系數(shù)Table 2 Correlation coefficient between negative air ion concentration and meteorological factors

2.3 不同降水對空氣負離子濃度的影響

2.3.1 降水時間對空氣負離子濃度的影響

不同季節(jié)的典型雨日降雨時間以及空氣負離子濃度的變化特征如圖4。雨天的空氣負離子日變化不再遵循季節(jié)性日變化特征，雨天的峰值隨著降水時間的變化而變化。春季典型雨日(4月23—25日)第一次降水后的峰值出現(xiàn)在雨后的7 h，第二次降水后的峰值出現(xiàn)在雨后的9 h；相較于未降水條件下，降水后的空氣負離子濃度更高(圖4a)。夏季降水頻繁，夏季典型雨日(7月12—14日)的空氣負離子濃度日變化也較春季雨天更為復雜，雨后的峰值出現(xiàn)在每次降水后的7～15 h(圖4b)。秋季典型雨日(11月17—19日)的空氣負離子濃度日變化較其他三個季節(jié)最為規(guī)律，兩次降水后的空氣負離子濃度峰值均出現(xiàn)在雨后的9 h(圖4c)。冬季典型雨日(1月8—10日)第一次降水后的空氣負離子濃度峰值出現(xiàn)在雨后的11 h，第二次降水后的峰值出現(xiàn)在雨后的9 h(圖4d)?？傮w來看，降水導致不同季節(jié)的降水空氣負離子峰值的延遲程度不同，夏季延遲效果最明顯，但同一季節(jié)相鄰3 d的延遲程度也不完全相同。

2.3.2 降水量對空氣負離子濃度的影響

不同等級降水量對空氣負離子濃度的影響不同(圖5)。由圖可知，隨著降水量的增加，空氣負離子濃度整體呈上升趨勢。當降水量在0～10 mm時，空氣負離子濃度沒有明顯變化，降水量對空氣負離子濃度幾乎沒有影響，此時空氣負離子濃度相對較低；當降水量大于10 mm時，空氣負離子濃度開始隨降水量的增加而增加；當降水量達到25～50 mm時，空氣負離子濃度最大；但暴雨天氣出現(xiàn)時(降水量大于50 mm)，隨著降水量的增加，空氣負離子濃度大幅下降?？傮w來看，空氣負離子濃度隨著降水量的增加表現(xiàn)為先增加再減小，最大空氣負離子濃度位于降水量為25～50 mm時。

圖4 典型雨日空氣負離子濃度變化Fig.4 Variation of negative air ion concentration in typical rain days

圖5 不同日降水量下空氣負離子濃度分布Fig.5 Distribution of negative air ion concentration under daily precpitation

3 空氣負離子濃度及其影響因子

3.1 空氣負離子濃度變化特征及其與氣象因子的相關性

本文利用亞熱帶濕潤氣候區(qū)的江西省靖安森林試驗基地空氣負離子濃度觀測資料，發(fā)現(xiàn)空氣負離子濃度的日變化、季節(jié)變化均有明顯的差異性。研究發(fā)現(xiàn)1 d中空氣負離子濃度變化較為明顯，白天高于夜間[18，20]，但不同于前人所提出的日變化呈“雙峰型”[7，13]，認為靖安站的空氣負離子濃度日變化呈“單峰型”。空氣負離子濃度也存在明顯季節(jié)性差異，夏季的空氣負離子濃度最高，春季次之，這與前人研究相同[18-20]，同時發(fā)現(xiàn)，靖安站的空氣負離子濃度秋季最低，可能是由于靖安春夏兩季多雨，冬季濕冷，而秋季秋高氣爽。

有研究認為氣溫和濕度可能是決定空氣負離子濃度的主要因素[7]。彭春梅等[21]認為空氣負離子濃度與溫度呈正相關，隨空氣相對濕度的升高呈現(xiàn)3種變化趨勢[9]；或是認為空氣負離子濃度與溫度相關性不大但與相對濕度呈正相關[22]；也有學者認為空氣負離子濃度與溫度呈負相關，與相對濕度呈顯著正相關[23-24]。在日尺度上，靖安空氣負離子濃度與溫度呈顯著正相關，其原因可能是溫度升高可使分子或原子熱運動速度加快，相互間碰撞幾率增加，碰撞電離幾率增加；氧的電離能較大，溫度升高使分子或原子的平均動能升高，氧被電離的能力升高，空氣負離子增多，負離子含量升高[25]。

3.2 不同天氣條件下的空氣負離子濃度及降水對其的影響

天氣狀況對空氣負離子濃度有顯著影響。晴天時負離子濃度明顯增大，但雨后天晴時空氣負離子比干燥晴天還要高，呈現(xiàn)雨后>晴天>陰天[15，18]，尤其雷雨過后空氣中負離子濃度明顯增高[19]。雨過天晴過后，空氣濕度大，空氣中塵埃少，植物光合作用強烈，所以雨后負離子含量明顯高于晴天。而陰天的負離子含量之所以低于晴天，是因為晴天太陽光強烈，豐富的紫外線有助于空氣負離子的產生，植物的光合作用也比較強烈[25]。同時雷電的沖擊帶來大量的負離子，降水的同時會增加負離子密度，降低正離子密度[26]。本研究結果也發(fā)現(xiàn)雨天的空氣負離子濃度高于晴天，且在雨后的7～15 h空氣負離子的濃度達到峰值。

不同季節(jié)的雨天峰值出現(xiàn)時間有所不同，相鄰降水事件峰值出現(xiàn)時間也不完全相同，可能是降水量的不同而產生的差異，相似于“不同降水量和降水時長對PM2.5有不同程度的清除作用”[27]。當降水量在0～10 mm時，降水對空氣負離子濃度的變化沒有明顯作用，隨后隨著降水量逐漸增加，空氣負離子濃度也隨之增加，可能是由于動態(tài)水在高速運動時水滴會破碎，水滴破碎后會失去電子而成為正離子，而周圍空氣捕獲電子而成為負離子。當出現(xiàn)暴雨天氣的時候，空氣負離子濃度反而呈現(xiàn)下降趨勢，可能是暴雨沖刷掉一定濃度的空氣負離子或是周圍空氣不能迅速捕獲電子而成為負離子，也可能是在暴雨的條件下其他的氣象因子如風速[17]、輻射[28]等作用的結果，各氣象因子之間存在自相關作用，因此，具體原因還需進一步加強研究。

4 結論

基于亞熱帶濕潤氣候區(qū)的江西省靖安森林試驗基地空氣負離子濃度的觀測資料得出結論如下：

(1)靖安年平均空氣負離子濃度2 187個/cm3，其中夏季平均空氣負離子濃度最高(2 910個/cm3)，春季次之(2 324個/cm3)，冬季(1 957個/cm3)低于春季，秋季最低(1 756個/cm3)。四季日變化均呈單峰型，且峰值均出現(xiàn)在白天，白天的空氣負離子濃度高于夜間。夏季，空氣負離子濃度峰值出現(xiàn)在06時，谷值出現(xiàn)在23時。春季，空氣負離子濃度峰值出現(xiàn)在10時，谷值出現(xiàn)在23時。秋季，空氣負離子濃度峰值出現(xiàn)在09時，谷值出現(xiàn)在13時。冬季，空氣負離子濃度峰值出現(xiàn)在13時，谷值出現(xiàn)在17時。

(2)空氣負離子濃度主要受溫度和降水的影響。日變化上，氣溫與降水的作用最為顯著；月尺度上，降水對空氣負離子濃度的影響更為顯著。降水對空氣負離子的作用主要分為降水對其日變化峰值的影響以及降水量對其的影響。雨天的空氣負離子濃度高于晴天，春季雨天峰值出現(xiàn)在開始降水的7～9 h后，夏季峰值出現(xiàn)在開始降水后7～15 h，秋季峰值出現(xiàn)在開始降水后9 h，冬季峰值出現(xiàn)在開始降水后9～11 h。當降水量在0～10 mm時，降水對空氣負離子濃度的變化沒有明顯作用，隨后隨著降水量逐漸增加，空氣負離子濃度也隨之增加，當出現(xiàn)暴雨天氣的時候，空氣負離子濃度反而呈現(xiàn)下降趨勢。