梁俊聰 陳思毅 劉桂華 陳飛盛

摘 要：大氣負離子濃度與降雨密切相關。利用蒙山縣文圩鎮(zhèn)大氣負離子觀測站逐5 min濃度數(shù)據(jù)及文圩鎮(zhèn)自動氣象站逐5 min降雨數(shù)據(jù)，探討兩次不同性質的降雨過程中負離子濃度的變化特征，并初步分析成因。分析認為，兩種性質降雨對負離子濃度上升均具有正向作用，但負離子濃度上升的時間段不同。對于持續(xù)性弱降雨，或短時強降雨的開始時段，負離子濃度峰值（或躍增趨勢）總是先于降雨峰值出現(xiàn);對于短時強降雨的主要降雨階段，則降雨峰值要先于負離子濃度峰值出現(xiàn)。降雨性質及儀器探測兩種效應疊加，在弱降雨情況下（或短時強降雨初始階段），大氣水汽壓明顯先于儀器降雨值出現(xiàn)，導致負離子濃度峰值先于降雨峰值出現(xiàn)。

關鍵詞：大氣負離子濃度;短時強降雨;負離子濃度峰值;降雨峰值

中圖分類號：X51;X831文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）16-0139-04

Abstract： The atmospheric anion concentration is closely related to rainfall. Based on the five minute concentration data of Wenwei atmospheric negative ion observation station and the five minute rainfall data of Wenwei automatic meteorological station， this paper discussed the variation characteristics of negative ion concentration in two different rainfall processes， and made a preliminary genetic analysis. The analysis shows that the two kinds of rainfall have positive effects on the rise of anion concentration， but the time period of the rise of anion concentration is different. For the beginning period of continuous weak rainfall or short-term heavy rainfall， the peak value of negative ion concentration （or the trend of jump increase） always appears before the peak value of rainfall. For the main rainfall stage of short-term heavy rainfall， the peak value of rainfall appears before the peak value of negative ion concentration. Under the condition of weak rainfall （or the initial stage of short-term heavy rainfall）， the vapor pressure of atmospheric water obviously appears before the rainfall value of the instrument， resulting in the peak of negative ion concentration appearing before the rainfall peak.

Keywords： atmospheric anion concentration;short-term heavy rainfall;peak value of anion concentration;peak value of rainfall

大氣負離子濃度指單位體積空氣中的負離子數(shù)目。清潔空氣中的負氧離子含量較高，因此負離子濃度的高低常被作為空氣清新與否的重要指標[1-3]。2016年5月，蒙山縣被評為“全國休閑農(nóng)業(yè)與鄉(xiāng)村旅游示范縣”;2017年，蒙山縣設立大氣負離子濃度觀測站，助力鄉(xiāng)村生態(tài)旅游建設。因此，對蒙山縣大氣負離子濃度變化進行分析研究，有助于當?shù)匕l(fā)展鄉(xiāng)村生態(tài)旅游經(jīng)濟[3-4]。本文利用蒙山縣文圩鎮(zhèn)大氣負離子觀測站逐5 min濃度數(shù)據(jù)，以及文圩鎮(zhèn)自動氣象站逐5 min降雨數(shù)據(jù)，探討兩次不同性質的降雨過程中負離子濃度的變化特征，并對成因進行初步分析。

1 兩次不同性質降雨特征分析

選取蒙山縣文圩鎮(zhèn)2019年6月26日19：00至27日08：00降雨過程（以下簡稱過程一）和2019年7月14日13：00—19：00降雨過程（以下簡稱過程二）作為分析對象。

過程一的降雨可細分為3個階段、14次子降雨過程，子降雨過程持續(xù)時間最短為5 min、最長為75 min，累積降雨量最小為0.1 mm、最大為21.3 mm。最大子過程累積雨量占全過程總雨量的80%。第一階段為6月26日19：00至23：55，測站共計出現(xiàn)了4次短時降雨，強度均較小。第一次短時降雨出現(xiàn)在19：40—19：45，時段累積雨量為0.2 mm;第二次短時降雨出現(xiàn)在20：25—21：00，時段累積降雨量為2.7 mm，其中20：35—20：40出現(xiàn)1.5 mm的降雨值;第三次短時降雨出現(xiàn)在22：20—22：35，時段累積降雨量為0.6 mm;第四次短時降雨出現(xiàn)在22：40—22：45，時段累積降雨量為0.1 mm。第二階段為26日23：55至27日01：15，測站出現(xiàn)短時強降雨，80 min降雨量達21.3 mm，逐5 min雨量時序分布呈現(xiàn)3次峰值（見圖1）。其中27日00：00—01：00，小時降雨量達到20.9 mm。分析逐5 min雨量，在00：05—00：10、00：15—00：20，共計2次出現(xiàn)4.1 mm的5 min累積雨量峰值;00：00—00：20連續(xù)4次出現(xiàn)5 min累積雨量大于2 mm;00：45出現(xiàn)第三次5min累積雨量峰值，為1.6 mm。第三階段為01：20—08：00，測站以間歇性短時降雨為主，共計出現(xiàn)9次，階段累積雨量僅為1.7 mm。

過程二的降雨細分為2個階段、15次子降雨過程，整體雨量較小，子降雨過程持續(xù)時間最短為5 min、最長為70 min，累積降雨量最小0.1 mm、最大1.9 mm。第一階段，測站出現(xiàn)了3次短時降雨，分別為09：05—09：10、11：20—11：25、13：10—13：15，5 min累積雨量均為0.1 mm。第二階段共計出現(xiàn)12次子降雨過程，主要降雨集中在3次連續(xù)降雨，分別為13：20—14：30，14：45—15：45，17：45—18：20，對應的累積雨量分別為2.0、1.7、1.2 mm。除3次連續(xù)降雨外，時段內(nèi)的其余降雨均為短時弱降雨，降雨持續(xù)時間為5～10 min，累積降雨量不超過0.3 mm。

分析這兩次降雨過程，過程一主要降雨集中在1 h內(nèi)發(fā)生，且時段累積降雨量較大，主要降雨外的其余時段，降雨很小，具有顯著的短時強降雨特征;過程二主要降雨的持續(xù)時間明顯長于過程一，接近2.5 h，但整體降雨強度及滾動5 min降雨量均較小，過程中最大的5 min累積雨量僅為0.3 mm，共出現(xiàn)了5次，其余時段為間歇性降雨，5 min累積雨量不超過0.2 mm。過程二屬于持續(xù)性弱降雨。

2 負離子濃度變化分析

2.1 過程一負離子濃度變化情況

對于過程一，時段內(nèi)共計出現(xiàn)了14次子降雨過程，14次子降雨過程均出現(xiàn)了負離子濃度上升的情況，但負離子濃度上升的時段有所不同。其中3次為降雨前、中、后均出現(xiàn)持續(xù)上升;5次為降雨前、降雨中出現(xiàn)上升，降雨后濃度下降;2次為降雨前、降雨后出現(xiàn)下降，降雨中呈現(xiàn)上升;3次為降雨前出現(xiàn)下降、降雨中及降雨后出現(xiàn)上升;另有1次為降雨前出現(xiàn)上升，降雨中、降雨后出現(xiàn)持續(xù)下降。從統(tǒng)計結果可以看出，64%的子降雨過程，負離子濃度在過程前出現(xiàn)上升的情況;93%的子降雨過程，負離子濃度在過程中呈現(xiàn)上升的情況;43%的子降雨過程，負離子濃度在降雨后出現(xiàn)上漲的情況。過程一中，負離子濃度共出現(xiàn)10個峰值，其中2個出現(xiàn)在子降雨過程中，最大值為10 749個/cm3，最大增幅接近3倍。

分析過程一中最主要的子降雨過程（6月26日23：55至27日01：15）的負離子濃度變化（見圖2）。該子降雨過程持續(xù)時間為80 min，距離上一子降雨過程結束，時間間隔為75 min，距離下一子降雨過程，時間間隔為5 min。子降雨過程累積雨量為21.3 mm，逐5 min雨量曲線呈現(xiàn)出3個峰值，峰值分別為4.1、4.1、1.6 mm。在子降雨過程出現(xiàn)前25 min，負離子濃度就已開始出現(xiàn)明顯上升，26日23：35從1 688個/cm3躍增至23：55的10 382個/cm3，27日00：00出現(xiàn)10 749個/cm3峰值，并以10 000個/cm3以上的濃度維持至00：15，為該子降雨時段的負離子濃度主峰值。隨后27日00：20下降至7 816個/cm3，00：25再次出現(xiàn)上升，濃度為8 231個/cm3，此為該子降雨時段的負離子濃度次峰值。隨后負離子濃度迅速下降，至00：45下降至3 092個/cm3，00：45后，負離子濃度第三次出現(xiàn)上升，至00：55出現(xiàn)第三峰值，濃度為5 051個/cm3。00：55后負離子濃度出現(xiàn)該子降雨時段內(nèi)的最后一次波動，01：15出現(xiàn)第四峰值，濃度為5 058個/cm3。配合子降雨過程內(nèi)的逐5 min降雨量進行分析可發(fā)現(xiàn)，負離子濃度在子降雨時段開始前就已經(jīng)出現(xiàn)明顯上升，負離子濃度主峰值出現(xiàn)在子降雨開始5 min后，即27日00：00，而子降雨時段的第一次降雨峰值出現(xiàn)在10 min后，即00：10，5 min累積降雨量4.1 mm;隨后降雨量出現(xiàn)波動，00：20出現(xiàn)第二個降雨量峰值，5 min累積雨量亦為4.1 mm;5 min后，即00：25對應出現(xiàn)負離子濃度的次峰值;隨后降雨量再次出現(xiàn)波動，于00：45出現(xiàn)第三個峰值，5 min累積雨量1.6 mm，00：50出現(xiàn)負離子濃度的第三峰值。

2.2 過程二負離子濃度變化情況

對于過程二，時段內(nèi)共計出現(xiàn)了15次子降雨過程，15次子降雨過程均出現(xiàn)了負離子濃度升高情況，但負離子濃度升高的時段有所不同。其中4次為降雨前、中、后均出現(xiàn)持續(xù)上升;5次為降雨前、中出現(xiàn)上升，降雨后濃度下降;3次為降雨前、降雨后出現(xiàn)上升，降雨中呈現(xiàn)下降;2次為降雨前出現(xiàn)上升、降雨中及降雨后出現(xiàn)持續(xù)下降;1次為降雨前下降，降雨中、后出現(xiàn)上升。從統(tǒng)計結果可以看出，93%的子降雨過程，負離子濃度在過程前就已經(jīng)出現(xiàn)了上升情況;66%的子降雨過程，負離子濃度在降雨過程中有所上漲;53%的子降雨過程，負離子濃度在降雨后出現(xiàn)上漲。過程二中，負離子濃度共出現(xiàn)13個峰值，其中6個出現(xiàn)在子降雨過程中，最大值為7 127個/cm3，最大增幅接近1.5倍;其余峰值出現(xiàn)在降雨間歇期，最大值為8 727個/cm3，最大增幅為2倍。

分析過程二中最主要的子降雨過程（7月14日13：20—14：30）的負離子濃度變化。該子降雨過程累積降雨量為2.0 mm，過程中共出現(xiàn)3次雨量峰值，分別為13：35的0.2 mm、14：00的0.3 mm以及14：15的0.2 mm。而子降雨過程中對應的負離子濃度峰值有4個，分別為13：30的2 918個/cm3、13：45的3 291個/cm3、14：00的7 127個/cm3、14：15的6 579個/cm3。第一次負離子濃度峰值早于第一次雨量峰值出現(xiàn)，提前時間為5 min;第二次雨量峰值與第三次負離子濃度峰值同時出現(xiàn)，但在此之前已出現(xiàn)第二次負離子濃度峰值，且13：50—13：55，負離子濃度從2 985個/cm3迅速躍增至6 201個/cm3，增幅達到1倍以上，躍增現(xiàn)象的出現(xiàn)時間早于第二次雨量峰值，提前時間為10 min;同樣地，第四次負離子峰值與第三次雨量峰值同時出現(xiàn)，但在此之前，負離子濃度也出現(xiàn)了躍增現(xiàn)象，從14：10的3 074個/cm3躍增至14：15的6 579個/cm3，增幅超過1倍，同時在14：20，負離子濃度亦維持了較高數(shù)值，達到6 544個/cm3。

2.3 負離子濃度變化分析

對比分析過程一及過程二的負離子濃度變化可得出以下結論。

從時間特征上分析，負離子濃度峰值基本伴隨著降雨量峰值出現(xiàn)。在短時強降雨中，負離子濃度峰值在降雨量峰值前、后均有出現(xiàn);而在持續(xù)性弱降雨中，負離子濃度峰值（或負離子濃度上升趨勢）總是較降雨量峰值提前出現(xiàn)。

從濃度值上分析，短時強降雨中，負離子濃度的躍增幅度較持續(xù)弱降雨更為明顯。短時強降雨中，負離子濃度平均值上升較持續(xù)性弱降雨明顯。過程一中，短時強降雨出現(xiàn)前后，負離子平均濃度值從2 749個/cm3躍增至接近7 000個/cm3，增幅超過1倍;反觀過程二，降雨出現(xiàn)前后，負離子平均濃度值從2 349個/cm3增至4 318個/cm3，增幅略低于過程一。

黃世成等人采用通徑分析方法，對影響負離子濃度的氣象環(huán)境因素進行分析后指出，平均水汽壓是影響負離子濃度變化的最大氣象環(huán)境因子[5]。分析負離子濃度峰值（或負離子濃度上升趨勢）較降雨量峰值提前出現(xiàn)且在持續(xù)性弱降雨中較短時強降雨更為明顯的原因，主要考慮兩個原因：一是與降雨性質有很大關系[6-8];二是與現(xiàn)有降雨探測原理有關。

對于較強降雨，由于雨滴體積較大，因此雨滴在空中停留時間相對較短。當空中形成降雨時，大氣水汽壓開始增加，大氣負離子濃度開始上升，隨后降雨落至地面并被儀器測出。大氣水汽壓增加導致負離子濃度上升，與降雨落至地面并被儀器測出的時間差不會太長。而對于弱降雨（例如，毛毛雨）而言，由于雨滴體積很小，因此，降雨在空中飄浮的時間相對較長，從降雨開始出現(xiàn)到被儀器測出，時間差相對較大，從而導致大氣水汽壓上升（即負離子濃度增加），與降雨被儀器測出的時間差較長。

從降雨探測原理來分析，現(xiàn)有自動氣象站基本采用翻斗式雨量計來探測降雨，每個翻斗翻轉的雨量閾值為0.1 mm。對于較強降雨而言，由于雨滴較大，雨滴到達翻斗后并達到閾值的時間較快，時間延誤較小;而對于較弱降雨（如毛毛雨）而言，由于雨滴體積較小，雨滴到達翻斗并達到閾值，需要時間相對較長。因此，弱降雨情形下，降雨出現(xiàn)到被儀器測出的時間差大于強降雨。

因此，降雨性質及儀器探測兩種效應疊加，在弱降雨情況下，大氣水汽壓明顯先于儀器降雨值出現(xiàn)，因此負離子濃度峰值先于降雨峰值出現(xiàn)。在短時強降雨初始階段，若降雨先以弱降雨的狀態(tài)開始，則也會出現(xiàn)負離子濃度峰值先于降雨峰值出現(xiàn)的情形。

3 結論

通過分析得知，兩次不同性質的降雨對蒙山縣負離子濃度的變化有著不同的影響特征。兩種性質降雨對負離子濃度上升均具有正向作用，但負離子濃度上升的時間段不同。對于持續(xù)性弱降雨，或短時強降雨的開始時段，負離子濃度峰值（或躍增趨勢）總是先于降雨峰值出現(xiàn)。對于短時強降雨的主要降雨階段，降雨峰值要先于負離子濃度峰值出現(xiàn)。

弱降雨情形下，負離子濃度峰值（或躍增趨勢）先于降雨峰值出現(xiàn)，主要有兩個原因。一是降雨性質導致。由于雨滴體積很小，降雨在空中飄浮的時間相對較長，從降雨開始出現(xiàn)到被儀器測出，時間差相對較大，從而導致大氣水汽壓上升（即負離子濃度增加）與降雨被儀器測出的時間差較長。

二是降雨探測原理問題。目前自動雨量站均采用翻斗式雨量計，對于較弱降雨（例如，毛毛雨）而言，由于雨滴體積較小，雨滴到達翻斗并達到閾值，需時相對較長。因此，弱降雨情形下降雨出現(xiàn)到被儀器測出的時間差，會大于強降雨。

因此，降雨性質及儀器探測兩種效應疊加，在弱降雨情況下（或短時強降雨初始階段），大氣水汽壓明顯先于儀器降雨值出現(xiàn)，導致負離子濃度峰值先于降雨峰值出現(xiàn)。

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