陳臻皓 林子倫 林金標

(1.福建省德化縣氣象局，福建 泉州 362500；2.福建省泉州市氣象局，福建 泉州 362000)

大氣負氧離子具有降塵、滅菌的功能，并能調(diào)節(jié)人體生理機能，有保健作用。許多研究表明，大氣負氧離子像食物中的維生素一樣，人和動物雖然需求不多，但長期缺少，就會影響機體的正常生理活動，甚至引起疾病。大氣負氧離子的保健作用包括：調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)功能；加強新陳代謝、促進血液循環(huán)；提高肝、腎、腦等組織的功能；改善呼吸系統(tǒng)功能和循環(huán)系統(tǒng)功能等[1]。目前有關(guān)大氣負氧離子的理論和技術(shù)已被應用于很多領(lǐng)域，比如醫(yī)學、環(huán)境和旅游等行業(yè)[2]。我國各地氣象部門積極開展大氣負氧離子濃度的監(jiān)測和分析工作，北京、天津等地已經(jīng)開展大氣負氧離子濃度預報業(yè)務(wù)，在實際運用中取得了較好的社會效益[3]。

德化縣地處福建省中部，旅游資源豐富，但對旅游生態(tài)環(huán)境的研究開展較少。2019年德化縣獲評中國“天然氧吧”稱號，成為泉州地區(qū)首個獲此稱號的縣市。本文開展大氣負氧離子濃度的監(jiān)測和分析，并建立德化縣大氣負氧離子濃度預報業(yè)務(wù)，有助于積極開發(fā)旅游氣象服務(wù)產(chǎn)品[4]，持續(xù)發(fā)掘氣候旅游資源，為德化縣打造具有高品質(zhì)的鄉(xiāng)村游、休閑游提供氣象支撐。

1 資料和方法

德化大氣負氧離子濃度監(jiān)測設(shè)備采用華創(chuàng)FR500負氧離子監(jiān)測儀，設(shè)備安裝位置與德化國家氣象觀測站僅一墻之隔，便于維護。大氣負氧離子監(jiān)測設(shè)備全天候24小時不間斷工作，每5分鐘自動采集空氣中負氧離子濃度數(shù)據(jù)，并實時向服務(wù)器無線傳輸數(shù)據(jù)。

本文分析資料取自2019年5月至2020年10月較完整的逐小時大氣負氧離子濃度數(shù)據(jù)，以及同期的氣溫、降水量、相對濕度、平均風速、日照時數(shù)、氣壓等氣象要素的資料。先對數(shù)據(jù)進行預處理[5]：明顯異常(9999或者-9999)、長時間為0(較小值或者維持一個數(shù)值無變動)或者缺測數(shù)據(jù)，均判識為異常數(shù)據(jù)，剔除異常數(shù)據(jù)之后，用算術(shù)平均方法進行統(tǒng)計。每日至少有20個有效小時平均值，每個月必須至少25個有效日平均值。本文有效日平均值為522個。采用單因素Pearson相關(guān)性分析方法研究大氣負氧離子濃度與氣溫、濕度、日照等氣象要素之間的關(guān)系，根據(jù)它們的相關(guān)關(guān)系，采用逐步回歸方法建立負氧離子濃度預報方程。根據(jù)福建氣候特點，春、夏、秋、冬四季分別定義為3～6月、7～9月、10～11月以及12月～次年2月。

2 結(jié)果分析

2.1 大氣負氧離子濃度隨時間變化特征

2.1.1 大氣負氧離子濃度的日變化特征

圖1為2019—2020年德化縣大氣負氧離子濃度的日變化統(tǒng)計結(jié)果。由圖1可見，德化大氣負氧離子濃度日變化表現(xiàn)出一個很明顯的峰值，即每日的午夜至清晨這一段時間濃度較高：每日04時至08時大氣負氧離子濃度均在1000個/cm3以上，最高出現(xiàn)在07時。白天至傍晚這一段時間濃度降低，最低出現(xiàn)在19時。這種變化趨勢與居民的活動有一定的關(guān)系。白天到傍晚人類活動較多，人流以及車流都是高峰時段，空氣中的煙、粉塵含量有所增多，降低了大氣負氧離子的濃度，因此大氣負氧離子濃度的日變化規(guī)律為：午夜至清晨較高，白天到傍晚較低，最大值出現(xiàn)在早晨時段。早晨(06～07時)濃度最高，在這段時間晨練可以呼吸到負氧離子含量相對較高的清新空氣。

圖1 德化大氣負氧離子濃度日平均變化

2.1.2 大氣負氧離子濃度的月和季變化特征

德化城區(qū)每日平均大氣負氧離子濃度為978個/cm3，空氣較清新。德化縣的月、季大氣負氧離子濃度統(tǒng)計結(jié)果見圖2和表1，從中可見，德化縣不同月份不同季節(jié)，大氣負氧離子濃度各不相同。從逐月變化情況來看(圖2)，1月濃度最高，達到1294個/cm3，9月達到全年最小值，為844個/cm3。由表1可以看出明顯的季節(jié)變化，冬季大氣負氧離子濃度最高，夏季最低，春季高于秋季，這與邵海榮[1]、顧小麗[10]等的研究結(jié)果夏季最高、冬季最低結(jié)果不同。有研究發(fā)現(xiàn)[3、6、13]，大氣負氧離子濃度明顯的季節(jié)變化和當?shù)靥厥獾淖匀坏乩憝h(huán)境以及氣候類型有關(guān)。德化縣國家氣象觀測站所處地理位置春冬季霧日是夏秋季的4.5倍，大霧天氣下有強烈的逆溫層存在，空氣聚集一起流通差，不利于污染物擴散，受此影響，大氣負氧離子濃度也有所降低。另外，冬季的晴天日數(shù)遠遠多于夏季，晴天紫外線到達量多于陰天，而紫外線是大氣負氧離子的主要來源。曾曙才等[7]研究表明，晴天的大氣負氧離子濃度要高于陰天。

圖2 德化大氣負氧離子濃度逐月變化

表1 德化大氣負氧離子濃度季節(jié)分布

2.2 人類活動對大氣負氧離子濃度的影響

大氣負氧離子濃度與空氣的污染程度呈現(xiàn)負相關(guān)的關(guān)系，環(huán)境污染嚴重的情況下，大氣負氧離子濃度比較低。人類活動、汽車尾氣以及工廠廢氣排放等都會增加空氣中的粉塵、煙霧和CO2濃度，負氧離子與空氣中的正離子更容易相互碰撞形成中性分子，它們相互融合為較大的氣溶膠粒子而且大于空氣的浮力，氣溶膠粒子會降落到地面，導致空氣中負氧離子數(shù)減少，濃度降低。在自然生態(tài)系統(tǒng)中，森林和濕地是產(chǎn)生負氧離子的重要場所。在遠離鬧市的戴云山國家級保護區(qū)，植被茂密，沒有污染物影響，其年平均大氣負氧離子濃度為黃龍山的兩倍以上。

3 大氣負氧離子濃度與氣象要素的相關(guān)關(guān)系及預報模型

3.1 大氣負氧離子濃度與氣象要素的相關(guān)關(guān)系

氣溫、濕度、風速、雨量等氣象要素對大氣負氧離子有較大影響，但由于測量地點、儀器、時間和精度的不同，導致氣象要素與大氣負氧離子的關(guān)系結(jié)論都不一樣[8]。本文利用觀測環(huán)境以及采樣時間較一致且連續(xù)觀測的德化縣國家氣象觀測站氣象要素和大氣負氧離子觀測數(shù)據(jù)進行分析。

對德化城區(qū)大氣負氧離子日均值與日時間尺度的氣溫、濕度、雨量、氣壓、日照以及風速做相關(guān)性分析。大氣負氧離子濃度的日變化與日平均氣溫、日總?cè)照諘r數(shù)、日平均風速呈負相關(guān)，與日降水量、日平均氣壓、日平均相對濕度呈正相關(guān)；與氣溫呈負相關(guān)、與濕度呈正相關(guān)，和王寶[13]、袁相洋[16]等的研究成果一致，但相關(guān)系數(shù)整體不顯著。相關(guān)性結(jié)果不顯著是因為大氣負氧離子受氣象要素的影響十分復雜[5,9,12]。因大氣負氧離子濃度有較明顯的季節(jié)變化，所以按四季劃分進行相關(guān)性分析，四季的大氣負氧離子濃度個數(shù)與氣象要素的分析結(jié)果見表2。

表2 氣象要素與大氣負氧離子濃度相關(guān)系數(shù)

春季和夏季，德化大氣負氧離子濃度與日雨量呈正相關(guān)。說明在這兩個季節(jié)，德化城區(qū)出現(xiàn)降水對大氣負氧離子濃度有較明顯的提高作用。德化春、夏季多對流性降水，降水通常伴有雷電活動，自然界中的雷電活動可以使周圍空氣電離，形成負離子。有資料研究顯示，雷陣雨過后的晴朗天氣下，大氣負氧離子會顯著上升。所以在春、夏季，下雨天對大氣負氧離子濃度的影響較大。

秋季與大氣負氧離子濃度相關(guān)最大的為平均風速，其次為平均氣溫和相對濕度?？諝庵械呢撾x子由空氣分子電離產(chǎn)生，當空氣流動速度過快時，不利于空氣在靜穩(wěn)條件下電離出負離子，從而影響到空氣中負氧離子的濃度。

冬季日平均氣溫對大氣負氧離子濃度影響較大，兩者呈現(xiàn)負相關(guān)。氣溫升高時，空氣中的污染物會發(fā)生一系列的光合化學反應，加劇污染，污染物擴散的過程中吸附負離子，導致大氣負氧離子濃度降低。

3.2 預報方程的建立和檢驗

3.2.1 預報方程建立

根據(jù)大氣負氧離子濃度與氣象要素之間的關(guān)系，建立各個季節(jié)多元回歸預報方程。初選所有6個因子作為候選因子，上述相關(guān)性分析表明，春季正相關(guān)2個，負相關(guān)4個，相關(guān)系數(shù)為-0.08～0.39；夏季和秋季均為正相關(guān)4個，負相關(guān)2個，相關(guān)系數(shù)分別為-0.13～0.29以及-0.58～0.15；冬季正負相關(guān)各3個，相關(guān)系數(shù)-0.44～0.11。采用逐步回歸方法，分別從六個要素中引入回歸效果較好的要素，剔除掉效果差的要素，得到四季預報方程：

春季：y=6142.08-4.57T+5.24R+65.15Ws-5.57P

(1)

夏季：y=873.81+13.01T+5.98S+4.10R-0.44P

(2)

秋季：y=1620.17-23.57T-0.31U-99.12Ws

(3)

冬季：y=38086.48-49.37T-13.51Ws-38.37P

(4)

式(1)～式(4)中，y為每日大氣負氧離子平均濃度，T為日平均溫度，R為日總降水量，U為每日平均相對濕度，Ws為日平均風速(2分鐘)，S為每天日照時數(shù)，P為日平均本站氣壓。

3.2.2 預報方程檢驗

選取2019年5月至2020年4月的數(shù)據(jù)作為檢驗樣本，將這12個月的數(shù)據(jù)按四季劃分后，代入預報方程中，計算出的大氣負氧離子濃度值與實際觀測值進行對比。

從圖3可以看出，除個別極值外，模式變化趨勢與實際觀測值較為一致，預報大氣負氧離子濃度的量級整體比較接近，平均每日預報濃度值誤差為39個/cm3，預報值與觀測值相比偏少。預報方程得出的大氣負氧離子濃度值相比于實際值有時偏差較大，這可能是因為影響大氣負氧離子濃度的要素眾多[10]，預報方程只是引入了有限的氣象因子，難以全面體現(xiàn)。而連陰雨、強對流等天氣對預報方程的預報效果也有一定影響[11]，另外不同天氣狀況下也經(jīng)常會有短時跳變的發(fā)生[5,9]。大氣負氧離子濃度因地區(qū)不同,觀測結(jié)果差異顯著[14]。國內(nèi)外對大氣負氧離子濃度與氣象因子的關(guān)系研究也各不相同，甚至相反[15],因此大氣負氧離子的研究結(jié)論不具普適性。

(a)春季大氣負氧離子濃度檢驗 (b)夏季大氣負氧離子濃度檢驗

(c)秋季大氣負氧離子濃度檢驗 (d)冬季大氣負氧離子濃度檢驗圖3 各季逐日大氣負氧離子濃度觀測值與預報值比較

4 結(jié)論

①德化大氣負氧離子濃度隨時間變化特征明顯，日變化規(guī)律是午夜至清晨較高，白天到傍晚較低，最大值出現(xiàn)在早晨(06-07時)，季節(jié)變化上表現(xiàn)為冬季大氣負氧離子濃度高，夏季低。

②影響大氣負氧離子濃度的主要氣象因子四季各不相同，按照相關(guān)性順序，春季是降水、風速和氣壓，夏季是降水、氣溫和氣壓，秋季是風速、氣溫和濕度，冬季是氣溫、氣壓和風速。

③大氣負氧離子濃度預報方程的建立實現(xiàn)了德化城區(qū)大氣負氧離子濃度定量化預報的突破，為提高旅游氣象服務(wù)水平和旅游質(zhì)量提供科學依據(jù)。

④由于大氣負氧離子觀測資料年限較短，所建立的預報方程較粗略，有待進一步改進，在檢驗中誤差大的樣本可能是由于特殊天氣現(xiàn)象或天空狀況的出現(xiàn)使得預報結(jié)果可信度產(chǎn)生偏差，這是下一階段需要解決的重點問題。隨著觀測數(shù)據(jù)的完善，設(shè)備的穩(wěn)定以及研究的不斷深入，對大氣負氧離子濃度的分析結(jié)論會更加完善，預報準確率也會進一步提高。