姜燕敏，李正泉，郁珍艷，吳昊旻，王 闊

(1.麗水市氣象局，麗水 323000；2.浙江省氣候中心，杭州 310017)

0 引言

空氣負(fù)氧離子是帶有負(fù)電荷的氣體分子和輕離子團(tuán)的總稱[1，2]，對人體健康有積極作用，被稱為“空氣維生素和生長素”，具有殺毒、降塵作用，可改善人體心肺功能，促進(jìn)新陳代謝，提高免疫力等[3，4]?？諝庳?fù)氧離子的濃度高低常被作為衡量空氣質(zhì)量好壞、空氣清新與否的重要指標(biāo)[5]，其監(jiān)測數(shù)據(jù)已被廣泛應(yīng)用于天然氧吧、氣候康養(yǎng)等評(píng)估認(rèn)定工作。

目前對于空氣負(fù)氧離子濃度分布特征及影響因素的研究較多[6-8]，在空氣負(fù)離子的變化規(guī)律[9]、預(yù)報(bào)模型[10]、分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[11，12]和開發(fā)利用[13]等方面亦有較多相關(guān)研究已開展。但針對空氣負(fù)氧離子觀測數(shù)據(jù)特性分析以及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的研究，目前尚不多見。

近年來隨著生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)[14，15]，人們對宜居環(huán)境質(zhì)量提出了更高要求，空氣清新問題已成為人們最關(guān)心的生態(tài)環(huán)境問題之一[16]，作為反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的正向指標(biāo)——空氣負(fù)氧離子[17，18]的監(jiān)測和使用也越來越多。隨著全國負(fù)氧離子觀測站點(diǎn)的增多，監(jiān)測信息更加豐富，負(fù)氧離子監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍、使用頻次以及相關(guān)產(chǎn)品的制作發(fā)布等均在快速擴(kuò)展和增長，有關(guān)負(fù)氧離子的監(jiān)測、評(píng)價(jià)、產(chǎn)品發(fā)布和信息傳播也越來越受社會(huì)公眾關(guān)注。由于負(fù)氧離子觀測易受儀器自身及外部環(huán)境因素干擾，觀測數(shù)據(jù)中常會(huì)存在一些異常值和錯(cuò)誤值，若對這些數(shù)據(jù)不進(jìn)行質(zhì)量控制而直接開展分析評(píng)價(jià)，就很可能影響評(píng)估結(jié)果的科學(xué)合理性，致使人們對其產(chǎn)品信息的傳播產(chǎn)生質(zhì)疑。文章基于負(fù)氧離子觀測數(shù)據(jù)敏感性分析試驗(yàn)及儀器對比觀測試驗(yàn)，分析研究了負(fù)氧離子觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的原因，并在此基礎(chǔ)上研究了負(fù)氧離子觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)方法，以便為空氣負(fù)氧離子數(shù)據(jù)的科學(xué)分析及客觀評(píng)價(jià)提供參考。

1 資料與方法

為分析負(fù)氧離子觀測數(shù)據(jù)特性，有針對性地選取數(shù)據(jù)質(zhì)量控制指標(biāo)，文章開展了負(fù)氧離子儀器對比觀測試驗(yàn)和觀測數(shù)據(jù)敏感性分析試驗(yàn)，并對浙江省53個(gè)負(fù)氧離子監(jiān)測站多年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。觀測試驗(yàn)及各監(jiān)測站的負(fù)氧離子觀測，其觀測儀器離子遷移率的設(shè)定為不小于0.4 cm2/(v·s)。

1.1 對比觀測試驗(yàn)

2017-08-20-2017-09-05(8月26日有1次明顯的雷電過程)，在杭州下沙氣象探測基地試驗(yàn)場內(nèi)開展了負(fù)氧離子儀器對比觀測試驗(yàn)，參與對比觀測試驗(yàn)的廠商有啟源、華思通、威德、郞凈、依派、云創(chuàng)、雙順達(dá)和東創(chuàng)旭新等，每個(gè)廠家提供3臺(tái)同一型號(hào)的空氣負(fù)氧離子觀測儀，所有觀測儀器共同放置在同一試驗(yàn)場內(nèi)。文章選取了其中一個(gè)廠家在典型日的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)(觀測輸出數(shù)據(jù)為5 min/次)，分析儀器性能、環(huán)境干擾及雷電過程等對負(fù)氧離子觀測的影響。

1.2 敏感性分析試驗(yàn)

選用杭州市饅頭山負(fù)氧離子監(jiān)測站2016年1月-2017年6月逐時(shí)觀測數(shù)據(jù)，開展負(fù)氧離子觀測數(shù)據(jù)敏感性分析試驗(yàn)，該監(jiān)測站位于國家基本氣象站杭州站(站號(hào)：58457)的氣象觀測場內(nèi)。為便于更直觀地說明問題，文章僅選取典型時(shí)段觀測個(gè)例進(jìn)行分析，所使用的氣象數(shù)據(jù)及空氣污染PM2.5數(shù)據(jù)為杭州氣象站同期觀測資料。

1.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制指標(biāo)篩選

以浙江省30個(gè)縣區(qū)53個(gè)負(fù)氧離子監(jiān)測站的2013-2017年逐時(shí)觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開展負(fù)氧離子數(shù)據(jù)質(zhì)量控制規(guī)則及質(zhì)控指標(biāo)合理閾值的統(tǒng)計(jì)分析。在53個(gè)負(fù)氧離子監(jiān)測站中，有18個(gè)監(jiān)測站位于氣象觀測場內(nèi)、35個(gè)監(jiān)測站位于旅游景區(qū)，其中：海拔高度低于150 m的站點(diǎn)有33個(gè)，150～300 m的站點(diǎn)有6個(gè)，高于300 m的站點(diǎn)有14個(gè)。

2 負(fù)氧離子觀測數(shù)據(jù)異常分析

空氣中的負(fù)離子不斷生成，也不斷被正離子中和，負(fù)氧離子觀測儀器測量的是“生成”與“中和”兩個(gè)動(dòng)態(tài)過程下的瞬時(shí)值，因此負(fù)氧離子觀測數(shù)據(jù)具有非連續(xù)、跳變特性，在日常觀測中，其觀測值易受觀測環(huán)境擾動(dòng)和儀器自身性能影響。

2.1 雷電過程

在負(fù)氧離子儀器對比觀測試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)，8月26日上午有1次明顯的雷電過程，此過程中負(fù)氧離子觀測值產(chǎn)生了劇烈跳變，雷擊前后時(shí)刻的負(fù)氧離子數(shù)值可相差十幾倍甚至幾十倍。06：25-09：00，負(fù)氧離子觀測值從400個(gè)/cm3，急劇跳升至5000個(gè)/cm3以上，期間劇烈波動(dòng)，一度達(dá)到11，000個(gè)/cm3和9000個(gè)/cm3等高值。若將這些高值數(shù)據(jù)(超出平常數(shù)值10倍)直接參與負(fù)氧離子小時(shí)值或日平均值計(jì)算，顯然會(huì)造成嚴(yán)重拉高現(xiàn)象，但這些數(shù)據(jù)也具有一定觀測合理性(雷擊確可使空氣中負(fù)電荷激增)，亦不宜直接將其當(dāng)作“錯(cuò)誤”數(shù)據(jù)予以剔除。因此，在進(jìn)行負(fù)氧離子數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)特別注意雷電過程的觀測數(shù)據(jù)，需對其區(qū)別對待(如：它們可參與負(fù)氧離子極大值統(tǒng)計(jì)，但不宜參與平均值計(jì)算等)。

2.2 高濕天氣

高濕天氣條件下，尤其是強(qiáng)降水和濃霧天氣，負(fù)氧離子觀測值會(huì)出現(xiàn)驟升或驟降的情況。負(fù)氧離子觀測數(shù)據(jù)對空氣濕度敏感性分析試驗(yàn)表明：當(dāng)空氣相對濕度大于95%時(shí)，負(fù)氧離子觀測值出現(xiàn)了異常波動(dòng)，多次出現(xiàn)劇烈上升和下降，當(dāng)相對濕度下降到90%以下時(shí)，負(fù)氧離子觀測值恢復(fù)正常。目前，盡管多數(shù)儀器廠商都強(qiáng)調(diào)他們的負(fù)氧離子觀測儀可在空氣相對濕度0～100%范圍內(nèi)正常工作，但考慮到儀器是通過電容測量微電量的工作原理(根據(jù)微電量換算成負(fù)氧離子濃度)，且觀測儀器大多沒有安裝除濕裝置，因此高濕條件下觀測的負(fù)氧離子數(shù)據(jù)仍需謹(jǐn)慎使用(瀑布區(qū)內(nèi)負(fù)氧離子觀測值高達(dá)數(shù)10萬個(gè)/cm3，該值極有可能是水汽引起的測量失常)。

2.3 重污染過程

多數(shù)人認(rèn)為：清潔空氣負(fù)氧離子含量高，污濁空氣負(fù)氧離子含量低，因此負(fù)氧離子成為了表征空氣清新度的重要指標(biāo)[19]。但文章發(fā)現(xiàn)：重污染天氣過程中，負(fù)氧離子濃度有增加現(xiàn)象，且維持在較高水平。這一異常情況的發(fā)生，可從負(fù)氧離子觀測原理角度給予解釋：負(fù)氧離子觀測儀測量的是單位流速空氣中所含氣體分子和輕離子團(tuán)吸附的電子數(shù)量，污染過程空氣中顆粒物增多，顆粒物吸附電子數(shù)量增加，體現(xiàn)在儀器觀測值上就是負(fù)氧離子濃度數(shù)值增大。僅從觀測角度而言，這些數(shù)據(jù)應(yīng)是正確的，但在實(shí)際應(yīng)用中這些數(shù)據(jù)是不能使用的，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)與空氣清新度的評(píng)價(jià)共識(shí)相悖。當(dāng)重污染過程發(fā)生，PM2.5濃度在150 μg/m3以上時(shí)，負(fù)氧離子濃度值達(dá)到了2000 個(gè)/cm3以上；按照氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QX/T 380-2017判定規(guī)則[17](負(fù)氧離子濃度值等于或高于1200 個(gè)/cm3，即為空氣清新)，此時(shí)空氣清新度應(yīng)判定為“空氣清新”。但事實(shí)是此時(shí)正在發(fā)生空氣重度污染，這明顯違背了空氣清新度評(píng)價(jià)共識(shí)。因此，對待重污染天氣過程的負(fù)氧離子觀測數(shù)據(jù)，必須另加處理方可使用，以免造成評(píng)判結(jié)果與事實(shí)相悖的錯(cuò)誤。

2.4 進(jìn)風(fēng)口受干擾

負(fù)氧離子觀測儀器的進(jìn)風(fēng)口被異物遮擋(儀器維護(hù)不便的野外站點(diǎn)會(huì)時(shí)常發(fā)生)時(shí)，負(fù)氧離子觀測值會(huì)出現(xiàn)偏低現(xiàn)象。有蜘蛛網(wǎng)在儀器進(jìn)風(fēng)口遮擋時(shí)，負(fù)氧離子觀測值明顯較正常情況偏低，清理蜘蛛網(wǎng)后，儀器觀測恢復(fù)正常。在儀器觀測對比試驗(yàn)時(shí)，有1臺(tái)儀器的觀測值相比于其他2臺(tái)出現(xiàn)了異常波動(dòng)現(xiàn)象，大致推斷當(dāng)時(shí)可能有人員在儀器附近活動(dòng)或者有昆蟲在儀器進(jìn)風(fēng)口活動(dòng)。

2.5 儀器性能不穩(wěn)定

在負(fù)氧離子儀器觀測對比試驗(yàn)過程中(8月20日-9月5日)，大多廠商的觀測儀器都或多或少地出現(xiàn)了數(shù)據(jù)缺測和儀器運(yùn)行不穩(wěn)定問題。

3 負(fù)氧離子觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

由上述可知，雷電過程、高濕條件、重污染過程及其他觀測環(huán)境干擾和儀器自身性能不穩(wěn)定等因素，均會(huì)造成負(fù)氧離子觀測數(shù)據(jù)異常。若不對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測質(zhì)量排查，直接將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)，很可能會(huì)影響評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性和可信度。針對負(fù)氧離子異常觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生原因，文章制定了負(fù)氧離子數(shù)據(jù)質(zhì)控規(guī)則，并使用浙江省53個(gè)負(fù)氧離子監(jiān)測站的2013-2017年觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行了數(shù)據(jù)質(zhì)量控制試驗(yàn)。

3.1 界限值檢查

利用合理界限值(上限與下限)作為負(fù)氧離子觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制檢查指標(biāo)，找出觀測數(shù)據(jù)中的極大異常值和極小噪音值(圖1)。由于觀測站點(diǎn)類型不同(森林、草地、城市等)，界限值的大小設(shè)置不可使用同一指標(biāo)，應(yīng)采用如下方式確定：以多年觀測(至少1 a)的負(fù)氧離子濃度中位值(Med)[20]為基礎(chǔ)，0.05×Med作為觀測下限值，10×Med作為觀測上限值。值得注意的是：盡管通過界限值檢查能夠找出異常數(shù)據(jù)(異常數(shù)據(jù)明顯偏離觀測群體，其觀測合理性存在很大質(zhì)疑)，但并不能直接將這些數(shù)據(jù)判定為“錯(cuò)誤”數(shù)據(jù)，因?yàn)橛行?shù)據(jù)可能具有一定觀測合理性(如：雷擊數(shù)據(jù)等)。因此，在數(shù)據(jù)質(zhì)量控制過程中，對于超出界限值以外的數(shù)據(jù)，僅將其診斷判識(shí)為“可疑”數(shù)據(jù)，不將其歸入“錯(cuò)誤”數(shù)據(jù)類。

圖1 負(fù)氧離子觀測數(shù)據(jù)濃度界限值檢查

3.2 跳變值檢查

負(fù)氧離子數(shù)據(jù)自身具有跳變特點(diǎn)，觀測環(huán)境突發(fā)干擾或儀器運(yùn)行性能不穩(wěn)定，也會(huì)造成數(shù)據(jù)跳變。如何區(qū)分觀測數(shù)據(jù)是正常跳變還是異常跳變，關(guān)鍵是找出正常數(shù)據(jù)的跳變范圍。經(jīng)對浙江省53個(gè)負(fù)氧離子監(jiān)測站的觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，制定了跳變值檢查規(guī)則。

跳變值(J)指前后兩個(gè)時(shí)次負(fù)氧離子濃度(K)差值的絕對值，其在負(fù)氧離子數(shù)據(jù)質(zhì)量控制過程中的檢查規(guī)則如下：1)J=0且持續(xù)3個(gè)以上觀測時(shí)次，判識(shí)相同的數(shù)據(jù)為“錯(cuò)誤”；2)前時(shí)次0≤K≤500個(gè)/cm3，該時(shí)次J≤1500個(gè)/cm3，判識(shí)該時(shí)次數(shù)據(jù)“正確”，否則判識(shí)為“可疑”；3)前時(shí)次500個(gè)/cm32000個(gè)/cm3，該時(shí)次J≤2000個(gè)/cm3，判識(shí)該時(shí)次數(shù)據(jù)“正確”，否則判識(shí)為“可疑”。利用跳變值檢查，可以較為有效地診斷判別出因儀器工作不正常產(chǎn)生的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)(圖2a)和突發(fā)環(huán)境干擾造成的異常數(shù)據(jù)(圖2b)。

圖2 負(fù)氧離子觀測數(shù)據(jù)跳變值檢查：(a)儀器故障錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；(b)突發(fā)干擾異常數(shù)據(jù)

3.3 空氣濕度檢查

由2.2可知，高濕條件會(huì)影響負(fù)氧離子正常觀測，空氣相對濕度大于95 %時(shí)，負(fù)氧離子觀測值會(huì)出現(xiàn)異常波動(dòng)，大于97%時(shí)，其波動(dòng)幅度更為劇烈，究竟選擇何種數(shù)值作為相對濕度檢查指標(biāo)，還需根據(jù)具體情況確定。浙江省陰雨天氣較多，當(dāng)以相對濕度為95%作為檢查指標(biāo)時(shí)，多數(shù)監(jiān)測站1 a觀測數(shù)據(jù)中會(huì)出現(xiàn)20%～35%的“可疑”數(shù)據(jù)，甚至還會(huì)造成連續(xù)多天無可用數(shù)據(jù)的情況，因此在多陰雨的監(jiān)測站，建議以97 %或者更高值作為相對濕度檢查指標(biāo)(圖3)，以滿足觀測數(shù)據(jù)合理性和數(shù)據(jù)可用性。值得指出的是：盡管負(fù)氧離子觀測儀器自身內(nèi)部(非獨(dú)立觀測)可觀測空氣相對濕度，但根據(jù)觀測經(jīng)驗(yàn)，其空氣相對濕度測量可信度較差，最好使用臨近氣象站的相對濕度觀測數(shù)據(jù)。

3.4 正負(fù)離子比值檢查

依據(jù)污染天氣過程“空氣負(fù)離子含量高、正離子含量更高”的特征。利用正負(fù)離子比值(q)，即：負(fù)氧離子觀測儀器測量的正離子和負(fù)離子的比值，對負(fù)氧離子濃度觀測值高于1000 個(gè)/cm3的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩查判別：q<1，判識(shí)負(fù)氧離子濃度觀測值(K)為“正確”；q≥1，判識(shí)K值為“可疑”(圖3)。經(jīng)過此種方式檢查，基本可檢測出重污染過程中負(fù)氧離子“過高”觀測值的出現(xiàn)，進(jìn)而可有效避免錯(cuò)誤判定結(jié)論的出現(xiàn)(圖4)。選擇負(fù)氧離子濃度值1000個(gè)/cm3作為進(jìn)一步篩查數(shù)據(jù)判別指標(biāo)的主要原因是：1000個(gè)/cm3是安培空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)公式所用的數(shù)值[21]，且該值也是作為判定空氣是否清新的大致界限。

圖3 負(fù)氧離子數(shù)據(jù)觀測數(shù)據(jù)空氣濕度檢查

圖4 負(fù)氧離子觀測數(shù)據(jù)正負(fù)離子比值檢查

4 結(jié)束語

文章使用負(fù)氧離子儀器對比觀測試驗(yàn)和觀測數(shù)據(jù)敏感性分析試驗(yàn)，分析了負(fù)氧離子觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的原因，并結(jié)合浙江省53個(gè)負(fù)氧離子監(jiān)測站的觀測數(shù)據(jù)，制定了空氣負(fù)氧離子數(shù)據(jù)質(zhì)量控制規(guī)則和指標(biāo)，得出如下結(jié)論：

1)雷電過程、高濕天氣及重污染天氣條件下，負(fù)氧離子觀測數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)急劇波動(dòng)或異常變化，致使觀測數(shù)據(jù)存疑，對于這些數(shù)據(jù)的使用，應(yīng)特別注意。

2)利用界限值檢查、跳變值檢查、空氣濕度檢查和正負(fù)離子比值檢查等數(shù)據(jù)質(zhì)量控制規(guī)則，能夠較有效地判別出合理數(shù)據(jù)、可疑數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。因可疑數(shù)據(jù)既有一定的觀測合理性又存在異常性，故可疑數(shù)據(jù)不宜參與負(fù)氧離子平均濃度值的計(jì)算，但可參與其瞬時(shí)濃度極值的統(tǒng)計(jì)。

3)負(fù)氧離子觀測儀器自身性能不穩(wěn)定及外部環(huán)境干擾(如：進(jìn)風(fēng)口被遮擋、野外昆蟲及動(dòng)物活動(dòng)等)等因素，會(huì)造成觀測數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或異常，盡管通過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制檢查能夠判別出其中的一些“錯(cuò)誤”數(shù)據(jù)(儀器故障)或“可疑”數(shù)據(jù)，但難以將其全部找出。及時(shí)開展觀測儀器巡檢和維護(hù)，可最大限度避免此類數(shù)據(jù)出現(xiàn)。

文章雖有針對性地開展了負(fù)氧離子儀器對比觀測試驗(yàn)和觀測數(shù)據(jù)敏感性分析試驗(yàn)，亦找出了影響負(fù)氧離子正常觀測的主要因素，但仍存在著難以獲知的其他因素，需進(jìn)一步開展相關(guān)試驗(yàn)加以分析。另一方面，文章制定的負(fù)氧離子觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制規(guī)則與指標(biāo)(已用于浙江省負(fù)氧離子監(jiān)控業(yè)務(wù)平臺(tái))，很大程度上可為其他地區(qū)負(fù)氧離子的觀測與評(píng)價(jià)提供方法借鑒，但在具體應(yīng)用中，部分指標(biāo)值應(yīng)因地略作調(diào)整，如：空氣濕度檢查中所涉及的相對濕度指標(biāo)值，在干旱區(qū)該指標(biāo)值可適當(dāng)降低，在多陰雨區(qū)該指標(biāo)值還可適當(dāng)提高。