陸一磊,吳自越,繆穎綺,譚國(guó)威,胡夢(mèng)玲
(1.南京市高淳區(qū)氣象局,南京 211300;2.南京市浦口區(qū)氣象局,南京 211800;3.南京市江寧區(qū)氣象局,南京 211100)
近年來,隨著人民生活水平的提高,大眾對(duì)環(huán)境,尤其是對(duì)空氣質(zhì)量越來越重視,而負(fù)氧離子[1]含量作為評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,日益受到大家關(guān)注[2-4]。相關(guān)研究資料顯示,空氣中負(fù)氧離子的含量在低于20個(gè)/cm3時(shí),人體就會(huì)感到困乏和頭暈?zāi)X脹;當(dāng)空氣中的負(fù)氧離子含量在1 000~10 000個(gè)/cm3時(shí),人就會(huì)感到舒服,心情也非常安定,有心曠神怡之感;當(dāng)空氣中的負(fù)氧離子含量在10 000個(gè)/cm3以上時(shí),人就會(huì)感到非常有精神,心情會(huì)感到非常的舒適愉快;而當(dāng)空氣中的負(fù)氧離子含量高達(dá)10萬個(gè)/cm3以上時(shí),負(fù)氧離子不僅能讓人感到舒服,還能起到消除疲勞、止喘、鎮(zhèn)靜和調(diào)節(jié)神經(jīng)等強(qiáng)體健身和治病的效果[5-6]。因此,空氣中負(fù)氧離子的含量不僅影響著空氣質(zhì)量,而且負(fù)氧離子含量高的環(huán)境,具有一定的醫(yī)療保健作用,因此常被稱為“空氣維生素”[7-10]。
自然界中的負(fù)氧離子主要來源于雷電、太陽紫外線、水體沖擊、植物葉面尖端放電及光合作用等過程,其含量與天氣條件、周邊環(huán)境等密切相關(guān)[11-12]。輻射、暴雨和雷電等天氣現(xiàn)象均有利于空氣負(fù)氧離子的生成,同時(shí)負(fù)氧離子的含量與氣溫、濕度、降水、風(fēng)速和太陽輻射等諸多氣象因子有關(guān)[13-15]。由于研究區(qū)域環(huán)境和氣候條件差異,研究結(jié)果也存在一定差異。陳兵紅等[16]發(fā)現(xiàn)白云山國(guó)家森林公園空氣負(fù)氧離子平均含量明顯高于城區(qū),其離子含量由外向里、自下而上逐漸升高,生態(tài)空間變化為水環(huán)境、林水環(huán)境、林地環(huán)境、道路環(huán)境依次遞減;劉佳明等[17]發(fā)現(xiàn)龍巖市區(qū)、郊區(qū)、林緣和森林的負(fù)氧離子含量呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì),負(fù)氧離子含量與周圍植被疏密、通風(fēng)情況和離水源地距離等有密切聯(lián)系;姚益平等[18]發(fā)現(xiàn)浙南和浙西山區(qū)空氣負(fù)氧離子含量高、浙北平原含量相對(duì)較低;劉燕等[19]發(fā)現(xiàn)浦口區(qū)大氣負(fù)(氧)離子空間分布規(guī)律:農(nóng)莊、珍珠泉、老山森林、石橋萬誠(chéng)依次遞減;胡夢(mèng)玲[20]發(fā)現(xiàn)江寧區(qū)市郊森林區(qū)域空氣負(fù)氧離子含量顯著高于城市綠地區(qū)域空氣負(fù)氧離子含量。
高淳區(qū)位于南京市最南端,距離南京市區(qū)大約80 km,全區(qū)總面積約為802 km2,被譽(yù)為南京后花園和南大門,是中國(guó)首個(gè)“國(guó)際慢城”。高淳區(qū)坐擁先天的山湖資源,具有吳越江南典型生態(tài)特征,東部低陵延綿不斷,西部湖盆平原廣闊,固城湖、石臼湖環(huán)繞四周,水資源豐富[21]。全區(qū)生態(tài)涵養(yǎng)面積達(dá)到國(guó)土面積的70%,地表水優(yōu)于三類水的比例達(dá)到75%以上,空氣優(yōu)良天數(shù)保持在85%左右,人均公共綠地面積達(dá)41 m2[22],林木覆蓋率超過25%[23]。
本次研究數(shù)據(jù)來源于山慢城、水慢城和文慢城設(shè)置的負(fù)氧離子監(jiān)測(cè)站,負(fù)氧離子監(jiān)測(cè)站點(diǎn)信息請(qǐng)參考表1。
表1 負(fù)氧離子監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位置信息
其中山慢城位于高淳市區(qū)以東大約15 km處,也是中國(guó)首個(gè)國(guó)際慢城所在地;水慢城位于高淳市區(qū)南部,緊鄰高淳市區(qū);文慢城設(shè)立在高淳區(qū)氣象局內(nèi),屬于市區(qū)站點(diǎn)。研究時(shí)間從2020年3月1日至2021年2月28日共一年的數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)站每日0時(shí)至23時(shí)逐小時(shí)上報(bào)負(fù)氧離子平均含量、最低含量、最高含量、溫度和濕度。
利用3個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)分別從時(shí)間和空間上對(duì)高淳區(qū)域負(fù)氧離子含量進(jìn)行分析和研究,為了分析不同時(shí)間尺度負(fù)氧離子含量分布情況,引入概率密度曲線。根據(jù)氣候統(tǒng)計(jì)規(guī)定,認(rèn)為12、1、2月為冬季,3、4、5月為春季,6、7、8為夏季,9、10、11月為秋季。
從圖1(a)中可以看出,除8月份,其他月份負(fù)氧離子含量均呈現(xiàn)山慢城、文慢城、水慢城逐漸降低,3個(gè)慢城的負(fù)氧離子含量波動(dòng)較為頻繁,但整體幅度并不大。其中山慢城負(fù)氧離子含量最高為7月份(夏季)的3 599個(gè)/cm3,最低為4月份(春季)的2 680個(gè)/cm3,最高含量與最低含量差值為919個(gè)/cm3;文慢城負(fù)氧離子含量最高為11月份(秋季)的2 542個(gè)/cm3,最低為8月份(夏季)的2 050個(gè)/cm3,最高含量與最低含量差值為492個(gè)/cm3;水慢城負(fù)氧離子含量最高為8月份(夏季)的2 389個(gè)/cm3,最低為7月份(夏季)的1 631個(gè)/cm3,同時(shí)該值也是3個(gè)站點(diǎn)全年負(fù)氧離子含量的最低值,說明高淳區(qū)域空氣質(zhì)量整體上非常好,最高含量與最低含量差值為758個(gè)/cm3。三個(gè)慢城中,波動(dòng)幅度最大的為山慢城,同時(shí)負(fù)氧離子含量也最高,較為適合有氧運(yùn)動(dòng),波動(dòng)最小為文慢城,說明文慢城在全年所有月份中其負(fù)氧離子含量相對(duì)比較平穩(wěn),另外,水慢城負(fù)氧離子含量也比較大。
從表2和圖1(b)可以看出,年平均和四季平均負(fù)氧離子含量均表現(xiàn)出山慢城比文慢城高,文慢城高于水慢城。從表2的春夏秋冬數(shù)據(jù)可以看出,山慢城負(fù)氧離子含量最高的季節(jié)為夏季的3 240個(gè)/cm3,最低為春季的2 824個(gè)/cm3,最高含量與最低含量差值為416個(gè)/cm3;文慢城負(fù)氧離子含量最高為冬季的2 490個(gè)/cm3,最低為夏季的2 326個(gè)/cm3,最高含量與最低含量差值僅為164個(gè)/cm3;水慢城負(fù)氧離子含量最高為春季的1 988個(gè)/cm3,最低為秋季的1 824個(gè)/cm3,最高含量與最低含量差值也僅為164個(gè)/cm3。因此,3個(gè)慢城的最高含量和最低含量出現(xiàn)的季節(jié)并不統(tǒng)一,其中從圖1(a)和圖1(b)可以看出山慢城季節(jié)最高含量、最低含量與月平均數(shù)據(jù)一致,文慢城僅有最低含量的月份和季節(jié)一致。
從圖1和表2整體上看,不論是月平均負(fù)氧離子含量,還是季節(jié)平均和年平均負(fù)氧離子含量,3個(gè)慢城的負(fù)氧離子含量均比較高,說明高淳區(qū)域空氣清新度也很高。
圖1 不同區(qū)域月平均(a)和季節(jié)平均(b)負(fù)氧離子含量
表2 年均和四季平均負(fù)氧離子含量 (個(gè)·cm-3)
從圖2(負(fù)氧離子平均含量空間分布圖)可以看出,整個(gè)高淳區(qū)域的年平均圖2(a)和四季平均(圖2(b)—圖2(e))的負(fù)氧離子含量均為水慢城最低,其含量在1 800~2 000個(gè)/cm3,然后在文慢城附近有一個(gè)顯著上升,負(fù)氧離子含量為2 800~3 000個(gè)/cm3,當(dāng)進(jìn)一步遠(yuǎn)離城市到達(dá)邊遠(yuǎn)郊區(qū)的山慢城,其負(fù)氧離子含量更高,達(dá)到3 200~3 400個(gè)/cm3。通過雙線性插值法計(jì)算出來的空間分布情況顯示繼續(xù)遠(yuǎn)離城市的地方,負(fù)氧離子含量更高,超過5 000個(gè)/cm3。
從圖3(負(fù)氧離子最低含量空間分布圖)年最低和季節(jié)最低的負(fù)氧離子含量分布情況可以看出,其與圖3平均值空間分布情況存在較大差異。從春季(圖3(b))和冬季(圖3(e))空間分布圖可以看出文慢城和水慢城的負(fù)氧離子含量很接近,大約在900~1 000個(gè)/cm3,而夏(圖3(c))秋(圖3(d))季節(jié),水慢城(1 100~1300個(gè)/cm3)比文慢城略高(900~1 000個(gè)/cm3),而山慢城在四季中均處于負(fù)氧離子最高含量,達(dá)到1 800~1 900個(gè)/cm3。從負(fù)氧離子含量的年最低值空間分布圖3(a)中可以看出,文慢城的負(fù)氧離子含量大約為2 000個(gè)/cm3,比山慢城和水慢城的負(fù)氧離子含量都要高。圖4最低值的空間分布圖也基本上符合從城區(qū)向郊區(qū),負(fù)氧離子含量逐步升高的趨勢(shì)。
從圖4(負(fù)氧離子最大含量空間分布圖)可以看出,負(fù)氧離子含量最高值空間分布與上述圖2和圖3的空間分布均有所不同,春夏秋3個(gè)季節(jié)(圖4(a)—圖4(d))中,山慢城、水慢城和文慢城的負(fù)氧離子含量最高值比較接近,差異并不明顯,而在冬季圖4(e)中,水慢城和山慢城負(fù)氧離子含量較為接近,文慢城偏高,從年最高負(fù)氧離子含量空間分布圖4(a)中可以看出,文慢城和山慢城的負(fù)氧離子含量較為接近,且顯著低于水慢城含量。
圖2 高淳區(qū)負(fù)氧離子年和四季平均含量分布
圖4 高淳區(qū)負(fù)氧離子年和四季最高含量分布
從圖5的負(fù)氧離子含量逐小時(shí)時(shí)間序列變化的結(jié)果來看,山慢城和文慢城含量均出現(xiàn)1個(gè)波峰1個(gè)波谷,變換規(guī)律高度同步,日最高含量值均出現(xiàn)在上午6點(diǎn)左右,波谷均出現(xiàn)在14:00左右,相對(duì)于文慢城負(fù)氧離子含量,山慢城含量日變化較大,最高含量與最低含量值相差接近1 000個(gè)/cm3;水慢城負(fù)氧離子含量波動(dòng)較為頻繁,第一個(gè)波峰也是出現(xiàn)在6點(diǎn)左右,在9點(diǎn)左右出現(xiàn)第一個(gè)波谷,隨后升高,在15點(diǎn)左右到達(dá)日最高含量,在20:00點(diǎn)左右出現(xiàn)第二個(gè)波谷,同時(shí)也是日最低含量,其中負(fù)氧離子含量除了在14:00—15:30比文慢城稍高一點(diǎn)外,水慢城的日均負(fù)氧離子含量是3個(gè)慢城中最低的,山慢城含量最高,文慢城次之。
圖5 3個(gè)慢城負(fù)氧離子含量24 h變化情況
從圖6(a)來看,山慢城的負(fù)氧離子含量主要分布在2 100~4 100個(gè)/cm3,文慢城負(fù)氧離子含量主要分布在2 700個(gè)/cm3左右,水慢城負(fù)氧離子含量主要分布在800~2 200個(gè)/cm3左右;從圖6(b)來看,山慢城負(fù)氧離子含量主要分布在3 000個(gè)/cm3左右,文慢城負(fù)氧離子含量次之,主要分布在2 500個(gè)/cm3左右,水慢城負(fù)氧離子含量最低,主要分布在1 800個(gè)/cm3左右。從圖6(a)和圖6(b)的概率密度曲線來看,負(fù)氧離子含量概率分布依然是山慢城超過文慢城,文慢城超過水慢城。
圖6 24 h和12個(gè)月平均負(fù)氧離子含量概率密度曲線
整體上看,高淳區(qū)域的空氣質(zhì)量非常好,負(fù)氧離子含量呈現(xiàn)出城區(qū)較低,而遠(yuǎn)離城市的郊區(qū)山林環(huán)境較高的規(guī)律,與陳兵紅等[16]的研究結(jié)果一致。就日變化情況而言,文慢城和水慢城分別所代表的城市和城市近郊區(qū)域,由于人類活動(dòng)和污染等原因?qū)е缕湄?fù)氧離子含量偏低,但波動(dòng)和變化并不大,說明相關(guān)因素的影響比較穩(wěn)定,而山慢城所代表的城市遠(yuǎn)郊區(qū)域,由于人類活動(dòng)和污染較少,其負(fù)氧離子含量最高,同時(shí)波動(dòng)也是最大,原因可能是山慢城附近負(fù)氧離子含量受環(huán)境因素變化影響較大;從月均負(fù)氧離子含量情況來看,3個(gè)慢城都比較穩(wěn)定,僅在個(gè)別月份波動(dòng)較大,說明負(fù)氧離子含量可能跟當(dāng)?shù)販囟茸兓南嚓P(guān)性不是很高;從負(fù)氧離子含量的季節(jié)變化情況來看,更加佐證了這一可能性,因?yàn)?個(gè)慢城四季負(fù)氧離子含量幾乎沒有變化,尤其是文慢城和水慢城;由于負(fù)氧離子含量的相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)僅有1年,雖然從數(shù)據(jù)上看,負(fù)氧離子含量依然呈現(xiàn)從城市向遠(yuǎn)郊山林逐步增加的趨勢(shì),但是很難看出其年代際變化和趨勢(shì),相關(guān)研究工作還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。