摘 要：利用2022年1月—2023年12月遂川縣兩個(gè)負(fù)氧離子監(jiān)測(cè)站（白水仙景區(qū)和文化公園）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)遂川縣負(fù)氧離子濃度隨時(shí)間分布特征及氣象因素對(duì)負(fù)氧離子濃度的影響進(jìn)行分析，并采用機(jī)器算法中隨機(jī)森林的特征重要性對(duì)影響遂川縣負(fù)氧離子濃度顯著的氣象因素進(jìn)行篩選評(píng)估。結(jié)果表明：遂川縣兩監(jiān)測(cè)站的負(fù)氧離子濃度等級(jí)，白水仙景區(qū)為I級(jí)，負(fù)氧離子濃度表現(xiàn)為夏秋高、春冬低；文化公園為Ⅱ級(jí)以上，負(fù)氧離子濃度值表現(xiàn)為夏春高、秋冬低。兩個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)日變化白水仙景區(qū)表現(xiàn)為負(fù)氧離子濃度午后和夜間高，文化公園則表現(xiàn)為入夜后20：00左右負(fù)氧離子濃度值呈現(xiàn)一段低谷期。利用機(jī)器學(xué)習(xí)法中隨機(jī)森林特征重要性對(duì)影響遂川縣負(fù)氧離子濃度明顯的氣象因素排序，結(jié)果表明遂川縣負(fù)氧離子濃度受到氣壓和溫度影響較大。

關(guān)鍵詞：負(fù)氧離子濃度；氣象因素；隨機(jī)森林；特征重要性

中圖分類(lèi)號(hào)：S718.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）07–0-03

負(fù)氧離子又稱(chēng)空氣維生素，是空氣中帶有負(fù)電荷的單個(gè)氣體分子和輕離子團(tuán)的總稱(chēng)，對(duì)人體的身心健康有益處，可以通過(guò)人體的神經(jīng)系統(tǒng)和血液循環(huán)改善睡眠質(zhì)量、預(yù)防心腦血管疾病、減輕氣喘等癥狀，負(fù)氧離子的濃度水平也是評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。

目前，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)負(fù)氧離子及其與氣象因素間關(guān)系進(jìn)行了大量的研究。早在19世紀(jì)，德國(guó)物理學(xué)家菲利普已經(jīng)證實(shí)了負(fù)氧離子的存在。我國(guó)對(duì)空氣負(fù)氧離子科學(xué)領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)80年代，彭琳玉等[1]研究發(fā)現(xiàn)九連山森林公園負(fù)氧離子濃度標(biāo)準(zhǔn)屬于I級(jí)，對(duì)于身體健康有益；何寧等[2]發(fā)現(xiàn)負(fù)氧離子濃度在總體趨勢(shì)上與日照、降水和氣溫表現(xiàn)為線性正相關(guān)；張勇等[3]發(fā)現(xiàn)氣溫和降水量對(duì)負(fù)氧離子濃度影響明顯；同時(shí)，國(guó)內(nèi)其他學(xué)者對(duì)不同地區(qū)的負(fù)氧離子進(jìn)行研究，結(jié)果表明負(fù)氧離子存在明顯的年、月、日變化特征[4-6]；黃世成等[7]對(duì)城市和森林等不同區(qū)域的負(fù)氧離子濃度與氣象因素建立模型，通過(guò)分析結(jié)果表明，負(fù)氧離子濃度與平均風(fēng)速、日照百分率的相關(guān)性明顯，與氣壓、日平均氣溫有較好的相關(guān)性，表明不同環(huán)境的氣象因素對(duì)負(fù)氧離子分布有一定的影響。

雖然已有大量學(xué)者對(duì)此類(lèi)研究進(jìn)行了大量的分析，但是遂川縣境內(nèi)有萬(wàn)洋山脈、諸廣山山脈、笠麻頂3大主要山脈，主脈間的南風(fēng)面為江西省境內(nèi)第一高峰，由西向東北延綿，形成“三面環(huán)山東朝水”的簸箕狀地形，構(gòu)成復(fù)雜的地形地貌，造成氣候差異大。由于之前的研究區(qū)域中無(wú)與遂川縣相似的地區(qū)，同時(shí)隨著遂川縣經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生態(tài)文明的建設(shè)，社會(huì)和公眾對(duì)生態(tài)環(huán)境、健康養(yǎng)生、生態(tài)旅游的關(guān)注度越來(lái)越高，因此對(duì)遂川縣負(fù)氧離子的研究可以為促進(jìn)旅游發(fā)展、提高旅游氣象服務(wù)水平、改善空氣質(zhì)量、開(kāi)發(fā)康養(yǎng)資源等提供重要參考依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)中負(fù)氧離子濃度監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分別位于遂川縣碧洲鎮(zhèn)白水仙景區(qū)和泉江鎮(zhèn)文化公園。白水仙景區(qū)監(jiān)測(cè)站位于距縣城24 km的白水仙景區(qū)入園口旁，監(jiān)測(cè)站四周樹(shù)蔭環(huán)繞，多竹林、常綠闊葉林、瀑布、奇石等自然景觀，風(fēng)光秀麗，地勢(shì)奇特，不遠(yuǎn)處有三疊瀑布。文化公園監(jiān)測(cè)站位于縣城周邊文化公園，四周為人工種植的樹(shù)木，喬木為主，植被茂密，旁邊有一條河流，因地處公園內(nèi)，傍晚及假日經(jīng)常有休閑及徒步人員活動(dòng)。同時(shí)，為了參照對(duì)比其他的氣象要素，選取了與白水仙景區(qū)和文化公園兩監(jiān)測(cè)站點(diǎn)相近的氣象要素自動(dòng)觀測(cè)站的數(shù)據(jù)作為參照，其中與白水仙景區(qū)監(jiān)測(cè)站相近的為碧洲自動(dòng)觀測(cè)站，與文化公園監(jiān)測(cè)站相近的為國(guó)家自動(dòng)觀測(cè)站。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與數(shù)據(jù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)來(lái)源于遂川縣白水仙景區(qū)以及文化公園兩處監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，兩監(jiān)測(cè)站點(diǎn)均利用固定式大氣負(fù)離子監(jiān)測(cè)儀（LJYQ—6000）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該設(shè)備采用電容式吸入法，雙重同心桶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要監(jiān)測(cè)遷移率＞0.4 cm2/（V·s）的小粒徑大氣負(fù)氧離子，測(cè)量分辨率為1個(gè)/cm3，采集頻率為每間隔1 h采集1次，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)檢測(cè)，具備防雷、防塵、防蟲(chóng)、防靜電、雷電感應(yīng)、極板短路等保護(hù)功能。其中，溫度測(cè)量范圍-50～85 ℃，精確性±0.2 ℃；濕度RH測(cè)量范圍0～100%，準(zhǔn)確度±3%；氣壓測(cè)量范圍10～1 300 hPa，精確性±1 hPa；風(fēng)速測(cè)量范圍0～75 m/s，精確性使用最高值，測(cè)量值加減0.3 m/s或3%；PM2.5測(cè)量范圍0～999 μg/m3，分辨率0.3 μm，精度±10 μg/m3。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為2022年1月—2023年12月的逐日、逐小時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括負(fù)氧離子濃度值、溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、PM2.5等氣象要素?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)收集同時(shí)間同序列的白水仙景區(qū)及文化公園所鄰近的兩區(qū)域站的數(shù)據(jù)。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

主要是通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析法。先將監(jiān)測(cè)站點(diǎn)與區(qū)域站點(diǎn)逐日、逐小時(shí)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)照各類(lèi)氣象因素獲取時(shí)間進(jìn)行融合，然后通過(guò)采用分組聚合的方式，對(duì)逐日、逐小時(shí)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，剔除存在異常的數(shù)據(jù)值，并根據(jù)按照氣候?qū)W劃分四季：春節(jié)為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12月—翌年2月，最后按季節(jié)數(shù)據(jù)和按逐小時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 研究方法

眾多研究表明，影響負(fù)氧離子濃度的氣象因素眾多，無(wú)法通過(guò)主觀臆斷進(jìn)行分析并準(zhǔn)確總結(jié)各類(lèi)氣象因素與負(fù)氧離子濃度變化關(guān)系。目前，機(jī)器學(xué)習(xí)法是具有從大量數(shù)據(jù)中提取有針對(duì)性、特征重要性的一種信息技術(shù)，其中隨機(jī)森林特征重要性是一種利用多個(gè)決策樹(shù)組合的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，在線性關(guān)系建模方面應(yīng)用成效良好，且利用Python語(yǔ)言運(yùn)行所需代碼調(diào)試較少，還可調(diào)用Python的第三方庫(kù)Pandas對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，以及第三方庫(kù)Scikit-learn提供的隨機(jī)森林機(jī)器學(xué)習(xí)法特征重要性的應(yīng)用接口，因此利用隨機(jī)森林機(jī)器學(xué)習(xí)法能有效地對(duì)影響負(fù)氧離濃度顯著的氣象因素進(jìn)行篩選評(píng)估，同時(shí)根據(jù)隨機(jī)森林算法的權(quán)重、特征重要性等參數(shù)，可以對(duì)各因素特征的重要性進(jìn)行排序。此外，根據(jù)白水仙景區(qū)和文化公園兩個(gè)監(jiān)測(cè)站的負(fù)氧離子濃度變化特征，按照中國(guó)氣象局頒布的負(fù)（氧）離子濃度等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)（QX/T 380—2017），對(duì)遂川縣負(fù)（氧）離子濃度等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 負(fù)氧離子濃度時(shí)間變化特征

2.1.1 負(fù)氧離子濃度的季變化特征

利用遂川縣文化公園和白水仙景區(qū)兩個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)所采集的空氣負(fù)氧離子濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，按照氣候?qū)W劃分四季時(shí)段，開(kāi)展遂川白水仙景區(qū)和文化公園負(fù)氧離子濃度四季變化特征分析。結(jié)果表明，白水仙景區(qū)負(fù)氧離子四季濃度從高到低依次為夏季、秋季、春季、冬季；文化公園負(fù)氧離子四季濃度從高到低依次為夏季、春季、秋季、冬季。對(duì)比顯示，雖然白水仙景區(qū)和文化公園季變化規(guī)律并不相同，但是兩個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的夏季負(fù)氧離子濃度值最高、冬季負(fù)氧離子值最低。白水仙景區(qū)各季負(fù)氧離子濃度均顯著高于文化公園。從地理環(huán)境特征分析，白水仙下墊面為林地，植被類(lèi)型為中亞熱帶常綠闊葉林地帶，文化公園下墊面為人工草地，周邊有道路，學(xué)校等，因此造成兩個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)濃度差異明顯（圖1）。

2.1.2 負(fù)氧離子濃度日變化特征

對(duì)白水仙和文化公園春夏秋冬四季的負(fù)氧離子濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行了日變化特征分析，結(jié)果表明，兩個(gè)站點(diǎn)四季日變化趨勢(shì)不同，其中白水仙景區(qū)變化波動(dòng)大，在午后和夜間均存在小段上升期；文化公園變化較為緩慢，在20：00左右存在低谷降期。

兩個(gè)站點(diǎn)四季日變化日濃度最高、最低峰出現(xiàn)的時(shí)間不同。其中，白水仙日春季濃度最高峰出現(xiàn)在20：00，為5 047個(gè)/cm3，最低峰出現(xiàn)在13：00，為3 627個(gè)/cm3；文化公園春季濃度最高峰出現(xiàn)在04：00，為1 990個(gè)/cm3，最低峰出現(xiàn)在19：00，為1 297個(gè)/cm3。比較兩個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)春季日變化規(guī)律可得，濃度值方面，白水仙景區(qū)各小時(shí)平均濃度值均＞文化公園。變化趨勢(shì)方面的相同點(diǎn)為兩監(jiān)測(cè)站負(fù)氧離子濃度值最大值都出現(xiàn)在04：00，在午后均呈現(xiàn)負(fù)氧離子濃度值下降的趨勢(shì)。變化趨勢(shì)方面的不同點(diǎn)，一是白水仙日變化比較平緩，而文化公園日變化幅度大；二是兩監(jiān)測(cè)站點(diǎn)所監(jiān)測(cè)的負(fù)氧離子濃度值出現(xiàn)最小值分別為午后和傍晚。

白水仙景區(qū)夏季日濃度最高峰出現(xiàn)在03：00，為5 153個(gè)/cm3，最低峰出現(xiàn)在14：00，為4 378個(gè)/cm3；文化公園夏季日濃度最高值出現(xiàn)在09：00，為1 893個(gè)/cm3，最低峰出現(xiàn)在22：00，為1 458個(gè)/cm3。比較兩個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)夏季日變化規(guī)律可得，濃度值方面，白水仙景區(qū)各小時(shí)平均濃度值均大于文化公園。變化趨勢(shì)方面的相同點(diǎn)為兩監(jiān)測(cè)站負(fù)氧離子濃度值幅度值都變化顯著，在16：00均出現(xiàn)負(fù)氧離子濃度值下降的趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)的時(shí)間間隔大致一致。變化趨勢(shì)方面的不同點(diǎn)：白水仙日變化比較平緩，而文化公園日變化幅度大；兩個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)所監(jiān)測(cè)的負(fù)氧離子濃度值出現(xiàn)最小值分別為午后和夜晚。

白水仙景區(qū)秋季日濃度最高峰出現(xiàn)在19：00，為4 069個(gè)/cm3，最低峰出現(xiàn)在13：00，為3 376個(gè)/cm3；文化公園秋季日濃度最高峰出現(xiàn)在05：00，為1 264個(gè)/cm3，最低峰出現(xiàn)在19：00，為806個(gè)/cm3。比較兩個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)秋季日變化規(guī)律可得出，濃度值方面，白水仙景區(qū)各小時(shí)平均濃度值均大于文化公園。變化趨勢(shì)方面的相同點(diǎn)為兩監(jiān)測(cè)站負(fù)氧離子濃度最低值都出現(xiàn)在19：00。變化趨勢(shì)方面的不同點(diǎn)：白水仙日變化比較平緩，而文化公園日變化幅度大；白水仙監(jiān)測(cè)站點(diǎn)所監(jiān)測(cè)的負(fù)氧離子濃度值逐漸上升，而文化公園所監(jiān)測(cè)的負(fù)氧離子濃度值出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

白水仙冬季日濃度最高峰出現(xiàn)在04：00，為4 681個(gè)/cm3，最低峰出現(xiàn)在14：00，為3 832個(gè)/cm3。文化公園冬季日濃度最高峰出現(xiàn)在04：00，為1 328個(gè)/cm3，最低峰出現(xiàn)在19：00，為822個(gè)/cm3（圖2）。比較兩個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)秋季日變化規(guī)律可得出，濃度值方面，白水仙景區(qū)各小時(shí)平均濃度值均大于文化公園。變化趨勢(shì)方面的相同點(diǎn)為兩個(gè)監(jiān)測(cè)站負(fù)氧離子濃度值最低值出現(xiàn)時(shí)間大致相同，同時(shí)在午后負(fù)氧離子濃度值均有所下降。變化趨勢(shì)方面的不同點(diǎn)為白水仙日變化比較平緩，而文化公園日變化幅度大。

2.2 負(fù)氧離子濃度與氣象因子的關(guān)系

通過(guò)對(duì)兩個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)負(fù)氧離子濃度與累計(jì)降水、極大風(fēng)速、相對(duì)濕度的季變化趨勢(shì)和日變化特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明：兩個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)總體上累計(jì)降水量、平均氣溫、平均濕度均與負(fù)氧離子濃度呈正相關(guān)，平均風(fēng)速、氣壓、PM2.5均與負(fù)氧離子濃度呈負(fù)相關(guān)。對(duì)逐個(gè)氣象因素與負(fù)氧離子濃度進(jìn)行相關(guān)性的比較分析，發(fā)現(xiàn)難以找到顯著的適用、匹配的規(guī)律，特別是春秋季節(jié)，受很多因素影響，負(fù)氧離子濃度值與氣象因素存在錯(cuò)綜復(fù)雜的非線性關(guān)系，因此對(duì)負(fù)氧離子濃度的按季節(jié)變化特征和按日變化特征分析，仍需綜合考慮多種氣象因素。

2.3 負(fù)氧離子濃度影響顯著氣象因素評(píng)估

利用隨機(jī)森林機(jī)的特征重要性評(píng)估目前主要的6種氣象觀測(cè)因素（溫度、濕度、氣壓、降水量、風(fēng)速、PM2.5），對(duì)白水仙和文化公園兩個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的負(fù)氧離子濃度影響顯著的氣象因素進(jìn)行特征重要性排序，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。影響白水仙和文化公園負(fù)氧離子濃度受到氣壓和溫度的影響顯著，其中根據(jù)特征重要性影響白水仙景區(qū)的要素依次為氣壓（0.22）、溫度（0.21）、濕度（0.16）、風(fēng)速（0.15）、PM2.5（0.13）、降水量（0.11）；文化公園依次為氣壓（0.23）、溫度（0.22）、濕度（0.16）、風(fēng)速（0.14）、PM2.5（0.13）、降水量（0.11）。

2.4 負(fù)氧離子濃度等級(jí)評(píng)價(jià)

根據(jù)中國(guó)氣象局批準(zhǔn)發(fā)布的負(fù)氧離子濃度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，負(fù)氧離子濃度值＞1 200個(gè)/cm3，表明該地區(qū)負(fù)氧離子濃度高，空氣清新為Ⅰ級(jí)；負(fù)氧離子濃度值為500～1 200個(gè)/cm3，表明該地區(qū)負(fù)氧離子濃度較高，空氣較為清新為Ⅱ級(jí)。通過(guò)對(duì)白水仙景區(qū)和文化公園兩個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示表明，兩監(jiān)測(cè)站負(fù)氧離子濃度季變化和日變化表明兩監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的濃度均在Ⅱ級(jí)以上，其中白水仙景區(qū)的負(fù)氧離子濃度值比Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)高2倍以上。

3 結(jié)論

（1）遂川白水仙景區(qū)負(fù)氧離子濃度高于文化公園負(fù)氧離子濃度，且負(fù)氧離子濃度等級(jí)白水仙景區(qū)為Ⅰ級(jí)，文化公園為Ⅱ級(jí)以上，空氣清新，有益于身心健康。

（2）白水仙景區(qū)和文化公園負(fù)氧離子濃度的變化規(guī)律存在明顯差異。白水仙景區(qū)為夏秋高，春冬低；文化公園則為夏春高，秋冬低，日變化白水仙表現(xiàn)為午后和夜間高，文化公園則表現(xiàn)為入夜后20：00左右出現(xiàn)下降期。

（3）負(fù)氧離子濃度與降水、溫度、濕度呈正相關(guān)，與平均風(fēng)速、氣壓、PM2.5呈負(fù)相關(guān)。

（4）利用機(jī)器學(xué)習(xí)法中隨機(jī)森林特征重要性對(duì)影響遂川縣負(fù)氧離子濃度明顯的氣象因素排序，結(jié)果表明遂川縣負(fù)氧離子濃度受到氣壓和溫度影響較大。

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