德化大氣負(fù)氧離子濃度分布及預(yù)報(bào)方程的建立

陳臻皓 林子倫 林金標(biāo)

(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(fù)氧離子具有降塵、滅菌的功能，并能調(diào)節(jié)人體生理機(jī)能，有保健作用。許多研究表明，大氣負(fù)氧離子像食物中的維生素一樣，人和動(dòng)物雖然需求不多，但長(zhǎng)期缺少，就會(huì)影響機(jī)體的正常生理活動(dòng)，甚至引起疾病。大氣負(fù)氧離子的保健作用包括：調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)功能；加強(qiáng)新陳代謝、促進(jìn)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(fù)氧離子的理論和技術(shù)已被應(yīng)用于很多領(lǐng)域，比如醫(yī)學(xué)、環(huán)境和旅游等行業(yè)[2]。我國(guó)各地氣象部門積極開展大氣負(fù)氧離子濃度的監(jiān)測(cè)和分析工作，北京、天津等地已經(jīng)開展大氣負(fù)氧離子濃度預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，在實(shí)際運(yùn)用中取得了較好的社會(huì)效益[3]。

德化縣地處福建省中部，旅游資源豐富，但對(duì)旅游生態(tài)環(huán)境的研究開展較少。2019年德化縣獲評(píng)中國(guó)“天然氧吧”稱號(hào)，成為泉州地區(qū)首個(gè)獲此稱號(hào)的縣市。本文開展大氣負(fù)氧離子濃度的監(jiān)測(cè)和分析，并建立德化縣大氣負(fù)氧離子濃度預(yù)報(bào)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(fù)氧離子濃度監(jiān)測(cè)設(shè)備采用華創(chuàng)FR500負(fù)氧離子監(jiān)測(cè)儀，設(shè)備安裝位置與德化國(guó)家氣象觀測(cè)站僅一墻之隔，便于維護(hù)。大氣負(fù)氧離子監(jiān)測(cè)設(shè)備全天候24小時(shí)不間斷工作，每5分鐘自動(dòng)采集空氣中負(fù)氧離子濃度數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)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(shí)大氣負(fù)氧離子濃度數(shù)據(jù)，以及同期的氣溫、降水量、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、氣壓等氣象要素的資料。先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[5]：明顯異常(9999或者-9999)、長(zhǎng)時(shí)間為0(較小值或者維持一個(gè)數(shù)值無變動(dòng))或者缺測(cè)數(shù)據(jù)，均判識(shí)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)。每日至少有20個(gè)有效小時(shí)平均值，每個(gè)月必須至少25個(gè)有效日平均值。本文有效日平均值為522個(gè)。采用單因素Pearson相關(guān)性分析方法研究大氣負(fù)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(fù)氧離子濃度預(yù)報(bào)方程。根據(jù)福建氣候特點(diǎn)，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(fù)氧離子濃度隨時(shí)間變化特征

2.1.1 大氣負(fù)氧離子濃度的日變化特征

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

圖1 德化大氣負(fù)氧離子濃度日平均變化

2.1.2 大氣負(fù)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(fù)氧離子濃度為978個(gè)/cm3，空氣較清新。德化縣的月、季大氣負(fù)氧離子濃度統(tǒng)計(jì)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(fù)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(dá)到1294個(gè)/cm3，9月達(dá)到全年最小值，為844個(gè)/cm3。由表1可以看出明顯的季節(jié)變化，冬季大氣負(fù)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(fù)氧離子濃度明顯的季節(jié)變化和當(dāng)?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(guó)家氣象觀測(cè)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(qiáng)烈的逆溫層存在，空氣聚集一起流通差，不利于污染物擴(kuò)散，受此影響，大氣負(fù)氧離子濃度也有所降低。另外，冬季的晴天日數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于夏季，晴天紫外線到達(dá)量多于陰天，而紫外線是大氣負(fù)氧離子的主要來源。曾曙才等[7]研究表明，晴天的大氣負(fù)氧離子濃度要高于陰天。

圖2 德化大氣負(fù)氧離子濃度逐月變化

表1 德化大氣負(fù)氧離子濃度季節(jié)分布

2.2 人類活動(dòng)對(duì)大氣負(fù)氧離子濃度的影響

大氣負(fù)氧離子濃度與空氣的污染程度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，環(huán)境污染嚴(yán)重的情況下，大氣負(fù)氧離子濃度比較低。人類活動(dòng)、汽車尾氣以及工廠廢氣排放等都會(huì)增加空氣中的粉塵、煙霧和CO2濃度，負(fù)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(huì)降落到地面，導(dǎo)致空氣中負(fù)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(fù)氧離子的重要場(chǎng)所。在遠(yuǎn)離鬧市的戴云山國(guó)家級(jí)保護(hù)區(qū)，植被茂密，沒有污染物影響，其年平均大氣負(fù)氧離子濃度為黃龍山的兩倍以上。

3 大氣負(fù)氧離子濃度與氣象要素的相關(guān)關(guān)系及預(yù)報(bào)模型

3.1 大氣負(fù)氧離子濃度與氣象要素的相關(guān)關(guān)系

氣溫、濕度、風(fēng)速、雨量等氣象要素對(duì)大氣負(fù)氧離子有較大影響，但由于測(cè)量地點(diǎn)、儀器、時(shí)間和精度的不同，導(dǎo)致氣象要素與大氣負(fù)氧離子的關(guān)系結(jié)論都不一樣[8]。本文利用觀測(cè)環(huán)境以及采樣時(shí)間較一致且連續(xù)觀測(cè)的德化縣國(guó)家氣象觀測(cè)站氣象要素和大氣負(fù)氧離子觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

對(duì)德化城區(qū)大氣負(fù)氧離子日均值與日時(shí)間尺度的氣溫、濕度、雨量、氣壓、日照以及風(fēng)速做相關(guān)性分析。大氣負(fù)氧離子濃度的日變化與日平均氣溫、日總?cè)照諘r(shí)數(shù)、日平均風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，與日降水量、日平均氣壓、日平均相對(duì)濕度呈正相關(guān)；與氣溫呈負(fù)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?yàn)榇髿庳?fù)氧離子受氣象要素的影響十分復(fù)雜[5,9,12]。因大氣負(fù)氧離子濃度有較明顯的季節(jié)變化，所以按四季劃分進(jìn)行相關(guān)性分析，四季的大氣負(fù)氧離子濃度個(gè)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(fù)氧離子濃度相關(guān)系數(shù)

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

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

冬季日平均氣溫對(duì)大氣負(fù)氧離子濃度影響較大，兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。氣溫升高時(shí)，空氣中的污染物會(huì)發(fā)生一系列的光合化學(xué)反應(yīng)，加劇污染，污染物擴(kuò)散的過程中吸附負(fù)離子，導(dǎo)致大氣負(fù)氧離子濃度降低。

3.2 預(yù)報(bào)方程的建立和檢驗(yàn)

3.2.1 預(yù)報(bào)方程建立

根據(jù)大氣負(fù)氧離子濃度與氣象要素之間的關(guān)系，建立各個(gè)季節(jié)多元回歸預(yù)報(bào)方程。初選所有6個(gè)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(gè)，負(fù)相關(guān)4個(gè)，相關(guān)系數(shù)為-0.08～0.39；夏季和秋季均為正相關(guān)4個(gè)，負(fù)相關(guān)2個(gè)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.13～0.29以及-0.58～0.15；冬季正負(fù)相關(guān)各3個(gè)，相關(guān)系數(shù)-0.44～0.11。采用逐步回歸方法，分別從六個(gè)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(yù)報(bào)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(fù)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(duì)濕度，Ws為日平均風(fēng)速(2分鐘)，S為每天日照時(shí)數(shù)，P為日平均本站氣壓。

3.2.2 預(yù)報(bào)方程檢驗(yàn)

選取2019年5月至2020年4月的數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本，將這12個(gè)月的數(shù)據(jù)按四季劃分后，代入預(yù)報(bào)方程中，計(jì)算出的大氣負(fù)氧離子濃度值與實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。

從圖3可以看出，除個(gè)別極值外，模式變化趨勢(shì)與實(shí)際觀測(cè)值較為一致，預(yù)報(bào)大氣負(fù)氧離子濃度的量級(jí)整體比較接近，平均每日預(yù)報(bào)濃度值誤差為39個(gè)/cm3，預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值相比偏少。預(yù)報(bào)方程得出的大氣負(fù)氧離子濃度值相比于實(shí)際值有時(shí)偏差較大，這可能是因?yàn)橛绊懘髿庳?fù)氧離子濃度的要素眾多[10]，預(yù)報(bào)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(qiáng)對(duì)流等天氣對(duì)預(yù)報(bào)方程的預(yù)報(bào)效果也有一定影響[11]，另外不同天氣狀況下也經(jīng)常會(huì)有短時(shí)跳變的發(fā)生[5,9]。大氣負(fù)氧離子濃度因地區(qū)不同,觀測(cè)結(jié)果差異顯著[14]。國(guó)內(nèi)外對(duì)大氣負(fù)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(fù)氧離子的研究結(jié)論不具普適性。

(a)春季大氣負(fù)氧離子濃度檢驗(yàn) (b)夏季大氣負(fù)氧離子濃度檢驗(yàn)

(c)秋季大氣負(fù)氧離子濃度檢驗(yàn) (d)冬季大氣負(fù)氧離子濃度檢驗(yàn)圖3 各季逐日大氣負(fù)氧離子濃度觀測(cè)值與預(yù)報(bào)值比較

4 結(jié)論

①德化大氣負(fù)氧離子濃度隨時(shí)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(shí))，季節(jié)變化上表現(xiàn)為冬季大氣負(fù)氧離子濃度高，夏季低。

②影響大氣負(fù)氧離子濃度的主要?dú)庀笠蜃铀募靖鞑幌嗤凑障嚓P(guān)性順序，春季是降水、風(fēng)速和氣壓，夏季是降水、氣溫和氣壓，秋季是風(fēng)速、氣溫和濕度，冬季是氣溫、氣壓和風(fēng)速。

③大氣負(fù)氧離子濃度預(yù)報(bào)方程的建立實(shí)現(xiàn)了德化城區(qū)大氣負(fù)氧離子濃度定量化預(yù)報(bào)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(xué)依據(jù)。

④由于大氣負(fù)氧離子觀測(cè)資料年限較短，所建立的預(yù)報(bào)方程較粗略，有待進(jìn)一步改進(jìn)，在檢驗(yàn)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(yù)報(bào)結(jié)果可信度產(chǎn)生偏差，這是下一階段需要解決的重點(diǎn)問題。隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)的完善，設(shè)備的穩(wěn)定以及研究的不斷深入，對(duì)大氣負(fù)氧離子濃度的分析結(jié)論會(huì)更加完善，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率也會(huì)進(jìn)一步提高。