江西大崗山負(fù)離子濃度與氣象因子之間的響應(yīng)關(guān)系

張嘉昕，鄒嘉南

1. 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 2100442. 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 2100443. 中國(guó)氣象局 氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044

0 引 言

近年來，大氣環(huán)境質(zhì)量備受關(guān)注，空氣質(zhì)量的好壞對(duì)人類健康起著重要的影響作用?？諝庳?fù)離子(簡(jiǎn)稱“負(fù)離子”，下同)為環(huán)境空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其濃度的大小直接影響著空氣質(zhì)量(譚靜等，2017)。負(fù)離子對(duì)空氣中的懸浮顆粒物進(jìn)行吸附和沉降，從而起到凈化空氣的作用(袁相洋等，2014)。相關(guān)研究表明，一定濃度的負(fù)離子能對(duì)人體的生理狀況和心情起到改善作用(彭巍等，2020)，并可以抑制呼吸系統(tǒng)疾病(Alexander et al, 2013)，提高睡眠質(zhì)量(Perez et al, 2013)。在城區(qū)和室內(nèi)，因環(huán)境污染嚴(yán)重且空氣不流通，負(fù)離子濃度一般較低。負(fù)離子濃度為700—1 000 個(gè)/cm3或者超過1 000 個(gè)/cm3時(shí), 就有保健作用，當(dāng)其大于1 000 個(gè)/cm3時(shí)，能夠緩解、抑制和輔助治療人體的多種疾病(黃建武和陶家元，2002)。因此，空氣負(fù)離子也成為“中國(guó)天然氧吧”建設(shè)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)和人們旅行度假選擇的重要依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)不同地區(qū)負(fù)離子濃度的分布及其變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)負(fù)離子濃度的變化與環(huán)境溫度、濕度、氣壓、氣候狀況、植被類型、社會(huì)活動(dòng)等因素相關(guān)(曾曙才等，2007；白保勛等，2016；楊旭升，2017；吳迪等，2017；高興和張冬有，2018)。其中很多研究探討了負(fù)離子濃度的時(shí)空變化與氣象因子的相關(guān)性，但是，針對(duì)負(fù)離子濃度的突變尚未深入探討。暴雨、雷電、紫外線 (太陽輻射) 等天氣現(xiàn)象有利于空氣中各種電離反應(yīng)并釋放電子。雷雨過后，空氣中的負(fù)離子數(shù)目可突變至10 000 個(gè)/cm3以上(葉彩華等，2000)。

本研究基于江西大崗山森林生態(tài)地面標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)2019年度空氣負(fù)離子濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了不同季節(jié)和不同天氣條件下負(fù)離子濃度與空氣溫度、濕度的關(guān)系，以及空氣溫度、濕度的不同變化幅度對(duì)于負(fù)離子濃度的影響，并對(duì)暴雨過程中負(fù)離子濃度的突變及其與降雨量的相關(guān)性進(jìn)行討論，以期為江西大崗山地區(qū)的生態(tài)資源研究和江西省“中國(guó)天然氧吧”的建設(shè)提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域

此次觀測(cè)站點(diǎn)為江西大崗山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(簡(jiǎn)稱“大崗山站”，下同)。該臺(tái)站位于江西省分宜縣，其經(jīng)度范圍為114°30′—114°45′E，緯度范圍為27°30′—27°50′N。臺(tái)站內(nèi)氣候?qū)儆趤啛釒駶?rùn)氣候，其夏季炎熱多雨、冬季溫暖濕潤(rùn)，無霜期265 d，4—6月份的降雨量占全年的45%。該氣候有益于植被的生長(zhǎng)，臺(tái)站的地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林。

1.2 數(shù) 據(jù)

本次采集負(fù)離子濃度所使用的空氣負(fù)離子監(jiān)測(cè)儀為云創(chuàng)HQWAS-200PRO，采樣時(shí)間為2019年3月—2020年2月。采集空氣溫度和濕度使用的自動(dòng)氣象站型號(hào)為美國(guó)DavisVantagePro2。2019年中國(guó)地面降水日值0.5°×0.5°格點(diǎn)數(shù)據(jù)集來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)。

2 負(fù)離子濃度與溫度、濕度的相關(guān)性分析

2.1 日變化特征

分析空氣負(fù)離子濃度與溫度的日變化(圖1)可見，春季(3—5月)大崗山觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)負(fù)離子濃度日均值為1 406 個(gè)/cm3，日最高值出現(xiàn)在13時(shí)，最低值出現(xiàn)在凌晨1時(shí)。07:00—13:00(BT，下同)和19:00—23:00負(fù)離子濃度總體隨空氣溫度的升高而上升，隨空氣溫度的降低而下降。在00:00—07:00和14:00—17:00負(fù)離子濃度隨空氣溫度的升高而下降，隨空氣溫度的降低而上升。由此可見，春季負(fù)離子濃度與溫度之間沒有明顯的相關(guān)性。夏季(6—8月)，負(fù)離子濃度日均值為1 384 個(gè)/cm3，日最高值出現(xiàn)在09時(shí)和21時(shí)，最低值出現(xiàn)在13時(shí)。負(fù)離子濃度在大部分時(shí)間隨空氣溫度的升高而下降，隨空氣溫度的降低而上升。只有在08:00—10:00負(fù)離子濃度隨氣溫的升高而增大，在22:00—00:00負(fù)離子濃度隨氣溫的降低而減少。因此，夏季負(fù)離子濃度與溫度之間可能為負(fù)相關(guān)。秋季(9—11月)，負(fù)離子濃度日均值為1 432 個(gè)/cm3，日最高值出現(xiàn)在12時(shí)，最低值出現(xiàn)在07時(shí)和17時(shí)。秋季負(fù)離子濃度大體上隨空氣溫度的升高而上升，隨氣溫的降低而下降。只有17:00—19:00和22:00—23:00負(fù)離子濃度隨著空氣溫度的降低而增大，所以秋季負(fù)離子濃度與溫度可能為正相關(guān)。冬季(12月—次年2月)負(fù)離子濃度日均值為1 262 個(gè)/cm3，日最高值出現(xiàn)在13時(shí)。冬季負(fù)離子濃度日變化總體呈先升高后降低的單峰型變化曲線，這說明冬季夜間溫度過低，不利于負(fù)離子的穩(wěn)定存在。大部分時(shí)段負(fù)離子濃度隨空氣溫度的升高而上升，隨空氣溫度的降低而下降，只有在12:00—13:00負(fù)離子濃度才隨著空氣溫度的降低而增大。因此，冬季負(fù)離子濃度與溫度可能呈正相關(guān)。

圖1 春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)季江西大崗山空氣負(fù)離子濃度與溫度的日變化Fig. 1 Diurnal variation of air anion concentration and air temperature over Dagang Mountain in Jiangxi province in spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d)

分析空氣負(fù)離子濃度與濕度的日變化(圖2)可見，春季全天大部分時(shí)間段內(nèi)，負(fù)離子濃度隨空氣濕度的升高而下降，隨空氣濕度的降低呈上升趨勢(shì)。夏季，在00:00—07:00和09:00—21:00時(shí)段內(nèi)負(fù)離子濃度隨空氣濕度的升高而上升，隨空氣溫度的降低而下降，其余時(shí)段則相反。說明夏季負(fù)離子濃度與濕度可能呈正相關(guān)關(guān)系。秋季，在03:00—10:00和19:00—00:00負(fù)離子濃度總體上是隨空氣濕度的升高而下降，隨空氣濕度的降低而上升，而在10:00—17:00負(fù)離子濃度隨空氣濕度的升高而上升，隨空氣濕度的降低而下降。由此推斷，秋季負(fù)離子濃度與濕度在清晨和夜間可能為負(fù)相關(guān)，在正午和下午可能為正相關(guān)，總體上可能呈負(fù)相關(guān)。冬季夜間濕度幾乎無變化，而日間負(fù)離子濃度大體上是隨空氣濕度的降低而上升，隨空氣濕度的升高而下降，只有在12:00—13:00負(fù)離子濃度隨空氣濕度的降低而下降。因此，冬季負(fù)離子濃度與濕度之間可能為負(fù)相關(guān)。

圖2 春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)季江西大崗山空氣負(fù)離子濃度與濕度的日變化Fig. 2 Diurnal variation of air anion concentration and air humidity over Dagang Mountain in Jiangxi province in spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d)

2.2 相關(guān)性分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證前文推測(cè)的大崗山空氣負(fù)離子濃度與溫度、濕度的相關(guān)性，對(duì)空氣負(fù)離子濃度與溫度、濕度的日變化進(jìn)行相關(guān)性分析。不同季節(jié)大崗山空氣負(fù)離子濃度與溫度的相關(guān)性不同(表1)，夏季溫度與負(fù)離子濃度的變化呈顯著負(fù)相關(guān)，而冬季呈正相關(guān)，春、秋季處于過渡期，相關(guān)性不顯著或相關(guān)性較小。由此說明，溫度較低時(shí)，負(fù)離子濃度與溫度表現(xiàn)為正相關(guān)；溫度較高時(shí)，負(fù)離子濃度與溫度表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。根據(jù)熱力學(xué)原理，隨著溫度升高，分子或原子的熱運(yùn)動(dòng)速度會(huì)加快，由此導(dǎo)致其碰撞幾率增大。與此同時(shí)，當(dāng)溫度升高時(shí)，氧氣的電離作用加強(qiáng)，也會(huì)導(dǎo)致負(fù)離子濃度增多(李佳珊，2016)。但當(dāng)溫度增加到一定程度時(shí)，會(huì)加劇污染物的活動(dòng)，污染物在活動(dòng)過程中吸附大量負(fù)離子，最終導(dǎo)致負(fù)離子濃度降低(曾曙才等，2007)。對(duì)于濕度，除夏季外，負(fù)離子濃度與濕度均呈顯著負(fù)相關(guān)，且秋季的相關(guān)系數(shù)最大，夏季負(fù)離子濃度與濕度呈顯著正相關(guān)。這是因?yàn)楫?dāng)濕度增加時(shí)，空氣中含水量也會(huì)增加，污染物濃度因吸附作用而降低，從而使負(fù)離子濃度增加。但與此同時(shí)，濕度增加也會(huì)抑制植物進(jìn)行光合作用，從而降低負(fù)離子濃度。

表1 春、夏、秋、冬季江西大崗山空氣負(fù)離子濃度與溫度、濕度的相關(guān)系數(shù)

綜上所述，夏季空氣負(fù)離子濃度與溫度呈負(fù)相關(guān)，而其他季節(jié)均為正相關(guān)，且在夏季午間負(fù)相關(guān)最明顯。這是因?yàn)橄募緶囟茸罡撸谖鐣r(shí)達(dá)最大，同時(shí)光照強(qiáng)度大，植物葉片氣孔關(guān)閉，即出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，于是負(fù)離子濃度明顯降低。而其他季節(jié)溫度低于夏季，光照強(qiáng)度也較弱，此時(shí)溫度升高引起的正效應(yīng)要大于植物“午休”現(xiàn)象造成的負(fù)離子濃度降低效應(yīng)。而空氣負(fù)離子濃度與濕度在夏季呈現(xiàn)正相關(guān)，其他季節(jié)均為負(fù)相關(guān)。這是由于夏季降雨強(qiáng)度最大，此時(shí)濕度增加對(duì)于污染物的吸附作用大于其對(duì)植物光合作用的抑制作用。因此，不同季節(jié)空氣負(fù)離子濃度的變化幅度與溫度、濕度變化有很大的相關(guān)性。

3 空氣負(fù)離子濃度對(duì)夏季降水的響應(yīng)

空氣中的負(fù)離子受各方面的影響，會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)不斷地生成、出現(xiàn)，也會(huì)不斷地消失、沉降(王層林，2003；徐昭暉，2004；潘劍彬等，2011)。江西省的降水主要集中在夏季，因此篩選出夏季不同天氣條件下空氣負(fù)離子濃度的日變化進(jìn)行對(duì)比。文中定義日降雨量大于50 mm為暴雨天，日降雨量大于0且小于等于50 mm為雨天，日降雨量為0則為無雨天。圖3為夏季無雨天、雨天和暴雨天空氣負(fù)離子濃度的日變化。分析可知，在暴雨天負(fù)離子濃度明顯增大，且日變化趨勢(shì)與無雨天和雨天差別較大，尤其在08:00—18:00時(shí)段。因?yàn)橄募緹o雨天溫度過高不利于負(fù)離子的產(chǎn)生，并在午時(shí)存在強(qiáng)烈的植物“午休”現(xiàn)象。而在暴雨天光照強(qiáng)度減弱，植物“午休”現(xiàn)象被削弱，并且暴雨天多伴有雷電現(xiàn)象，雷電條件有利于負(fù)離子的產(chǎn)生，造成負(fù)離子濃度的升高。

圖3 夏季無雨天、雨天和暴雨天江西大崗山空氣負(fù)離子濃度的日變化Fig. 3 Diurnal variation of air anion concentration during no rain days, rainy days and rainstorm days in summer

計(jì)算不同天氣條件下負(fù)離子濃度日變化與溫度、濕度的相關(guān)系數(shù)(表2)可見，在無雨天和雨天，溫度與負(fù)離子濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，而濕度與負(fù)離子濃度呈顯著正相關(guān)。相反在暴雨天，溫度與負(fù)離子濃度呈顯著正相關(guān)，濕度與負(fù)離子濃度相關(guān)性較小且為負(fù)相關(guān)。

表2 夏季無雨天、雨天和暴雨天江西大崗山空氣負(fù)離子濃度與溫度、濕度的相關(guān)性分析

進(jìn)一步選取2019年5月18—22日、6月6—12日、6月21—25日和7月6—12日四次暴雨過程(一次暴雨過程包括暴雨發(fā)生前、發(fā)生時(shí)和發(fā)生后三個(gè)時(shí)段)。將這四次過程期間的負(fù)離子濃度與日降水量計(jì)算相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，相關(guān)系數(shù)均通過信度為0.05的顯著性檢驗(yàn)(表略)，說明負(fù)離子濃度與暴雨日降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，即暴雨過程中負(fù)離子濃度隨著降水量的增加(減少)而增大(減小)。圖4為四次暴雨過程中空氣負(fù)離子濃度和日降水量的時(shí)間序列，分析可知，在四次暴雨過程中，負(fù)離子濃度與降水量的變化趨勢(shì)基本相同，負(fù)離子濃度的極大值點(diǎn)與降水量的極大值點(diǎn)基本一致，說明負(fù)離子濃度的突變往往伴隨著降水量的突變，即負(fù)離子濃度會(huì)在暴雨發(fā)生時(shí)急劇增長(zhǎng)。

圖4 2019年5月18—22日、6月6—12日、6月21—25日和7月6—12日四次暴雨過程中空氣負(fù)離子濃度和日降水量的時(shí)間序列Fig. 4 Time series of air anion concentration and daily precipitation during four rainstorms from May 18 to 22, June 6 to 12, June 21 to 25 and July 6 to 12 in 2019, respectively

4 結(jié) 論

文中基于2019年江西大崗山空氣負(fù)離子濃度和氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了不同季節(jié)負(fù)離子濃度與溫度、濕度之間的關(guān)系，以及負(fù)離子濃度對(duì)夏季暴雨的響應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1) 夏季，大崗山空氣負(fù)離子濃度與溫度呈負(fù)相關(guān)、與濕度呈正相關(guān)，在其余季節(jié)負(fù)離子濃度與溫度呈正相關(guān)，與濕度呈負(fù)相關(guān)。這是由于夏季溫度過高，光照強(qiáng)度大，溫度升高導(dǎo)致的植物“午休”效應(yīng)和對(duì)污染物活動(dòng)的加劇作用占主導(dǎo)，導(dǎo)致負(fù)離子濃度隨之下降。而其他季節(jié)溫度偏低，植物“午休”效應(yīng)沒有夏季顯著，溫度升高引起的分子或原子熱運(yùn)動(dòng)速度加快、平均動(dòng)能升高作用更大，由此導(dǎo)致負(fù)離子濃度增多。

2) 各個(gè)季節(jié)溫度、濕度的大幅變化時(shí)常伴隨著負(fù)離子濃度的大幅變化，而溫度、濕度變化幅度較小時(shí)，負(fù)離子濃度的變化也較小，說明在該地區(qū)溫度、濕度的變化對(duì)負(fù)離子濃度的影響較大。

3) 夏季無雨天與雨天，負(fù)離子濃度與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，與濕度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；暴雨天，負(fù)離子濃度與溫度呈顯著正相關(guān)，與濕度相關(guān)性較小且為負(fù)相關(guān)。暴雨過程中，負(fù)離子濃度隨著降水量的增加(減少)而增大(減小)，且負(fù)離子濃度會(huì)在暴雨發(fā)生時(shí)急劇增長(zhǎng)。

致 謝

感謝國(guó)家生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、江西大崗山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站提供負(fù)離子和氣象數(shù)據(jù)。