赤水市大氣負(fù)氧離子的時(shí)空特征

尚媛媛，王紅波，陶 勇，張 蕾

(貴州省氣象服務(wù)中心，貴州 貴陽 550002)

1 引言

有著“空氣維生素”、“長壽素”之稱的負(fù)氧離子，對(duì)人體健康十分有利[1]，具有殺毒、降塵和提高免疫力的功能[2]。空氣負(fù)氧離子對(duì)人體健康有著促進(jìn)作用，同時(shí)還能反映空氣質(zhì)量，是生態(tài)環(huán)境狀況的重要指標(biāo)，而且對(duì)旅游城市的建設(shè)有一定的導(dǎo)向作用。近年來，各地政府委托氣象部門積極申報(bào)“中國天然氧吧”稱號(hào)，積極開展對(duì)負(fù)氧離子濃度的監(jiān)測與分析工作。2017年8月赤水市政府申報(bào)“中國天然氧吧”成功，提升了赤水市優(yōu)良旅游資源。北京、天津、大連、杭州等地已經(jīng)開展了負(fù)氧離子濃度預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，并取得了較好的社會(huì)效益[3]。

大量研究表明，森林之所以會(huì)讓人有清新的感覺，主要原因是森林空氣中含有大量的空氣負(fù)氧離子，是空氣負(fù)氧離子的產(chǎn)生源[4-6]，在森林、海濱等地區(qū)[7]，負(fù)離子含量可以高達(dá)5 000～20 000個(gè)/cm3，而在污染嚴(yán)重的城市僅為300～1 000個(gè)/cm3，在室內(nèi)就更少了，只有100～200個(gè)/cm3，甚至是沒有。根據(jù)聯(lián)合國衛(wèi)生組織的標(biāo)準(zhǔn)，空氣中負(fù)離子含量達(dá)到1 500個(gè)/cm3時(shí)，是空氣清新的標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)空氣中的負(fù)氧離子含量達(dá)到20 000個(gè)/cm3以上則具有醫(yī)療保健的功效。根據(jù)聯(lián)合國衛(wèi)生組織標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)外其他地區(qū)常見的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，本文采用以下推薦標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，具體見表1。

表1 負(fù)氧離子濃度分級(jí)Tab.1 Concentration Classification of Air Ions

有研究表明空氣濕度對(duì)負(fù)氧離子濃度影響最大，其次是光照、最小是溫度[8-9]，但也有研究認(rèn)為空氣負(fù)氧離子濃度與相對(duì)濕度、風(fēng)速、云量、日照、降水量的相關(guān)性不顯著[10-11]，還有研究認(rèn)為影響空氣負(fù)氧離子濃度的氣象因子有風(fēng)速、太陽輻射、相對(duì)濕度等，空氣負(fù)氧離子濃度與日平均風(fēng)速、太陽輻射正相關(guān)，與相對(duì)濕度負(fù)相關(guān)[12-14]。顯然，氣象因子與負(fù)氧離子關(guān)系的研究，存在著許多不確定性，這也許與局地小氣候有關(guān)。

赤水市位于貴州省北部，處于云貴高原向四川盆地過渡地帶，屬于中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，受中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候與峽谷丘陵山地立體氣候的疊加，相較于同處中亞熱帶的其他地區(qū)，赤水具有冬暖春早，氣候溫和，無霜期長，初夏晚秋多陰雨，多年不見積雪，立體氣候明顯。赤水降水豐沛，7月降水最多，4—10月降水量占全年降水量的82.5%，并且多夜雨。夜雨不但可以滋養(yǎng)植物，還可以降溫除塵，使空氣變得更加清新怡人。這些氣候特點(diǎn)使得赤水市擁有明顯的局地小氣候。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，基于旅游景區(qū)大氣負(fù)氧離子觀測，利用逐小時(shí)負(fù)氧離子觀測數(shù)據(jù)，對(duì)赤水市局地小氣候背景下的負(fù)氧離子濃度進(jìn)行分析，同時(shí)，與氣象因子相關(guān)性進(jìn)行分析，研究其基本規(guī)律以及與日照時(shí)數(shù)、降水、氣溫、空氣濕度等氣象要素的關(guān)系，對(duì)于研究赤水市當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)資源、掌握和科學(xué)地利用大氣負(fù)氧離子的變化規(guī)律有著重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值[15-16]，以期為旅游城市的大氣負(fù)氧離子研究提供一定的參考。

2 資料與方法

選取了復(fù)興驛站、古跡驛站2個(gè)觀測點(diǎn)，兩個(gè)監(jiān)測站均位于赤水仁懷的公路棧道旁，其中復(fù)興驛站位于赤水游客服務(wù)中心附近，下墊面以草皮為主，古跡驛站位于赤水河谷公路與赤水河中間狹窄地帶，下墊面以草地、濕地為主，周圍方圓十里均以竹林為主。根據(jù)“中國天然氧吧”中管理辦法，該地區(qū)屬于商業(yè)交通混合區(qū)，應(yīng)屬于二類區(qū)域，能代表整個(gè)赤水市的空氣中負(fù)氧離子含量水平。本文采用2016年5月—2017年4月赤水市2個(gè)負(fù)氧離子驛站觀測數(shù)據(jù)，采用的大氣負(fù)氧離子監(jiān)測儀型號(hào)為Ion-Best，是一套高精度大氣負(fù)離子監(jiān)測儀，符合國際通行技術(shù)規(guī)范。同時(shí)采用同屬于遵義市與赤水市相鄰縣市(見圖1)的負(fù)氧離子驛站數(shù)據(jù)作為對(duì)比(習(xí)水縣的紅軍露營地驛站、九龍屯驛站，仁懷市的茅臺(tái)驛站、沙灘驛站)。分析中剔除了異常數(shù)據(jù)，采用負(fù)氧離子數(shù)變化與氣象因子關(guān)系做相關(guān)性分析。

圖1 負(fù)氧離子監(jiān)測站分布圖Fig.1 Sampling Points of Negative Air Ions

3 負(fù)氧離子分布特征

3.1 負(fù)氧離子時(shí)間分布特征

3.1.1 負(fù)氧離子濃度的日變化特征 據(jù)觀測，復(fù)興站和古跡站大氣負(fù)氧離子濃度的日平均值為5 056個(gè)/m3，復(fù)興站日平均值為6 554個(gè)/m3，古跡站日平均值為3 244個(gè)/m3。復(fù)興站夜間負(fù)氧離子濃度略高于白天，古跡站白天與夜晚基本一致。根據(jù)負(fù)氧離子濃度分級(jí)表得出(見表1、表2)，赤水市復(fù)興站的負(fù)氧離子濃度達(dá)到高山級(jí)；古跡站的達(dá)到郊野級(jí)。兩站的空氣質(zhì)量均達(dá)到健康等級(jí)(表3)，具有殺菌、減少疾病傳染的功效。

表2 2016年5月—2017年4月赤水市負(fù)氧離子監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistics of negative oxygen ion monitoring data in Chishui

表3 2016年5月—2017年4月赤水市負(fù)氧離子監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總表Tab.3 negative oxygen ion monitoring data summary table

圖2 赤水市大氣負(fù)氧離子濃度的日變化Fig.2 Variations of Daily Negative Air Ions Concentration

從圖2負(fù)氧離子的濃度日變化分析得出，一天中大氣負(fù)氧離子濃度最高值出現(xiàn)在09—10時(shí)、13—15時(shí)、22—23時(shí)，04時(shí)、20時(shí)是每日負(fù)氧離子含量的低值出現(xiàn)的時(shí)間。這與羅豐[16]對(duì)廣州下半年空氣負(fù)離子變化規(guī)律的研究中早晚濃度較高的結(jié)果接近。與邵海榮[17]等對(duì)北京負(fù)離子研究的最小值約在23時(shí)的結(jié)果相反，原因可能是地形地貌、氣候條件和空氣質(zhì)量狀況等相差較大有關(guān)。

在09—10時(shí)、13—16時(shí)，太陽紫外輻射、植物光合作用增強(qiáng)，電離產(chǎn)生大量的自由電子，促使負(fù)氧離子濃度增大；22—23時(shí)，人類活動(dòng)減少，大氣顆粒物含量降低，空氣濕度增加，從而增加了負(fù)氧離子與水分子結(jié)合的效率，使負(fù)氧離子濃度增加[19-20]。

3.1.2 負(fù)氧離子濃度月變化特征 從圖3可以看出，赤水市各月負(fù)氧離子濃度變化不大， 復(fù)興站5—6月稍低，可能與剛開始監(jiān)測，儀器不穩(wěn)定有關(guān)。已有很多研究表明夏季負(fù)氧離子濃度較其他季節(jié)較高，主要是因?yàn)橄募疚绾罄子甑拇嬖诶纂娀顒?dòng)增加了負(fù)氧離子的濃度，同時(shí)降水減少了空氣中各類污染物濃度，間接有利于負(fù)氧離子濃度的上升；但是在赤水并未出現(xiàn)這種季節(jié)變化。

圖3 赤水市大氣負(fù)氧離子濃度的月平均變化Fig.3 Variations average of Monthly Negative Air Ions Concentration

剔除個(gè)別異常數(shù)據(jù)，復(fù)興驛站負(fù)氧離子逐月含量顯示2016年5—7月監(jiān)測的數(shù)據(jù)略偏低一些，負(fù)氧離子含量為4 688～5 062個(gè)/cm3，其余各月的含量基本持平，負(fù)氧離子含量均在6 519個(gè)/cm3以上。

3.2 相鄰縣市負(fù)氧離子分布特征和比較

習(xí)水縣負(fù)氧離子月均濃度含量近3 000個(gè)/cm3，各月的含量基本持平。紅軍露營地驛站負(fù)氧離子的濃度日變化分析得出，03—10時(shí)是負(fù)氧離子含量的高峰值時(shí)區(qū)。九龍屯驛站負(fù)氧離子的濃度日變化分析得出，一日中負(fù)氧離子含量最低值出現(xiàn)在01—03時(shí)，06—19時(shí)是負(fù)氧離子含量的高峰值時(shí)區(qū)。

仁懷市負(fù)氧離子月均濃度含量為2 850個(gè)/cm3，各月的含量基本持平。茅臺(tái)驛站負(fù)氧離子的濃度日變化分析得出，一日中負(fù)氧離子含量最低值出現(xiàn)在19時(shí)左右，04—11時(shí)是負(fù)氧離子含量的高峰值時(shí)區(qū)。沙灘驛站負(fù)氧離子的濃度日變化分析得出，一日中負(fù)氧離子含量最低值出現(xiàn)在凌晨01時(shí)和晚上20—21時(shí)，白天的08—19時(shí)是負(fù)氧離子含量的高峰值時(shí)區(qū)。

對(duì)各個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)分析可知(見圖4)，各驛站月平均濃度變化趨勢基本一致，赤水市(復(fù)興驛站、古跡驛站)負(fù)氧離子濃度最高，且明顯高于其他2個(gè)縣市對(duì)比站。對(duì)仁懷市(茅臺(tái)、沙灘)、習(xí)水縣(紅軍露營地、九龍屯)的結(jié)果分析后發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)差異可能與這些站的地理位置有關(guān)系(圖1)，由于赤水市高的森林覆蓋率比習(xí)水縣和仁懷市高，因此，越靠近赤水的測站負(fù)氧離子濃度越高。

圖4 赤水市及臨近縣市大氣負(fù)氧離子濃度的月變化(各月相鄰的6根柱體從左到右分別是茅臺(tái)、沙灘、紅軍露營地、九龍屯、復(fù)興、古跡)Fig.4 Variations of Monthly Negative Air Ions Concentration

4 氣象條件對(duì)大氣負(fù)氧離子濃度的影響

4.1 負(fù)氧離子與氣象因子的相關(guān)性

本文選取7個(gè)逐日基本氣象因子，即降水量、平均氣溫、最高溫度、氣壓、水汽壓、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)，采用相關(guān)性分析法，分別就雨日、無雨日的大氣負(fù)氧離子與各氣象因子的相關(guān)性進(jìn)行分析。

結(jié)果表明，在雨日、無雨日的不同情況下，氣象因子與大氣負(fù)氧離子的相關(guān)性表現(xiàn)不同。在雨日，大氣負(fù)氧離子與氣壓、相對(duì)濕度、最高氣溫、水汽壓等呈顯著相關(guān)(P<0.05)；在無雨日，大氣負(fù)氧離子除與上述因子有關(guān)外，還與日照時(shí)數(shù)呈顯著相關(guān)(P<0.05)。這表明不同天氣狀況下，氣象因子對(duì)大氣負(fù)氧離子濃度產(chǎn)生影響不同。

很多研究對(duì)降雨日氣象因子對(duì)負(fù)氧離子的影響只做了日平均統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明基本無關(guān)。本文在雨日負(fù)氧離子與氣象因子的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)：如果將雨日分為白天雨和夜雨進(jìn)行分析，則與負(fù)氧離子的關(guān)系不同(見表4)。通過將雨日分白天雨和晚上雨的大氣負(fù)氧離子與氣象要素相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)比不分白天和夜晚雨日的相關(guān)性明顯較高。白天雨的大氣負(fù)氧離子與水汽壓、平均氣溫、氣壓，呈顯著相關(guān)(P<0.05)，其中與水汽壓呈顯著負(fù)相關(guān)；晚上雨的大氣負(fù)氧離子與氣壓、水汽壓、最高氣溫呈顯著相關(guān)(P<0.05)，與水汽壓呈顯著負(fù)相關(guān)。這表明出現(xiàn)降雨天氣時(shí)，大氣負(fù)氧離子與水汽壓、氣溫、氣壓有較好的相關(guān)性，并且白天雨比晚上雨對(duì)大氣負(fù)氧離子濃度的增加具有明顯的相關(guān)性。

表4 負(fù)氧離子日平均濃度與各氣象要素的關(guān)系Tab.4 Relationship between Daily Average Concentration of Negative Air Ions and Meteorological Factors

注：*表示置信度>95%；**表示置信度>99%

理論上講，降水可加大大氣顆粒物濕沉降速率，使空氣凈化，可以使負(fù)氧離子含量升高。另外，已有研究表明，降水與地面、建筑物等物體摩擦、撞擊可以加快正負(fù)電荷的分離[21]；同時(shí)，由于降水天氣導(dǎo)致交通運(yùn)輸?shù)热祟惢顒?dòng)減少[22]，可以使負(fù)氧離子的含量升高。但本研究結(jié)果并非如此。另外，理論上相對(duì)濕度增加，可以吸附大氣中離子，形成凝結(jié)核，增加了大氣離子濃度，從而增加了大氣負(fù)氧離子[23]，本觀測研究結(jié)果表明，在無雨日這一規(guī)律成立。但在有雨日，只有夜雨時(shí)段的相對(duì)濕度才與負(fù)氧離子顯著性相關(guān)。

4.2 不同天氣條件下各個(gè)氣象因子的季節(jié)影響

將大氣負(fù)氧離子資料按無雨日和有雨日分別統(tǒng)計(jì)，并對(duì)顯著相關(guān)氣象因子在不同季節(jié)對(duì)大氣負(fù)氧離子影響的表現(xiàn)進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

4.2.1 無雨日氣象因子對(duì)大氣負(fù)氧離子濃度影響

研究表明，在沒有降水的條件下，大氣負(fù)氧離子與日照時(shí)數(shù)、最高氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)(參見表4)。從圖5a和5b可以看出，夏季(圖中為氣溫高，日照時(shí)數(shù)長的時(shí)段)，負(fù)氧離子濃度波動(dòng)較小，冬季(最高氣溫較低、日照時(shí)數(shù)少的時(shí)段)負(fù)氧離子濃度波動(dòng)相對(duì)較大。

4.2.2 雨日對(duì)大氣負(fù)氧離子濃度影響 由圖5c、5d、5e和5f可知，大氣負(fù)氧離子濃度值一般在下雨的時(shí)候隨著水汽壓的升高而增大，且不論降水出現(xiàn)白天還是晚上，大氣負(fù)氧離子濃度均與水汽壓呈明顯正相關(guān)性。同時(shí)，當(dāng)白天有雨時(shí)，大氣負(fù)氧離子濃度與平均氣溫呈正相關(guān)，夏季平均氣溫高，大氣負(fù)氧離子濃度值較高，這與一些研究認(rèn)為雷陣雨會(huì)使空氣中負(fù)氧離子濃度明顯增大有關(guān)[12]。夏季，當(dāng)晚上有雨時(shí)，降水強(qiáng)度大的時(shí)段內(nèi)，負(fù)氧離子濃度高；冬季，當(dāng)晚上有雨時(shí)，氣溫較高時(shí)，負(fù)氧離子濃度較低，氣溫較低時(shí)，負(fù)氧離子濃度反而較高。

圖5 氣象因子與大氣負(fù)氧離子的對(duì)比(a和b為無雨日，c、d為白天有雨日，e、f為夜間有雨日)Fig.5 Comparison Between Air Negative Oxygen Ions and Precipitation

5 結(jié)論與討論

通過對(duì)2016年5月—2017年4月赤水市觀測到的負(fù)氧離子濃度及氣象數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明：

①赤水市大氣負(fù)氧離子濃度白天略高于夜間，各季節(jié)濃度相差不大。市區(qū)的濃度在3 580～6 669個(gè)/cm3，年平均濃度為5 125個(gè)/cm3，各月月平均負(fù)氧離子濃度均超過3 000個(gè)/cm3。遠(yuǎn)超出世界衛(wèi)生組織界定的清新空氣標(biāo)準(zhǔn)(1 000～1 500個(gè)/cm3)，整體上對(duì)人體健康具有增強(qiáng)免疫抗菌力和康復(fù)治療的作用。

②赤水的負(fù)氧離子濃度高于附近的習(xí)水縣和仁懷市。從地理位置上分析，越靠近赤水市的測點(diǎn)負(fù)氧離子濃度越高。出現(xiàn)差異的主要原因是，因仁懷的工業(yè)和經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，車輛尾氣、建筑工地灰塵、工業(yè)廢氣排放等不利因素較多，直接抑制了負(fù)氧離子的生成。而赤水的兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)周圍植被豐富、森林覆蓋率高、瀑布多，有利于負(fù)氧離子的產(chǎn)生。

③大氣負(fù)氧離子濃度受氣象因子、植被條件和人為活動(dòng)等要素的影響而變化。赤水的兩個(gè)監(jiān)測站中，復(fù)興驛站靠近景區(qū)，植被覆蓋率高，水汽含量高，負(fù)氧離子濃度較高。

④在無雨日，大氣負(fù)氧離子濃度與日照時(shí)數(shù)、最高氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)。在雨日，大氣負(fù)氧離子濃度與氣壓、氣溫、水汽壓呈明顯相關(guān)，并且白天雨比晚上雨對(duì)大氣負(fù)氧離子濃度的增加具有明顯的影響。氣壓、最高溫度等對(duì)雨日大氣負(fù)氧離子濃度增加相關(guān)，而日照時(shí)數(shù)對(duì)無雨日大氣負(fù)氧離子濃度增加相關(guān)。

⑤降水量對(duì)赤水市的負(fù)氧離子濃度有弱的正相關(guān)關(guān)系，這與很多研究結(jié)論有些差別[17-18,23]，原因還需要進(jìn)一步研究，這可能與赤水市的地理位置、竹林的覆蓋率高以及獨(dú)特的小氣候有關(guān)，這與植被覆蓋率有利于產(chǎn)生大量的自由電子，形成負(fù)氧離子，使大氣負(fù)氧離子濃度增加相符。