城市和森林空氣負離子濃度與氣象環境關系的通徑分析

許 凱

陜西省漢中市氣象局 陜西 漢中 723000

一、空氣負離子

空氣負離子主要是由空氣中含氧負離子與若干個水分子結合而形成的原子團,被統稱負氧離子。負氧離子濃度是環境空氣質量監測、評價的重要指標。隨著社會對氣候變化、氣象環境的關注,研究人員對負氧離子展開了廣泛的研究與應用,并獲得了一些新的成果。就氣象環境與負氧離子濃度關系的而言,已有研究表明空氣負離子濃度可能與多種氣象要素相關。例如,有研究表明空氣濕度對空氣負離子濃度影響最大,其次是光照強度,最小是溫度；但也有研究認為空氣負離子濃度與相對濕度、風速、云量、日照、降水量的相關性不顯著。有研究認為影響空氣負離子濃度的氣象因子有日平均風速、太陽輻射、相對濕度等,空氣負離子濃度與日平均風速、太陽輻射正相關,與相對濕度負相關；有的研究卻認為空氣負離子濃度與溫度、風速等呈負相關,與濕度在春、夏、冬三季正相關(在秋季負相關。顯然,基于常規線性回歸分析方法的氣象環境與負氧離子濃度關系的研究,存在著許多不確定性,甚至矛盾性的結論。

由于許多相關研究結論的不確定性給相關業務預報、科研工作帶來了困擾。為了更客觀、更準確地揭示氣象因子對大氣負離子濃度的影響程度,需要適時根據森林區和城市區空氣負離子實測資料,選取盡可能多的氣象要素資料,采取通徑分析方法,研究氣象因子對空氣負離子濃度的貢獻,以期獲得對空氣負離子濃度影響因子的準確認識,從而為空氣負離子濃度預報提供參考,并為不同地理位置的空氣負離子研究提供參考。

二、通徑分析

統計學理論在研究多個相關變量間的線性關系時,一般采用簡單相關分析或多元回歸分析方法,多元回歸與簡單相關分析相比,在一定程度史真實表現各自變量與因變量的關系,此種方法在氣象統詛研究上已有成熟的研究應用。但是在多元回歸分析中,不能直接比較各自變量對因變量的效應。通徑分析方法克服上述不足,因而在農業、環境等領域得到較多應用。一般認為該方法在研究多個相關變量間的關系時具有精確、直觀等優點,使用通徑系數可以不受度量單位和自變量變異程度的影響去評估自變量對因變量的效應(相對重要性),也能區分自變量對因變量的直接作用和間接作用。而且該方法中以通徑系數的大小表示各因子相對于結果的相對重要性,較大的剩余通徑系數表示因子對結果誤差較大,或者還有其他的更重要的因素需要被考慮。可見,采用通徑系數的通徑分析方法,可獲得比相關分析和回歸分析更為準確的結論。其基本算式模型如下：

通過通徑分析,在當樣本中影響因變量的自變量較多且存在較大共線可能性時,可以排除相關性較大的自變量間的共線作用,明確不同自變量間的相互作用和對因變量的直接及間接影響,同時通過決策系數可確定每個自變量對結果的影響程度。

三、氣象環境與空氣負離子濃度分析

就全年而言,森林區具有比城市區更多的空氣負氧離子濃度,特別是夏季(6一8月)、秋季(9一11月)森林區的空氣負離子濃度是城市的幾倍,表明森林區的空氣比城市要好,此結論與現有研究的結論是一致的。對于森林區,空氣負離子的濃度均大于城市,這種差異與下墊面植被茂盛有關。夏季森林區植被茂盛,釋放的負離子要比城市大得多,也是一年中森林區、城市區負離子濃度差別最大的季節；秋季雖然綠色植被比夏季少,但城市空氣干燥、浮塵多,負離子存活時間較森林短,因而城市區負離子濃度總體上仍低于森林區。到了冬、春季,森林區植被覆蓋相對夏、秋季減少,負離子濃度較少,并與城市的負離子濃度的差值進一步減小。

四、結論

在選取了盡可能多的氣象因子,并輔以在揭示因子貢獻分析上較為先進的通徑分析方法,分析了城市環境和森林環境下大氣負氧離子濃度的差異,并對氣象因子與空氣負離子濃度的關系作了探討,得到如下的結論：

(1)相同天氣條件下,森林區和城市區負氧離子濃度變化不同。森林區大氣負氧離子濃度要比城市高,夏、秋季節森林區的空氣負離子濃度達到城市區的2、3倍,森林區的空氣更有益于人體健康。

(2)相關分析表明,總云量、平均風速和日照百分率同城市和森林空氣負離子濃度相關不顯著。蒸發量與森林區空氣負離子濃度相關不顯著,且僅在無雨日與城市區空氣負離子濃度顯著相關。

(3)對氣象要素與負離子濃度的通徑分析表明,日平均水汽壓、日平均氣溫是影響城市區和森林區空氣負離子濃度的主要直接因子。日平均水汽壓還是其他氣象要素影響空氣負離子濃度的主要間接因子。

由于空氣負離子產生機制和影響因子的復雜性,空氣負離子濃度變化研究一直是氣象、環境、林業等多學科交叉課題,既與研究區域地理位置、下墊面的差異有關,又與大氣環境中氣象要素間的相互作用有關。已有的研究表明空氣負離子濃度可能與多種氣象要素相關,但在具體因子的分析上,結果仍存在不確定性,一方面與統計分析方法本身的約束條件有關,另一方面與大氣環境中氣象要素間的相互作用的復雜性、研究區域地理位置、氣候背景有關。觀測時間短,研究結果難免存在一定的局限性,如何探明這些其他重要因素及其與負離子濃度的關系,這需要在今后的觀測試驗中,增有關要素觀測,并做進一步研究。