融水縣空氣負離子濃度的時空變化特征分析

收稿日期：2024-02-13

作者簡介：何杭駿（1994—），女，云南玉溪人，研究方向為應用氣象學（公共服務方向）。#通信作者：張凌云（1975—），女，廣西柳州人，研究方向為天氣預報及服務，E-mail：yxl2zsys@163.com。

摘 要：利用融水苗族自治縣雙龍溝站（2018—2022年）、體育公園站、三友瀑布站（2021年7月—2022年7月）空氣負離子濃度數據及氣象資料，分析了融水縣縣城區域和鄉村區域的空氣負離子濃度時空變化特征和不同時間尺度下各種因子對空氣負離子濃度的變化影響。結果表明：（1）融水縣鄉村區域空氣負離子濃度年變化和季節變化特征明顯，且峰值出現時間和融水縣的汛期基本同步。夏季日平均值最大且日變化劇烈，這是雨滴碰撞導致的。（2）縣城的年變化特征不明顯，縣城濃度日平均值冬季較大、日變化特征明顯。冬季空氣負離子濃度的增加與人類活動的減少和冬季的陰雨天氣有關。（3）降水過程中的充沛的水汽條件和降水運動對水分子的剪切作用，與Lenard效應的疊加是鄉村區域空氣負離子濃度高的主要原因。雨天的空氣負離子濃度日變化不再遵循季節性的日變化特征，其濃度明顯受到降水的影響。在融水縣鄉村區域，雨量越大，空氣負離子濃度越大。

關鍵詞：空氣負離子；濃度；時空變化特征；氣象因子

中圖分類號：X51 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）04–0-03

根據地理物理學和大氣測量學國際聯盟的大氣聯合委員會采用的理論，空氣負離子就是O2（H2O）n，或OH-（H2O）n，CO4（H2O）2，是帶負電荷單個氣體分子及其輕離子團的總稱。由于氧分子比CO2、N等分子更具有親電性，因此氧分子更容易形成負離子，所以空氣負離子主要由空氣負離子組成，故常被稱為空氣負離子。空氣負離子常帶負電，容易與空氣中細菌、灰塵、煙霧等帶正電的微粒一起沉淀成中性微粒，達到凈化空氣的目的。空氣負離子具有降塵、殺菌、清潔和保健的作用，對人體的某些疾病有著輔助治療的作用，也是反映空氣質量的一個重要指標。較高濃度的空氣負離子具有多種潛在的生物學功能，因此空氣負離子更是一類重要的健康旅游資源。

目前對空氣負離子的研究涉及很多方向，包括空氣負離子的捕獲方式；在森林公園、城市綠地方面的應用；對不同下墊面條件下空氣負離子的時空特征變化的研究；對氣象因子、植被種類等各種要素對空氣負離子濃度變化影響的研究；對空氣負離子濃度預測方法的探索等。其中余娟[1]研究了貴州特殊的洞穴條件下的空氣負離子時空變化及來源，認為空氣負離子的富集受到通風效應、洞內人類活動、洞道形態、海拔、滴水、洞外天氣狀況等環境因子，以及溫度、濕度、CO2、風速等氣候因子的綜合影響。黃世成等[2]認為日平均水氣壓是影響空氣負離子濃度最大的直接和間接氣象因子。慶濤等[3]認為南京市江寧區不同季節下氣象因子與空氣負離子相關性不同，夏季空氣負離子濃度與氣壓呈負相關，而與降水量、氣溫、日照時數、日凈全輻射呈正相關。許鳴等[4]得出了麗水市空氣負離子濃度值與溫度呈負相關關系，與濕度、日照時數呈正相關的結論。湯浩藩等[5]通過對南昌市城郊針闊混交林的研究，認為空氣負離子濃度與PM2.5濃度呈負相關，與相對濕度呈正相關。

不同季節、不同環境條件下的空氣負離子濃度受氣象要素的影響不同，空氣負離子濃度具有較強的瞬變性，加上監測設備等存在的差異，導致結論差異較大。以往研究側重于對大城市的休閑公園、森林綠地的空氣負離子濃度進行分析，為城市規劃、環境污染管理等提供理論依據，針對鄉村區域的空氣負離子研究較少。為了助力鄉村振興和發展鄉村生態旅游，根據位于縣城和鄉村2個不同環境下的3個空氣負離子站數據，分析了融水縣的空氣負離子濃度的時間變化規律，以及空氣負離子濃度的影響因子。

1 數據與方法

1.1 研究地概況

融水縣位于廣西壯族自治區北部，屬中亞熱帶濕潤季風氣候區，四季分明，氣候溫和，降水豐沛，光照充足。融水縣依托良好的自然生態資源，大力發展特色鄉村旅游產業。2020年12月融水縣被評為“國家全域旅游示范區”。

融水縣3個空氣負離子站分別建在雙龍溝景區、體育公園和三友瀑布景區。體育公園站位于縣城，周圍以草坪綠化為主，雙龍溝站和三友瀑布站位于鄉村，植被茂密，三友瀑布站位于瀑布旁。

1.2 觀測儀器與數據獲取

匯總整理經過質控后的雙龍溝站（2018—2022年）、

體育公園站和三友瀑布站2021年7月—2022年7月空氣負離子濃度數據和距離最近的地面站同步氣象要素觀測資料，使用Origin 2021軟件繪制空氣負離子時間變化特征圖，采用SPSS 25統計軟件對空氣負離子濃度數據和氣象因子在不同時間尺度上的Pearson相關性分析。

2 融水縣空氣負離子濃度的時間變化特征

2.1 融水縣空氣負離子濃度的年變化特征

位于鄉村的雙龍溝站和三友瀑布站年變化特征明顯，峰值處于融水縣的主汛期（5—7月），雙龍溝在5月份（8 117.3 個/cm3），三友瀑布在6月（7 386.7 個/cm3）。

同時，2個站都在11月有一個次峰。雙龍溝的空氣負離子增加從3月開始，到5月份融水縣強對流天氣頻發，雷暴、強降雨天氣增多，空氣負離子濃度到達峰頂，6月正式進入汛期，融水縣天氣轉為連續性的暴雨，空氣負離子平穩回落。夏季后期到秋季前期的干旱使空氣中的濕度下降，溫度升高，對植物光合作用不利，空氣負離子濃度到達谷底，隨著秋雨對旱情的緩解，空氣負離子濃度回升。三友瀑布的空氣負離子濃度回升比雙龍溝晚一個月，主要受瀑布效應的影響。位于縣城的體育公園站的年變化特征不明顯，空氣負離子濃度月平均值除了在1月出現一個大值（3 755.2 個/cm3），

其余月份在2 000 個/cm3左右波動。

2.2 融水縣空氣負離子濃度日變化的季節性特征

為研究融水縣鄉村和縣城的季節變化差異，采取2021年7月到2022年7月的空氣負離子小時數據進行統計分析（圖1）。

由圖1可知，三友瀑布站夏季空氣負離子濃度日平均值最高，秋季和冬季次之，春季最低，秋季略高于冬季。此站各季節的空氣負離子濃度大體上呈現凌晨到中午（0：00～11：00）濃度大于中午到夜晚（12：00

～23：00）的規律，且白天變化比夜間劇烈。一天的最高值在7：00～8：00，春、秋季最低值出現在0：00～23：00，

夏、冬季出現在15：00～16：00，最低值和最高值的趨勢和平均值趨勢一致。夏季的日變化比其他3個季節波動劇烈。

雙龍溝站夏季空氣負離子濃度日平均值最高，春季次之，秋季和冬季最低，秋季略高于冬季。該站春季空氣負離子濃度大可能是因為長時間的連陰雨，連陰雨導致濕度提高，同時雨滴可以與空氣中的灰塵等大離子結合，使空氣負離子的壽命增加。春、秋、冬季空氣負離子濃度日變化不明顯。秋、冬兩季在午后波動較為劇烈，峰值出現在14：00～16：00。

因為三友瀑布站位于瀑布旁邊，該站一年四季日變化都較為劇烈，水體在撞擊和噴射過程中加快正負電荷的分離，水流速度越快，相應摩擦產生的電離能越大，周邊環境的空氣負離子濃度越高，同時水的噴濺過程可以達到濕沉降的效果，有效減少大氣懸浮顆粒物，來源于水的空氣負離子具有較長的壽命。

體育公園站位于縣城，日變化的季節趨勢與其他2個站明顯不同。冬季空氣負離子濃度日平均值最高，且日變化波動劇烈；春、夏、秋季日平均值按秋季＞夏季＞春季排列，且日變化不明顯。日變化最低值的出現時間與縣城居民到體育公園散步和夜間活動的時間相符，人類活動增加了大氣懸浮顆粒物，吸附空氣負離子并沉降導致空氣負離子濃度變低。融水縣城冬天依然有常綠植被覆蓋，植被生長代謝活躍，有利于空氣負離子的生成。

3 空氣負離子濃度與多因子的相關性分析

3.1 不同時間尺度下空氣負離子濃度與多因子的相關性分析

選取雙龍溝站2018—2022年及三友瀑布和體育公園站2021年7月—2022年7月的空氣負離子數據與對應時間段的相關要素，分析不同時間尺度下縣城區域和鄉村區域各影響因子與空氣負離子濃度的相關性。

鄉村區域的2個站降水量與空氣負離子的日濃度、

月濃度均呈極顯著正相關關系。有學者認為降雨落在森林，與葉片、土壤等撞擊的過程與瀑布拍打巖石的效果類似，降水過程中充沛的水汽條件和降水運動對水分子的剪切作用，與Lenard效應的疊加可能是2個站在降水過程中空氣負離子濃度高的原因。

對于日濃度來說，縣城區域平均風速和CO與空氣負離子濃度呈極顯著正相關關系，水汽壓、氣溫、O3、PM10、PM2.5與空氣負離子濃度呈極顯著負相關關系。縣城區域的空氣負離子月濃度和平均風速和CO在0.05水平上呈顯著正相關關系。對于縣城來說，平均風速和污染物對空氣負離子濃度的影響較大（表1～表3）。

對比鄉村區域和縣城區域，氣壓、水汽壓和風速在不同的環境條件下得出相反的結論，由于環境條件和時間尺度的變化，溫度和濕度甚至有時與空氣負離子濃度不相關，說明在融水縣空氣負離子濃度與氣壓、水汽壓、溫度、濕度的關系較為復雜且不確定。

3.2 降水對融水縣鄉村區域空氣負離子濃度的影響

鑒于降水量和融水縣鄉村區域的空氣負離子濃度相關系數較大，進一步分析不同降水過程和不同降水量級與融水縣鄉村區域空氣負離子濃度的關系。選擇三友瀑布站2021年7月—2022年7月的空氣負離子濃度數據和香粉站的降水量數據進行分析。從降水過程的空氣負離子濃度變化分析，雨天的空氣負離子濃度日變化不再遵循季節性的日變化特征主要受降水影響。春季和夏季的典型雨日（2022年2月6日和2021年7月4日），空氣負離子濃度的峰值均出現在降雨之后1 h，而秋季和冬季（2021年10月29日和2022年1月8日），空氣負離子濃度的峰值則均出現在降雨后3 h。

春、夏季的峰值延遲時間縮短可能是瀑布和降雨的疊加作用導致的。不同等級降水量對空氣負離子濃度的影響程度不同，隨著降水量增加，空氣負離子濃度也隨之上升，其波動范圍也隨之擴大，當降雨為暴雨到大暴雨量級（R=50～100 mm）時，空氣負離子濃度最大。而有學者認為當出現暴雨天氣時，由于降雨可能會沖刷掉一定濃度的空氣負離子，空氣負離子濃度反而下降，這與本文的結論不符。一方面是由于降雨落在瀑布上空氣負離子濃度會更高，超過了被沖刷掉的空氣負離子濃度；另一方面可能與其他氣象因子互相作用的不同有關。

4 結論

討論了不同時間尺度融水縣位于縣城和鄉村區域的3個站的空氣負離子濃度變化、氣象因子和污染物因子對空氣負離子的影響。但數據量有限，且影響空氣負離子濃度的因子較為復雜，除了氣象因子，還要考慮植被、海拔、人類活動等其他因素，因此未能對融水縣空氣負離子濃度建立預測模型。融水縣擁有豐富的空氣負離子資源，建議當地進一步對空氣負離子進行研究，以便更好地開發利用。

參考文獻

[1] 余娟.龍打巖洞空氣負離子時空分布特征及影響因素研究[D].貴陽：貴州師范大學，2021.

[2] 黃世成，徐春陽，周嘉陵.城市和森林空氣負離子濃度與氣象環境關系的通徑分析[J].氣象，2012，38（11）：1417-1422.

[3] 慶濤，夏斌，汪笑，等.南京雷暴天氣異常的環流背景分析[J].現代農業科技，2019（23）：173-176.

[4] 許鳴，張建國，葛揚.麗水市空氣負離子濃度分布的時空特征及其影響因素[J].園林，2020（6）：76-81.

[5] 湯浩藩，吳巧花，王麗艷，等.南昌市城郊針闊混交林負氧離子濃度及其影響因子研究[J].林業資源管理，2022（5）：84 -90.