遂川縣負氧離子變化特征及其與氣象因素關系

摘 要：利用2022年1月—2023年12月遂川縣兩個負氧離子監測站（白水仙景區和文化公園）的監測數據，對遂川縣負氧離子濃度隨時間分布特征及氣象因素對負氧離子濃度的影響進行分析，并采用機器算法中隨機森林的特征重要性對影響遂川縣負氧離子濃度顯著的氣象因素進行篩選評估。結果表明：遂川縣兩監測站的負氧離子濃度等級，白水仙景區為I級，負氧離子濃度表現為夏秋高、春冬低；文化公園為Ⅱ級以上，負氧離子濃度值表現為夏春高、秋冬低。兩個監測站點日變化白水仙景區表現為負氧離子濃度午后和夜間高，文化公園則表現為入夜后20：00左右負氧離子濃度值呈現一段低谷期。利用機器學習法中隨機森林特征重要性對影響遂川縣負氧離子濃度明顯的氣象因素排序，結果表明遂川縣負氧離子濃度受到氣壓和溫度影響較大。

關鍵詞：負氧離子濃度；氣象因素；隨機森林；特征重要性

中圖分類號：S718.5 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）07–0-03

負氧離子又稱空氣維生素，是空氣中帶有負電荷的單個氣體分子和輕離子團的總稱，對人體的身心健康有益處，可以通過人體的神經系統和血液循環改善睡眠質量、預防心腦血管疾病、減輕氣喘等癥狀，負氧離子的濃度水平也是評價空氣質量的重要指標之一。

目前，國內外大量學者對負氧離子及其與氣象因素間關系進行了大量的研究。早在19世紀，德國物理學家菲利普已經證實了負氧離子的存在。我國對空氣負氧離子科學領域的研究始于20世紀80年代，彭琳玉等[1]研究發現九連山森林公園負氧離子濃度標準屬于I級，對于身體健康有益；何寧等[2]發現負氧離子濃度在總體趨勢上與日照、降水和氣溫表現為線性正相關；張勇等[3]發現氣溫和降水量對負氧離子濃度影響明顯；同時，國內其他學者對不同地區的負氧離子進行研究，結果表明負氧離子存在明顯的年、月、日變化特征[4-6]；黃世成等[7]對城市和森林等不同區域的負氧離子濃度與氣象因素建立模型，通過分析結果表明，負氧離子濃度與平均風速、日照百分率的相關性明顯，與氣壓、日平均氣溫有較好的相關性，表明不同環境的氣象因素對負氧離子分布有一定的影響。

雖然已有大量學者對此類研究進行了大量的分析，但是遂川縣境內有萬洋山脈、諸廣山山脈、笠麻頂3大主要山脈，主脈間的南風面為江西省境內第一高峰，由西向東北延綿，形成“三面環山東朝水”的簸箕狀地形，構成復雜的地形地貌，造成氣候差異大。由于之前的研究區域中無與遂川縣相似的地區，同時隨著遂川縣經濟的發展和生態文明的建設，社會和公眾對生態環境、健康養生、生態旅游的關注度越來越高，因此對遂川縣負氧離子的研究可以為促進旅游發展、提高旅游氣象服務水平、改善空氣質量、開發康養資源等提供重要參考依據。

1 資料和方法

1.1 研究區概況

研究區中負氧離子濃度監測站點分別位于遂川縣碧洲鎮白水仙景區和泉江鎮文化公園。白水仙景區監測站位于距縣城24 km的白水仙景區入園口旁，監測站四周樹蔭環繞，多竹林、常綠闊葉林、瀑布、奇石等自然景觀，風光秀麗，地勢奇特，不遠處有三疊瀑布。文化公園監測站位于縣城周邊文化公園，四周為人工種植的樹木，喬木為主，植被茂密，旁邊有一條河流，因地處公園內，傍晚及假日經常有休閑及徒步人員活動。同時，為了參照對比其他的氣象要素，選取了與白水仙景區和文化公園兩監測站點相近的氣象要素自動觀測站的數據作為參照，其中與白水仙景區監測站相近的為碧洲自動觀測站，與文化公園監測站相近的為國家自動觀測站。

1.2 數據來源與數據處理

1.2.1 數據來源

研究數據來源于遂川縣白水仙景區以及文化公園兩處監測站點，兩監測站點均利用固定式大氣負離子監測儀（LJYQ—6000）進行數據采集，該設備采用電容式吸入法，雙重同心桶結構設計，主要監測遷移率＞0.4 cm2/（V·s）的小粒徑大氣負氧離子，測量分辨率為1個/cm3，采集頻率為每間隔1 h采集1次，可實現全自動檢測，具備防雷、防塵、防蟲、防靜電、雷電感應、極板短路等保護功能。其中，溫度測量范圍-50～85 ℃，精確性±0.2 ℃；濕度RH測量范圍0～100%，準確度±3%；氣壓測量范圍10～1 300 hPa，精確性±1 hPa；風速測量范圍0～75 m/s，精確性使用最高值，測量值加減0.3 m/s或3%；PM2.5測量范圍0～999 μg/m3，分辨率0.3 μm，精度±10 μg/m3。監測數據為2022年1月—2023年12月的逐日、逐小時數據，數據包括負氧離子濃度值、溫度、濕度、氣壓、風向、風速、PM2.5等氣象要素數據，同時收集同時間同序列的白水仙景區及文化公園所鄰近的兩區域站的數據。

1.2.2 數據處理

主要是通過統計分析法。先將監測站點與區域站點逐日、逐小時氣象觀測數據對照各類氣象因素獲取時間進行融合，然后通過采用分組聚合的方式，對逐日、逐小時內的數據進行平均，剔除存在異常的數據值，并根據按照氣候學劃分四季：春節為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12月—翌年2月，最后按季節數據和按逐小時數據進行統計分析。

1.3 研究方法

眾多研究表明，影響負氧離子濃度的氣象因素眾多，無法通過主觀臆斷進行分析并準確總結各類氣象因素與負氧離子濃度變化關系。目前，機器學習法是具有從大量數據中提取有針對性、特征重要性的一種信息技術，其中隨機森林特征重要性是一種利用多個決策樹組合的機器學習算法，在線性關系建模方面應用成效良好，且利用Python語言運行所需代碼調試較少，還可調用Python的第三方庫Pandas對數據進一步處理，以及第三方庫Scikit-learn提供的隨機森林機器學習法特征重要性的應用接口，因此利用隨機森林機器學習法能有效地對影響負氧離濃度顯著的氣象因素進行篩選評估，同時根據隨機森林算法的權重、特征重要性等參數，可以對各因素特征的重要性進行排序。此外，根據白水仙景區和文化公園兩個監測站的負氧離子濃度變化特征，按照中國氣象局頒布的負（氧）離子濃度等級的標準（QX/T 380—2017），對遂川縣負（氧）離子濃度等級進行評價。

2 結果與分析

2.1 負氧離子濃度時間變化特征

2.1.1 負氧離子濃度的季變化特征

利用遂川縣文化公園和白水仙景區兩個監測站點所采集的空氣負氧離子濃度監測數據，按照氣候學劃分四季時段，開展遂川白水仙景區和文化公園負氧離子濃度四季變化特征分析。結果表明，白水仙景區負氧離子四季濃度從高到低依次為夏季、秋季、春季、冬季；文化公園負氧離子四季濃度從高到低依次為夏季、春季、秋季、冬季。對比顯示，雖然白水仙景區和文化公園季變化規律并不相同，但是兩個監測站點的夏季負氧離子濃度值最高、冬季負氧離子值最低。白水仙景區各季負氧離子濃度均顯著高于文化公園。從地理環境特征分析，白水仙下墊面為林地，植被類型為中亞熱帶常綠闊葉林地帶，文化公園下墊面為人工草地，周邊有道路，學校等，因此造成兩個監測站點濃度差異明顯（圖1）。

2.1.2 負氧離子濃度日變化特征

對白水仙和文化公園春夏秋冬四季的負氧離子濃度數據進行了日變化特征分析，結果表明，兩個站點四季日變化趨勢不同，其中白水仙景區變化波動大，在午后和夜間均存在小段上升期；文化公園變化較為緩慢，在20：00左右存在低谷降期。

兩個站點四季日變化日濃度最高、最低峰出現的時間不同。其中，白水仙日春季濃度最高峰出現在20：00，為5 047個/cm3，最低峰出現在13：00，為3 627個/cm3；文化公園春季濃度最高峰出現在04：00，為1 990個/cm3，最低峰出現在19：00，為1 297個/cm3。比較兩個監測站點春季日變化規律可得，濃度值方面，白水仙景區各小時平均濃度值均＞文化公園。變化趨勢方面的相同點為兩監測站負氧離子濃度值最大值都出現在04：00，在午后均呈現負氧離子濃度值下降的趨勢。變化趨勢方面的不同點，一是白水仙日變化比較平緩，而文化公園日變化幅度大；二是兩監測站點所監測的負氧離子濃度值出現最小值分別為午后和傍晚。

白水仙景區夏季日濃度最高峰出現在03：00，為5 153個/cm3，最低峰出現在14：00，為4 378個/cm3；文化公園夏季日濃度最高值出現在09：00，為1 893個/cm3，最低峰出現在22：00，為1 458個/cm3。比較兩個監測站點夏季日變化規律可得，濃度值方面，白水仙景區各小時平均濃度值均大于文化公園。變化趨勢方面的相同點為兩監測站負氧離子濃度值幅度值都變化顯著，在16：00均出現負氧離子濃度值下降的趨勢，峰值出現的時間間隔大致一致。變化趨勢方面的不同點：白水仙日變化比較平緩，而文化公園日變化幅度大；兩個監測站點所監測的負氧離子濃度值出現最小值分別為午后和夜晚。

白水仙景區秋季日濃度最高峰出現在19：00，為4 069個/cm3，最低峰出現在13：00，為3 376個/cm3；文化公園秋季日濃度最高峰出現在05：00，為1 264個/cm3，最低峰出現在19：00，為806個/cm3。比較兩個監測站點秋季日變化規律可得出，濃度值方面，白水仙景區各小時平均濃度值均大于文化公園。變化趨勢方面的相同點為兩監測站負氧離子濃度最低值都出現在19：00。變化趨勢方面的不同點：白水仙日變化比較平緩，而文化公園日變化幅度大；白水仙監測站點所監測的負氧離子濃度值逐漸上升，而文化公園所監測的負氧離子濃度值出現下降趨勢。

白水仙冬季日濃度最高峰出現在04：00，為4 681個/cm3，最低峰出現在14：00，為3 832個/cm3。文化公園冬季日濃度最高峰出現在04：00，為1 328個/cm3，最低峰出現在19：00，為822個/cm3（圖2）。比較兩個監測站點秋季日變化規律可得出，濃度值方面，白水仙景區各小時平均濃度值均大于文化公園。變化趨勢方面的相同點為兩個監測站負氧離子濃度值最低值出現時間大致相同，同時在午后負氧離子濃度值均有所下降。變化趨勢方面的不同點為白水仙日變化比較平緩，而文化公園日變化幅度大。

2.2 負氧離子濃度與氣象因子的關系

通過對兩個監測站點負氧離子濃度與累計降水、極大風速、相對濕度的季變化趨勢和日變化特征進行分析，結果表明：兩個監測站點總體上累計降水量、平均氣溫、平均濕度均與負氧離子濃度呈正相關，平均風速、氣壓、PM2.5均與負氧離子濃度呈負相關。對逐個氣象因素與負氧離子濃度進行相關性的比較分析，發現難以找到顯著的適用、匹配的規律，特別是春秋季節，受很多因素影響，負氧離子濃度值與氣象因素存在錯綜復雜的非線性關系，因此對負氧離子濃度的按季節變化特征和按日變化特征分析，仍需綜合考慮多種氣象因素。

2.3 負氧離子濃度影響顯著氣象因素評估

利用隨機森林機的特征重要性評估目前主要的6種氣象觀測因素（溫度、濕度、氣壓、降水量、風速、PM2.5），對白水仙和文化公園兩個監測站點的負氧離子濃度影響顯著的氣象因素進行特征重要性排序，計算結果如圖3所示。影響白水仙和文化公園負氧離子濃度受到氣壓和溫度的影響顯著，其中根據特征重要性影響白水仙景區的要素依次為氣壓（0.22）、溫度（0.21）、濕度（0.16）、風速（0.15）、PM2.5（0.13）、降水量（0.11）；文化公園依次為氣壓（0.23）、溫度（0.22）、濕度（0.16）、風速（0.14）、PM2.5（0.13）、降水量（0.11）。

2.4 負氧離子濃度等級評價

根據中國氣象局批準發布的負氧離子濃度等級標準規定，負氧離子濃度值＞1 200個/cm3，表明該地區負氧離子濃度高，空氣清新為Ⅰ級；負氧離子濃度值為500～1 200個/cm3，表明該地區負氧離子濃度較高，空氣較為清新為Ⅱ級。通過對白水仙景區和文化公園兩個監測站點數據顯示表明，兩監測站負氧離子濃度季變化和日變化表明兩監測站點的濃度均在Ⅱ級以上，其中白水仙景區的負氧離子濃度值比Ⅰ級標準高2倍以上。

3 結論

（1）遂川白水仙景區負氧離子濃度高于文化公園負氧離子濃度，且負氧離子濃度等級白水仙景區為Ⅰ級，文化公園為Ⅱ級以上，空氣清新，有益于身心健康。

（2）白水仙景區和文化公園負氧離子濃度的變化規律存在明顯差異。白水仙景區為夏秋高，春冬低；文化公園則為夏春高，秋冬低，日變化白水仙表現為午后和夜間高，文化公園則表現為入夜后20：00左右出現下降期。

（3）負氧離子濃度與降水、溫度、濕度呈正相關，與平均風速、氣壓、PM2.5呈負相關。

（4）利用機器學習法中隨機森林特征重要性對影響遂川縣負氧離子濃度明顯的氣象因素排序，結果表明遂川縣負氧離子濃度受到氣壓和溫度影響較大。

參考文獻

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