何　寧，林明麗，趙紅云，劉　灝

(湖南省湘潭市氣象局，湖南　湘潭　411100)

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湘潭負(fù)氧離子濃度變化與氣象要素的相關(guān)分析

何寧，林明麗，趙紅云，劉灝

(湖南省湘潭市氣象局，湖南湘潭411100)

利用2014年5月—2015年5月湘潭負(fù)氧離子實(shí)況資料，分析了負(fù)氧離子季、月和日變化特征及其與氣象要素的相關(guān)性。結(jié)果表明：①森林公園負(fù)氧離子濃度高于郊區(qū)，且森林和郊區(qū)負(fù)氧離子濃度的月季變化規(guī)律存在明顯差異，森林表現(xiàn)為春高秋低，郊區(qū)則為夏高秋低；負(fù)氧離子濃度日變化規(guī)律，即夜間高白天低。②天氣狀態(tài)對(duì)空氣負(fù)氧離子濃度存在顯著影響。③負(fù)氧離子濃度除與相對(duì)濕度無(wú)相關(guān)外，均與日照、降水量、氣溫呈線性正相關(guān)。

負(fù)氧離子濃度；變化；氣象要素;分析;湘潭

1　引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長(zhǎng), 工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展, 人們的生活水平得到了很大的提高,對(duì)生活質(zhì)量也有了更高的要求, 整天忙碌的人們?cè)陂e暇之余, 選擇了一種健康的、時(shí)尚的休閑生活方式，就是到森林中“洗肺”。 據(jù)有關(guān)研究，空氣中的負(fù)氧離子在一定濃度下對(duì)人體健康十分有益，并被譽(yù)為“空氣維生素和空氣長(zhǎng)壽素”，因此，負(fù)氧離子作為一種重要的森林資源越來(lái)越受到“洗肺人”的關(guān)注，生態(tài)旅游也越來(lái)越受到人們的青睞?？諝庳?fù)氧離子水平已成為評(píng)價(jià)旅游環(huán)境空氣清潔度的重要指標(biāo)。

據(jù)相關(guān)分析研究，空氣中負(fù)離子的產(chǎn)生與存活與氣象條件關(guān)系密切。目前，湘潭市已分別在韶山和昭山分別安裝了負(fù)氧離子監(jiān)測(cè)儀，但對(duì)負(fù)氧離子濃度變化、與氣象因子的關(guān)系等分析研究仍為空白。韶山和昭山分別作為毛澤東故居·紅色旅游圣地、長(zhǎng)株潭的“綠心”，開展其空氣負(fù)氧離子濃度與環(huán)境因子關(guān)系的分析研究，為下一步進(jìn)行負(fù)氧離子預(yù)測(cè)模型的建立打下基礎(chǔ)。同時(shí)，為拓展環(huán)境氣象業(yè)務(wù)和服務(wù)，全面配合長(zhǎng)株潭生態(tài)核心城市群的建設(shè)，推動(dòng)生態(tài)旅游發(fā)展，具有十分重要的意義。

2　研究區(qū)概括與方法

2.1研究區(qū)概括

長(zhǎng)株潭的“綠心”——湘潭昭山省級(jí)森林公園總面積820.9 hm2，其中林地面積659.4 hm2，森林覆蓋率80.6%，位于長(zhǎng)株潭“綠心”保護(hù)區(qū)核心區(qū)，與長(zhǎng)沙石燕湖生態(tài)旅游風(fēng)景區(qū)接壤，公園地理位置優(yōu)越，自然風(fēng)景秀麗。

毛澤東故居·紅色旅游圣地——湘潭韶山屬于典型的丘陵地帶，總?cè)丝?0萬(wàn)，總面積210.38 km2，森林覆蓋率56%，自然生態(tài)環(huán)境優(yōu)良，空氣清新，有“天然大氧吧”的美譽(yù)。

2.2研究方法

昭山負(fù)氧離子觀測(cè)點(diǎn)位于昭山風(fēng)景園區(qū)內(nèi)，地理位置為27.97°N，113.0°E，海拔高度為158.0 m；韶山站點(diǎn)位于韶山市氣象局觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，地理位置為27.93°N,112.52°E,海拔高度為88.3 m。觀測(cè)儀器均采用美國(guó)Epex大氣負(fù)(氧)離子監(jiān)測(cè)儀。負(fù)氧離子檢測(cè)為全天候無(wú)人值守、自動(dòng)監(jiān)測(cè)。測(cè)報(bào)的離子值為3檔，記錄容量大，能記錄129 600個(gè)數(shù)據(jù)(包括溫度、濕度)，數(shù)據(jù)采樣間隔時(shí)間為1 min，可連續(xù)保存3個(gè)月；測(cè)量誤差：離子濃度≤±10%，遷移率≥1。

由于昭山監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的搬遷，為了研究數(shù)據(jù)的連續(xù)性和代表性，本文分析資料取自2014年5月—2015年5月分鐘觀測(cè)資料，日平均負(fù)氧離子濃度值為24 h算術(shù)平均，氣象資料使用同時(shí)、同一地點(diǎn)觀測(cè)資料。各季定義分別為夏季6—8月、秋季9—11 月、冬季12月—至次年2 月、春季3—5月。

3　結(jié)果與分析

3.1森林公園與郊區(qū)曠野負(fù)氧離子濃度比較

3.1.1負(fù)氧離子濃度地域變化 經(jīng)統(tǒng)計(jì)，湘潭地區(qū)的昭山站和韶山站年平均負(fù)氧離子濃度分別為1 584個(gè)/cm3、914個(gè)/cm3，其中昭山站達(dá)到國(guó)際衛(wèi)生組織規(guī)定的清新空氣標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)兩站負(fù)氧離子濃度數(shù)據(jù)表明：森林公園>郊區(qū)曠野。

上述兩地負(fù)氧離子濃度差異的形成，表明空氣負(fù)氧離子濃度受環(huán)境因素影響較大, 隨地域和時(shí)間的不同而發(fā)生變化。一是負(fù)氧離子濃度隨高度增加而增大[1]，昭山站海拔為158 m，負(fù)氧離子數(shù)量多，而韶山站海拔為88.3 m，負(fù)氧離子數(shù)量較少。另外昭山站地處風(fēng)景園區(qū)山上，山地巖石中含放射性物質(zhì)較多，尤其是在高山上紫外線、宇宙射線較強(qiáng)，太陽(yáng)光照射到森林植物枝葉上會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)，山林下土壤疏松,巖石和土壤中的放射性元素容易逸出土壤而進(jìn)入空氣，樹木與花卉釋放出的芳香揮發(fā)性物質(zhì)等都能使林區(qū)空氣發(fā)生電離現(xiàn)象，加上綠地和樹木有除塵作用，使林區(qū)空氣中的負(fù)氧離子不僅濃度高,而且壽命較長(zhǎng)；韶山站附近以水泥、瀝青路面為主，阻隔了來(lái)自土壤的電離源[1]。二是昭山森林覆蓋率達(dá)到80.6%，森林資源豐富，環(huán)境污染少，而韶山則只有56%，人類活動(dòng)密集，大氣氣溶膠含量高，負(fù)氧離子容易吸附于氣溶膠粒子發(fā)生沉降，負(fù)氧離子濃度僅為昭山的50%～60%，森林與郊區(qū)相比，空氣負(fù)氧離子濃度可高出近二倍。三是2014年10月份韶山站點(diǎn)附近新修一條公路，人流、車流明顯增多，大氣污染嚴(yán)重，使空氣負(fù)氧離子損失增多。

因此植樹種草,搞好城市和居民區(qū)綠化,就等于為城市和居民區(qū)安裝了空氣調(diào)節(jié)器和負(fù)離子發(fā)生器。

3.1.2負(fù)氧離子濃度季變化從表1可以看出兩地負(fù)氧離子濃度在季節(jié)上存在明顯差異，韶山負(fù)氧離子濃度夏季高于冬季，而昭山則反，為冬季高于夏季，這與一些文獻(xiàn)的研究成果有所不同。其中：昭山站冬季負(fù)氧離子濃度最高，秋季最?。簧厣较募矩?fù)氧離子濃度最高，春季最小。

從表1還可以看出昭山站的空氣負(fù)氧離子濃度是韶山站的1.7倍，尤其是春季，高出3倍以上，冬季次之，高出約2倍。由于春冬季逆溫效應(yīng)使空氣污染嚴(yán)重，而森林內(nèi)除了枯落物層的保溫作用外，林冠層也起著緩和氣溫變化的作用，阻擋了林內(nèi)長(zhǎng)波輻射的熱失散[1]，逆溫效應(yīng)不明顯，加上林內(nèi)風(fēng)小，水汽不易向外擴(kuò)散，空氣濕度比城市大，更易形成負(fù)氧離子，致使春冬季昭山站負(fù)氧離子濃度明顯高于韶山站。因此建議人們可以選擇春冬季到森林公園游玩，以呼吸到負(fù)氧離子濃度相對(duì)較高的清新空氣。

表1　湘潭負(fù)氧離子濃度季節(jié)分布(單位： 個(gè)/cn3)

3.1.3負(fù)氧離子濃度月變化從圖1看出，昭山月平均最大濃度值為1 969個(gè)/cm3，出現(xiàn)在2014年5月，月平均最小濃度值為1 120個(gè)/cm3，出現(xiàn)在11月。一年中有6個(gè)月(12—次年5月)大于平均值，有6個(gè)月(5—11月)小于平均值，月最大變幅為768.4個(gè)/cm3。韶山月平均最大濃度值為1 522個(gè)/cm3，出現(xiàn)在2014年5月，月平均最小濃度值為541個(gè)/cm3，出現(xiàn)在3月，月最大變幅為438.1個(gè)/cm3。

圖1　湘潭負(fù)氧離子濃度月際變化Fig.1　Monthly Viration of Negative oxygen ion concentration in Xiangtan

3.1.4負(fù)氧離子濃度日變化湘潭負(fù)氧離子濃度除具有明顯的季、月變化特征外，還具有一定的的日變化規(guī)律。本文選取了韶山站2015年3月2日(陰天)的負(fù)氧離子濃度作分析。從圖2可以看出，空氣負(fù)氧離子濃度分布呈W型，05時(shí)之前較高，而后開始下降，08時(shí)負(fù)氧離子濃度降到最低，之后濃度逐漸增大，14時(shí)左右達(dá)到第二高峰值，17—18時(shí)再次降至最低，之后迅速升至一日中最高峰值?？諝庳?fù)氧離子濃度有夜間高、白天低的日變化規(guī)律，最大值出現(xiàn)在夜間后期和晨間早期時(shí)段，有時(shí)午后出現(xiàn)第二高值，最小值出現(xiàn)在早晨和黃昏時(shí)段，由于是早晚上班的高峰期，人流、車流明顯增多，大氣氣溶膠粒子的密度增大，使空氣負(fù)氧離子損失增多，而夜間人類活動(dòng)減少，大氣氣溶膠含量減少，空氣質(zhì)量較好，因此負(fù)氧離子濃度增大。一定程度上說(shuō)明07時(shí)之前空氣較為清新，因此建議人們最好選在此時(shí)段進(jìn)行晨練活動(dòng)。

圖2　2015年3月2日韶山負(fù)氧離子濃度逐時(shí)變化Fig.2　Hourly variation of negative oxygen ion concentration of Shaoshan on March 2nd,2015

3.1.5天氣狀況對(duì)空氣負(fù)氧離子濃度的影響為了研究在其他條件變化不大的情況下，同一環(huán)境在不同天氣條件下的空氣負(fù)氧離子變化規(guī)律[8]，選取了陰天、晴天、大霧、雨天4種不同天氣情況進(jìn)行分析。為便于比較以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，且能在短期內(nèi)經(jīng)歷這4種天氣，選擇春季進(jìn)行觀測(cè)，得出各種天氣的觀測(cè)結(jié)果如圖3。從圖3可以看出，4種不同天氣條件下，昭山和韶山的空氣負(fù)氧離子濃度差異較大，中午12時(shí)前，較能體現(xiàn)負(fù)氧離子濃度因天氣產(chǎn)生的不同，波動(dòng)較明顯，出現(xiàn)峰值的時(shí)間均有雷雨或降水較清楚，或是在雷陣雨之后的幾小時(shí)內(nèi)。12時(shí)之后，林區(qū)的負(fù)氧離子濃度變化趨于平穩(wěn)。尤其是有霧天氣，林區(qū)和郊區(qū)的負(fù)氧離子濃度均在10時(shí)之前處于低值，11—12時(shí)出現(xiàn)最大，13時(shí)之后濃度隨時(shí)間而減少，負(fù)氧離子濃度基本持續(xù)較低狀態(tài)，因此建議人們盡量減少在大霧發(fā)生時(shí)段出門?？傮w上不同的天氣狀況，負(fù)氧離子濃度大小關(guān)系依次為：雨天>晴天>陰天>大霧。

圖3　昭山(a)和韶山(b)不同天氣空氣負(fù)氧離子數(shù)Fig.3　negative oxygen ion concentration under different weather condition, Zhaoshan (a), Shaoshan (b)

4　負(fù)氧離子濃度與氣象要素關(guān)系分析

研究表明[9-10]，月平均溫度、月平均相對(duì)濕度、月日照、月降水量、月極端最高氣溫、月最小相對(duì)濕度等氣象因子對(duì)負(fù)氧離子濃度有很大影響。根據(jù)負(fù)氧離子逐日資料與同步觀測(cè)的氣象要素資料，將負(fù)氧離子濃度月均值和當(dāng)月的日照、降水量、氣溫和相對(duì)濕度等氣象要素分別進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，得到一元線性回歸方程y=a+bx,對(duì)表2和圖4進(jìn)行分析，當(dāng)顯著性水平α=0.1時(shí)R(10)=0.497 3，α=0.05時(shí)R(10)=0.576，α=0.02時(shí)R(10)=0.658 1。

表2　負(fù)氧離子濃度與氣象因子關(guān)系的一元線性回歸結(jié)果

結(jié)果表明：

①負(fù)氧離子濃度與降水量、月極端最高氣溫之間呈正相關(guān)關(guān)系，但線性關(guān)系不顯著，由于影響y取值的，除了x外，還有其他不可忽略的因素。

③負(fù)氧離子濃度與月平均相對(duì)濕度、月最小相對(duì)濕度之間無(wú)相關(guān)性，且不具有顯著的線性關(guān)系。

④負(fù)氧離子濃度與月平均氣溫呈正相關(guān)關(guān)系；由于α=0.1時(shí)，R平均溫度>R(10)，所以平均溫度與負(fù)氧離子濃度之間線性關(guān)系比較顯著。氣溫越高，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，空氣分子運(yùn)動(dòng)劇烈，空氣分子間、植物間的摩擦越強(qiáng),電離作用也越強(qiáng)，負(fù)氧離子濃度也就越大[3]。

5　結(jié)論與討論

圖4　負(fù)氧離子濃度隨月極端最高氣溫、降水量、日照、溫度變化圖Fig.4　The Variation of negative oxygen ion concentration with the change of monthly maximum temperature, precipitation, sunlight and temperature

①昭山森林公園負(fù)氧離子濃度高于韶山郊區(qū)，年平均負(fù)氧離子濃度為1 584個(gè)/cm3，空氣清新，有益于身心健康；韶山負(fù)氧離子濃度含量較低，綠化工作有待加強(qiáng)。

②森林和郊區(qū)負(fù)氧離子濃度的季變化規(guī)律存在明顯差異，森林表現(xiàn)為春高秋低，郊區(qū)則為夏高秋低；負(fù)氧離子濃度還呈日變化規(guī)律，即夜間高白天低。

③天氣狀態(tài)對(duì)空氣負(fù)氧離子濃度存在顯著影響。總體上大小關(guān)系依次為雨天>晴天>陰天>大霧?？筛鶕?jù)天氣變化，選擇在雷陣雨過(guò)后的晴朗天氣出行旅游。

④負(fù)氧離子濃度除與相對(duì)濕度無(wú)顯著相關(guān)外，均與日照、降水量、氣溫呈線性正相關(guān)。

⑤上述結(jié)論是在湘潭2014—2015年觀測(cè)資料數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上給出的，由于資料年份短、樣本量少，分析結(jié)論難免有局限性。隨著長(zhǎng)期觀測(cè)和研究的不斷深入，對(duì)負(fù)氧離子濃度的分析將會(huì)更加完善。

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Fluctuation of Negative Oxygen Ion Concentration and Its Influence of Meteorological Elements in Xiangtan

HE Ning，LIN Mingli，ZHAO Hongyun，LIU Hao

(Xiangtan Meteorological Bureau, Xiangtan 411100, China)

Based on the observation data of negative oxygen ion concentrations and meteorological data from May in 2014 to May in 2015 in Xiangtan, the seasonal, monthly and daily variations of negative oxygen ion concentrations and the relationships between negative oxygen ion concentrations and meteorological factors were analyzed. The results show that negative oxygen ion concentrations are obviously different in different seasons, months and days. Negative oxygen ion concentrations are higher in the forest than in the suburb, negative oxygen ion concentration is lower in the daytime than in the night; Weather influences significantly the concentration of air negative ions; The negative oxygen ion concentration has close correlation with meteorological elements; The monthly average concentration of negative oxygen has positive correlation with monthly average; temperature, sunlight and moisture.

negative oxygen ion; fluctuate of concentration; meteorological elements; correlation analysis; Xiangtan

1003-6598(2016)02-0065-05

2015-11-24

何寧(1990—)，女，助工，主要從事氣象預(yù)報(bào)工作，E-mail:504529104@qq.com。

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