朱冬梅 盧海深 蔡添星

(福建省武平縣氣象局,福建 武平 364300 )

武平縣地處閩粵贛三省交界處，氣候獨特，風光秀麗，境內(nèi)群山疊翠，溪流密布，是首批國家全域旅游示范區(qū)，2017年創(chuàng)福建省首個“中國天然氧吧”。國家級4A景區(qū)梁野山保護區(qū)擁有完好的天然原始森林群落，被譽為“天然綠色基因庫”。近年來，武平縣精心打造“來武平，我氧你”生態(tài)品牌，充分利用和發(fā)揮“中國天然氧吧”品牌效應(yīng)，積極推進全域旅游示范區(qū)發(fā)展。2017年武平縣氣象局在武平縣城區(qū)(25.05N，116.06E，海拔高度307m)和梁野山景區(qū)(25.09N，116.08E，海拔高度593m)內(nèi)各安裝了一套Fair365負氧離子監(jiān)測儀，目前能夠?qū)崿F(xiàn)負氧離子濃度的實時數(shù)據(jù)顯示，然而對負氧離子濃度的定量化預(yù)報與其在旅游生態(tài)環(huán)境的應(yīng)用尚未開展，本文通過對武平縣城區(qū)和梁野山景區(qū)負氧離子濃度的數(shù)據(jù)進行分析，開展其與氣溫、相對濕度、雨量等氣象因素的相關(guān)性研究，建立負氧離子濃度最優(yōu)預(yù)報模型，實現(xiàn)其定量化預(yù)報，深度融入“來武平，我氧你”的旅游宣傳，為武平生態(tài)旅游建設(shè)、文旅康氧項目的申報服務(wù)提供有力的數(shù)據(jù)支撐，建立具有武平特色的旅游氣象服務(wù)產(chǎn)品，為武平文化旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展增加效益。

1 資料選取和方法

1.1 觀測儀器和標準

負氧離子濃度測量采用北京華創(chuàng)維想科技開發(fā)有限責任公司FR500負氧離子監(jiān)測儀，測量范圍是0～50000個/cm3，分辨率是1個/cm3,離子遷移率為0.4 cm3/v.sec。本文參考世界衛(wèi)生組織標準及中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準(LY/T 2586-2016)，根據(jù)平均值劃分空氣負氧離子濃度等級，如表1所示。

表1 負氧離子濃度等級劃分

1.2 研究資料和方法

本文選取2017年12月-2018年11月武平縣城區(qū)及梁野山景區(qū)2個站點逐日、逐時負氧離子濃度實況資料，分析負氧離子濃度與相對濕度、氣溫、雨量等氣象要素的相關(guān)性，采用SPSS軟件選取與負氧離子濃度相關(guān)性好的氣象要素作為逐步回歸方程的預(yù)報因子，建立最優(yōu)預(yù)報模型。

2 武平縣負氧離子濃度與氣象要素的相關(guān)性分析

2.1 負氧離子濃度與氣象要素的相關(guān)性分析

本文從相對濕度、氣溫、雨量、風速4個氣象要素來分析武平縣空氣負氧離子濃度與氣象因子之間的相關(guān)性。選取2017年12月至2018年11月武平城區(qū)站和梁野山站一整年負氧離子日資料與日平均氣溫(Tm)、日最高氣溫(Th)、日最低氣溫(Tl)、日平均風速(V)、日平均相對濕度(U)、日雨量(R)6個氣象因子進行相關(guān)性分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)影響負氧離子濃度的因素較為復(fù)雜，武平縣2個觀測點的負氧離子濃度與影響的氣象因子也有所不同(見表2)。城區(qū)站負氧離子濃度與U、Tl、Tm和Th呈顯著正相關(guān)，與V呈負相關(guān)；梁野山站負氧離子濃度與R和U相呈顯著正相關(guān)，與Tm和Th不相關(guān)，與V呈負相關(guān)。由此可見，U是影響武平負氧離子濃度變化的關(guān)鍵因子，并與之呈正相關(guān)。

表2 武平負氧離子濃度與氣象因子的相關(guān)性分析

2.2 負氧離子濃度在不同天氣背景下的變化特征分析

從觀測的雨量要素分析，將2017年12月至2018年11月期間的天氣劃分為無雨(包含微量降水)、有雨兩類，分別對負氧離子濃度進行分析，結(jié)果表明，有雨天負氧離子濃度高于無雨天，梁野山站高于城區(qū)站。

城區(qū)無雨日數(shù)為229天，負氧離子濃度平均值為1279.9個/cm3，最大值為5166.8個/cm3，最小值為721.7個/cm3；有雨日數(shù)為136天，負氧離子濃度平均值為1564.2個/cm3，最大值為6757.4個/cm3，最小值為737.7個/cm3。

梁野山無雨日數(shù)為213天，負氧離子濃度平均值為1612.4個/cm3，最大值為2243個/cm3，最小值為1218.8個/cm3；有雨日數(shù)為152天，負氧離子濃度平均值為1782.9個/cm3，最大值為3205.1個/cm3，最小值為1207.8個/cm3。梁野山大氣負氧離子濃度極值差異相對較小。

2.3 負氧離子濃度與氣象因子的典型個例分析

由于梁野山大氣負氧離子濃度各尺度變化均較小，所以本文選取城區(qū)2018年9月7日一次強降雨天氣過程作為典型個例進行分析。

武平縣城區(qū)9月7日為多云轉(zhuǎn)陰，有暴雨并伴有雷電，日雨量為63.9mm。由圖1可知，負氧離子濃度呈現(xiàn)明顯的日變化，7日負氧離子濃度呈現(xiàn)雙峰值，波動起伏特征明顯，日均值高達6758.8個/cm3。結(jié)合此次降水過程分析，7日共出現(xiàn)2個降水時段與負氧離子濃度的雙峰值相對應(yīng)，降水從7日03時開始持續(xù)到07時，可以看到降水出現(xiàn)后負氧離子濃度也迅速增大，負氧離子濃度從02時的1176.9個/cm3階越到14141.4個/cm3，并在雨量最大的04時出現(xiàn)一個峰值(15932.9個/cm3)，而后隨著降水的停止，負氧離子濃度也在下降；從18時到20時出現(xiàn)另一個降水時段，這個時段的降水較前個時段更加明顯并出現(xiàn)短時強降水，小時雨強達34.6mm/h，從負氧離子濃度的變化來分析，隨著降水的再次出現(xiàn)，負氧離子濃度又一次增大，峰值依然出現(xiàn)在雨強最大對應(yīng)的18時(達16883.2個/cm3)，并且隨著降水的停止，負氧離子濃度也迅速減小到1000個/cm3以下。

從9月7日負氧離子濃度與R、U、T、V等氣象因子的相關(guān)性分析，結(jié)果表明負氧離子濃度與U、R呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.770和0.538。

圖1 2018年9月7日城區(qū)站負氧離子與雨量變化情況

3 武平縣負氧離子濃度預(yù)報模型的建立及檢驗

3.1 武平縣負氧離子濃度預(yù)報模型的建立

通過上述相關(guān)性分析可得，影響武平縣空氣負氧離子濃度日變化的主要氣象因子是U、R、Th、V、Tm、Tl。將日平均負氧離子濃度作為因變量Y，U、R、Th、V、Tm、Tl作為自變量。采用SPSS軟件選取多元線性回歸和曲線回歸(線性、對數(shù)、二次項式、S模型等多種函數(shù))進行擬合，選取最優(yōu)方式進行逐步回歸，建立R2最大且通過顯著性檢驗的模型(見表3)。城區(qū)和梁野山的多元回歸方程和回歸系數(shù)均通過0.05的顯著性水平檢驗，梁野山站的回歸方程是以U顯著相關(guān)的線性方程為最佳模型，城區(qū)站的回歸方程雖然在統(tǒng)計上是顯著的，但擬合度不高。

表3 武平負氧離子濃度預(yù)報方程及檢驗

3.2 武平縣城區(qū)站負氧離子濃度分季節(jié)預(yù)報模型的建立

為了進一步建立更加精細的城區(qū)站負氧離子濃度預(yù)報模型，按照分季節(jié)的氣象要素相關(guān)性影響，建立不同季節(jié)的負氧離子獨立預(yù)報模型。先分析各季負氧離子濃度與氣象要素的相關(guān)性，再選取相關(guān)性最好的氣象因子建立曲線擬合回歸方程。以武平縣冬季預(yù)報模型為例，冬季負氧離子與相對濕度的相關(guān)性最好，利用武平縣城區(qū)站日平均負氧離子濃度為因變量Y，以日平均相對濕度為自變量U，用SPSS軟件進行曲線擬合，預(yù)報模型擬合(圖2),預(yù)報模型和相關(guān)參數(shù)(表4)。

圖2 武平城區(qū)冬季預(yù)報模型擬合圖

表4 武平城區(qū)負氧離子冬季預(yù)報模型

多種擬合方式中，以二次多項式模型的相關(guān)系數(shù)(R2)0.386為最大，與負氧離子濃度實際觀測值的分布趨勢較接近。因此，城區(qū)站冬季負氧離子濃度預(yù)報模型選擇二次多項式，其回歸方程如下：

Y=1763.040-30.183U+0.316U2

(1)

其中Y為日平均負氧離子濃度，U為日平均相對濕度。

同樣，選取春季、夏季、秋季三季相關(guān)性最好的氣象因子建立曲線回歸預(yù)報方程，以日平均負氧離子濃度Y為因變量，以相關(guān)性最大的氣象因子為自變量，用多元線性回歸和曲線擬合(選擇線性、對數(shù)、二次多項式、S曲線)，得到城區(qū)其它季節(jié)的預(yù)報方程如下：

春季預(yù)報方程(二次多項式)：

Y=68.921+28.808U-0.157U2

(2)

夏季預(yù)報方程(S曲線)：

Y=e7.890-41.480/U

(3)

秋季預(yù)報方程：(S曲線)

Y=e7.629-25.429/U

(4)

3.3 預(yù)報模型的檢驗

為了檢驗?zāi)Ｐ蛯嶋H的預(yù)報效果，分別對武平縣城區(qū)站和梁野山站日負氧離子濃度預(yù)報模型進行檢驗，選取2018年12月整月資料作為檢驗樣本，將逐日數(shù)據(jù)代入武平縣城區(qū)負氧離子濃度全年預(yù)報模型及城區(qū)站分季節(jié)預(yù)報模型中，分別計算日負氧離子濃度數(shù)值(見圖3)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，分季節(jié)細化的相對濕度曲線回歸負氧離子濃度預(yù)報模型與實測負氧離子濃度值數(shù)據(jù)變化趨勢更為一致，數(shù)值與實測值更為接近。因此，武平縣城區(qū)負氧離子濃度預(yù)測模型選用分季節(jié)的濕度曲線預(yù)報模型效果更好。

圖3 武平城區(qū)冬季負氧離子濃度預(yù)報模型檢驗

從梁野山負氧離子濃度預(yù)報模型的檢驗結(jié)果看，雖然選擇相對濕度單要素線性相關(guān)預(yù)報模型，但預(yù)報值與實測值接近，檢驗效果非常好，預(yù)報準確率高。

圖4 武平梁野山負氧離子濃度預(yù)報模型檢驗

4 結(jié)論與討論

通過對武平縣負氧離子濃度變化與氣象因子的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)城區(qū)站和梁野山站影響負氧離子濃度的氣象要素略有不同，總體分析，影響武平縣負氧離子濃度日變化的關(guān)鍵氣象因子為相對濕度，并與之呈正相關(guān)。

從負氧離子濃度在不同天氣背景下的變化特征分析，發(fā)現(xiàn)負氧離子濃度在有雨天高于無雨天，梁野山站負氧離子濃度日平均值高于城區(qū)站。

在武平城區(qū)一次典型降水過程中負氧離子濃度與雨量變化情況分析，負氧離子濃度變化峰值與降水峰值有較好的對應(yīng)關(guān)系，并且與相對濕度、雨量呈正相關(guān)。

從武平縣負離子濃度預(yù)報模型檢驗來看，利用相對濕度建立的負氧離子濃度預(yù)報模型具有較好的預(yù)測能力。城區(qū)站分季節(jié)負氧離子濃度預(yù)報模型的預(yù)報值與實際值更接近，可為開展負氧離子濃度精細化預(yù)報提供支撐。