張嘉昕，鄒嘉南

1. 南京信息工程大學 氣象災害教育部重點實驗室，江蘇 南京 2100442. 南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 2100443. 中國氣象局 氣溶膠與云降水重點開放實驗室，江蘇 南京 210044

0 引 言

近年來，大氣環(huán)境質量備受關注，空氣質量的好壞對人類健康起著重要的影響作用?？諝庳撾x子(簡稱“負離子”，下同)為環(huán)境空氣質量的評價指標，其濃度的大小直接影響著空氣質量(譚靜等，2017)。負離子對空氣中的懸浮顆粒物進行吸附和沉降，從而起到凈化空氣的作用(袁相洋等，2014)。相關研究表明，一定濃度的負離子能對人體的生理狀況和心情起到改善作用(彭巍等，2020)，并可以抑制呼吸系統(tǒng)疾病(Alexander et al, 2013)，提高睡眠質量(Perez et al, 2013)。在城區(qū)和室內(nèi)，因環(huán)境污染嚴重且空氣不流通，負離子濃度一般較低。負離子濃度為700—1 000 個/cm3或者超過1 000 個/cm3時, 就有保健作用，當其大于1 000 個/cm3時，能夠緩解、抑制和輔助治療人體的多種疾病(黃建武和陶家元，2002)。因此，空氣負離子也成為“中國天然氧吧”建設的重要評價指標和人們旅行度假選擇的重要依據(jù)。

國內(nèi)外很多學者對不同地區(qū)負離子濃度的分布及其變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)負離子濃度的變化與環(huán)境溫度、濕度、氣壓、氣候狀況、植被類型、社會活動等因素相關(曾曙才等，2007；白保勛等，2016；楊旭升，2017；吳迪等，2017；高興和張冬有，2018)。其中很多研究探討了負離子濃度的時空變化與氣象因子的相關性，但是，針對負離子濃度的突變尚未深入探討。暴雨、雷電、紫外線 (太陽輻射) 等天氣現(xiàn)象有利于空氣中各種電離反應并釋放電子。雷雨過后，空氣中的負離子數(shù)目可突變至10 000 個/cm3以上(葉彩華等，2000)。

本研究基于江西大崗山森林生態(tài)地面標準氣象觀測場內(nèi)2019年度空氣負離子濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了不同季節(jié)和不同天氣條件下負離子濃度與空氣溫度、濕度的關系，以及空氣溫度、濕度的不同變化幅度對于負離子濃度的影響，并對暴雨過程中負離子濃度的突變及其與降雨量的相關性進行討論，以期為江西大崗山地區(qū)的生態(tài)資源研究和江西省“中國天然氧吧”的建設提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域

此次觀測站點為江西大崗山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站(簡稱“大崗山站”，下同)。該臺站位于江西省分宜縣，其經(jīng)度范圍為114°30′—114°45′E，緯度范圍為27°30′—27°50′N。臺站內(nèi)氣候屬于亞熱帶濕潤氣候，其夏季炎熱多雨、冬季溫暖濕潤，無霜期265 d，4—6月份的降雨量占全年的45%。該氣候有益于植被的生長，臺站的地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林。

1.2 數(shù) 據(jù)

本次采集負離子濃度所使用的空氣負離子監(jiān)測儀為云創(chuàng)HQWAS-200PRO，采樣時間為2019年3月—2020年2月。采集空氣溫度和濕度使用的自動氣象站型號為美國DavisVantagePro2。2019年中國地面降水日值0.5°×0.5°格點數(shù)據(jù)集來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)。

2 負離子濃度與溫度、濕度的相關性分析

2.1 日變化特征

分析空氣負離子濃度與溫度的日變化(圖1)可見，春季(3—5月)大崗山觀測場內(nèi)負離子濃度日均值為1 406 個/cm3，日最高值出現(xiàn)在13時，最低值出現(xiàn)在凌晨1時。07:00—13:00(BT，下同)和19:00—23:00負離子濃度總體隨空氣溫度的升高而上升，隨空氣溫度的降低而下降。在00:00—07:00和14:00—17:00負離子濃度隨空氣溫度的升高而下降，隨空氣溫度的降低而上升。由此可見，春季負離子濃度與溫度之間沒有明顯的相關性。夏季(6—8月)，負離子濃度日均值為1 384 個/cm3，日最高值出現(xiàn)在09時和21時，最低值出現(xiàn)在13時。負離子濃度在大部分時間隨空氣溫度的升高而下降，隨空氣溫度的降低而上升。只有在08:00—10:00負離子濃度隨氣溫的升高而增大，在22:00—00:00負離子濃度隨氣溫的降低而減少。因此，夏季負離子濃度與溫度之間可能為負相關。秋季(9—11月)，負離子濃度日均值為1 432 個/cm3，日最高值出現(xiàn)在12時，最低值出現(xiàn)在07時和17時。秋季負離子濃度大體上隨空氣溫度的升高而上升，隨氣溫的降低而下降。只有17:00—19:00和22:00—23:00負離子濃度隨著空氣溫度的降低而增大，所以秋季負離子濃度與溫度可能為正相關。冬季(12月—次年2月)負離子濃度日均值為1 262 個/cm3，日最高值出現(xiàn)在13時。冬季負離子濃度日變化總體呈先升高后降低的單峰型變化曲線，這說明冬季夜間溫度過低，不利于負離子的穩(wěn)定存在。大部分時段負離子濃度隨空氣溫度的升高而上升，隨空氣溫度的降低而下降，只有在12:00—13:00負離子濃度才隨著空氣溫度的降低而增大。因此，冬季負離子濃度與溫度可能呈正相關。

圖1 春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)季江西大崗山空氣負離子濃度與溫度的日變化Fig. 1 Diurnal variation of air anion concentration and air temperature over Dagang Mountain in Jiangxi province in spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d)

分析空氣負離子濃度與濕度的日變化(圖2)可見，春季全天大部分時間段內(nèi)，負離子濃度隨空氣濕度的升高而下降，隨空氣濕度的降低呈上升趨勢。夏季，在00:00—07:00和09:00—21:00時段內(nèi)負離子濃度隨空氣濕度的升高而上升，隨空氣溫度的降低而下降，其余時段則相反。說明夏季負離子濃度與濕度可能呈正相關關系。秋季，在03:00—10:00和19:00—00:00負離子濃度總體上是隨空氣濕度的升高而下降，隨空氣濕度的降低而上升，而在10:00—17:00負離子濃度隨空氣濕度的升高而上升，隨空氣濕度的降低而下降。由此推斷，秋季負離子濃度與濕度在清晨和夜間可能為負相關，在正午和下午可能為正相關，總體上可能呈負相關。冬季夜間濕度幾乎無變化，而日間負離子濃度大體上是隨空氣濕度的降低而上升，隨空氣濕度的升高而下降，只有在12:00—13:00負離子濃度隨空氣濕度的降低而下降。因此，冬季負離子濃度與濕度之間可能為負相關。

圖2 春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)季江西大崗山空氣負離子濃度與濕度的日變化Fig. 2 Diurnal variation of air anion concentration and air humidity over Dagang Mountain in Jiangxi province in spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d)

2.2 相關性分析

為進一步驗證前文推測的大崗山空氣負離子濃度與溫度、濕度的相關性，對空氣負離子濃度與溫度、濕度的日變化進行相關性分析。不同季節(jié)大崗山空氣負離子濃度與溫度的相關性不同(表1)，夏季溫度與負離子濃度的變化呈顯著負相關，而冬季呈正相關，春、秋季處于過渡期，相關性不顯著或相關性較小。由此說明，溫度較低時，負離子濃度與溫度表現(xiàn)為正相關；溫度較高時，負離子濃度與溫度表現(xiàn)為負相關。根據(jù)熱力學原理，隨著溫度升高，分子或原子的熱運動速度會加快，由此導致其碰撞幾率增大。與此同時，當溫度升高時，氧氣的電離作用加強，也會導致負離子濃度增多(李佳珊，2016)。但當溫度增加到一定程度時，會加劇污染物的活動，污染物在活動過程中吸附大量負離子，最終導致負離子濃度降低(曾曙才等，2007)。對于濕度，除夏季外，負離子濃度與濕度均呈顯著負相關，且秋季的相關系數(shù)最大，夏季負離子濃度與濕度呈顯著正相關。這是因為當濕度增加時，空氣中含水量也會增加，污染物濃度因吸附作用而降低，從而使負離子濃度增加。但與此同時，濕度增加也會抑制植物進行光合作用，從而降低負離子濃度。

表1 春、夏、秋、冬季江西大崗山空氣負離子濃度與溫度、濕度的相關系數(shù)

綜上所述，夏季空氣負離子濃度與溫度呈負相關，而其他季節(jié)均為正相關，且在夏季午間負相關最明顯。這是因為夏季溫度最高，在午時達最大，同時光照強度大，植物葉片氣孔關閉，即出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，于是負離子濃度明顯降低。而其他季節(jié)溫度低于夏季，光照強度也較弱，此時溫度升高引起的正效應要大于植物“午休”現(xiàn)象造成的負離子濃度降低效應。而空氣負離子濃度與濕度在夏季呈現(xiàn)正相關，其他季節(jié)均為負相關。這是由于夏季降雨強度最大，此時濕度增加對于污染物的吸附作用大于其對植物光合作用的抑制作用。因此，不同季節(jié)空氣負離子濃度的變化幅度與溫度、濕度變化有很大的相關性。

3 空氣負離子濃度對夏季降水的響應

空氣中的負離子受各方面的影響，會在較短的時間內(nèi)不斷地生成、出現(xiàn)，也會不斷地消失、沉降(王層林，2003；徐昭暉，2004；潘劍彬等，2011)。江西省的降水主要集中在夏季，因此篩選出夏季不同天氣條件下空氣負離子濃度的日變化進行對比。文中定義日降雨量大于50 mm為暴雨天，日降雨量大于0且小于等于50 mm為雨天，日降雨量為0則為無雨天。圖3為夏季無雨天、雨天和暴雨天空氣負離子濃度的日變化。分析可知，在暴雨天負離子濃度明顯增大，且日變化趨勢與無雨天和雨天差別較大，尤其在08:00—18:00時段。因為夏季無雨天溫度過高不利于負離子的產(chǎn)生，并在午時存在強烈的植物“午休”現(xiàn)象。而在暴雨天光照強度減弱，植物“午休”現(xiàn)象被削弱，并且暴雨天多伴有雷電現(xiàn)象，雷電條件有利于負離子的產(chǎn)生，造成負離子濃度的升高。

圖3 夏季無雨天、雨天和暴雨天江西大崗山空氣負離子濃度的日變化Fig. 3 Diurnal variation of air anion concentration during no rain days, rainy days and rainstorm days in summer

計算不同天氣條件下負離子濃度日變化與溫度、濕度的相關系數(shù)(表2)可見，在無雨天和雨天，溫度與負離子濃度呈顯著負相關，而濕度與負離子濃度呈顯著正相關。相反在暴雨天，溫度與負離子濃度呈顯著正相關，濕度與負離子濃度相關性較小且為負相關。

表2 夏季無雨天、雨天和暴雨天江西大崗山空氣負離子濃度與溫度、濕度的相關性分析

進一步選取2019年5月18—22日、6月6—12日、6月21—25日和7月6—12日四次暴雨過程(一次暴雨過程包括暴雨發(fā)生前、發(fā)生時和發(fā)生后三個時段)。將這四次過程期間的負離子濃度與日降水量計算相關系數(shù)發(fā)現(xiàn)，相關系數(shù)均通過信度為0.05的顯著性檢驗(表略)，說明負離子濃度與暴雨日降水量呈顯著正相關關系，即暴雨過程中負離子濃度隨著降水量的增加(減少)而增大(減小)。圖4為四次暴雨過程中空氣負離子濃度和日降水量的時間序列，分析可知，在四次暴雨過程中，負離子濃度與降水量的變化趨勢基本相同，負離子濃度的極大值點與降水量的極大值點基本一致，說明負離子濃度的突變往往伴隨著降水量的突變，即負離子濃度會在暴雨發(fā)生時急劇增長。

圖4 2019年5月18—22日、6月6—12日、6月21—25日和7月6—12日四次暴雨過程中空氣負離子濃度和日降水量的時間序列Fig. 4 Time series of air anion concentration and daily precipitation during four rainstorms from May 18 to 22, June 6 to 12, June 21 to 25 and July 6 to 12 in 2019, respectively

4 結 論

文中基于2019年江西大崗山空氣負離子濃度和氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了不同季節(jié)負離子濃度與溫度、濕度之間的關系，以及負離子濃度對夏季暴雨的響應。結果發(fā)現(xiàn)：

1) 夏季，大崗山空氣負離子濃度與溫度呈負相關、與濕度呈正相關，在其余季節(jié)負離子濃度與溫度呈正相關，與濕度呈負相關。這是由于夏季溫度過高，光照強度大，溫度升高導致的植物“午休”效應和對污染物活動的加劇作用占主導，導致負離子濃度隨之下降。而其他季節(jié)溫度偏低，植物“午休”效應沒有夏季顯著，溫度升高引起的分子或原子熱運動速度加快、平均動能升高作用更大，由此導致負離子濃度增多。

2) 各個季節(jié)溫度、濕度的大幅變化時常伴隨著負離子濃度的大幅變化，而溫度、濕度變化幅度較小時，負離子濃度的變化也較小，說明在該地區(qū)溫度、濕度的變化對負離子濃度的影響較大。

3) 夏季無雨天與雨天，負離子濃度與溫度呈顯著負相關，與濕度呈現(xiàn)顯著正相關；暴雨天，負離子濃度與溫度呈顯著正相關，與濕度相關性較小且為負相關。暴雨過程中，負離子濃度隨著降水量的增加(減少)而增大(減小)，且負離子濃度會在暴雨發(fā)生時急劇增長。

致 謝

感謝國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡平臺、江西大崗山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站提供負離子和氣象數(shù)據(jù)。