郁珍艷,李正泉,樊高峰,高大偉,張 含

浙江省氣象及環(huán)境因子對負(fù)氧離子濃度的影響

郁珍艷,李正泉,樊高峰,高大偉*,張 含

(浙江省氣候中心,浙江 杭州 310017)

基于2019年浙江省89個(gè)站的負(fù)氧離子濃度監(jiān)測結(jié)果,結(jié)合氣象及環(huán)境觀測資料,開展了負(fù)氧離子濃度分布及氣象和環(huán)境因子對負(fù)氧離子濃度的影響分析.結(jié)果表明:浙南和浙西的山區(qū)負(fù)氧離子濃度高,年平均濃度基本均在1000個(gè)/cm3以上;浙北平原濃度相對較低,大部分站年平均濃度在500～1000個(gè)/cm3左右.負(fù)氧離子濃度基本表現(xiàn)為高山林區(qū)>淺山景區(qū)>海島、水體附近>郊區(qū)、平原公園>城鎮(zhèn).環(huán)境因素和氣象因子對負(fù)氧離子濃度有一定的影響,負(fù)氧離子濃度與AQI、PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO等環(huán)境因子呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)性.隨著日照時(shí)數(shù)的增加,負(fù)氧離子濃度基本呈現(xiàn)出明顯增大的變化趨勢.當(dāng)日平均氣溫在2～15℃和23～31℃時(shí),隨著氣溫的上升,負(fù)氧離子濃度基本呈現(xiàn)增大的變化趨勢.50%～75%為相對適宜的相對濕度,對應(yīng)的負(fù)氧離子濃度也較高.降水量越大、風(fēng)速越大,負(fù)氧離子濃度基本呈現(xiàn)出升高的變化趨勢;但當(dāng)雨量達(dá)到暴雨級(jí)別、風(fēng)速達(dá)到強(qiáng)風(fēng)級(jí)別以上時(shí),負(fù)氧離子濃度開始有出現(xiàn)回落的變化趨勢.

負(fù)氧離子；生態(tài)環(huán)境；空氣質(zhì)量；氣象條件

自然界中負(fù)氧離子的產(chǎn)生主要源于大氣電離、水體Lenard效應(yīng)、植被光合和植物尖端放電等,負(fù)氧離子與灰塵、有害氣體和顆粒物等相結(jié)合,能起到殺菌、除塵凈化和清潔空氣的作用,負(fù)氧離子還能促進(jìn)人體新陳代謝,強(qiáng)化細(xì)胞機(jī)能,增強(qiáng)機(jī)體免疫力,改善情緒[1-2],有利于身心健康,被稱為“空氣維生素”[3].

空氣中的負(fù)氧離子不斷生成,也不斷地被正離子所中和,兩個(gè)相反的過程時(shí)刻處于一種動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài),決定著空氣中負(fù)氧離子含量的高低.負(fù)氧離子含量越高,空氣清潔度就越高.在環(huán)境評價(jià)中,負(fù)氧離子濃度的高低常被作為空氣清新與否的重要指標(biāo)[4].

近些年隨著對空氣污染問題的關(guān)注,負(fù)氧離子的研究也逐漸成為一個(gè)熱點(diǎn).目前負(fù)氧離子的研究大多集中在其自身的時(shí)空變化特征[5-6],包括森林[7-8]、城市綠地[9-10]等區(qū)域,以及季節(jié)、植被等因素對負(fù)氧離子濃度的影響[11-12].大量研究表明,負(fù)氧離子濃度有明顯日和季節(jié)變化規(guī)律[13],多是午夜至早晨濃度較高、下午較低,夏秋季濃度較高、冬春季相對較低[14-16].但負(fù)氧離子日變化的峰、谷出現(xiàn)的時(shí)間,由于周邊環(huán)境、植被結(jié)構(gòu)、人流量的不同而不同.在季節(jié)動(dòng)態(tài)上,也受地理環(huán)境、時(shí)間和氣象條件的差異,不同地區(qū)并非完全一致[17-19].負(fù)氧離子濃度空間分布不均勻,由城市向郊區(qū)逐漸增大,隨海拔高度的增加而增大;在森林和植物綠化較為豐富的地方濃度較高[20-21].

除了與環(huán)境類型有關(guān)外,相關(guān)研究也得到負(fù)氧離子濃度與風(fēng)速、溫度、相對濕度、太陽輻射、天氣現(xiàn)象等氣象要素有較大相關(guān)性[22-23],但在不同的地理環(huán)境或研究時(shí)段,呈現(xiàn)出的相關(guān)性也存在差異[24-25].不同天氣條件對負(fù)氧離子濃度有顯著影響[26],降雨能有效增加負(fù)氧離子濃度[27],微風(fēng)天氣有利于負(fù)氧離子生成,而過大的風(fēng)速會(huì)將負(fù)氧離子吹散,濃度降低[28].負(fù)氧離子與大氣污染物有一定的相關(guān)性[29],與PM2.5和O3濃度表現(xiàn)出一致的負(fù)相關(guān)性[30].

近年來,為深入貫徹“兩山”理論,更好地挖掘和利用浙江生態(tài)氣候資源潛力,推進(jìn)浙江生態(tài)文明建設(shè),浙江省氣象、林業(yè)、環(huán)保等多部門開展了負(fù)氧離子濃度試驗(yàn)性監(jiān)測,對負(fù)氧離子濃度水平有了初步了解[31-34].但浙江省負(fù)氧離子的相關(guān)研究起步較晚,對其影響機(jī)理仍不明確.本文結(jié)合氣象觀測數(shù)據(jù)及空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù),通過開展氣象因子及大氣環(huán)境對負(fù)氧離子濃度的影響分析,綜合環(huán)境空氣清潔度的評價(jià),挖掘影響負(fù)氧離子濃度的敏感因子,以期為今后負(fù)氧離子濃度預(yù)測模型的建立提供科學(xué)支撐.

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

資料來源于浙江省氣象局2019年89個(gè)氣象站內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù),這89個(gè)監(jiān)測站運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)異常率較低,并均勻分布于全省,能較好的反應(yīng)全省負(fù)氧離子資源的分布,彌補(bǔ)了前期研究站點(diǎn)稀少的不足.

負(fù)氧離子觀測儀器型號(hào)主要有威德創(chuàng)新科技(北京)有限公司的WIMD型和FLZ型、北京依派偉業(yè)數(shù)碼科技有限公司的EP型.通過2017年8月20日至9月5日,在杭州下沙氣象探測基地開展的國內(nèi)主流型號(hào)負(fù)氧離子監(jiān)測儀器的觀測性能對比試驗(yàn)結(jié)果得到,本文資料涉及的監(jiān)測儀均能觀測出負(fù)氧離子濃度隨天氣環(huán)境變化而發(fā)生的趨勢變化,且獲得的觀測趨勢基本相似,濃度上升或下降的變化步調(diào)基本一致.個(gè)別因儀器不同造成的觀測濃度差異或者異常值,應(yīng)用《空氣負(fù)(氧)離子觀測與評價(jià)技術(shù)規(guī)范》(DB33/T 2226-2019)[35]規(guī)定的界限值檢查、跳變值檢查、空氣濕度檢查、正負(fù)氧離子比值檢查等4項(xiàng)質(zhì)控規(guī)則對數(shù)據(jù)進(jìn)行了嚴(yán)格質(zhì)量控制[13].

1.2 站點(diǎn)分類

通過負(fù)氧離子站點(diǎn)位置及站點(diǎn)信息說明,結(jié)合三維遙感影像圖,將海拔<150m的站點(diǎn)分為3類,其中位于城鎮(zhèn)且周圍環(huán)境多建筑物或城市公路等的站劃分為城鎮(zhèn)站,位于郊區(qū)或平原公園且周圍多為草地丘陵等的站劃分為郊區(qū)、平原公園站,以及位于海島、水體附近的站.海拔3150m的站,均位于山區(qū)林區(qū),將150m￡海拔<300m的站,歸類為淺山景區(qū)站;將海拔3300m,歸類為高山林區(qū)站.

表1 負(fù)氧離子站分類

圖1 浙江省空氣負(fù)氧離子監(jiān)測站點(diǎn)分布

1.3 評價(jià)方法

1.3.1 等級(jí)評價(jià) 世界衛(wèi)生組織(WHO)規(guī)定(表2):每cm3空氣中負(fù)氧離子含量在500～900個(gè)為一般空氣;低于500個(gè)為不清新空氣;高于1200個(gè)的定為清新空氣,大于2100個(gè)為非常清新空氣.

表2 WHO空氣清新度等級(jí)劃分中的負(fù)氧離子指標(biāo)

1.3.2 安培空氣質(zhì)量評價(jià)指數(shù) 安培空氣質(zhì)量評價(jià)指數(shù)反映了居住區(qū)空氣中離子濃度接近自然界空氣離子化水平的程度,用CI=(/1000×)表示.其中,1000表示滿足人體生物學(xué)效應(yīng)最低需求的空氣負(fù)氧離子濃度;代表負(fù)氧離子個(gè)數(shù);代表正氧離子個(gè)數(shù);=/為單極系數(shù).CI把空氣負(fù)氧離子作為指標(biāo),又考慮了正負(fù)氧離子的構(gòu)成比,因此較為全面和客觀.評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表3.

表3 空氣清潔度與空氣質(zhì)量評價(jià)指數(shù)(CI)的關(guān)系

2 結(jié)果與分析

2.1 負(fù)氧離子濃度分布概況

如圖2所示,2019年浙江省負(fù)氧離子年平均濃度在316(寧波奉化)～3884(臨安天目山)個(gè)/cm3之間,總體表現(xiàn)為山區(qū)高、平原低,空氣中的負(fù)氧離子可以通過植物的尖端放電和光電效應(yīng)產(chǎn)生,高山林區(qū)的植被覆蓋度較高、太陽輻射強(qiáng),并能大量吸收空氣中的灰塵,周邊空氣負(fù)氧離子的濃度增加[4].因此,森林覆蓋率高的山區(qū)是負(fù)氧離子的富集地.浙北平原地區(qū)城鎮(zhèn)區(qū)域大,森林覆蓋率較低,人類活動(dòng)多,污染物排放多,因此負(fù)氧離子濃度相對較低.全省89個(gè)監(jiān)測站中有27個(gè)站的年平均值達(dá)到1200個(gè)/cm3以上,其中7個(gè)站超過2000個(gè)/cm3.全省有16個(gè)站負(fù)氧離子日最高濃度達(dá)到5000個(gè)/cm3以上,其中有7個(gè)站超過7000個(gè)/cm3.

負(fù)氧離子濃度季節(jié)平均值分布與年平均值基本一致.春季負(fù)氧離子平均濃度值在229(溫州平陽)～5199(奉化三隱潭)個(gè)/cm3之間,夏季在233(溫州文成)～4571(臨安天目山)個(gè)/cm3之間,秋季在268(寧波奉化)～3531(麗水龍泉)個(gè)/cm3之間,冬季在264(寧波奉化)～4079(臨安天目山)個(gè)/cm3之間.四個(gè)季節(jié)分別有20個(gè)、31個(gè)、33個(gè)、31個(gè)站達(dá)到1200個(gè)/cm3以上.對比邵海榮等[6]對北京地區(qū)及王薇等[21]對南方沿海城市的負(fù)氧離子濃度監(jiān)測結(jié)果,浙江省負(fù)氧離子濃度的分布特征與之前的研究基本一致.

圖2 2019年負(fù)氧離子監(jiān)測年平均濃度值(個(gè)/cm3)

如圖3所示,負(fù)氧離子的月變化趨勢大致表現(xiàn)為5～9月濃度較高,1～4月濃度較低.高山林區(qū)站各月濃度均在1600個(gè)/cm3以上;淺山景區(qū)站各月濃度基本在1000個(gè)/cm3以上;海島、水體附近的負(fù)氧離子濃度在6～12月達(dá)到1000個(gè)/cm3以上;郊區(qū)、平原公園站除7～8月和11月外,大多月份都在1000個(gè)/cm3以下;城鎮(zhèn)站負(fù)氧離子濃度的月值基本在1000個(gè)/cm3以下.與北京[30]、合肥[17]等地的負(fù)氧離子濃度變化一致.

圖3 2019年浙江省不同類型監(jiān)測站負(fù)氧離子濃度月變化

圖4 2019年浙江省不同類型監(jiān)測站不同負(fù)氧離子濃度占比

如圖4所示,城鎮(zhèn)站的負(fù)氧離子日平均濃度在501～1000個(gè)/cm3的概率最大,達(dá)到40%左右.郊區(qū)、平原公園站的濃度在1500個(gè)/cm3以下的概率較城鎮(zhèn)站略小,而在1500個(gè)/cm3以上的概率略大.海邊、水體附近的濃度在1001～2000個(gè)/cm3的概率較城鎮(zhèn)站和郊區(qū)、平原公園站明顯增大.淺山景區(qū)的日平均濃度在2000個(gè)/cm3以上的概率較前3類站明顯增大,1000個(gè)/cm3以上達(dá)到50%以上,2000個(gè)/cm3以上達(dá)到20%以上.高山林區(qū)的日平均濃度在1000個(gè)/cm3以上的概率達(dá)到了72%,2000個(gè)/cm3以上達(dá)到了42%,低濃度概率較其他類型站點(diǎn)明顯減小.

2.2 環(huán)境因子對負(fù)氧離子濃度的影響

2.2.1 負(fù)氧離子濃度與環(huán)境要素的相關(guān)關(guān)系 AQI可以表征空氣污染程度,PM2.5、PM10代表空氣中顆粒物含量,SO2、NO2、CO都是大氣主要污染物.在污濁空氣中,這些顆粒物和污染物對負(fù)氧離子具有吸附作用,使負(fù)氧離子生成速率低于中和速率,因此污濁空氣中的負(fù)氧離子含量較低.

經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算,日平均負(fù)氧離子濃度與日AQI、PM2.5、PM10的負(fù)相關(guān)性能通過顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)均達(dá)到了90%以上,與日SO2、NO2、CO的負(fù)相關(guān)性能通過顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)可達(dá)到70%～80%左右, 說明負(fù)氧離子濃度越高,環(huán)境要素濃度越低,空氣質(zhì)量越好.

如圖5所示,負(fù)氧離子濃度與各環(huán)境要素的月際變化也呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)性,10～12月和1～3月的秋冬季,AQI、PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO的濃度相對較高,負(fù)氧離子濃度明顯降低.6～8月的夏季,AQI、PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO的濃度較低,負(fù)氧離子濃度達(dá)到年度峰值.負(fù)氧離子濃度與環(huán)境要素的負(fù)相關(guān)性與其他地區(qū)的研究結(jié)果一致[29-30].

如圖6所示,城鎮(zhèn)、郊區(qū)、平原公園和海島、水體附近站點(diǎn)的AQI、PM2.5、PM10濃度相對高,對應(yīng)的負(fù)氧離子濃度相對低;淺山景區(qū)和高山林區(qū)站點(diǎn)的AQI、PM2.5、PM10濃度相對低,對應(yīng)的負(fù)氧離子濃度相對高.SO2、NO2濃度基本呈現(xiàn)出城鎮(zhèn)>郊區(qū)、平原公園>海島、水體附近>淺山景區(qū)>高山林區(qū),CO濃度在城鎮(zhèn)和郊區(qū)、平原公園區(qū)域較大,在海島、水體附近、淺山景區(qū)和高山林區(qū)濃度接近,5類站SO2、NO2、CO的濃度和負(fù)氧離子濃度基本呈負(fù)相關(guān).

分析季節(jié)變化,各區(qū)域負(fù)氧離子和環(huán)境要素的濃度分布與年平均濃度基本一致.夏季各類型站的負(fù)氧離子濃度最高,對應(yīng)的環(huán)境要素濃度最低,冬季相反.春季各類型站環(huán)境要素濃度與年平均值的差異均在10%以內(nèi),高山林區(qū)植被多,負(fù)氧離子濃度基本不受環(huán)境要素的影響;其余地區(qū)負(fù)氧離子濃度比年平均值低9%～19%,對環(huán)境要素的變化較敏感.秋季各地區(qū)差異較大,在城鎮(zhèn)和郊區(qū)、平原公園地區(qū),負(fù)氧離子以及環(huán)境要素濃度與年平均值差異較小;在海島、水體附近,各環(huán)境要素濃度較年平均值低,負(fù)氧離子濃度較年平均值高19%左右;在淺山景區(qū)和高山林區(qū),各環(huán)境要素濃度較年平均值高,負(fù)氧離子濃度較年平均值低.總體來看,各地區(qū)四季負(fù)氧離子濃度與環(huán)境要素均呈負(fù)相關(guān)性.

2.2.2 安培空氣質(zhì)量評價(jià)指數(shù) 挑選了具有代表意義的不同環(huán)境場所的5個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行安培空氣質(zhì)量評價(jià),其中溫州站為城鎮(zhèn)代表站,位于溫州市五馬街道;溫州永嘉站為郊區(qū)、平原公園代表站,位于東城街道浦口村小平山;溫州洞頭站為海島、水體附近代表站,位于東屏鎮(zhèn)后坑村;溫州平陽站為淺山景區(qū)代表站,位于平陽縣昆陽鎮(zhèn)東門山;衢州錢江源站為高山林區(qū)代表站,位于開化縣齊溪鎮(zhèn).

圖5 負(fù)氧離子濃度與環(huán)境要素月際變化

圖7 2019年浙江省不同類型監(jiān)測站安培空氣質(zhì)量評價(jià)指數(shù)分級(jí)占比

從安培空氣質(zhì)量評價(jià)情況來看,高山林區(qū)負(fù)氧離子含量高,空氣質(zhì)量最好,有14%以上的觀測頻次達(dá)到最清潔等級(jí)(CI>1.00),清潔(0.70￡CI￡1.0)和中等清潔(0.50￡CI<0.7)等級(jí)的比例也分別達(dá)到16%以上和23%左右,達(dá)到允許(CI30.3)以上等級(jí)的比例高達(dá)85%.其次為淺山景區(qū),負(fù)氧離子濃度較高,空氣質(zhì)量較好,約8%左右的觀測頻次達(dá)到最清潔等級(jí),清潔和中等清潔等級(jí)的比例分別達(dá)到10%以上和25%左右,達(dá)到允許以上等級(jí)的比例為68%左右.海島、水體附近和郊區(qū)、平原公園的空氣質(zhì)量條件比較接近,達(dá)到最清潔等級(jí)的比例海島、水體附近要多于郊區(qū)、平原公園.城鎮(zhèn)站的空氣質(zhì)量相對最差,達(dá)到中等清潔以上的比例明顯減少,而輕污染比例有所增加.總體來看,空氣質(zhì)量與負(fù)氧離子濃度一致,基本表現(xiàn)為高山林區(qū)>淺山景區(qū)>海島、水體附近>郊區(qū)、平原公園>城鎮(zhèn).

2.3 氣象因子對負(fù)氧離子濃度的影響分析

2.3.1 天氣現(xiàn)象對負(fù)氧離子濃度的影響 利用89個(gè)站共48000多次天氣現(xiàn)象觀測數(shù)據(jù)及對應(yīng)的負(fù)氧離子濃度資料,統(tǒng)計(jì)了大風(fēng)、雨、雷電、雪、霧、霾這6個(gè)天氣現(xiàn)象發(fā)生時(shí)的平均負(fù)氧離子濃度,如圖8所示.較大的風(fēng)速使空氣摩擦,繼而產(chǎn)生負(fù)氧離子從而增加負(fù)氧離子濃度[36],大風(fēng)天氣又有利于污染源的擴(kuò)散,空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好,所以負(fù)氧離子濃度也相對較高,平均值為1235個(gè)/cm3,達(dá)到清新級(jí)別.雨水對環(huán)境空氣有沖刷清潔作用,雨水的沖擊也會(huì)產(chǎn)生Lenard效應(yīng),提升周圍空氣的負(fù)氧離子濃度,因此負(fù)氧離子的平均濃度在雨天也能達(dá)到994個(gè)/cm3.空氣中的氧分子在雷電的作用下,會(huì)分離出帶負(fù)電的負(fù)氧離子,因此雷電發(fā)生時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量的負(fù)氧離子,瞬時(shí)值可以達(dá)10000個(gè)/cm3以上.加上雷電發(fā)生時(shí),往往伴隨著雷雨大風(fēng)天氣,空氣質(zhì)量也相對較好.因此雷電天氣下負(fù)氧離子平均濃度能達(dá)到1123個(gè)/cm3,接近清新級(jí)別,濃度也較高.雪天由于氣溫低,光照少,植物光合作用微弱;但另一方面,可能由于人類活動(dòng)減少,污染物排放減少,負(fù)氧離子濃度較高,為828個(gè)/cm3.霧、霾天空氣污染較重,在污濁空氣中,負(fù)氧離子的生成速率低于中和速率,負(fù)氧離子含量較低[4],霧、霾天氣發(fā)生時(shí)負(fù)氧離子濃度平均值分別為692個(gè)/cm3和568個(gè)/cm3.總體來看,負(fù)氧離子濃度為大風(fēng)>雷電>雨>雪>霧>霾.

2.3.2 氣象要素對負(fù)氧離子濃度的影響 選取89個(gè)站日降水量為0mm、日平均風(fēng)速￡1.5m/s且非霧、霾天氣的樣本共計(jì)7052個(gè),統(tǒng)計(jì)了日照時(shí)數(shù)、氣溫、相對濕度對應(yīng)的負(fù)氧離子平均濃度.隨著日照時(shí)數(shù)的增加,負(fù)氧離子濃度基本呈現(xiàn)出明顯增大的變化趨勢.當(dāng)日照時(shí)數(shù)為0h,負(fù)氧離子平均濃度為900個(gè)/cm3左右;當(dāng)日照時(shí)數(shù)達(dá)到9h以上,負(fù)氧離子平均濃度能達(dá)到1000個(gè)/cm3左右;當(dāng)日照時(shí)數(shù)達(dá)到12h,負(fù)氧離子平均濃度為1200個(gè)/cm3以上,達(dá)到“清新”級(jí)別.四季均表現(xiàn)出日照時(shí)數(shù)增加,負(fù)氧離子濃度增大的變化趨勢,其中夏季最明顯,秋、冬季其次,春季相對最弱.可見,晴天的負(fù)氧離子濃度高于陰天,因?yàn)槿照諘r(shí)數(shù)越長,太陽輻射越強(qiáng),植物光合作用越強(qiáng),空氣中的負(fù)氧離子通過植物的尖端放電和光電效應(yīng)產(chǎn)生,因而周邊空氣負(fù)氧離子的濃度增加[4].

圖8 六類天氣現(xiàn)象發(fā)生時(shí)的負(fù)氧離子平均濃度

圖9 日照時(shí)數(shù)和負(fù)氧離子濃度對應(yīng)變化

溫度升高可使分子運(yùn)動(dòng)速度加快,相互間碰撞幾率增大,產(chǎn)生的負(fù)氧離子增多,當(dāng)日平均氣溫在2～ 15℃和23～31℃之間時(shí),隨著氣溫的上升,負(fù)氧離子濃度基本呈現(xiàn)增大的變化趨勢.另一方面,2～15℃氣溫上升階段對應(yīng)的季節(jié)是由冬季到春季,是植物由“休眠”到“生長發(fā)育”的階段,植物能通過尖端放電和光電效應(yīng)產(chǎn)生負(fù)氧離子,大量吸收空氣中的灰塵,因而周邊空氣負(fù)氧離子的濃度隨之增加.23～31℃氣溫上升階段對應(yīng)的季節(jié)是夏季,是植物生長“繁盛”時(shí)期,隨著溫度的升高,植物光合作用增強(qiáng),產(chǎn)生的負(fù)氧離子越多.夏季也是降水最豐沛的季節(jié),水體Lenard效應(yīng)增強(qiáng),產(chǎn)生的負(fù)氧離子也越多.當(dāng)日平均氣溫在15～23℃和31～33℃之間時(shí),隨著氣溫的升高,負(fù)氧離子濃度呈現(xiàn)出減小趨勢;15～23℃階段對應(yīng)的季節(jié)是最適宜出游的春季和秋季,人類活動(dòng)增多,汽車尾氣等污染物排放增多,產(chǎn)生的負(fù)氧離子容易被中和,濃度減小.當(dāng)日平均氣溫達(dá)到31～33℃時(shí),為處于最高氣溫達(dá)35℃以上甚至37℃以上的盛夏,由于氣溫過高,植物體內(nèi)的酶活性降低,光合作用受限,釋放的負(fù)氧離子減少.

圖10 溫度和負(fù)氧離子濃度對應(yīng)變化

春季,相對濕度在46%～80%時(shí),負(fù)氧離子濃度隨著相對濕度的增大呈緩慢增大的變化趨勢,濃度在800～950個(gè)/cm3左右;相對濕度達(dá)到80%以上時(shí),負(fù)氧離子濃度隨著相對濕度的增大有比較明顯的減小趨勢,當(dāng)相對濕度達(dá)到90%以上時(shí),負(fù)氧離子濃度減小至600個(gè)/cm3左右.

夏季,相對濕度較其他季節(jié)高,負(fù)氧離子濃度基本呈現(xiàn)隨相對濕度增大而減小的變化趨勢,且減小的趨勢比較顯著.當(dāng)相對濕度在61%～65%時(shí),負(fù)氧離子濃度達(dá)到峰值1300個(gè)/cm3左右;而當(dāng)相對濕度達(dá)到90%以上時(shí),負(fù)氧離子濃度只有650～700個(gè)/cm3左右.

秋季,隨著相對濕度的增大,負(fù)氧離子濃度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢,相對濕度在50%以下時(shí),負(fù)氧離子濃度大概在700個(gè)/cm3左右;當(dāng)相對濕度達(dá)到50%～75%時(shí),負(fù)氧離子濃度約為1000～1100個(gè)/cm3左右;當(dāng)相對濕度達(dá)到75%以上時(shí),負(fù)氧離子濃度開始減小,到相對濕度達(dá)90%以上時(shí),負(fù)氧離子濃度減小至650個(gè)/cm3左右.

冬季,除相對濕度較低和較高時(shí)負(fù)氧離子濃度較小,在550個(gè)/cm3左右;其余的相對濕度對應(yīng)的負(fù)氧離子濃度基本在800～950個(gè)/cm3左右.

總體來看,當(dāng)相對濕度￡75%時(shí),隨著濕度的增大,負(fù)氧離子濃度增大.因?yàn)楦鶕?jù)負(fù)氧離子形成機(jī)理,環(huán)境空氣中須有一定的含水量才可以形成空氣負(fù)氧離子,因此隨著濕度增大,空氣中的水分子增多,負(fù)氧離子濃度也隨之增大.相對濕度在50%～75%時(shí),為相對適宜的相對濕度,對應(yīng)的負(fù)氧離子濃度也較高.但相對濕度太低或太高時(shí),負(fù)氧離子濃度較低,高溫高濕環(huán)境不利于負(fù)氧離子的產(chǎn)生.

圖11 四季相對濕度和負(fù)氧離子濃度對應(yīng)變化

圖12 降水量、風(fēng)速和負(fù)氧離子濃度對應(yīng)變化

選取89個(gè)站非霧、霾天氣的樣本共計(jì)26047個(gè),統(tǒng)計(jì)了降水量及風(fēng)速變化對負(fù)氧離子濃度變化的可能影響.當(dāng)降水量為小雨、中雨和大雨時(shí),負(fù)氧離子濃度基本隨風(fēng)速的增大而增大,且在小雨時(shí)增大最明顯;而當(dāng)降水量達(dá)到暴雨或大暴雨量級(jí)時(shí),負(fù)氧離子濃度隨風(fēng)速增大有先增大后減小的變化.當(dāng)風(fēng)速在一定范圍內(nèi)時(shí),負(fù)氧離子濃度基本上隨著降水量的增多而增大.四季均呈現(xiàn)出相似的變化特征.總體而言,降水量越大、風(fēng)速越大,負(fù)氧離子濃度基本呈現(xiàn)出升高的變化趨勢;但這個(gè)增大不是持續(xù)不斷的,當(dāng)雨量達(dá)到暴雨級(jí)別、風(fēng)速達(dá)到強(qiáng)風(fēng)級(jí)別以上時(shí),負(fù)氧離子濃度開始出現(xiàn)回落的變化趨勢.雨水的沖刷、風(fēng)的擴(kuò)散作用都有利于污染物的消散,提升負(fù)氧離子濃度,但是狂風(fēng)暴雨可能也會(huì)破壞負(fù)氧離子的生成或維持.

3 結(jié)論

3.1 浙南和浙西森林覆蓋率高的山區(qū)空氣負(fù)氧離子含量高,年平均濃度基本均在1000個(gè)/cm3以上;浙北平原負(fù)氧離子濃度相對較低,大部分站年平均濃度在500～1000個(gè)/cm3左右.全省有27個(gè)站的年平均值達(dá)到1200個(gè)/cm3以上,其中7個(gè)站超過2000個(gè)/cm3.負(fù)氧離子濃度基本表現(xiàn)為高山林區(qū)>淺山景區(qū)>海島、水體附近>郊區(qū)、平原公園>城鎮(zhèn),5～9月濃度較高,1～4月濃度較低.

3.2 從安培空氣質(zhì)量評價(jià)情況來看,高山林區(qū)有14%以上的觀測頻次達(dá)到最清潔等級(jí),中等清潔等級(jí)以上的比例達(dá)到53%左右;其次為淺山景區(qū),約8%左右達(dá)到最清潔,中等清潔等級(jí)以上的比例達(dá)到43%左右;海島、水體附近和郊區(qū)、平原公園的空氣質(zhì)量條件比較接近,城鎮(zhèn)站的空氣質(zhì)量相對最差,達(dá)到中等清潔以上的比例明顯減少.

3.3 環(huán)境因素對負(fù)氧離子濃度有一定的影響,90%以上站點(diǎn)的日AQI、PM2.5、PM10和70%～80%左右站點(diǎn)的日SO2、NO2、CO與日平均負(fù)氧離子濃度呈顯著負(fù)相關(guān).負(fù)氧離子濃度與環(huán)境因素的月際、季節(jié)變化也呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)性,說明AQI、PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO值越低,負(fù)氧離子濃度越高,空氣質(zhì)量越好.

3.4 氣象因子對負(fù)氧離子濃度有一定的影響.負(fù)氧離子平均濃度在大風(fēng)天和雨天分別為1235和994個(gè)/cm3,雷電天為1123個(gè)/cm3,雪天為828個(gè)/cm3,霧、霾天分別為692和568個(gè)/cm3.隨著日照時(shí)數(shù)的增加,負(fù)氧離子濃度基本呈現(xiàn)出明顯增大的變化趨勢.當(dāng)日平均氣溫在2～15℃和23～31℃之間時(shí),隨著氣溫的上升,負(fù)氧離子濃度基本呈現(xiàn)增大的變化趨勢;其余溫度時(shí)相反.50%～75%為相對適宜的相對濕度,對應(yīng)的負(fù)氧離子濃度也較高.降水量越大、風(fēng)速越大,負(fù)氧離子濃度基本呈現(xiàn)出升高的變化趨勢;但這個(gè)增大不是持續(xù)不斷的,當(dāng)雨量達(dá)到暴雨級(jí)別、風(fēng)速達(dá)到強(qiáng)風(fēng)級(jí)別以上時(shí),負(fù)氧離子濃度開始有出現(xiàn)回落的變化趨勢.

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Effects of meteorological and environmental factors on negative oxygen ions concentration in Zhejiang Province.

YU Zhen-yan, LI Zheng-quan, FAN Gao-feng, GAO Da-wei*, ZHANG Han

(Zhejiang Climate Center, Hangzhou 310017, China)., 2023,43(2)：514～524

Based on the negative oxygen ions concentration data of 89 observatories and meteorological and environmental observational data in Zhejiang province, the effects of meteorological and environmental factors on negative oxygen ions concentration was analyzed, as well as the distribution of negative oxygen ions concentration. Results showed that: in the mountain areas of South and West Zhejiang, negative oxygen ions concentration was relatively high, with annual mean value generally higher than 1000cm-3; whereas in plain areas of North Zhejiang, negative oxygen ions concentration was relatively low, with annual mean value mostly amount to 500～1000cm-3. Generally, the spatial distribution of negative oxygen ions concentration showed a pattern of high-mountain forest areas > middle-hill scenic areas > areas near island or water bodies > parks in suburban and plain areas > urban areas. Meteorological and environmental factors had certain effects on negative oxygen ions concentration, showed noticeable negative correlation between negative oxygen ions concentration and environmental factors of AQI, PM2.5, PM10, SO2, NO2, CO. With the increase of sunshine duration, negative oxygen ions concentration also tended to increase. When daily mean air temperature ranged from 2～15℃ to 23～31℃, with the rose of air temperature, negative oxygen ions concentration tended to increase. When relative humidity was within the comfort range of 50%～75%, negative oxygen ions concentration was relatively high. With the increased of precipitation or wind speed, negative oxygen ions concentration generally increased. However, when precipitation was greater than torrential rain or wind speed was stronger than strong breeze, negative oxygen ions concentration tended to decrease with the increase of precipitation or wind speed.

negative oxygen ions；ecological environment；air quality；meteorological conditions

X823

A

1000-6923(2023)02-0514-11

郁珍艷(1984-),女,碩士,高級(jí)工程師,主要從事氣候變化與生態(tài)環(huán)境方面研究.發(fā)表論文20余篇.

2022-06-27

浙江省氣象科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2019ZD07);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(42005027);中國氣象局氣象發(fā)展與規(guī)劃院政策研究項(xiàng)目(ZCYJ20220010)

* 責(zé)任作者, 高級(jí)工程師, davidgao82@163.com