古田會(huì)址旅游景區(qū)空氣負(fù)離子濃度變化特征與氣象因素分析

劉佳明，劉君，李鏡玉

(1.福建省龍巖市氣象局，福建 龍巖 364000；2.龍巖市新羅區(qū)氣象局，福建 龍巖 364000)

空氣中的氣體分子或原子因自然界中的宇宙射線、紫外線、雷電、暴雨和其他水的沖擊引起“勒納德效應(yīng)”等而電離釋放出電子，帶負(fù)電荷的氣體分子或原子稱為負(fù)離子[1]。空氣中負(fù)離子有許多種，其中以負(fù)氧離子含量最多，因此空氣中負(fù)離子常以空氣中負(fù)氧離子為代表，被譽(yù)為“空氣中的維生素和生長(zhǎng)素”?？諝庵胸?fù)氧離子濃度的高低是衡量空氣清新的標(biāo)志之一，愈來愈受到人們的關(guān)注，同時(shí)也被認(rèn)為是一種重要的、無形的旅游資源[2]。

近年來，許多學(xué)者對(duì)不同地區(qū)負(fù)氧離子濃度的分布特征、變化規(guī)律及與氣象條件關(guān)系等開展了一些研究，發(fā)現(xiàn)負(fù)氧離子存在較明顯時(shí)空變化，同時(shí)與氣象因子也存在一定相關(guān)性，但由于空氣中負(fù)氧離子濃度受周邊環(huán)境影響較大，在不同地區(qū)不同時(shí)間的觀測(cè)結(jié)果均存在較大差異，因此各學(xué)者得出的研究結(jié)論不盡相同[1，3，4]。

本文利用古田會(huì)址清新指數(shù)綜合監(jiān)測(cè)站的時(shí)間高分辨率的負(fù)氧離子觀測(cè)資料及氣象資料，對(duì)景區(qū)負(fù)氧離子分布特征及其影響因子進(jìn)行了分析，為景區(qū)生態(tài)評(píng)估、生態(tài)旅游提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

2018年5月，福建省氣象局與旅游部門共同合作，在全省5A旅游景區(qū)建設(shè)空氣清新指數(shù)綜合監(jiān)測(cè)站，其中一個(gè)站點(diǎn)布設(shè)在古田會(huì)址旅游景區(qū)(116°49′42″ E，25°14′00″ N，海拔792 m)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)景區(qū)負(fù)氧離子濃度及氣象要素?cái)?shù)據(jù)。負(fù)氧離子濃度監(jiān)測(cè)儀采用了美國(guó)Epex公司生產(chǎn)EP200負(fù)氧離子監(jiān)測(cè)儀。監(jiān)測(cè)儀能夠觀測(cè)分鐘級(jí)負(fù)氧離子濃度數(shù)據(jù)，但由于分鐘數(shù)據(jù)變化較大，不利于數(shù)據(jù)的分析比較，本文采用監(jiān)測(cè)儀2018年5月～2019年4月連續(xù)記錄的小時(shí)負(fù)氧離子觀測(cè)數(shù)據(jù)(遷移率K≥0.4 cm2·Vs-1)，同時(shí)為了保證數(shù)據(jù)的可用性，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，參照氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，利用小時(shí)前后5 min的數(shù)據(jù)平均值對(duì)小時(shí)數(shù)據(jù)的正確與否進(jìn)行驗(yàn)證，小時(shí)數(shù)據(jù)前后5 min的平均值差值超過3 000、小時(shí)數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間為固定值，或小時(shí)數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間變化很小時(shí)，均按缺測(cè)處理。剔除異常值后，利用SPSS進(jìn)行單因素Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 負(fù)氧離子濃度日變化

對(duì)采集到的負(fù)氧離子濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到古田會(huì)址景區(qū)負(fù)氧離子濃度的日變化特征，如圖1所示。

圖1 古田會(huì)址景區(qū)空氣負(fù)氧離子濃度日變化

從圖1可以看出，白天負(fù)氧離子濃度值大于夜間和凌晨，總體上呈現(xiàn)一個(gè)谷值和一個(gè)峰值。谷值大致出現(xiàn)在凌晨3:00—6:00之間，峰值大致出現(xiàn)在10:00—11:00之間，而且11:00時(shí)負(fù)氧離子平均濃度達(dá)到最大值1 811個(gè)·cm-3。6:00—10:00之間負(fù)氧離子濃度上升速度最快； 18:00—21:00負(fù)氧離子濃度處于快速下降過程，其余時(shí)段負(fù)氧離子濃度處于平緩震蕩減小過程。這一結(jié)論與金琪等[5]的研究結(jié)果相異。

部分研究認(rèn)為空氣負(fù)氧離子濃度與空氣溫度負(fù)相關(guān)[6]，而植物的光合作用有利于負(fù)氧離子濃度的升高[7]。6:00—10:00負(fù)氧離子濃度快速上升主要由于太陽升起，光線增強(qiáng)，植物的光合作用變好，有利于負(fù)氧離子的釋放，此時(shí)氣溫也逐漸上升，影響負(fù)氧離子濃度的升高，但其綜合影響是正的，使負(fù)氧離子濃度快速上升。11:00—17:00期間，植物的光合作用仍在繼續(xù)，但氣溫已升至高點(diǎn)，而且人員活動(dòng)的影響，使空氣中的氣溶膠粒子在該時(shí)段達(dá)到了最高值，最終使負(fù)氧離子濃度總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，同時(shí)由于午后短時(shí)對(duì)流天氣的出現(xiàn)，導(dǎo)致該時(shí)段負(fù)氧離子濃度整體下降的過程中出現(xiàn)短時(shí)的上升。18:00—21:00期間，隨著太陽的降落，植物的光合作用減弱，造成負(fù)氧離子濃度快速下降。22:00至第二天凌晨6:00，植物不進(jìn)行光合作用，使負(fù)氧離子濃度處于較低水平。

2.2 負(fù)氧離子濃度月變化

圖2 古田會(huì)址景區(qū)空氣負(fù)氧離子濃度月變化圖

圖2為古田會(huì)址景區(qū)2018年5月至2019年4月空氣負(fù)氧離子濃度月變化圖，從圖可以看出2018年5月至12月，負(fù)氧離子濃度整體上出現(xiàn)了先上升后降低的過程，負(fù)氧離子濃度月平均值最高出現(xiàn)在10月份，其值達(dá)到1 572個(gè)·cm-3。5—6月由于進(jìn)入春末夏初，氣溫快速上升，負(fù)氧離子濃度降低，符合大部分研究認(rèn)為空氣負(fù)氧離子濃度與空氣溫度負(fù)相關(guān)的結(jié)論[6]。6—10月隨著周圍植物的生長(zhǎng)，植物的葉子變得越為濃密，其整體光合作用和葉片的尖端放電加強(qiáng)，同時(shí)該時(shí)期景區(qū)雨量充沛及雷雨天氣等有利條件使負(fù)氧離子濃度逐漸增大。11—12月進(jìn)入秋冬季節(jié)，植物開始處于落葉階段，光合作用減弱，同時(shí)降水減少，空氣中的氣溶膠離子增多，導(dǎo)致負(fù)氧離子濃度降低。2018年12月至2019年2月，景區(qū)進(jìn)入冬季，該時(shí)期受北方強(qiáng)冷空氣的吹掃，空氣中相對(duì)潔凈，云層較少，紫外線較強(qiáng)，使負(fù)氧離子濃度出現(xiàn)小幅上升；而2—4月景區(qū)進(jìn)入春季，氣溫開始快速上升，使負(fù)氧離子濃度逐漸降低，與2018年5—6月的階段相似。

3 氣象條件對(duì)負(fù)氧離子濃度的影響

3.1 氣象要素與負(fù)氧離子濃度相關(guān)性

由于空氣中負(fù)氧離子濃度易受氣象要素的影響，本文利用監(jiān)測(cè)站從2018年5月建站至2019年4月，采用監(jiān)測(cè)站內(nèi)負(fù)氧離子監(jiān)測(cè)儀和自動(dòng)氣象站在相同觀測(cè)地點(diǎn)和環(huán)境、相同時(shí)間所采集到的負(fù)氧離子濃度與氣象要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。以自動(dòng)氣象站的氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、PM2.5、PM10、氣溶膠能見度、風(fēng)速風(fēng)向、紫外線輻射、雨量的小時(shí)數(shù)據(jù)為自變量，以負(fù)氧離子小時(shí)數(shù)據(jù)為因變量，利用SPSS進(jìn)行單因素Pearson相關(guān)性分析。結(jié)果如表1所示。

表1 氣象要素與空氣負(fù)氧離子濃度相關(guān)系數(shù)

注:**表示通過0.01顯著性檢驗(yàn)

從表1可以看出，氣溫、雨量、風(fēng)速、氣溶膠能見度、紫外線輻射與空氣負(fù)氧離子濃度呈正相關(guān)，相對(duì)濕度與負(fù)氧離子濃度呈負(fù)相關(guān)，氣壓、風(fēng)向、PM2.5、PM10與負(fù)氧離子濃度的相關(guān)性不明顯?？傮w而言，表中的各個(gè)氣象要素與負(fù)氧離子濃度的相關(guān)性都不太明顯。這主要是因?yàn)樨?fù)氧離子濃度受到氣象要素的影響十分復(fù)雜，且在不同天氣狀況下，負(fù)氧離子濃度會(huì)有跳變，在長(zhǎng)時(shí)間序列進(jìn)行整體相關(guān)性分析時(shí)，其相關(guān)性表現(xiàn)不明顯[7]。

3.2 短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)負(fù)氧離子濃度的影響

研究表明雷陣雨或中雨以上的天氣過程能明顯增加空氣中的負(fù)氧離子濃度[1]。為研究短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)空氣中負(fù)氧離子濃度的影響，選取了2019年4月30日為例，景區(qū)在15:00—17:30出現(xiàn)了強(qiáng)對(duì)流天氣過程，將15:00—17:30的5 min降水量與5 min負(fù)氧離子平均濃度進(jìn)行對(duì)比。如圖3所示。

圖3 古田會(huì)址景區(qū)2019年4月30日

從圖3可以看出該時(shí)段的強(qiáng)降水過程出現(xiàn)了2個(gè)峰值，并且負(fù)氧離子濃度與累計(jì)降水量的相關(guān)系數(shù)為0.74。在15:36—15:40開始出現(xiàn)強(qiáng)降水，5 min降水量達(dá)到了7.8 mm，負(fù)氧離子平均濃度從1 690個(gè)·cm-3開始迅速上升，并在15:55出現(xiàn)第1個(gè)峰值，達(dá)到了13 093個(gè)·cm-3，隨后雨強(qiáng)的減小，負(fù)氧離子平均濃度也隨之迅速降低。在16:11—16:45降水強(qiáng)度再次變大，5 min的降水量達(dá)到了6.2 mm，負(fù)氧離子濃度也從851個(gè)·cm-3迅速增加，并在16:50達(dá)到了第2個(gè)峰值，達(dá)到15 790個(gè)·cm-3，隨后降水逐漸變小直至停止，負(fù)氧離子濃度也逐漸降低并趨于日平均值。

在負(fù)氧離子濃度的上升過程中，第1個(gè)峰值的上升斜率比第2個(gè)峰值上升的斜率小，而且在負(fù)氧離子濃度降低過程中，第1個(gè)峰值的下降斜率比第2個(gè)峰值下降的斜率大。這是由于降雨前空氣中懸浮著氣溶膠粒子，隨著強(qiáng)降雨過程的開始，雨滴高速下降而破碎產(chǎn)生了大量負(fù)氧離子，同時(shí)雨滴高速撞擊地面引起揚(yáng)塵，使空氣中的氣溶膠濃度升高，而氣溶膠對(duì)負(fù)氧離子的破壞，導(dǎo)致其濃度的上升變慢；隨后雨強(qiáng)變小，氣溶膠對(duì)負(fù)氧離子繼續(xù)破壞，導(dǎo)致其下降速率加快，負(fù)氧離子濃度也逐漸降低。通過前期降水對(duì)空氣中的氣溶膠粒子也起到了淋洗作用，而且地面已經(jīng)潮濕，雨滴對(duì)地面撞擊引起的揚(yáng)塵變少，使空氣中的氣溶膠濃度變低，使后期負(fù)氧離子濃度能夠在強(qiáng)降水中快速上升，減低過程也相對(duì)較為平緩。

4 結(jié)論與討論

4.1 古田會(huì)址景區(qū)負(fù)氧離子濃度日變化大體上呈現(xiàn)一個(gè)峰值一個(gè)谷值，白天負(fù)氧離子濃度值大于凌晨和夜間，負(fù)氧離子濃度的上升下降與太陽的升起降落時(shí)間大致相同。

4.2 負(fù)氧離子濃度從2018年5月至2019年4月，負(fù)氧離子月平均濃度最高值出現(xiàn)在2018年10月，最低值出現(xiàn)在2018年6月。2018年6月至2018年10月和2018年12月至2019年2月兩個(gè)階段，負(fù)氧離子濃度處于上升階段，其余月份平均濃度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

4.3 空氣中負(fù)氧離子濃度受到氣象要素的影響十分復(fù)雜，在長(zhǎng)時(shí)間序列進(jìn)行整體相關(guān)性分析時(shí)，負(fù)氧離子濃度與氣象要素的相關(guān)性表現(xiàn)不明顯。

4.4 短時(shí)強(qiáng)降水能夠顯著增加空氣中的負(fù)氧離子濃度，隨著降水的停止，負(fù)氧離子濃度也呈現(xiàn)快速的降低。

4.5 空氣中負(fù)氧離子濃度易受環(huán)境、氣象因素及人員活動(dòng)等多種因素的影響，同時(shí)受設(shè)備觀測(cè)要素及監(jiān)測(cè)站點(diǎn)較少，觀測(cè)時(shí)間相對(duì)較短，分析結(jié)果存在局限性和不足，這需要后期增加一些觀測(cè)要素和較長(zhǎng)時(shí)間及更好的方法進(jìn)行分析研究，為景區(qū)更好地開發(fā)利用負(fù)氧離子這一旅游資源，提供理論依據(jù)。