西安浐灞生態(tài)區(qū)降雨及氣象環(huán)境因素對(duì)負(fù)氧離子濃度的影響分析

張 楠,尚可政,徐軍昶,尚子溦,魏俊濤

(1.西安市氣象局,陜西 西安 710016; 2.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州 730000)

空氣中負(fù)氧離子濃度已經(jīng)成為衡量空氣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一,空氣負(fù)離子中的小離子不僅對(duì)人體呼吸系統(tǒng)有益,還具有抗抑郁、改善心功能、增強(qiáng)人體免疫力、抑菌殺菌等一系列對(duì)人體健康有益的作用[1]。負(fù)氧離子除了有一定的醫(yī)療保健作用外,在環(huán)境保護(hù)、城市規(guī)劃、生態(tài)價(jià)值評(píng)估等方面還具有重要研究?jī)r(jià)值。在不同環(huán)境場(chǎng)中空氣負(fù)氧離子濃度差異較大,而所謂的環(huán)境場(chǎng)包括了風(fēng)溫濕壓等天氣狀況、水體、植被綠化、建筑等較多復(fù)雜因素[2]。這些眾多的因素互相作用,對(duì)空氣負(fù)氧離子濃度產(chǎn)生影響。其中,氣象因素及氣候條件是決定負(fù)氧離子濃度及分布特征的重要條件。隨著人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的關(guān)注度越來越高,對(duì)良好的空氣質(zhì)量的渴望,選擇適宜的時(shí)間、地點(diǎn)出行旅游對(duì)人體身心健康及保健養(yǎng)生有重要意義,負(fù)氧離子的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)研究也為生態(tài)環(huán)保提供了科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 監(jiān)測(cè)地概況

西安浐灞生態(tài)區(qū)成立于2004年9月,位于西安城區(qū)東北部,是浐灞國(guó)家濕地公園所在地和2011年西安世界園藝博覽會(huì)舉辦地,為西北地區(qū)首個(gè)國(guó)家級(jí)生態(tài)區(qū)。2015年生態(tài)區(qū)內(nèi)植被覆蓋率為47.71%。西安夏季炎熱多雨,汛期(5—9月)降雨集中,1951—2017年西安汛期降水量占年降水量的46%～82%,浐灞生態(tài)區(qū)降水量集中在5—9月,2008—2014年浐灞生態(tài)區(qū)年平均降水量約為580 mm,5—9月平均降水量約為440 mm。研究表明有雷電日和有降雨日的負(fù)氧離子濃度比無雷電和無降水日明顯偏高,降雨強(qiáng)度與負(fù)氧離子濃度也有密切的關(guān)系[3-4]。為了研究西安地區(qū)降水對(duì)負(fù)氧離子濃度的影響,選取西安浐灞生態(tài)區(qū)降雨集中的5—9月的氣象環(huán)境和負(fù)氧離子監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)間以及其他氣象環(huán)境因素對(duì)負(fù)氧離子濃度分布的影響。

1.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備及數(shù)據(jù)采集處理

浐灞生態(tài)區(qū)負(fù)氧離子監(jiān)測(cè)儀安裝于西安浐灞世博園內(nèi),位于109°3′28″E,34°19′50″N,海拔390 m。采用美國(guó)Epex200負(fù)氧離子監(jiān)測(cè)儀,采用電容式吸入法計(jì)算空氣負(fù)離子。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)間隔時(shí)間為1 min,監(jiān)測(cè)誤差≤±10%,遷移率≥1.0 cm/s。分辨率:10個(gè)/cm3,離子濃度檢測(cè)范圍分3檔:0～30 000個(gè)/cm3、0～300 000個(gè)/cm3、0～3 000 000個(gè)/cm3。分析采用2014年、2015年5月1日—9月30日的每小時(shí)空氣負(fù)氧離子濃度平均值。數(shù)據(jù)記錄、處理等按照《空氣負(fù)(氧)離子濃度觀測(cè)規(guī)范》LY/T2586-2016執(zhí)行。監(jiān)測(cè)小時(shí)平均數(shù)據(jù)7 344 條,排除異常和缺失值后得到數(shù)據(jù)6 453 條。

1.3 資料與方法

研究所用2014年、2015年5—9月氣象資料來源于西安市氣象局,包括逐日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對(duì)濕度、日均風(fēng)速、日平均氣壓、日照時(shí)數(shù)、日降水量、小時(shí)降水量;同期環(huán)保數(shù)據(jù)來自中國(guó)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái),包括逐日PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3。氣象環(huán)境因素對(duì)浐灞生態(tài)區(qū)負(fù)氧離子濃度的影響采用相關(guān)分析法,統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用SPSS17.0完成。收集同期逐日雨量作為晴雨天氣條件分型之用,當(dāng)日降雨量R≤0.0 mm時(shí),定義當(dāng)日為“無雨日”,當(dāng)日降雨量R>0.0 mm時(shí),定義為“雨日”。

2 浐灞生態(tài)區(qū)夏季負(fù)氧離子分布特征

2.1 月變化特征

分析西安浐灞生態(tài)區(qū)5—9月負(fù)氧離子濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):負(fù)氧離子7—9月月均濃度值高于5—6月,8月負(fù)氧離子月均濃度值最高,7月和9月、5月和6月的月均濃度值差距不大,負(fù)氧離子日均濃度極大值出現(xiàn)在8月,為2 024個(gè)/cm3。根據(jù)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),西安歷年(1951—2017年)7—9月降水總和占年降水量25%～72%,而2014—2015年暴雨發(fā)生于8月,連陰雨、秋淋及雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣也在這個(gè)時(shí)段出現(xiàn)。降水時(shí)充沛的水汽條件、對(duì)水分子的剪切以及發(fā)生雷電活動(dòng)時(shí)空氣放出的大量電子,有利于負(fù)氧離子的產(chǎn)生和吸附,使空氣中的負(fù)氧離子濃度升高[5],浐灞生態(tài)區(qū)負(fù)氧離子濃度變化特征如圖1所示。

圖1 浐灞生態(tài)區(qū)負(fù)氧離子濃度變化特征Fig.1 Changes of negative oxygen ion concentration in Chanba Ecological Zone

2.2 無雨日負(fù)氧離子濃度日分布特征

將每日根據(jù)雨量劃分為雨日和無雨日,浐灞生態(tài)區(qū)無雨日夏季夜間負(fù)氧離子濃度高于白天。負(fù)氧離子小時(shí)平均濃度最大值以出現(xiàn)在23時(shí)最多,其次是0時(shí)、22時(shí)、1時(shí),即無雨日負(fù)氧離子濃度最大值較常出現(xiàn)在深夜至凌晨的22時(shí)到01時(shí),上午的9時(shí)、11時(shí),下午的14時(shí)、16時(shí)負(fù)氧離子濃度日最大值出現(xiàn)較少。負(fù)氧離子小時(shí)平均濃度最小值以出現(xiàn)在21時(shí)最多,其次是13時(shí)、20時(shí)、22時(shí),即無雨日負(fù)氧離子最小值較常出現(xiàn)在夜間20—22時(shí)及中午13時(shí)這2個(gè)時(shí)段。人為活動(dòng)和環(huán)境污染降低了空氣負(fù)氧離子濃度,人流量、車流量的增加使空氣中二氧化碳、煙粉塵含量增高,吸附空氣中的負(fù)氧離子,形成重離子沉降,造成空氣負(fù)離子濃度午夜至清晨高,中午較低,傍晚后逐漸上升的趨勢(shì)[6-7],如圖2所示。

3 降雨對(duì)負(fù)氧離子濃度的影響

3.1 負(fù)氧離子濃度變化與小時(shí)雨量的關(guān)系

已有研究表明降雨日的負(fù)氧離子濃度比無雨日的濃度明顯偏高,但降水對(duì)負(fù)氧離子的增加作用存在一定滯后性[8]。降雨強(qiáng)度、時(shí)間長(zhǎng)短不同,可能對(duì)負(fù)氧離子濃度的影響也存在差異,為了研究小時(shí)降雨量對(duì)負(fù)氧離子濃度的影響,分別繪制雨日某時(shí)次負(fù)氧離子的小時(shí)平均濃度與之前0～5 h各個(gè)時(shí)次小時(shí)雨量的散點(diǎn)圖,及某時(shí)次負(fù)氧離子小時(shí)平均濃度與之前0～7 h累計(jì)雨量的散點(diǎn)圖,分析逐小時(shí)雨量及小時(shí)累計(jì)雨量對(duì)負(fù)氧離子濃度的影響。

圖2 無雨日負(fù)氧離子濃度最大、最小值出現(xiàn)時(shí)次百分比Fig.2 Percentage of time level when maximum and minimum value of negative oxygen ion concentration in days without raining appear

(1) 小時(shí)降雨量與負(fù)氧離子小時(shí)平均濃度的關(guān)系 雨日某時(shí)次負(fù)氧離子小時(shí)濃度與之前0～5 h各時(shí)次降雨散點(diǎn)圖如圖3所示,負(fù)氧離子小時(shí)濃度與前0～2 h的小時(shí)降雨量有明顯的直線關(guān)系(p<0.01),與前3 h的小時(shí)雨量也有一定的直線相關(guān)關(guān)系(p<0.05),其R2分別為0.139、0.057、0.022、0.010,直線關(guān)系逐漸減弱;與前4～5 h的小時(shí)雨量沒有明顯的直線關(guān)系和相關(guān)性,說明當(dāng)時(shí)次及前1～3 h各小時(shí)的雨量越大,負(fù)氧離子小時(shí)濃度值越大。

(2) 負(fù)氧離子小時(shí)平均濃度與累計(jì)小時(shí)降雨量的關(guān)系 繪制雨日某時(shí)次負(fù)氧離子小時(shí)濃度與前期累計(jì)降水量的散點(diǎn)圖(圖略),并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)至少前1～7 h的累計(jì)降雨量與當(dāng)時(shí)次負(fù)氧離子小時(shí)濃度有一定的正相關(guān)關(guān)系,這種正相關(guān)關(guān)系隨著累計(jì)時(shí)長(zhǎng)的增大而逐漸減弱,前1～7 h的累計(jì)雨量越大負(fù)氧離子小時(shí)濃度越高。雨日的某小時(shí)可能沒有降水量,但由于前期小時(shí)累計(jì)雨量的影響以及降雨時(shí)、降雨前后空氣相對(duì)濕度較高,對(duì)負(fù)氧離子的濃度增加也有促進(jìn)作用,使雨日的負(fù)氧離子濃度較無雨日高(見表1)。

3.2 負(fù)氧離子濃度與降雨強(qiáng)度的關(guān)系

負(fù)氧離子濃度的變化基本上和降水量的趨勢(shì)一致,負(fù)氧離子濃度隨著降水強(qiáng)度的變化波動(dòng),降水減弱結(jié)束后雖有明顯下降趨勢(shì),但平均濃度略高于降水前。小時(shí)雨強(qiáng)與負(fù)氧離子濃度關(guān)系密切,負(fù)氧離子濃度與中雨量級(jí)以上的降水呈正相關(guān)關(guān)系,負(fù)氧離子濃度在小時(shí)雨量大于5 mm時(shí)顯著增加,達(dá)到10 mm以上時(shí)激增,但都存在2 h左右的滯后期[4,9-10]。為分析浐灞生態(tài)區(qū)降雨強(qiáng)度對(duì)負(fù)氧離子濃度的影響,將雨日的每時(shí)次按照雨量劃分,小時(shí)雨量為r,0.0 mm

通過繪制散點(diǎn)圖發(fā)現(xiàn),負(fù)氧離子小時(shí)濃度與雨量大小有明顯的線性關(guān)系:小雨量級(jí)時(shí)次和中雨以上量級(jí)時(shí)次的負(fù)氧離子小時(shí)平均濃度與雨量有明顯的線性關(guān)系,中雨以上量級(jí)較小雨量級(jí)時(shí)次與負(fù)氧離子濃度的線性關(guān)系更明顯(R=0.536,P<0.01),說明小時(shí)雨強(qiáng)的增大對(duì)小時(shí)負(fù)氧離子濃度的增加有明顯的促進(jìn)作用。單獨(dú)繪制中雨、大雨量級(jí)時(shí)次的負(fù)氧離子濃度與雨量散點(diǎn)圖其線性關(guān)系不明顯,可能由于兩年夏季出現(xiàn)中到大雨的時(shí)次較少,樣本量較少不能完全體現(xiàn)出兩者的關(guān)系(見表2、圖4)。

3.3 降雨過程負(fù)氧離子變化分析

分別繪制西安2014年9月12日—16日的一次連陰雨過程和2015年8月2日夜間的一次暴雨過程中負(fù)氧離子濃度與雨量變化的折線圖(見圖5、圖6)。

圖3 負(fù)氧離子小時(shí)平均濃度與前0～5 h雨量的關(guān)系Fig.3 Relationship between hourly average concentration of negative oxygen ion and rainfall from 0 to 5 hours

表1 前期累計(jì)降雨量與負(fù)氧離子小時(shí)平均濃度的相關(guān)性

表2 負(fù)氧離子小時(shí)平均濃度與降雨強(qiáng)度的相關(guān)分析

從圖5、圖6可見,負(fù)氧離子小時(shí)平均濃度與降雨強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致,負(fù)氧離子濃度峰值較降雨峰值出現(xiàn)時(shí)間滯后約0～3 h。結(jié)合上節(jié)分析表明:無論小時(shí)雨強(qiáng)大小,降水都能增加空氣中負(fù)氧離子的濃度,但中雨以上量級(jí)的降水其增加作用更明顯,能激增空氣負(fù)氧離子濃度值;連陰雨天氣中小雨時(shí)次有維持雨日空氣中負(fù)氧離子高濃度的作用。

4 負(fù)氧離子濃度的預(yù)報(bào)研究

4.1 相關(guān)分析

負(fù)氧離子日均濃度與氣象環(huán)境因素的Pearson相關(guān)分析發(fā)現(xiàn):負(fù)氧離子小時(shí)濃度與環(huán)境因素中的PM2.5、PM10、CO有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01),與氣象因素中的日降雨量、日均風(fēng)速有顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01);與環(huán)境因素中的SO2有負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05),與氣象因素中的日最高、日最低、日平均氣溫有正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)。氣象環(huán)境因素中降雨、PM2.5、PM10對(duì)負(fù)氧離子濃度影響最顯著。有研究表明,初夏時(shí)相對(duì)濕度和氣溫對(duì)負(fù)離子濃度影響較大,盛夏時(shí)相對(duì)濕度和光量子對(duì)負(fù)離子濃度影響較大[11]。夏季空氣負(fù)離子濃度與PM2.5、PM10有顯著的相關(guān)性[12-13]。除此之外,風(fēng)速對(duì)其也有明顯的影響,有研究發(fā)現(xiàn)空氣負(fù)離子濃度與風(fēng)速存在明顯的相關(guān)性,風(fēng)速高于1 m/s時(shí)產(chǎn)生的摩擦對(duì)負(fù)離子濃度有顯著增大的效果[14]。

圖4 小雨和中雨以上量級(jí)負(fù)氧離子小時(shí)濃度與降雨的線性關(guān)系Fig.4 Linear relationship between medium and heavy rainfalls and negative oxygen ion hourly concentration

圖5 2014年9月一次連陰雨過程中負(fù)氧離子濃度變化Fig.5 Changes of negative oxygen ion concentration during rainy periods on September 2014

圖6 2015年8月一次暴雨過程中負(fù)氧離子濃度變化Fig.6 Changes of negative oxygen ion concentration during heavy rains on August 2015

4.2 預(yù)報(bào)研究

相關(guān)分析和已有研究證實(shí),氣溫、氣壓、風(fēng)速、相對(duì)濕度等氣象要素和PM2.5、PM10等環(huán)境因素有相關(guān)性,根據(jù)相關(guān)分析結(jié)果,選取對(duì)負(fù)氧離子濃度有顯著影響的因子,采用多元逐步回歸分析法,將自變量因子逐步引入剔除,選取最佳擬合模型,建立西安夏季負(fù)氧離子濃度的多元逐步回歸預(yù)報(bào)模型:

Y=1 363.93+10.12W-3.98P1+1.09P2-

94.75C+0.43R+2.06N,

(1)

其中:Y為負(fù)氧離子濃度日均值(個(gè)/cm3);W為日均風(fēng)速(m/s);P1為空氣中日平均PM2.5濃度(μg/m3);P2為空氣中日平均PM10濃度(μg/m3);C為空氣中日平均CO濃度(mg/m3);R為日降雨量(mm);N為空氣中日平均NO2濃度(μg/m3)。

對(duì)預(yù)報(bào)模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),模型通過p<0.01顯著水平檢驗(yàn),R=0.607,F=28.156。擬合模型詳見圖7。從圖7中可見2014年、2015年5—9月每日的擬合效果,預(yù)測(cè)值與實(shí)際觀測(cè)的曲線基本一致。

圖7 2014—2015年夏季負(fù)氧離子濃度預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值Fig.7 Prediction and observation of negative oxygen ion concentration in summer from 2014 to 2015

5 結(jié)論

西安浐灞生態(tài)區(qū)夏季負(fù)氧離子月均濃度7—9月高于5—6月,8月的負(fù)氧離子濃度最高。無雨日負(fù)氧離子最大值較常出現(xiàn)在22時(shí)到01時(shí)這個(gè)時(shí)間段,負(fù)氧離子最小值較常出現(xiàn)在夜間20—22時(shí)及中午13時(shí)這2個(gè)時(shí)段。

雨日負(fù)氧離子小時(shí)濃度與當(dāng)時(shí)次的降雨量有線性關(guān)系(p<0.01),與前1～3 h各時(shí)次的降雨大小也有一定的線性相關(guān),線性關(guān)系逐漸減弱,前0～3 h每時(shí)次的雨量越大負(fù)氧離子小時(shí)濃度值越高;負(fù)氧離子小時(shí)濃度與前1～7 h的累計(jì)降雨量有一定的正相關(guān)關(guān)系,并且這種正相關(guān)關(guān)系隨著累計(jì)時(shí)長(zhǎng)的增大而逐漸減弱,前1～7 h的累計(jì)雨量越大負(fù)氧離子小時(shí)濃度越高;小時(shí)雨強(qiáng)與負(fù)氧離子小時(shí)平均濃度有顯著正相關(guān)關(guān)系,中雨以上的降雨與負(fù)氧離子濃度的線性關(guān)系更顯著,無論小時(shí)雨強(qiáng)大小都能增加空氣中負(fù)氧離子的濃度,但中雨以上量級(jí)的降水其增加作用更明顯,能激增空氣負(fù)氧離子濃度值;連陰雨天氣中小雨時(shí)次有維持雨日空氣中負(fù)氧離子高濃度的作用。

負(fù)氧離子日均濃度與PM2.5、PM10、CO、日降雨量、日均風(fēng)速、SO2、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫有顯著相關(guān)性。采用多元逐步回歸分析法,建立了西安浐灞生態(tài)區(qū)夏季負(fù)氧離子濃度的多元逐步回歸預(yù)報(bào)模型,并對(duì)預(yù)報(bào)模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),預(yù)報(bào)模型通過P<0.01顯著水平檢驗(yàn),模型每日擬合曲線與實(shí)際觀測(cè)曲線基本一致。