阿爾山五里泉負(fù)氧離子預(yù)報方程的建立及檢驗

胡亞男

(內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象服務(wù)中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

負(fù)離子是空氣中帶負(fù)電荷離子的總稱，由于帶負(fù)電的氧氣所占比重最大，稱為負(fù)氧離子，空氣中負(fù)氧離子的生成與植物尖端放電、水分子裂解，以及與大氣分子受紫外線、雷電等電離有關(guān)，因此在有森林、瀑布、溪流的地方負(fù)氧離子濃度較高。負(fù)氧離子能降解中和空氣中的有害氣體，調(diào)節(jié)人體生理機(jī)能、消除疲勞、改善睡眠等，被譽為“空氣中的維生素”和“長壽素”，除了能直接影響人的舒適度和健康狀況，還是反映空氣質(zhì)量和大氣環(huán)境狀況的重要指標(biāo)。

近年來，國內(nèi)陸續(xù)開展負(fù)氧離子濃度監(jiān)測，以及預(yù)報模型建立等工作，尤其針對旅游景區(qū)。由于負(fù)氧離子濃度的變化特征與當(dāng)?shù)刈匀坏乩憝h(huán)境和氣候條件等關(guān)系密切，不同地區(qū)的負(fù)氧離子變化特征不盡相同。研究表明[1～4]，負(fù)氧離子濃度有顯著日變化特征，表現(xiàn)為夜間高、白天低，最大值出現(xiàn)在早晨，最小值出現(xiàn)在午后，白天負(fù)氧離子濃度變化波動較大，夜晚變化平緩。負(fù)氧離子濃度與氣溫呈負(fù)相關(guān)，與相對濕度呈正相關(guān)。周德平[5]，張寶貴[6]，胡曉夢[7]，等研究表明夏季負(fù)氧離子濃度最高，其他季節(jié)負(fù)氧離子濃度變化特征因地而異。譚靜，等[8]對湖北省旅游景區(qū)大氣負(fù)氧離子的研究還發(fā)現(xiàn)負(fù)氧離子濃度在晴天大于陰天，霧霾和小雨天濃度較小，中雨以上降水和閃電活動與負(fù)氧離子濃度呈正相關(guān)。目前，國內(nèi)大多研究主要針對負(fù)氧離子的時空分布、季節(jié)變化和日變化規(guī)律，關(guān)于建立負(fù)氧離子預(yù)報模型的研究還比較少。王寶，等[9]使用溫度和濕度通過二次多項式法分別建立了玉溪市空氣負(fù)氧離子濃度的逐小時預(yù)報方程，經(jīng)檢驗預(yù)報誤差在±30%。趙蕾，等[10]對海南5個景區(qū)分別建立多元線性回歸預(yù)報方程，只有兩個景區(qū)通過了顯著性檢驗，預(yù)報效果不太理想。筆者首先分析了阿爾山五里泉的負(fù)氧離子濃度的季節(jié)差異和日變化規(guī)律，進(jìn)一步使用逐步法篩選通過顯著性檢驗的因子，分季節(jié)建立逐小時和逐日負(fù)氧離子濃度預(yù)報方程，以期為旅游氣象服務(wù)提供可靠的理論依據(jù)。

1 資料與方法

所用資料為2017年5月17日～2019年1月4日內(nèi)蒙古興安盟阿爾山五里泉空氣負(fù)氧離子自動測報系統(tǒng)實時監(jiān)測的負(fù)氧離子濃度(個/cm3)、相對濕度(%)和氣溫(℃)，以及阿爾山氣象站氣象要素日值資料：平均氣壓(hPa)、最高氣壓(hPa)、最低氣壓(hPa)、平均氣溫(℃)、最高氣溫(℃)、最低氣溫(℃)、平均相對濕度(%)、最小相對濕度(%)、平均總云量(0.1)、平均低云量(0.1)、最小水平能見度(m)、1h最大降水量(mm)、20～08時降水量(mm)、08～20時降水量(mm)、20～20時降水量(mm)、08～08時降水量(mm)、蒸發(fā)(mm)、積雪深度(cm)、平均地面溫度(℃)、最高地面溫度(℃)、最低地面溫度(℃)、日照時數(shù)(h)。

首先剔除異常值和缺測值，將數(shù)據(jù)按照3月～5月為春季，6月～8月為夏季，9月～11月為秋季，12月～次年2月為冬季劃分四季，分析各季節(jié)負(fù)氧離子濃度、氣溫和相對濕度的日變化曲線及其之間的相關(guān)性，采用逐步線性回歸法篩選通過T檢驗的預(yù)報因子，建立逐小時和逐日負(fù)氧離子濃度的預(yù)報方程并檢驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 負(fù)氧離子濃度與氣溫和相對濕度的日變化特征及相關(guān)性

春夏秋季負(fù)氧離子濃度的小時值變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)夜間高，白天低的特征，且最低值出現(xiàn)在午后14∶00，春季在凌晨2∶00～3∶00高于其他季節(jié)，夏季在6∶00～7∶00高于其他季節(jié)。春夏秋季負(fù)氧離子濃度與氣溫呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.87～ -0.98，與相對濕度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.89～0.99。冬季負(fù)氧離子濃度隨時間的變化曲線與其他季節(jié)不同，在11∶00～17∶00出現(xiàn)峰值，且與氣溫和相對濕度的相關(guān)性較差，考慮是冬季儀器測量誤差導(dǎo)致。

圖1 負(fù)氧離子濃度、氣溫和相對濕度的逐小時變化曲線

2.2 負(fù)氧離子濃度逐小時預(yù)報方程的建立

由于氣溫和相對濕度與負(fù)氧離子濃度相關(guān)性較高，且均通過T檢驗，因此將負(fù)氧離子作為因變量，溫度XT和相對濕度XRH作為自變量，春夏秋冬季分別使用時間段20170517-20170527、20170601-20170631、20170901-20170905、20171201-20180131的逐小時數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸，得到的預(yù)報方程如下：

Y春=1 214.098+28.155XRH+2.378XT

(1)

Y夏=2 271.321+15.532XRH-42.413XT

(2)

Y秋=2 914.733+9.009XRH-83.065XT

(3)

Y冬=-7 080.107+222.39XRH+241.708XT

(4)

再分別使用時間段20170528-20170531、20170801-20170831、20170906-20170910、20180202-20180227的逐小時數(shù)據(jù)作為各季的檢驗樣本，將氣溫和相對濕度代入公式進(jìn)行檢驗。如圖2所示，春夏秋季負(fù)氧離子濃度觀測值和預(yù)報值隨時間的變化趨勢和峰值分布基本一致，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.90～0.91，秋季在峰值處預(yù)報偏高；冬季預(yù)報效果相對其他季節(jié)較差，相關(guān)系數(shù)為0.54。

為了定量描述預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確性，模型預(yù)報值與實際監(jiān)測值的吻合程度采用標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差(NMB)和一致性指數(shù)(I)的統(tǒng)計方法進(jìn)行量化驗證，定義如下：

(5)

(6)

圖2 四季負(fù)氧離子逐小時濃度觀測值和預(yù)報值對比

式中:Cm為預(yù)報值，C0為觀測值，上述統(tǒng)計量中NMB可反映預(yù)報值與監(jiān)測值的平均偏離程度，無量綱量；一致性指數(shù)I=1表示模擬值與監(jiān)測值完全一致，I越接近1，表示模擬效果越好。統(tǒng)計值如表1所示，春季和冬季標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差(NMB)較小，分別為1.91%和1.74%；秋季次之，為8.97%；夏季由于檢驗樣本比其他季節(jié)數(shù)據(jù)量大，累計誤差也相對較大，NMB為20.74%。從一致性指數(shù)I來看，春秋季預(yù)報效果較好，一致性指數(shù)可達(dá)0.94和0.91，夏季次之，冬季相對不佳。綜合3種統(tǒng)計值來看，春季預(yù)報效果最好，夏、秋次之，冬季相對較差，考慮冬季檢測儀器不耐寒導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高。

表1 四季負(fù)氧離子濃度觀測值和預(yù)報值的統(tǒng)計指標(biāo)對比

2.3 負(fù)氧離子濃度逐日預(yù)報方程的建立

由于夏季負(fù)氧離子濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，使用時間段為20170601-20170731(2017年夏季)的氣象要素日值數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸，通過T檢驗的預(yù)報因子為負(fù)氧離子監(jiān)測儀所測的相對濕度XRH(%)和氣溫XT(℃)，以及阿爾山氣象站的平均相對濕度XRH0(%)、平均氣溫XT0(℃)、最高地面溫度XT0_MAX(℃)和最低地面溫度XT0_MIN(℃)，得到的預(yù)報方程見公式(7)。使用2017年8月的數(shù)據(jù)對預(yù)報方程進(jìn)行檢驗，如圖3所示，觀測值和預(yù)報值隨時間變化的趨勢大體一致，相關(guān)系數(shù)為0.67，標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差NMB為12.4%，一致性指數(shù)I為0.51。另外，由于8月24日最高地面溫度XT0_MAX(℃)和最低地面溫度XT0_MIN(℃)缺測導(dǎo)致此處預(yù)報值缺失。

Y=4 070.387-16.289XRH-216.449XT+23.09XRH0+155.482XT0-13.335XT0_MAX-19.527XT0_MIN

(7)

圖3 負(fù)氧離子濃度逐日觀測值和預(yù)報值對比

3 結(jié)論

通過分析阿爾山五里泉負(fù)氧離子濃度的季節(jié)差異和日變化規(guī)律，以及使用逐步回歸法篩選通過顯著性檢驗的氣象因子，分季節(jié)建立逐小時和逐日負(fù)氧離子濃度預(yù)報方程，得到以下結(jié)論：①春夏秋季負(fù)氧離子濃度的小時平均值變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)夜間高，白天低的特征，且最低值出現(xiàn)在午后14∶00。春夏秋季負(fù)氧離子濃度與氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)，與相對濕度呈顯著正相關(guān)。冬季負(fù)氧離子濃度隨時間的變化曲線與其他季節(jié)不同，在11∶00～17∶00出現(xiàn)峰值，且與氣溫和相對濕度的相關(guān)性較差，考慮是冬季儀器測量不準(zhǔn)導(dǎo)致。②利用各季節(jié)負(fù)氧離子濃度、氣溫和相對濕度逐小時數(shù)據(jù)通過逐步回歸法建立預(yù)報方程，負(fù)氧離子濃度觀測值和預(yù)報值隨時間的變化趨勢和峰值分布基本一致，綜合3種統(tǒng)計值來看，春季預(yù)報效果最好，夏、秋次之，冬季相對較差，考慮冬季檢測儀器不耐寒導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高。③利用2017年夏季數(shù)據(jù)建立負(fù)氧離子逐日預(yù)報方程并進(jìn)行檢驗，觀測值和預(yù)報值隨時間變化的趨勢大體一致，預(yù)報效果較好。