雷雨天氣對(duì)負(fù)氧離子濃度的影響

盧振禮 楊成芳 崔廣暑 安源 張文琴 秦蘭

(1 山東省日照市氣象局，日照 276826； 2 山東省氣象臺(tái)，濟(jì)南 250031)

引言

空氣負(fù)離子大多是由自由電子和氧分子結(jié)合的含氧負(fù)離子，也稱為“空氣負(fù)氧離子”，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者研究表明,空氣中“負(fù)氧離子”的含量會(huì)影響到人體舒適度，促進(jìn)人體健康，長(zhǎng)期生活在負(fù)氧離子含量較高的地域，還可治愈一些慢性疾病[1-10]。負(fù)氧離子是大氣中不穩(wěn)定粒子，隨著環(huán)境、時(shí)間的變化會(huì)有較大變化[5,11-15]，受人類活動(dòng)的影響也比較明顯。目前，關(guān)于負(fù)氧離子產(chǎn)生源的研究觀點(diǎn)基本可歸納為：森林植被、動(dòng)力水源地、平流水源地、空氣射線和紫外線、元素輻射、大氣閃電、降雨及人造技術(shù)應(yīng)用等[16-17 ]。

影響空氣負(fù)氧離子濃度(ANOIC)的氣象因子主要包括空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)力、氣壓、光照時(shí)數(shù)等?？諝庳?fù)氧離子與氣溫、相對(duì)濕度的關(guān)系研究較多，其中有學(xué)者認(rèn)為空氣負(fù)氧離子與氣溫正相關(guān)[8,18-19 ]，也有學(xué)者認(rèn)為空氣負(fù)氧離子與氣溫負(fù)相關(guān)[ 15,20]，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為空氣負(fù)氧離子與相對(duì)濕度正相關(guān)[20-24 ]，個(gè)別學(xué)者認(rèn)為空氣負(fù)氧離子與氣溫、風(fēng)速不具有顯著相關(guān)性[25]。風(fēng)力、氣壓、光照時(shí)數(shù)的研究也有較大分歧，有分析表明空氣負(fù)氧離子與風(fēng)力、氣壓、光照時(shí)數(shù)有顯著相關(guān)性[26-30]。也有文章研究表明空氣負(fù)氧離子與風(fēng)力、氣壓、光照時(shí)數(shù)不具有顯著相關(guān)性[20,31-33]。

降雨天氣對(duì)ANOIC的影響研究同樣存在分歧，降雨量對(duì)空氣負(fù)氧離子不具有顯著相關(guān)性[34-35]的結(jié)論，同降雨量與空氣負(fù)氧離子具有顯著相關(guān)性[8,36-38]的結(jié)論相互對(duì)立。還有學(xué)者認(rèn)為降雨量對(duì)空氣負(fù)氧離子不但具有顯著相關(guān)性，且降雨強(qiáng)度與空氣負(fù)氧離子也存在顯著相關(guān)性[25]。此外，閃電頻次、次數(shù)對(duì)空氣負(fù)氧離子具有顯著相關(guān)性，發(fā)生閃電時(shí)，可以產(chǎn)生巨量的小粒徑空氣負(fù)氧離子[5,13,39 ]。盡管ANOIC與氣象因子關(guān)系已有很多研究，但雷雨天氣因子對(duì)ANOIC的影響作用的深入研究還比較鮮見。本文分析了大沙洼國(guó)家森林公園的ANOIC與雷雨天氣因子相關(guān)性，研究雷雨天氣發(fā)生前后ANOIC的變化規(guī)律，為今后的相關(guān)研究和空氣負(fù)氧離子(ANOI)合理開發(fā)應(yīng)用提供一些技術(shù)參考。

1 研究區(qū)資料和研究方法

1.1 研究區(qū)資料

大沙洼國(guó)家森林公園，瀕臨黃海中北部，是沿海休閑、康養(yǎng)、旅游目的地之一，屬暖溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，四季分明，冷熱季和干濕季區(qū)別明顯。年平均氣溫13.0 ℃，年降雨日數(shù)72 d，年平均降雨量762.5 mm。降雨主要集中在5月初至9月底，占全年降雨量的80%以上，6、7、8月的降雨量最多，雷雨發(fā)生率最高。10月初至次年4月底降雨量較少，雷雨發(fā)生率低。

1.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和研究方法

6要素自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備和負(fù)氧離子監(jiān)測(cè)設(shè)備位于大沙洼國(guó)家森林公園內(nèi)，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分別位于(35°31′N，119°36′E)和(35°32′N，119°37′E)。自動(dòng)氣象站距離海岸線約150 m，負(fù)氧離子監(jiān)測(cè)設(shè)備距離海岸線300 m。閃電定位儀采用山東省內(nèi)組網(wǎng)設(shè)備，“三點(diǎn)”和“四點(diǎn)”定位模式確定閃電位置。設(shè)備分別使用江蘇省無線電科學(xué)研究所的“DZZ4”自動(dòng)氣象站及成都倍立公司的“BL-flz200”型號(hào)負(fù)氧離子檢測(cè)儀。

從2019全年的氣象資料中篩查雷雨發(fā)生的時(shí)間段，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)雷雨天氣主要集中在5—9月，因而氣象資料和負(fù)氧離子資料選取范圍均為5—9月。利用戶外型空氣負(fù)離子設(shè)備對(duì)大沙洼森林公園內(nèi)空氣負(fù)氧離子濃度進(jìn)行測(cè)量，負(fù)氧離子數(shù)據(jù)每0.5 min更新一次。自動(dòng)雨量設(shè)備監(jiān)測(cè)降雨量，雨量5 min累計(jì)一次，在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)降雨強(qiáng)度。閃電數(shù)據(jù)來自山東省閃電定位組網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，主要采用三點(diǎn)定位模式，閃電頻次不定時(shí)監(jiān)測(cè)匯總上傳，篩選閃電強(qiáng)度數(shù)據(jù)，分析閃電強(qiáng)度和空氣負(fù)氧離子變化率之間的關(guān)系。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入EXCEL表格初步處理，運(yùn)用SPSS19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 雷雨天氣對(duì)空氣負(fù)氧離子濃度影響結(jié)果

為了解雷雨天氣發(fā)生前后空氣負(fù)氧離子的變化情況，分析雷雨天氣因素與空氣負(fù)氧離子的相關(guān)性。由于空氣負(fù)氧離子濃度數(shù)值每天會(huì)有較大差別，每天的早午晚的本底值(本文的本底值指雷雨前的空氣負(fù)氧離子濃度原有數(shù)值)也會(huì)有較大差別，不利于比較不同天氣時(shí)的空氣負(fù)氧離子濃度變化情況，因而選擇ANOIC 10 min變化率分析雷雨天氣對(duì)空氣負(fù)氧離子變化的影響。通過統(tǒng)計(jì)分析2019年5—9月氣象數(shù)據(jù)和負(fù)氧離子數(shù)據(jù)(以10 min為1個(gè)時(shí)次，共57個(gè)時(shí)次)，得到雷雨天氣時(shí)空氣負(fù)氧離子濃度變化率的總體情況(圖1)。

圖1 2019年大洼森林公園5—9月雷雨天氣時(shí) 10 min空氣負(fù)氧離子濃度變化率

圖1表明，雷雨天氣發(fā)生時(shí)，空氣負(fù)氧離子濃度有明顯增加的趨勢(shì)，10 min空氣負(fù)氧離子變化率平均值為17.2%，最大值為39.8%，最小值為5.9%。通過空氣負(fù)氧離子濃度變化率與雷雨發(fā)生時(shí)的氣象數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，變化率數(shù)值較高時(shí)，對(duì)應(yīng)的雷雨天氣一般閃電強(qiáng)度值較大同時(shí)降水強(qiáng)度也較大；而數(shù)值較小時(shí)，對(duì)應(yīng)的雷雨天氣一般閃電強(qiáng)度值較小同時(shí)降水強(qiáng)度也較小，可見雷雨天氣對(duì)空氣負(fù)氧離子變化率影響較為明顯。

2.2 不同天氣影響結(jié)果對(duì)比

對(duì)比不同天氣對(duì)空氣負(fù)氧離子濃度的影響，統(tǒng)計(jì)有雷雨和無雷雨時(shí)的空氣負(fù)氧離子數(shù)據(jù),首先分析在有閃電無降雨、有降雨無閃電、有閃電有降雨天氣條件下，負(fù)氧離子濃度的10 min的變化率，不同天氣各選取10個(gè)時(shí)次樣本數(shù)據(jù)，共計(jì)選取30個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)次數(shù)據(jù)。分析發(fā)現(xiàn)(圖2)，曲線的總體走勢(shì)具有較大的波動(dòng)性，當(dāng)有閃電有降雨時(shí)，空氣負(fù)氧離子濃度有顯著跳變趨勢(shì)，其變化率與其它2種天氣條件相比具有顯著差異。還可知，在雷雨天氣發(fā)生的初始階段，降雨和閃電對(duì)空氣負(fù)氧離子濃度的增長(zhǎng)率作用比較明顯，此后隨著降雨的持續(xù)，負(fù)氧離子濃度的增長(zhǎng)率變得平緩，直至近于停止增長(zhǎng)階段，總體呈現(xiàn)波動(dòng)變化狀態(tài)。

圖2 不同天氣10 min空氣負(fù)氧離子濃度變化率

然后在無雷雨天氣條件下，統(tǒng)計(jì)分析負(fù)氧離子濃度的10 min的變化率(圖3)，曲線的總體走勢(shì)具有較小的波動(dòng)性，平均數(shù)值僅為3.6%。這進(jìn)一步說明雷雨天氣與空氣負(fù)氧離子變化率具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

圖3 無雷雨天氣10 min空氣負(fù)氧離子濃度變化率

2.3 雷雨天氣負(fù)氧離子濃度的影響因子分析

2.3.1 降雨強(qiáng)度對(duì)負(fù)氧離子濃度的影響

根據(jù)雷雨天氣過程中降雨強(qiáng)度的大小，降雨數(shù)據(jù)分為2組。降雨強(qiáng)度大于平均值的為1組，降雨強(qiáng)度小于平值的為2組，統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)的負(fù)氧離子濃度變化率，通過獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)(表1)。降雨強(qiáng)度大的一組和降雨強(qiáng)度小的一組方差方程的 Levene 檢驗(yàn)結(jié)果為：假定組內(nèi)方差相等的前提條件不成立(F=9.959，p<0.01)，假定組內(nèi)方差不相等的前提條件成立。t檢驗(yàn)結(jié)果表明：降雨強(qiáng)度大的一組和降雨強(qiáng)度小的一組負(fù)氧離子濃度變化率存在顯著差異(t=-5.290，p<0.01)，前者大于后者的負(fù)氧離子濃度變化率，降雨強(qiáng)度大于平均值的一組的負(fù)氧離子濃度變化率要高于降雨強(qiáng)度低的第2組數(shù)值，說明降雨強(qiáng)度對(duì)負(fù)氧離子濃度變化具有顯著性影響。

表1 10 min空氣負(fù)氧離子濃度變化率與降雨強(qiáng)度的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)

將雷雨時(shí)的負(fù)氧離子濃度變化率和對(duì)應(yīng)的降水強(qiáng)度繪制成直方圖和曲線圖，可更加直觀的看到兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖4)。從圖中可以看到，當(dāng)雷雨天氣發(fā)生時(shí)，隨著5 min降雨量增大10 min負(fù)氧離子濃度變化率相應(yīng)也增大，降雨量和空氣負(fù)氧離子濃度變化率存在正向相關(guān)性。

圖4 5 min降水量(降雨強(qiáng)度)和10 min空氣負(fù)氧離子濃度變化率對(duì)比

2.3.2 閃電強(qiáng)度對(duì)負(fù)氧離子濃度影響

根據(jù)雷雨天氣過程中閃電強(qiáng)度的大小，采用相同的分組方式，按照閃電強(qiáng)度大小分為2組，統(tǒng)計(jì)閃電強(qiáng)度大的一組和閃電強(qiáng)度小的一組相對(duì)應(yīng)負(fù)氧離子濃度變化率情況，并進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)(表2)。檢驗(yàn)結(jié)果為：方差方程 Levene 假定組內(nèi)方差相等的前提條件成立(F=0.175，p=0.680 >0.05)，當(dāng)組內(nèi)方差相等時(shí)，閃電強(qiáng)度大的一組和閃電強(qiáng)度小的一組負(fù)氧離子濃度變化率存在顯著差異(t=-5.984，p<0.01)，前一組的負(fù)氧離子濃度變化率大于后一組的負(fù)氧離子濃度變化率。同樣，閃電強(qiáng)度大小對(duì)空氣負(fù)氧離子濃度變化率具有顯著性影響。

表2 10 min負(fù)氧離子濃度變化率與閃電強(qiáng)度的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)

將雷雨時(shí)的負(fù)氧離子濃度變化率數(shù)據(jù)與閃電強(qiáng)度數(shù)值繪制成柱狀圖和曲線圖(圖5)，從柱狀圖和曲線圖可直觀地看到，當(dāng)雷雨天氣發(fā)生時(shí)，隨著閃電強(qiáng)度增大負(fù)氧離子濃度變化率也相應(yīng)地顯著增大，說明閃電強(qiáng)度和負(fù)氧離子濃度變化率也存在顯著正相關(guān)性。

圖5 閃電強(qiáng)度和10 min空氣負(fù)氧離子濃度變化率對(duì)比

2.4 負(fù)氧離子濃度變化率與雷雨因子回歸分析

以上分析表明，4種天氣條件下(圖2、3)的負(fù)氧離子濃度變化率存在顯著性差異。為了能夠預(yù)測(cè)雷雨天氣因子對(duì)負(fù)氧離子濃度變化率影響結(jié)果，還需要對(duì)它們之間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析。分析表明，負(fù)氧離子濃度10 min變化率與降雨強(qiáng)度和閃電強(qiáng)度均具有顯著相關(guān)關(guān)系(p值分別為0.002和0.005，均通過0.01顯著性檢驗(yàn)),決定系數(shù)R2為0.539，說明負(fù)氧離子濃度變化率與雷雨因子之間的回歸模型，具有中等程度以上的可信度，這與前文的分析結(jié)果具有一致性。

根據(jù)回歸分析得到線性回歸模型：

Y=11.352+2.096X1+0.136X2

其中，Y為負(fù)氧離子濃度10 min變化率，X1為降雨強(qiáng)度(單位:mm/5min)，X2為閃電強(qiáng)度(單位：kA，負(fù)地閃)。利用統(tǒng)計(jì)模型，根據(jù)不同天氣情況下的降雨強(qiáng)度和閃電強(qiáng)度，預(yù)測(cè)相應(yīng)的負(fù)氧離子濃度變化率，并對(duì)回歸模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，將預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值繪制曲線進(jìn)行對(duì)比分析(圖6)。

圖6 10 min空氣負(fù)氧離子濃度變化率的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

從圖6可以看出，兩條曲線總體走勢(shì)基本保持一致，預(yù)測(cè)值的誤差大致分布在ANOIC變化率15%～25%范圍內(nèi)，這區(qū)間對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度大致為0～1.0 mm/5min，閃電強(qiáng)度大致在-45～-20 kA范圍。負(fù)氧離子濃度變化率在25%～40%范圍內(nèi)，預(yù)測(cè)值和實(shí)際值保持了很好的一致性，這一區(qū)間所對(duì)應(yīng)的的降雨強(qiáng)度一般大于1.0 mm/5min，對(duì)應(yīng)的負(fù)閃電強(qiáng)度一般大于50 kA，說明模型對(duì)較強(qiáng)雷雨天氣條件下預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率要高于其對(duì)強(qiáng)度較弱(降雨強(qiáng)度小于1.0 mm/5min、負(fù)閃電強(qiáng)度小于45 kA范圍內(nèi))的雷雨天氣，對(duì)強(qiáng)度較弱的雷雨天氣負(fù)氧離子變化率預(yù)測(cè)能力略顯不足，需要輔助監(jiān)測(cè)設(shè)備加以訂正。

3 討論

除無降雨無閃電天氣外，其他3種天氣條件下，負(fù)氧離子濃度變化率曲線的最大波峰和最低波谷之間的數(shù)值差距均較大，其中有降雨有閃電的差距最大。分析波峰和波谷處的負(fù)氧離子濃度數(shù)值發(fā)現(xiàn)，最大波峰處對(duì)應(yīng)的負(fù)氧離子濃度本底值較小，負(fù)氧離子濃度僅為2126個(gè)/cm3。而在最低波谷處，對(duì)應(yīng)的負(fù)氧離子濃度本底值較大，負(fù)氧離子濃度達(dá)到5807個(gè)/cm3。這說明，負(fù)氧離子濃度變化率除了受到雷雨因子強(qiáng)弱影響，還取決于負(fù)氧離子濃度本底值的大小，本底值越小變化率越大。本文進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，空氣負(fù)氧離子濃度同一月份當(dāng)中每日的本底值存在較大差異，這一點(diǎn)與有些學(xué)者的研究結(jié)果一致[13,28-29]。

雖然閃電對(duì)負(fù)氧離子濃度的增長(zhǎng)率具有一定影響作用，但這種影響作用不具有持續(xù)性，因?yàn)榇髿怆婋x產(chǎn)生的自由電子不夠穩(wěn)定，由此增加的負(fù)氧離子濃度維持時(shí)間相對(duì)較短[40 ]。降雨強(qiáng)度在一定程度上對(duì)負(fù)氧離子濃度會(huì)產(chǎn)生影響，在降雨發(fā)生的前期表現(xiàn)的比較明顯，在降雨產(chǎn)生后的穩(wěn)定持續(xù)階段，負(fù)氧離子濃度增加幅度變得不再明顯，甚至出現(xiàn)停止增加現(xiàn)象(圖2)。

通過圖3還可以看出，在無閃電無降雨條件下，對(duì)應(yīng)曲線存在2個(gè)數(shù)值異常偏高點(diǎn)，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)這兩點(diǎn)均出現(xiàn)在雷雨剛結(jié)束不久的時(shí)段內(nèi)，數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常也是可以理解的。此外在沒有雷雨天氣發(fā)生時(shí)，相鄰的幾天負(fù)氧離子濃度本底值有時(shí)相差較大，說明負(fù)氧離子濃度數(shù)值變化除了受降雨和閃電強(qiáng)度影響外，還受其他因子的影響。究竟還有那些因子對(duì)空氣負(fù)氧離子濃度有顯著影響，還需要結(jié)合實(shí)際情況，進(jìn)一步深入研究才能得到解釋。本文在溫度、濕度、氣壓等氣象條件相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間段內(nèi)，利用降水強(qiáng)度、閃電強(qiáng)度對(duì)空氣負(fù)氧離子濃度10 min變化率做出相關(guān)性分析和回歸分析，并得到了顯著性檢驗(yàn)結(jié)果。

4 結(jié)論與討論

(1)雷雨天氣時(shí)，10 min空氣負(fù)氧離子濃度變化率有增加的趨勢(shì)，其變化率平均值為17.2%，最大值達(dá)到39.8%。空氣負(fù)氧離子濃度變化率數(shù)值較高時(shí)，對(duì)應(yīng)的雷雨天氣一般閃電強(qiáng)度值較大同時(shí)降水強(qiáng)度也較大；而變化率數(shù)值較小時(shí)，對(duì)應(yīng)的雷雨天氣一般閃電強(qiáng)度值較小同時(shí)降水強(qiáng)度也較小，雷雨天氣和空氣負(fù)氧離子濃度變化率有較好的相關(guān)性。

(2)在無閃電無降雨、無閃電有降雨、有閃電無降雨、有閃電有降雨4種天氣條件下，10 min空氣負(fù)氧離子濃度變化率總體上差距較大，其中有閃電有降雨、無閃電有降雨、有閃電無降雨天氣發(fā)生時(shí)，空氣負(fù)氧離子濃度均會(huì)增加。在發(fā)生雷雨的初始階段，雷雨因子對(duì)空氣負(fù)氧離子濃度變化率的影響較明顯，隨著雷雨的持續(xù)，雷雨因子對(duì)空氣負(fù)氧離子濃度影響趨于平緩，并呈現(xiàn)出波動(dòng)變化狀態(tài)。

(3)雷雨過程中，降雨強(qiáng)度和空氣負(fù)氧離子濃度變化率存在顯著正相關(guān)關(guān)系，降雨越強(qiáng)10 min空氣負(fù)氧離子濃度變化率增加越明顯。閃電強(qiáng)度和空氣負(fù)氧離子濃度變化率也存在顯著正相關(guān)關(guān)系，閃電強(qiáng)度越強(qiáng)10 min空氣負(fù)氧離子濃度變化率越大，這一點(diǎn)通過柱狀圖和曲線圖得到了驗(yàn)證。

研究發(fā)現(xiàn)，空氣負(fù)離子濃度的逐日本底值存在很大差異性，需對(duì)空氣負(fù)氧離子與其它氣象因子及氣象因子之外的因子關(guān)系作進(jìn)一步研究，探求其中原因并加以解釋。