城市公園與高山茶園負(fù)氧離子濃度對比分析及氣象要素影響

張曼義,丁國香,楊 偉,王 濤

(1.安徽省公共氣象服務(wù)中心,安徽 合肥 230031;2.安徽省旌德縣氣象局,安徽 旌德 242699)

0 引言

空氣負(fù)氧離子是指帶負(fù)電荷的單個氣體分子和輕離子團(tuán)的總稱[1],主要來源于空氣分子在大氣上層發(fā)生的電離現(xiàn)象、水分子的裂解、樹葉尖端放電、植物光合作用中的光電效應(yīng)、火山爆發(fā)、雷雨閃電等物理過程[2-3]。負(fù)氧離子具有凈化除塵、抑菌殺毒及治療保健作用,是衡量空氣清新程度,評價康養(yǎng)旅游的關(guān)鍵指標(biāo)之一[4-6]。

近年來,隨著康養(yǎng)旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,眾多學(xué)者對空氣負(fù)氧離子的時空變化、氣象要素影響機制進(jìn)行了大量研究。國內(nèi)外研究表明不同季節(jié)[7]、不同天氣狀況[8]、不同地表類型[9]負(fù)氧離子濃度變化不同,氣溫、降水等氣象要素均會對負(fù)氧離子濃度變化產(chǎn)生影響[10-12],森林、海濱等地區(qū)負(fù)氧離子濃度相對較高。但由于負(fù)氧離子濃度受局地環(huán)境影響較大,且國內(nèi)外負(fù)氧離子評價尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),因此,不同研究結(jié)果之間借鑒性不強,需針對研究區(qū)域開展特定研究。旌德縣位于皖南山區(qū)腹地,茶葉種植面積廣泛,全縣現(xiàn)有茶園1760 hm2,品質(zhì)優(yōu)良,深受消費者喜愛。旌德縣政府以“分析評估負(fù)氧離子濃度”為抓手,打響旌德生態(tài)康養(yǎng)旅游品牌。目前,眾多負(fù)氧離子濃度對比研究集中于森林、城市的比較分析,鮮有關(guān)于茶園和城市負(fù)氧離子濃度的比較分析,因此,立足縣況,開展城市公園、高山茶園負(fù)氧離子濃度對比及氣象要素的影響研究,可為公眾提供實時精準(zhǔn)的負(fù)氧離子濃度信息,為旌德縣挖掘康養(yǎng)旅游資源品牌價值奠定基礎(chǔ),也為旌德縣生態(tài)康養(yǎng)旅游發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)[13]。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)概況

分別在旌德縣兔兒山公園、路西村茶園建立負(fù)氧離子監(jiān)測站點。兔兒山公園站(118°32′29″E,30°18′19″N)下墊面為城市型公園,海拔150 m,屬城市居民居住區(qū);路西村茶園站(118°25′41″E,30°22′37″N),海拔300 m,下墊面為高山型茶園,屬風(fēng)景名勝區(qū)。

1.2 資料來源

本研究資料為2020年1—12月兔兒山公園、路西村大氣負(fù)氧離子濃度數(shù)據(jù),同步氣象資料數(shù)據(jù)(包括逐時氣溫、風(fēng)速、降水量、云量等)。分別布設(shè)固定式大氣負(fù)氧離子監(jiān)測儀(依派偉業(yè)FLZ2-1型)對大氣負(fù)氧離子濃度進(jìn)行連續(xù)觀測(遷移率K≥0.4 cm2/V·s)。兔兒山公園同步氣象資料來源于旌德國家氣象觀測站(距離兔兒山公園3.0 km),路西村茶園氣溫、風(fēng)速、降水量資料來源于旌德三溪氣象觀測站(坐落于路西村),云量資料來源于歐洲數(shù)值預(yù)報ERA5再分析數(shù)據(jù)。

分別在兔兒山公園站、路西村茶園站采用便攜式大氣負(fù)氧離子監(jiān)測儀(依派偉業(yè)EP050)開展對比試驗研究。結(jié)果表明:本研究涉及的固定式負(fù)氧離子監(jiān)測儀能準(zhǔn)確觀測出各站的負(fù)氧離子濃度變化范圍,以及隨氣象要素變化而發(fā)生的趨勢變化。

1.3 研究方法

參照其他氣象觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法,對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理:對明顯異?；虺鲈试S變化范圍的數(shù)值進(jìn)行標(biāo)記,當(dāng)負(fù)氧離子濃度值長時間為0,或10 min的觀測值跳變在5000以上,均判識為異常數(shù)據(jù)。

根據(jù)氣候資料統(tǒng)計規(guī)定,3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12—2月為冬季。負(fù)氧離子濃度數(shù)據(jù)剔除缺測和異常值,采用算術(shù)平均法對各站小時值、日均值、月均值、季均值進(jìn)行統(tǒng)計,相關(guān)性分析結(jié)果采用SPSS統(tǒng)計軟件進(jìn)行單因素Pearson相關(guān)性分析獲得。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地表類型負(fù)氧離子濃度比較

2.1.1 季節(jié)變化比較 城市公園年均負(fù)氧離子濃度為2407 個·cm-3,高山茶園年均負(fù)氧離子濃度為3465 個·cm-3。從2站各季節(jié)負(fù)氧離子濃度變化可見,負(fù)氧離子濃度存在季節(jié)變化特征(圖1),以夏季最高、春秋季次之,冬季最低。夏季,城市公園、高山茶園負(fù)氧離子濃度可達(dá)3240 個·cm-3、3703 個·cm-3,冬季濃度則為1252 個·cm-3、3231 個·cm-3,秋冬季,空氣污染相對嚴(yán)重,氣候干燥,空氣濕度較小,負(fù)氧離子濃度處于四季最低值。城市公園負(fù)氧離子濃度夏冬季節(jié)差異明顯高于高山茶園。

圖1 城市公園與高山茶園負(fù)氧離子濃度季節(jié)變化比較

2.1.2 月變化比較 逐月負(fù)氧離子濃度變化顯示(圖2),高山茶園逐月負(fù)氧離子濃度變化幅度較小,城市公園幅度較大,以1、2月間濃度較低,3月濃度迅速上升,至6月達(dá)到峰值,7月負(fù)氧離子濃度又開始回落,至12月達(dá)到谷值。

圖2 城市公園與高山茶園負(fù)氧離子濃度月變化比較

2.1.3 日變化比較 2站負(fù)氧離子濃度的日變化特征基本一致,整體呈“一峰一谷”變化趨勢,峰值出現(xiàn)在上午,谷值出現(xiàn)在正午前后(圖3)。城市公園負(fù)氧離子濃度較高時段為每日21時—次日08時(峰值為07時),較低時段為09—17時(谷值為12時);高山茶園負(fù)氧離子濃度較高時段為02—11時(峰值為10時),較低時段為13—23時(谷值為13時);日變化中,城市公園、高山茶園負(fù)氧離子濃度日較差分別為211個·cm-3、254個·cm-3。

2.2 氣象要素對負(fù)氧離子濃度的影響

將研究時段內(nèi)各小時觀測資料進(jìn)行平均,得到全年負(fù)氧離子濃度、氣溫、風(fēng)速逐小時平均值,繪制全年負(fù)氧離子濃度日變化隨氣象要素變化曲線圖。

2.2.1 氣溫對負(fù)氧離子濃度的影響 氣溫日變化呈“一谷一峰”型變化特征,凌晨06時氣溫降至最低,午后14時升高至日最高值。兔兒山公園負(fù)氧離子濃度日極值出現(xiàn)時間與氣溫較為吻合,日出之后,隨氣溫上升,負(fù)氧離子濃度逐漸降低,14時后,負(fù)氧離子濃度隨氣溫下降呈逐漸升高趨勢。高山茶園負(fù)氧離子濃度日極值出現(xiàn)時間與氣溫略有差異,10時后,負(fù)氧離子濃度隨氣溫升高逐漸降低,降至13時達(dá)日最低值,之后隨氣溫下降不斷升高,17時后,負(fù)氧離子濃度隨氣溫下降而波動性下降(圖4)。

圖4 城市公園與高山茶園負(fù)氧離子濃度與氣溫日變化特征

2.2.2 風(fēng)速對負(fù)氧離子濃度的影響 2 min平均風(fēng)速呈“一峰一谷”型日變化特征,日最小值出現(xiàn)在06時,日最大值出現(xiàn)在15時。城市公園負(fù)氧離子濃度日極值出現(xiàn)時間與風(fēng)速較為吻合,07時之后,隨風(fēng)速增大,負(fù)氧離子濃度逐漸降低,15時后,負(fù)氧離子濃度隨風(fēng)速減小呈逐漸升高趨勢。高山茶園負(fù)氧離子濃度在10時之前,隨風(fēng)速增大呈升高趨勢;10—13時,隨風(fēng)速增大不斷降低;17時之后,隨風(fēng)速減小呈降低趨勢(圖5)。

圖5 負(fù)氧離子濃度與2 min平均風(fēng)速日變化特征

2.2.3 負(fù)氧離子濃度與氣象要素相關(guān)系數(shù) 以全年負(fù)氧離子濃度平均值日變化為因變量,氣象要素平均日變化值為自變量,采用SPSS軟件進(jìn)行單因素Pearson相關(guān)性分析。分析結(jié)果表明,負(fù)氧離子濃度日變化與氣溫呈顯著負(fù)相關(guān),其中城市公園負(fù)氧離子濃度日變化與氣溫呈極顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為-0.897,P<0.01),高山茶園負(fù)氧離子濃度日變化與氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為-0.438,P<0.05);負(fù)氧離子濃度日變化與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān),其中城市公園負(fù)氧離子濃度日變化與風(fēng)速呈極顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為-0.881,P<0.01),高山茶園負(fù)氧離子濃度日變化與風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為-0.416,P<0.05)。

2.2.4 不同天氣狀況對負(fù)氧離子濃度的影響 負(fù)氧離子濃度與天氣狀況關(guān)系密切,不同天氣狀況下負(fù)氧離子濃度變化不同。根據(jù)云量多少將天氣狀況分為晴天、多云、陰天、雨天在4種天氣類型(表1),分別統(tǒng)計2站在4種天氣狀況下的負(fù)氧離子濃度日均值,并進(jìn)行比較分析(圖6)。分析結(jié)果表明:4種天氣狀況下負(fù)氧離子濃度有所差異,2站負(fù)氧離子濃度均為雨天最高,晴天次之,陰天和多云相對較低。雨水對環(huán)境空氣有沖刷清潔作用,雨水的沖擊會產(chǎn)生勒納德效應(yīng),提升周圍空氣的負(fù)氧離子濃度,雨天,城市公園、高山茶園負(fù)氧離子濃度分別達(dá)2524個·cm-3、3503個·cm-3。陰天、多云天氣,負(fù)氧離子的生成速率低于中和速率,負(fù)氧離子濃度較低。其中,城市公園負(fù)氧離子濃度陰天、多云分別較雨天降低15%、19%。

表1 不同天氣狀況劃分標(biāo)準(zhǔn)

圖6 4種天氣狀況下城市公園、高山茶園負(fù)氧離子濃度比較

2.2.5 不同降雨等級對負(fù)氧離子濃度的影響 由2.2.4可知,雨天能提高大氣負(fù)氧離子濃度。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 28592-2012降水量等級[14],結(jié)合旌德縣實際降雨特征,將降雨量劃分為5種等級。分別統(tǒng)計2站無雨和5種降雨等級條件下的負(fù)氧離子濃度日均值,并進(jìn)行比較分析(圖7)。分析可知,隨著降雨等級提升,負(fù)氧離子濃度逐漸升高。城市公園大雨等級下負(fù)氧離子濃度最高,達(dá)3222個·cm-3,較小雨時負(fù)氧離子濃度升高38.5%;高山茶園暴雨等級下負(fù)氧離子濃度最高,達(dá)3683個·cm-3,較小雨時負(fù)氧離子濃度升高4.1%,但達(dá)到大暴雨級別,2站負(fù)氧離子濃度均呈下降趨勢。

圖7 無雨、5種降雨等級條件下負(fù)氧離子濃度比較

上述研究表明暴雨天氣條件下大氣負(fù)氧離子濃度呈顯著提高趨勢。以2020年6月20日為例(暴雨天氣),將2020年6月20日日降水量與負(fù)氧離子濃度進(jìn)行比較(圖8)。

圖8 2020年6月20日城市公園、高山茶園日降水量與負(fù)氧離子濃度比較

2020年6月20日,城市公園降水時段出現(xiàn)在01—21時,隨著降水量增大,負(fù)氧離子濃度明顯升高(相關(guān)系數(shù)為0.63,P<0.01)。該日降水峰值出現(xiàn)在03—04時、06—07時、13—14時、17—18時,分別對應(yīng)4個負(fù)氧離子濃度峰值段,07時由4243個·cm-3升高至5291個·cm-3。高山茶園降水時段出現(xiàn)在01—20時,負(fù)氧離子濃度與降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)為0.42,P<0.05)。降水量與負(fù)氧離子濃度峰值分別出現(xiàn)在05—06時、10—11時、16—17時、18—19時,19時升高至日最高值6670個·cm-3。說明強降水天氣有助于負(fù)氧離子濃度增加。

3 結(jié)論和討論

(1)高山茶園負(fù)氧離子濃度高于城市公園。眾多研究表明林區(qū)負(fù)氧離子濃度高于城市區(qū)負(fù)氧離子濃度[9,15],針對茶園負(fù)氧離子濃度的研究較少,有待進(jìn)一步研究。負(fù)氧離子濃度存在明顯季節(jié)變化,夏季最高,冬季最低,春秋季次之,春季高于秋季,可能是由于夏季植物光合作用旺盛,植被覆蓋率高,降水較多,負(fù)氧離子濃度相對較高。受江淮梅雨影響,強降水較多,濕度較大,負(fù)氧離子濃度于6月達(dá)最高值。

(2)負(fù)氧離子濃度日變化整體呈“一峰一谷”變化趨勢,峰值出現(xiàn)在上午,谷值出現(xiàn)在正午前后?？赡苁怯捎谡鐣r刻,植物光合作用減弱,空氣濕度減小,負(fù)氧離子濃度降至日最低值。

(3)負(fù)氧離子濃度受氣象要素影響,與氣溫、風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān);雨天負(fù)氧離子濃度最高,晴天次之,陰天和多云負(fù)氧離子濃度相對較低;隨降雨等級提升,負(fù)氧離子濃度逐漸升高,城市公園升高更為顯著,暴雨天氣條件下大氣負(fù)氧離子濃度顯著提高?？赡苁怯捎趶娊邓畻l件下,降水運動對水分子的剪切作用,其勒納德效應(yīng)增強,有利于負(fù)氧離子濃度的產(chǎn)生。