烏魯木齊負(fù)氧離子濃度的分布特征

蔡仁，買買提·阿布來(lái)提，廖菲

（1.烏魯木齊市氣象局，新疆烏魯木齊 830002；2.廣州市氣象臺(tái)，廣東廣州 511430）

空氣負(fù)離子是指獲得多余電子的帶負(fù)電荷的空氣離子，因空氣中氧分子化學(xué)性質(zhì)活潑優(yōu)先獲得電子，故也稱為負(fù)氧離子，廣泛分布于自然環(huán)境中，如森林和濕地。它是森林有效清除空氣中有機(jī)污染物、提升空氣質(zhì)量的重要載體，已成為衡量一個(gè)地區(qū)空氣清潔度的重要指標(biāo)之一，同時(shí)具有多種抗菌作用和生物學(xué)效應(yīng)，對(duì)人體的心理和生理機(jī)能具有重要的促進(jìn)作用，被譽(yù)為“空氣維生素”［1-4］。許多研究表明，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［3-5］，在空間上的分布與植被覆蓋度對(duì)應(yīng)［6］，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［6-9］。在不同季節(jié)里，空氣中負(fù)氧離子濃度通常夏秋高于冬春，且夏季最高、冬季最低［10-11］。除此之外，溫度、氣壓、濕度、天氣狀況等氣象要素對(duì)空氣負(fù)氧離子濃度的影響很大［11-12］。林曉青等［13］還結(jié)合人體舒適度、溫濕指數(shù)、風(fēng)寒指數(shù)、度假氣候指數(shù)結(jié)合負(fù)氧離子濃度等級(jí)對(duì)陸河生態(tài)氣候休閑養(yǎng)生適宜性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

烏魯木齊市地處北天山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地南部，地勢(shì)起伏懸殊，由東南向西北降低，市區(qū)三面環(huán)山，南部、東北部高，中部、北部低。為了解烏魯木齊的空氣負(fù)氧離子分布情況，自2019年12月起，在烏魯木齊南部的天山北麓地區(qū)，選擇森林覆蓋較多的西白楊溝景區(qū)、天山大峽谷景區(qū)作為森林水體區(qū)代表站，天山區(qū)氣象局作為城市區(qū)代表站開展了觀測(cè)。本研究依托截止到2021年12月共3年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析烏魯木齊空氣負(fù)氧離子分布特征，了解天山對(duì)城市空氣負(fù)氧離子資源的影響，為合理評(píng)價(jià)烏魯木齊空氣的清新度提供參考。

1 資料與方法

白楊溝站、大峽谷及市區(qū)站所使用的儀器為EPEX研制的HY3000大氣負(fù)氧離子自動(dòng)測(cè)報(bào)儀，測(cè)量分辨率為1 cm-3，觀測(cè)頻次包括標(biāo)準(zhǔn)和加密（標(biāo)準(zhǔn)：1次／h、加密：1次整10 min、加密：1次／min）。該設(shè)備由新疆自治區(qū)氣象裝備中心定期檢定，由烏魯木齊環(huán)境監(jiān)測(cè)中心定期鑒定，以確保數(shù)據(jù)可靠。

負(fù)氧離子觀測(cè)站點(diǎn)也位于區(qū)域自動(dòng)氣象站旁，因此可獲得同步的氣象要素?cái)?shù)據(jù)，包括氣壓、氣溫、濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等，數(shù)據(jù)經(jīng)新疆自治區(qū)氣象局業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制處理。

數(shù)據(jù)處理時(shí)，主要運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行小時(shí)、日、月等平均和統(tǒng)計(jì)計(jì)算，借助相關(guān)分析法等分析負(fù)氧離子與氣象要素之間的關(guān)系等。

2 結(jié)果與分析

2.1 日變化

利用3個(gè)站2年的空氣負(fù)氧離子濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到了日逐小時(shí)的平均空氣負(fù)氧離子濃度值，圖1給出了3個(gè)站的日變化分布。相比于城市站而言，山區(qū)森林地區(qū)的兩個(gè)測(cè)站的空氣負(fù)氧離子濃度明顯更高，其中，僅代表森林的白楊溝站，其空氣負(fù)氧離子濃度在1 200 cm-3；而代表有水體的森林站（大峽谷站），空氣負(fù)氧離子濃度基本維持在20 000 cm-3以上，接近城市站的5倍。雖然3個(gè)測(cè)站的空氣負(fù)氧離子濃度存在明顯差異，但3個(gè)站的日變化均具有雙峰分布特征；2個(gè)森林站的空氣負(fù)氧離子濃度極大值出現(xiàn)在兩個(gè)時(shí)段，分別是早晨的07：00—09：00（北京時(shí)，下同）和夜間的00：00左右，市區(qū)站點(diǎn)白天空氣負(fù)氧離子濃度極大值出現(xiàn)時(shí)段與森林站相似，但夜間的極大值略早，大約在20：00。森林站的日變化相對(duì)明顯，極大值比極小值往往可高出800 cm-3，但市區(qū)站點(diǎn)在一天之日的變化幅度較小，通常起伏變化程度約為±100 cm-3。

圖1 各站負(fù)氧離子濃度的日變化

另外，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)還分類統(tǒng)計(jì)了不同季節(jié)的日變化（圖略）。與圖1相似，4個(gè)季節(jié)負(fù)氧離子濃度的分布規(guī)律基本一致，白天的空氣負(fù)氧離子濃度低于夜晚，一天之中中午是空氣負(fù)氧離子濃度最低的時(shí)候。與冬春季相比，夏秋季空氣負(fù)氧離子濃度在夜間明顯相對(duì)較大。

不同天氣背景和氣象條件對(duì)空氣負(fù)離子濃度有明顯的影響。為了解天氣對(duì)烏魯木齊本地空氣負(fù)離子濃度的影響，將近3年觀測(cè)期間的天氣背景分為晴天、多云、陰天、雨、雪、雷雨、霧等7種天氣類型，利用3個(gè)站的全部數(shù)據(jù)，給出了對(duì)應(yīng)的空氣負(fù)離子平均濃度（表1）。

表1 空氣負(fù)氧離子濃度和天氣現(xiàn)象對(duì)應(yīng)分布

很顯然，當(dāng)天空是以晴為主，不管云量多寡，相比于有降水的天氣而言，其空氣空氣負(fù)離子平均濃度都相對(duì)較小。不過(guò)，晴朗少云時(shí)空氣負(fù)離子平均濃度達(dá)到1 850 cm-3，比晴朗多云時(shí)高出830 cm-3，這一數(shù)值超出了烏魯木齊市區(qū)站的年平均值，可見充足的陽(yáng)光對(duì)空氣負(fù)離子的產(chǎn)生是有利的。在有雨的情況下，空氣負(fù)氧離子平均濃度比晴空條件下會(huì)明顯增加，即便是霧天，空氣負(fù)氧離子濃度平均濃度也有1 820 cm-3；當(dāng)出現(xiàn)雨雪天氣時(shí)，空氣負(fù)氧離子平均濃度則大幅增大，都超過(guò)2 000 cm-3，其中固態(tài)降水（雪）時(shí)比液態(tài)降水（雨）時(shí)空氣負(fù)氧離子平均濃度略偏小200 cm-3，無(wú)論是單純性的降雨時(shí)空氣負(fù)氧離子平均濃度最高，可達(dá)到2 650 cm-3，與大峽谷在夏季早晨時(shí)段的濃度類似。介于上述兩種天氣（晴天、雨天）之間的陰天情況，空氣負(fù)氧離子平均濃度僅為1 460 cm-3，僅高于多云天氣。

可見，對(duì)于烏魯木齊市的3個(gè)測(cè)站所處環(huán)境，降水的出現(xiàn)對(duì)于空氣負(fù)氧離子的增加是非常有利的，此時(shí)空氣負(fù)氧離子平均濃度往往是最高的。而在無(wú)降水的天氣背景下，晴天（陽(yáng)光充足）時(shí)空氣負(fù)氧離子平均濃度為次大值。盡管陰天時(shí)陽(yáng)光不充足，但相比于多云天氣，其空氣負(fù)氧離子平均濃度相對(duì)較大，因此，多云條件下空氣負(fù)氧離子平均濃度最低。這一現(xiàn)象的原因有待于進(jìn)一步的研究。

2.2 月變化

作為我國(guó)天山南麓的觀測(cè)站點(diǎn)，其逐月平均的空氣負(fù)氧離子濃度分布也具有典型的分布特征（圖2）。從全年來(lái)看，3個(gè)測(cè)站的逐月空氣負(fù)氧離子濃度分布呈現(xiàn)單峰型的分布特征，這與其它森林或城市站的分布有所不同（如胡夢(mèng)玲等［15］森林站表現(xiàn)為多峰型）。全年空氣負(fù)氧離子濃度高峰集中在7月左右，對(duì)應(yīng)該地區(qū)的夏季；空氣負(fù)氧離子濃度低值在冬季（1月）。同時(shí)，相比于其它兩個(gè)站而言，伴有水體存在的森林站（大峽谷）的空氣負(fù)氧離子濃度高峰能持續(xù)到11月，可見下墊面環(huán)境對(duì)本地空氣負(fù)氧離子濃度影響是明顯的。

圖2 不同區(qū)域空氣負(fù)氧離子濃度逐月變化

就單站的空氣負(fù)氧離子濃度值來(lái)看，不同下墊面環(huán)境下也存在顯著不同。月平均空氣負(fù)氧離子濃度的大小，總體是大峽谷＞白楊溝＞市區(qū)。其中，大峽谷站全年最低月平均濃度約2 300 cm-3，比白楊溝站7月份的最高值也高出約300 cm-3；相似地，白楊溝全年空氣負(fù)氧離子濃度最低的月份（12月），其濃度約1 000 cm-3，也比市區(qū)站空氣負(fù)氧離子濃度最高的月份（7月）高出約200 cm-3。

從月變化分布來(lái)看，城市站的月變化不太明顯，全年各月的空氣負(fù)氧離子濃度相對(duì)平穩(wěn)，且濃度較低，這與其它城市站也相類似［15］。而森林站中，季節(jié)變化所伴隨的植物生長(zhǎng)快慢，能明顯的影響空氣負(fù)氧離子濃度。夏季日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)、植物光合作用強(qiáng)、氣溫高、雷雨天多，空氣負(fù)氧離子濃度達(dá)到峰值，并且當(dāng)水體存在時(shí)，從夏季轉(zhuǎn)秋季的轉(zhuǎn)折過(guò)程中，空氣負(fù)氧離子濃度的變化是相對(duì)平穩(wěn)的（大峽谷站），而不會(huì)出現(xiàn)較為快速的下降特征（白楊溝站）。而冬季植物葉片脫落，光合作用較弱，各站在全年冬季都是最低的空氣負(fù)氧離子濃度。

2.3 空間分布

分布在烏魯木齊市的3個(gè)測(cè)站，代表著烏魯木齊市典型的3種下墊面環(huán)境。大峽谷站在烏魯木齊市西南側(cè)，位于天山北坡低山帶，海拔2 000 m左右，以原始雪嶺云杉林為主，周邊沒有高大山體的遮擋；而白楊溝站雖然與大峽谷站類似，但其位于天山北坡中山與低山過(guò)渡帶，海拔約2 200 m，周邊大山較多；而市區(qū)處于盆地，海拔較低，三面臨山。

由于植被的大量覆蓋，在烏魯木齊西南側(cè)的天山地區(qū)，空氣負(fù)氧離子濃度常年較大，大峽谷站年平均值2 949 cm-3，年最大值3 315 cm-3，年最小值2 315 cm-3，遠(yuǎn)高于世界衛(wèi)生組織“清新空氣中負(fù)離子含量不應(yīng)低于1 000 cm-3”的規(guī)定；而白楊溝站年平均值1 430 cm-3，年最大值1 987 cm-3，年最小值1 025 cm-3；市區(qū)年平均值486 cm-3，年最大值708 cm-3，年最小值386 cm-3。

2.4 氣象要素對(duì)空氣負(fù)氧離子的影響

1）負(fù)氧離子與雷電、氣溫、空氣相對(duì)濕度的關(guān)系。

從2.1節(jié)分析可知，烏魯木齊市空氣負(fù)氧離子濃度在雨天和雷雨天氣時(shí)最高。為進(jìn)一步了解與之相關(guān)的氣象條件與空氣負(fù)氧離子濃度的關(guān)系，選取相對(duì)濕度、雷電頻次、氣溫等氣象因素，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法開展了相關(guān)分析。

從圖2和圖3可以看出，夏季是烏魯木齊市雷電活動(dòng)頻繁的季節(jié)，峰值集中在6—7月，最大值出現(xiàn)在7月（圖3），對(duì)應(yīng)白楊溝站7月也出現(xiàn)空氣負(fù)氧離子濃度最大值（2 000 cm-3），并且其濃度比無(wú)雷電時(shí)期（10月至次年4月）高出最多達(dá)800 cm-3。在市區(qū)站雖然7月出現(xiàn)空氣負(fù)氧離子濃度最高值（800 cm-3），比無(wú)雷電時(shí)期高出約400 cm-3。

圖3 各站雷電次數(shù)

雖然7月大峽谷是3個(gè)站中雷電最為活躍的區(qū)域，但其空氣負(fù)氧離子濃度分布與雷電頻數(shù)的逐月分布并無(wú)明顯的一致性。可見，雷電活動(dòng)對(duì)于有水體的森林（大峽谷站）的空氣負(fù)氧離子濃度的影響不明顯，但能提高一般的環(huán)境（森林、市區(qū)）的空氣負(fù)氧離子濃度。

從全年的氣溫演變來(lái)看，各站均表現(xiàn)出夏季（7月）出現(xiàn)最高氣溫的單峰型分布（圖略），其中3站中大峽谷站月平均溫度最低，白楊溝站次之，市區(qū)月平均溫度最高，氣溫的演變與閃電頻次的分布有相似分布。結(jié)合對(duì)應(yīng)的空氣負(fù)氧離子濃度來(lái)看，氣溫的演變趨勢(shì)也是與白楊溝站和市區(qū)站的空氣負(fù)氧離子濃度有著相一致的變化，而大峽谷站空氣負(fù)氧離子濃度與氣溫的變化相關(guān)性并不明顯。

受森林和水體的影響，大峽谷站全年均保持較高的相對(duì)濕度，除9月低于60%、10月高于80%外，其他月份均保持在70%左右（圖4）。雖然市區(qū)站冬季相對(duì)濕度較高，這主要是因?yàn)槎境鞘心鏈貙拥挠绊懀渌竟?jié)通常都低于50%。對(duì)于以森林為主的白楊溝站及大峽谷站，由于植被以針葉林為主，在相對(duì)濕度較高的大峽谷站空氣負(fù)氧離子濃度更高，說(shuō)明相對(duì)濕度較高的環(huán)境條件有利于空氣負(fù)氧離子的增加，而如果缺乏植被的覆蓋，即便相對(duì)濕度更高（如市區(qū)站的冬季），其空氣負(fù)氧離子濃度也不會(huì)有明顯的增多現(xiàn)象。

圖4 各站相對(duì)濕度月平均值分布

3 結(jié)論

為了解天山北麓烏魯木齊的生態(tài)氣象環(huán)境，利用分布在城市和郊外森林不同下墊面環(huán)境的大氣負(fù)氧離子自動(dòng)測(cè)報(bào)儀，研究分析了城市及周邊空氣負(fù)氧離子濃度分布變化特征，結(jié)果如下：

1）空氣負(fù)氧離子濃度具有日變化特征。白天的空氣負(fù)氧離子濃度低于夜晚，其中中午空氣負(fù)氧離子濃度最低；夏秋季比冬春季日變化大。市區(qū)站的日變化最小，代表森林水體的大峽谷站日變化最大。

2）空氣負(fù)氧離子濃度月變化特征不一。從相對(duì)起伏變化量來(lái)看，市區(qū)站的月變化不太明顯且濃度較低；白楊溝站逐月空氣負(fù)氧離子濃度在各站中次大，且夏季最高，全年呈單峰型分布；大峽谷站位于有水體存在的森林地區(qū)，空氣負(fù)氧離子濃度在各站中最大（平均值達(dá)2 949 cm-3），月變化平穩(wěn)，其冬季空氣負(fù)氧離子濃度仍然較高。

3）不同的天氣條件對(duì)空氣負(fù)氧離子濃度影響明顯。降水的出現(xiàn)對(duì)于空氣負(fù)氧離子的增加是非常有利的，此時(shí)空氣負(fù)氧離子平均濃度往往是最高的。晴天時(shí)空氣負(fù)氧離子平均濃度次大，多云條件下空氣負(fù)氧離子平均濃度最低。

4）氣象因素對(duì)空氣負(fù)氧離子濃度的影響各有不同。對(duì)于周邊無(wú)水體存在時(shí)（如市區(qū)站、白楊溝站），較高的氣溫和相對(duì)濕度、雷電活動(dòng)多都有利于空氣負(fù)氧離子濃度增大，在相同的氣象條件下，植被覆蓋多時(shí)空氣負(fù)氧離子濃度也更大。但對(duì)于周邊存在水體和較多植被時(shí)（如大峽谷站），氣溫升高和雷電活動(dòng)增強(qiáng)對(duì)空氣負(fù)氧離子濃度的影響并不明顯，相對(duì)濕度與空氣負(fù)氧離子濃度的分布較為一致，可見濕潤(rùn)的空氣環(huán)境對(duì)這類地區(qū)的空氣負(fù)氧離子濃度維持和增加是有利的。