融水縣空氣負(fù)離子濃度的時(shí)空變化特征分析

收稿日期：2024-02-13

作者簡(jiǎn)介：何杭駿（1994—），女，云南玉溪人，研究方向?yàn)閼?yīng)用氣象學(xué)（公共服務(wù)方向）。#通信作者：張凌云（1975—），女，廣西柳州人，研究方向?yàn)樘鞖忸A(yù)報(bào)及服務(wù)，E-mail：yxl2zsys@163.com。

摘 要：利用融水苗族自治縣雙龍溝站（2018—2022年）、體育公園站、三友瀑布站（2021年7月—2022年7月）空氣負(fù)離子濃度數(shù)據(jù)及氣象資料，分析了融水縣縣城區(qū)域和鄉(xiāng)村區(qū)域的空氣負(fù)離子濃度時(shí)空變化特征和不同時(shí)間尺度下各種因子對(duì)空氣負(fù)離子濃度的變化影響。結(jié)果表明：（1）融水縣鄉(xiāng)村區(qū)域空氣負(fù)離子濃度年變化和季節(jié)變化特征明顯，且峰值出現(xiàn)時(shí)間和融水縣的汛期基本同步。夏季日平均值最大且日變化劇烈，這是雨滴碰撞導(dǎo)致的。（2）縣城的年變化特征不明顯，縣城濃度日平均值冬季較大、日變化特征明顯。冬季空氣負(fù)離子濃度的增加與人類活動(dòng)的減少和冬季的陰雨天氣有關(guān)。（3）降水過(guò)程中的充沛的水汽條件和降水運(yùn)動(dòng)對(duì)水分子的剪切作用，與Lenard效應(yīng)的疊加是鄉(xiāng)村區(qū)域空氣負(fù)離子濃度高的主要原因。雨天的空氣負(fù)離子濃度日變化不再遵循季節(jié)性的日變化特征，其濃度明顯受到降水的影響。在融水縣鄉(xiāng)村區(qū)域，雨量越大，空氣負(fù)離子濃度越大。

關(guān)鍵詞：空氣負(fù)離子；濃度；時(shí)空變化特征；氣象因子

中圖分類號(hào)：X51 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）04–0-03

根據(jù)地理物理學(xué)和大氣測(cè)量學(xué)國(guó)際聯(lián)盟的大氣聯(lián)合委員會(huì)采用的理論，空氣負(fù)離子就是O2（H2O）n，或OH-（H2O）n，CO4（H2O）2，是帶負(fù)電荷單個(gè)氣體分子及其輕離子團(tuán)的總稱。由于氧分子比CO2、N等分子更具有親電性，因此氧分子更容易形成負(fù)離子，所以空氣負(fù)離子主要由空氣負(fù)離子組成，故常被稱為空氣負(fù)離子?？諝庳?fù)離子常帶負(fù)電，容易與空氣中細(xì)菌、灰塵、煙霧等帶正電的微粒一起沉淀成中性微粒，達(dá)到凈化空氣的目的?？諝庳?fù)離子具有降塵、殺菌、清潔和保健的作用，對(duì)人體的某些疾病有著輔助治療的作用，也是反映空氣質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。較高濃度的空氣負(fù)離子具有多種潛在的生物學(xué)功能，因此空氣負(fù)離子更是一類重要的健康旅游資源。

目前對(duì)空氣負(fù)離子的研究涉及很多方向，包括空氣負(fù)離子的捕獲方式；在森林公園、城市綠地方面的應(yīng)用；對(duì)不同下墊面條件下空氣負(fù)離子的時(shí)空特征變化的研究；對(duì)氣象因子、植被種類等各種要素對(duì)空氣負(fù)離子濃度變化影響的研究；對(duì)空氣負(fù)離子濃度預(yù)測(cè)方法的探索等。其中余娟[1]研究了貴州特殊的洞穴條件下的空氣負(fù)離子時(shí)空變化及來(lái)源，認(rèn)為空氣負(fù)離子的富集受到通風(fēng)效應(yīng)、洞內(nèi)人類活動(dòng)、洞道形態(tài)、海拔、滴水、洞外天氣狀況等環(huán)境因子，以及溫度、濕度、CO2、風(fēng)速等氣候因子的綜合影響。黃世成等[2]認(rèn)為日平均水氣壓是影響空氣負(fù)離子濃度最大的直接和間接氣象因子。慶濤等[3]認(rèn)為南京市江寧區(qū)不同季節(jié)下氣象因子與空氣負(fù)離子相關(guān)性不同，夏季空氣負(fù)離子濃度與氣壓呈負(fù)相關(guān)，而與降水量、氣溫、日照時(shí)數(shù)、日凈全輻射呈正相關(guān)。許鳴等[4]得出了麗水市空氣負(fù)離子濃度值與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與濕度、日照時(shí)數(shù)呈正相關(guān)的結(jié)論。湯浩藩等[5]通過(guò)對(duì)南昌市城郊針闊混交林的研究，認(rèn)為空氣負(fù)離子濃度與PM2.5濃度呈負(fù)相關(guān)，與相對(duì)濕度呈正相關(guān)。

不同季節(jié)、不同環(huán)境條件下的空氣負(fù)離子濃度受氣象要素的影響不同，空氣負(fù)離子濃度具有較強(qiáng)的瞬變性，加上監(jiān)測(cè)設(shè)備等存在的差異，導(dǎo)致結(jié)論差異較大。以往研究側(cè)重于對(duì)大城市的休閑公園、森林綠地的空氣負(fù)離子濃度進(jìn)行分析，為城市規(guī)劃、環(huán)境污染管理等提供理論依據(jù)，針對(duì)鄉(xiāng)村區(qū)域的空氣負(fù)離子研究較少。為了助力鄉(xiāng)村振興和發(fā)展鄉(xiāng)村生態(tài)旅游，根據(jù)位于縣城和鄉(xiāng)村2個(gè)不同環(huán)境下的3個(gè)空氣負(fù)離子站數(shù)據(jù)，分析了融水縣的空氣負(fù)離子濃度的時(shí)間變化規(guī)律，以及空氣負(fù)離子濃度的影響因子。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究地概況

融水縣位于廣西壯族自治區(qū)北部，屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，氣候溫和，降水豐沛，光照充足。融水縣依托良好的自然生態(tài)資源，大力發(fā)展特色鄉(xiāng)村旅游產(chǎn)業(yè)。2020年12月融水縣被評(píng)為“國(guó)家全域旅游示范區(qū)”。

融水縣3個(gè)空氣負(fù)離子站分別建在雙龍溝景區(qū)、體育公園和三友瀑布景區(qū)。體育公園站位于縣城，周圍以草坪綠化為主，雙龍溝站和三友瀑布站位于鄉(xiāng)村，植被茂密，三友瀑布站位于瀑布旁。

1.2 觀測(cè)儀器與數(shù)據(jù)獲取

匯總整理經(jīng)過(guò)質(zhì)控后的雙龍溝站（2018—2022年）、

體育公園站和三友瀑布站2021年7月—2022年7月空氣負(fù)離子濃度數(shù)據(jù)和距離最近的地面站同步氣象要素觀測(cè)資料，使用Origin 2021軟件繪制空氣負(fù)離子時(shí)間變化特征圖，采用SPSS 25統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)空氣負(fù)離子濃度數(shù)據(jù)和氣象因子在不同時(shí)間尺度上的Pearson相關(guān)性分析。

2 融水縣空氣負(fù)離子濃度的時(shí)間變化特征

2.1 融水縣空氣負(fù)離子濃度的年變化特征

位于鄉(xiāng)村的雙龍溝站和三友瀑布站年變化特征明顯，峰值處于融水縣的主汛期（5—7月），雙龍溝在5月份（8 117.3 個(gè)/cm3），三友瀑布在6月（7 386.7 個(gè)/cm3）。

同時(shí)，2個(gè)站都在11月有一個(gè)次峰。雙龍溝的空氣負(fù)離子增加從3月開始，到5月份融水縣強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)，雷暴、強(qiáng)降雨天氣增多，空氣負(fù)離子濃度到達(dá)峰頂，6月正式進(jìn)入汛期，融水縣天氣轉(zhuǎn)為連續(xù)性的暴雨，空氣負(fù)離子平穩(wěn)回落。夏季后期到秋季前期的干旱使空氣中的濕度下降，溫度升高，對(duì)植物光合作用不利，空氣負(fù)離子濃度到達(dá)谷底，隨著秋雨對(duì)旱情的緩解，空氣負(fù)離子濃度回升。三友瀑布的空氣負(fù)離子濃度回升比雙龍溝晚一個(gè)月，主要受瀑布效應(yīng)的影響。位于縣城的體育公園站的年變化特征不明顯，空氣負(fù)離子濃度月平均值除了在1月出現(xiàn)一個(gè)大值（3 755.2 個(gè)/cm3），

其余月份在2 000 個(gè)/cm3左右波動(dòng)。

2.2 融水縣空氣負(fù)離子濃度日變化的季節(jié)性特征

為研究融水縣鄉(xiāng)村和縣城的季節(jié)變化差異，采取2021年7月到2022年7月的空氣負(fù)離子小時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（圖1）。

由圖1可知，三友瀑布站夏季空氣負(fù)離子濃度日平均值最高，秋季和冬季次之，春季最低，秋季略高于冬季。此站各季節(jié)的空氣負(fù)離子濃度大體上呈現(xiàn)凌晨到中午（0：00～11：00）濃度大于中午到夜晚（12：00

～23：00）的規(guī)律，且白天變化比夜間劇烈。一天的最高值在7：00～8：00，春、秋季最低值出現(xiàn)在0：00～23：00，

夏、冬季出現(xiàn)在15：00～16：00，最低值和最高值的趨勢(shì)和平均值趨勢(shì)一致。夏季的日變化比其他3個(gè)季節(jié)波動(dòng)劇烈。

雙龍溝站夏季空氣負(fù)離子濃度日平均值最高，春季次之，秋季和冬季最低，秋季略高于冬季。該站春季空氣負(fù)離子濃度大可能是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的連陰雨，連陰雨導(dǎo)致濕度提高，同時(shí)雨滴可以與空氣中的灰塵等大離子結(jié)合，使空氣負(fù)離子的壽命增加。春、秋、冬季空氣負(fù)離子濃度日變化不明顯。秋、冬兩季在午后波動(dòng)較為劇烈，峰值出現(xiàn)在14：00～16：00。

因?yàn)槿哑俨颊疚挥谄俨寂赃?，該站一年四季日變化都較為劇烈，水體在撞擊和噴射過(guò)程中加快正負(fù)電荷的分離，水流速度越快，相應(yīng)摩擦產(chǎn)生的電離能越大，周邊環(huán)境的空氣負(fù)離子濃度越高，同時(shí)水的噴濺過(guò)程可以達(dá)到濕沉降的效果，有效減少大氣懸浮顆粒物，來(lái)源于水的空氣負(fù)離子具有較長(zhǎng)的壽命。

體育公園站位于縣城，日變化的季節(jié)趨勢(shì)與其他2個(gè)站明顯不同。冬季空氣負(fù)離子濃度日平均值最高，且日變化波動(dòng)劇烈；春、夏、秋季日平均值按秋季＞夏季＞春季排列，且日變化不明顯。日變化最低值的出現(xiàn)時(shí)間與縣城居民到體育公園散步和夜間活動(dòng)的時(shí)間相符，人類活動(dòng)增加了大氣懸浮顆粒物，吸附空氣負(fù)離子并沉降導(dǎo)致空氣負(fù)離子濃度變低。融水縣城冬天依然有常綠植被覆蓋，植被生長(zhǎng)代謝活躍，有利于空氣負(fù)離子的生成。

3 空氣負(fù)離子濃度與多因子的相關(guān)性分析

3.1 不同時(shí)間尺度下空氣負(fù)離子濃度與多因子的相關(guān)性分析

選取雙龍溝站2018—2022年及三友瀑布和體育公園站2021年7月—2022年7月的空氣負(fù)離子數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)時(shí)間段的相關(guān)要素，分析不同時(shí)間尺度下縣城區(qū)域和鄉(xiāng)村區(qū)域各影響因子與空氣負(fù)離子濃度的相關(guān)性。

鄉(xiāng)村區(qū)域的2個(gè)站降水量與空氣負(fù)離子的日濃度、

月濃度均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。有學(xué)者認(rèn)為降雨落在森林，與葉片、土壤等撞擊的過(guò)程與瀑布拍打巖石的效果類似，降水過(guò)程中充沛的水汽條件和降水運(yùn)動(dòng)對(duì)水分子的剪切作用，與Lenard效應(yīng)的疊加可能是2個(gè)站在降水過(guò)程中空氣負(fù)離子濃度高的原因。

對(duì)于日濃度來(lái)說(shuō)，縣城區(qū)域平均風(fēng)速和CO與空氣負(fù)離子濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，水汽壓、氣溫、O3、PM10、PM2.5與空氣負(fù)離子濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系?？h城區(qū)域的空氣負(fù)離子月濃度和平均風(fēng)速和CO在0.05水平上呈顯著正相關(guān)關(guān)系。對(duì)于縣城來(lái)說(shuō)，平均風(fēng)速和污染物對(duì)空氣負(fù)離子濃度的影響較大（表1～表3）。

對(duì)比鄉(xiāng)村區(qū)域和縣城區(qū)域，氣壓、水汽壓和風(fēng)速在不同的環(huán)境條件下得出相反的結(jié)論，由于環(huán)境條件和時(shí)間尺度的變化，溫度和濕度甚至有時(shí)與空氣負(fù)離子濃度不相關(guān)，說(shuō)明在融水縣空氣負(fù)離子濃度與氣壓、水汽壓、溫度、濕度的關(guān)系較為復(fù)雜且不確定。

3.2 降水對(duì)融水縣鄉(xiāng)村區(qū)域空氣負(fù)離子濃度的影響

鑒于降水量和融水縣鄉(xiāng)村區(qū)域的空氣負(fù)離子濃度相關(guān)系數(shù)較大，進(jìn)一步分析不同降水過(guò)程和不同降水量級(jí)與融水縣鄉(xiāng)村區(qū)域空氣負(fù)離子濃度的關(guān)系。選擇三友瀑布站2021年7月—2022年7月的空氣負(fù)離子濃度數(shù)據(jù)和香粉站的降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從降水過(guò)程的空氣負(fù)離子濃度變化分析，雨天的空氣負(fù)離子濃度日變化不再遵循季節(jié)性的日變化特征主要受降水影響。春季和夏季的典型雨日（2022年2月6日和2021年7月4日），空氣負(fù)離子濃度的峰值均出現(xiàn)在降雨之后1 h，而秋季和冬季（2021年10月29日和2022年1月8日），空氣負(fù)離子濃度的峰值則均出現(xiàn)在降雨后3 h。

春、夏季的峰值延遲時(shí)間縮短可能是瀑布和降雨的疊加作用導(dǎo)致的。不同等級(jí)降水量對(duì)空氣負(fù)離子濃度的影響程度不同，隨著降水量增加，空氣負(fù)離子濃度也隨之上升，其波動(dòng)范圍也隨之?dāng)U大，當(dāng)降雨為暴雨到大暴雨量級(jí)（R=50～100 mm）時(shí)，空氣負(fù)離子濃度最大。而有學(xué)者認(rèn)為當(dāng)出現(xiàn)暴雨天氣時(shí)，由于降雨可能會(huì)沖刷掉一定濃度的空氣負(fù)離子，空氣負(fù)離子濃度反而下降，這與本文的結(jié)論不符。一方面是由于降雨落在瀑布上空氣負(fù)離子濃度會(huì)更高，超過(guò)了被沖刷掉的空氣負(fù)離子濃度；另一方面可能與其他氣象因子互相作用的不同有關(guān)。

4 結(jié)論

討論了不同時(shí)間尺度融水縣位于縣城和鄉(xiāng)村區(qū)域的3個(gè)站的空氣負(fù)離子濃度變化、氣象因子和污染物因子對(duì)空氣負(fù)離子的影響。但數(shù)據(jù)量有限，且影響空氣負(fù)離子濃度的因子較為復(fù)雜，除了氣象因子，還要考慮植被、海拔、人類活動(dòng)等其他因素，因此未能對(duì)融水縣空氣負(fù)離子濃度建立預(yù)測(cè)模型。融水縣擁有豐富的空氣負(fù)離子資源，建議當(dāng)?shù)剡M(jìn)一步對(duì)空氣負(fù)離子進(jìn)行研究，以便更好地開發(fā)利用。

參考文獻(xiàn)

[1] 余娟.龍打巖洞空氣負(fù)離子時(shí)空分布特征及影響因素研究[D].貴陽(yáng)：貴州師范大學(xué)，2021.

[2] 黃世成，徐春陽(yáng)，周嘉陵.城市和森林空氣負(fù)離子濃度與氣象環(huán)境關(guān)系的通徑分析[J].氣象，2012，38（11）：1417-1422.

[3] 慶濤，夏斌，汪笑，等.南京雷暴天氣異常的環(huán)流背景分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2019（23）：173-176.

[4] 許鳴，張建國(guó)，葛揚(yáng).麗水市空氣負(fù)離子濃度分布的時(shí)空特征及其影響因素[J].園林，2020（6）：76-81.

[5] 湯浩藩，吳巧花，王麗艷，等.南昌市城郊針闊混交林負(fù)氧離子濃度及其影響因子研究[J].林業(yè)資源管理，2022（5）：84 -90.