赤水市大气负氧离子的时空特征

尚媛媛，王红波，陶 勇，张 蕾

(贵州省气象服务中心，贵州 贵阳 550002)

1 引言

有着“空气维生素”、“长寿素”之称的负氧离子，对人体健康十分有利[1]，具有杀毒、降尘和提高免疫力的功能[2]。空气负氧离子对人体健康有着促进作用，同时还能反映空气质量，是生态环境状况的重要指标，而且对旅游城市的建设有一定的导向作用。近年来，各地政府委托气象部门积极申报“中国天然氧吧”称号，积极开展对负氧离子浓度的监测与分析工作。2017年8月赤水市政府申报“中国天然氧吧”成功，提升了赤水市优良旅游资源。北京、天津、大连、杭州等地已经开展了负氧离子浓度预报业务，并取得了较好的社会效益[3]。

大量研究表明，森林之所以会让人有清新的感觉，主要原因是森林空气中含有大量的空气负氧离子，是空气负氧离子的产生源[4-6]，在森林、海滨等地区[7]，负离子含量可以高达5 000～20 000个/cm3，而在污染严重的城市仅为300～1 000个/cm3，在室内就更少了，只有100～200个/cm3，甚至是没有。根据联合国卫生组织的标准，空气中负离子含量达到1 500个/cm3时，是空气清新的标准：当空气中的负氧离子含量达到20 000个/cm3以上则具有医疗保健的功效。根据联合国卫生组织标准和国内外其他地区常见的等级标准，本文采用以下推荐标准作为评价标准，具体见表1。

表1 负氧离子浓度分级Tab.1 Concentration Classification of Air Ions

有研究表明空气湿度对负氧离子浓度影响最大，其次是光照、最小是温度[8-9]，但也有研究认为空气负氧离子浓度与相对湿度、风速、云量、日照、降水量的相关性不显著[10-11]，还有研究认为影响空气负氧离子浓度的气象因子有风速、太阳辐射、相对湿度等，空气负氧离子浓度与日平均风速、太阳辐射正相关，与相对湿度负相关[12-14]。显然，气象因子与负氧离子关系的研究，存在着许多不确定性，这也许与局地小气候有关。

赤水市位于贵州省北部，处于云贵高原向四川盆地过渡地带，属于中亚热带湿润季风气候区，受中亚热带湿润季风气候与峡谷丘陵山地立体气候的叠加，相较于同处中亚热带的其他地区，赤水具有冬暖春早，气候温和，无霜期长，初夏晚秋多阴雨，多年不见积雪，立体气候明显。赤水降水丰沛，7月降水最多，4—10月降水量占全年降水量的82.5%，并且多夜雨。夜雨不但可以滋养植物，还可以降温除尘，使空气变得更加清新怡人。这些气候特点使得赤水市拥有明显的局地小气候。

本文在前人研究基础上，基于旅游景区大气负氧离子观测，利用逐小时负氧离子观测数据，对赤水市局地小气候背景下的负氧离子浓度进行分析，同时，与气象因子相关性进行分析，研究其基本规律以及与日照时数、降水、气温、空气湿度等气象要素的关系，对于研究赤水市当地生态资源、掌握和科学地利用大气负氧离子的变化规律有着重要的科学意义和现实价值[15-16]，以期为旅游城市的大气负氧离子研究提供一定的参考。

2 资料与方法

选取了复兴驿站、古迹驿站2个观测点，两个监测站均位于赤水仁怀的公路栈道旁，其中复兴驿站位于赤水游客服务中心附近，下垫面以草皮为主，古迹驿站位于赤水河谷公路与赤水河中间狭窄地带，下垫面以草地、湿地为主，周围方圆十里均以竹林为主。根据“中国天然氧吧”中管理办法，该地区属于商业交通混合区，应属于二类区域，能代表整个赤水市的空气中负氧离子含量水平。本文采用2016年5月—2017年4月赤水市2个负氧离子驿站观测数据，采用的大气负氧离子监测仪型号为Ion-Best，是一套高精度大气负离子监测仪，符合国际通行技术规范。同时采用同属于遵义市与赤水市相邻县市(见图1)的负氧离子驿站数据作为对比(习水县的红军露营地驿站、九龙屯驿站，仁怀市的茅台驿站、沙滩驿站)。分析中剔除了异常数据，采用负氧离子数变化与气象因子关系做相关性分析。

图1 负氧离子监测站分布图Fig.1 Sampling Points of Negative Air Ions

3 负氧离子分布特征

3.1 负氧离子时间分布特征

3.1.1 负氧离子浓度的日变化特征 据观测，复兴站和古迹站大气负氧离子浓度的日平均值为5 056个/m3，复兴站日平均值为6 554个/m3，古迹站日平均值为3 244个/m3。复兴站夜间负氧离子浓度略高于白天，古迹站白天与夜晚基本一致。根据负氧离子浓度分级表得出(见表1、表2)，赤水市复兴站的负氧离子浓度达到高山级；古迹站的达到郊野级。两站的空气质量均达到健康等级(表3)，具有杀菌、减少疾病传染的功效。

表2 2016年5月—2017年4月赤水市负氧离子监测数据统计表Tab.2 Statistics of negative oxygen ion monitoring data in Chishui

表3 2016年5月—2017年4月赤水市负氧离子监测数据汇总表Tab.3 negative oxygen ion monitoring data summary table

图2 赤水市大气负氧离子浓度的日变化Fig.2 Variations of Daily Negative Air Ions Concentration

从图2负氧离子的浓度日变化分析得出，一天中大气负氧离子浓度最高值出现在09—10时、13—15时、22—23时，04时、20时是每日负氧离子含量的低值出现的时间。这与罗丰[16]对广州下半年空气负离子变化规律的研究中早晚浓度较高的结果接近。与邵海荣[17]等对北京负离子研究的最小值约在23时的结果相反，原因可能是地形地貌、气候条件和空气质量状况等相差较大有关。

在09—10时、13—16时，太阳紫外辐射、植物光合作用增强，电离产生大量的自由电子，促使负氧离子浓度增大；22—23时，人类活动减少，大气颗粒物含量降低，空气湿度增加，从而增加了负氧离子与水分子结合的效率，使负氧离子浓度增加[19-20]。

3.1.2 负氧离子浓度月变化特征 从图3可以看出，赤水市各月负氧离子浓度变化不大， 复兴站5—6月稍低，可能与刚开始监测，仪器不稳定有关。已有很多研究表明夏季负氧离子浓度较其他季节较高，主要是因为夏季午后雷雨的存在雷电活动增加了负氧离子的浓度，同时降水减少了空气中各类污染物浓度，间接有利于负氧离子浓度的上升；但是在赤水并未出现这种季节变化。

图3 赤水市大气负氧离子浓度的月平均变化Fig.3 Variations average of Monthly Negative Air Ions Concentration

剔除个别异常数据，复兴驿站负氧离子逐月含量显示2016年5—7月监测的数据略偏低一些，负氧离子含量为4 688～5 062个/cm3，其余各月的含量基本持平，负氧离子含量均在6 519个/cm3以上。

3.2 相邻县市负氧离子分布特征和比较

习水县负氧离子月均浓度含量近3 000个/cm3，各月的含量基本持平。红军露营地驿站负氧离子的浓度日变化分析得出，03—10时是负氧离子含量的高峰值时区。九龙屯驿站负氧离子的浓度日变化分析得出，一日中负氧离子含量最低值出现在01—03时，06—19时是负氧离子含量的高峰值时区。

仁怀市负氧离子月均浓度含量为2 850个/cm3，各月的含量基本持平。茅台驿站负氧离子的浓度日变化分析得出，一日中负氧离子含量最低值出现在19时左右，04—11时是负氧离子含量的高峰值时区。沙滩驿站负氧离子的浓度日变化分析得出，一日中负氧离子含量最低值出现在凌晨01时和晚上20—21时，白天的08—19时是负氧离子含量的高峰值时区。

对各个站点数据分析可知(见图4)，各驿站月平均浓度变化趋势基本一致，赤水市(复兴驿站、古迹驿站)负氧离子浓度最高，且明显高于其他2个县市对比站。对仁怀市(茅台、沙滩)、习水县(红军露营地、九龙屯)的结果分析后发现，出现差异可能与这些站的地理位置有关系(图1)，由于赤水市高的森林覆盖率比习水县和仁怀市高，因此，越靠近赤水的测站负氧离子浓度越高。

图4 赤水市及临近县市大气负氧离子浓度的月变化(各月相邻的6根柱体从左到右分别是茅台、沙滩、红军露营地、九龙屯、复兴、古迹)Fig.4 Variations of Monthly Negative Air Ions Concentration

4 气象条件对大气负氧离子浓度的影响

4.1 负氧离子与气象因子的相关性

本文选取7个逐日基本气象因子，即降水量、平均气温、最高温度、气压、水汽压、相对湿度、日照时数，采用相关性分析法，分别就雨日、无雨日的大气负氧离子与各气象因子的相关性进行分析。

结果表明，在雨日、无雨日的不同情况下，气象因子与大气负氧离子的相关性表现不同。在雨日，大气负氧离子与气压、相对湿度、最高气温、水汽压等呈显著相关(P<0.05)；在无雨日，大气负氧离子除与上述因子有关外，还与日照时数呈显著相关(P<0.05)。这表明不同天气状况下，气象因子对大气负氧离子浓度产生影响不同。

很多研究对降雨日气象因子对负氧离子的影响只做了日平均统计，结果表明基本无关。本文在雨日负氧离子与气象因子的相关性分析中发现：如果将雨日分为白天雨和夜雨进行分析，则与负氧离子的关系不同(见表4)。通过将雨日分白天雨和晚上雨的大气负氧离子与气象要素相关性分析，相关系数比不分白天和夜晚雨日的相关性明显较高。白天雨的大气负氧离子与水汽压、平均气温、气压，呈显著相关(P<0.05)，其中与水汽压呈显著负相关；晚上雨的大气负氧离子与气压、水汽压、最高气温呈显著相关(P<0.05)，与水汽压呈显著负相关。这表明出现降雨天气时，大气负氧离子与水汽压、气温、气压有较好的相关性，并且白天雨比晚上雨对大气负氧离子浓度的增加具有明显的相关性。

表4 负氧离子日平均浓度与各气象要素的关系Tab.4 Relationship between Daily Average Concentration of Negative Air Ions and Meteorological Factors

注：*表示置信度>95%；**表示置信度>99%

理论上讲，降水可加大大气颗粒物湿沉降速率，使空气净化，可以使负氧离子含量升高。另外，已有研究表明，降水与地面、建筑物等物体摩擦、撞击可以加快正负电荷的分离[21]；同时，由于降水天气导致交通运输等人类活动减少[22]，可以使负氧离子的含量升高。但本研究结果并非如此。另外，理论上相对湿度增加，可以吸附大气中离子，形成凝结核，增加了大气离子浓度，从而增加了大气负氧离子[23]，本观测研究结果表明，在无雨日这一规律成立。但在有雨日，只有夜雨时段的相对湿度才与负氧离子显著性相关。

4.2 不同天气条件下各个气象因子的季节影响

将大气负氧离子资料按无雨日和有雨日分别统计，并对显著相关气象因子在不同季节对大气负氧离子影响的表现进行分析，结果如下：

4.2.1 无雨日气象因子对大气负氧离子浓度影响

研究表明，在没有降水的条件下，大气负氧离子与日照时数、最高气温呈显著负相关(参见表4)。从图5a和5b可以看出，夏季(图中为气温高，日照时数长的时段)，负氧离子浓度波动较小，冬季(最高气温较低、日照时数少的时段)负氧离子浓度波动相对较大。

4.2.2 雨日对大气负氧离子浓度影响 由图5c、5d、5e和5f可知，大气负氧离子浓度值一般在下雨的时候随着水汽压的升高而增大，且不论降水出现白天还是晚上，大气负氧离子浓度均与水汽压呈明显正相关性。同时，当白天有雨时，大气负氧离子浓度与平均气温呈正相关，夏季平均气温高，大气负氧离子浓度值较高，这与一些研究认为雷阵雨会使空气中负氧离子浓度明显增大有关[12]。夏季，当晚上有雨时，降水强度大的时段内，负氧离子浓度高；冬季，当晚上有雨时，气温较高时，负氧离子浓度较低，气温较低时，负氧离子浓度反而较高。

图5 气象因子与大气负氧离子的对比(a和b为无雨日，c、d为白天有雨日，e、f为夜间有雨日)Fig.5 Comparison Between Air Negative Oxygen Ions and Precipitation

5 结论与讨论

通过对2016年5月—2017年4月赤水市观测到的负氧离子浓度及气象数据分析，结果表明：

①赤水市大气负氧离子浓度白天略高于夜间，各季节浓度相差不大。市区的浓度在3 580～6 669个/cm3，年平均浓度为5 125个/cm3，各月月平均负氧离子浓度均超过3 000个/cm3。远超出世界卫生组织界定的清新空气标准(1 000～1 500个/cm3)，整体上对人体健康具有增强免疫抗菌力和康复治疗的作用。

②赤水的负氧离子浓度高于附近的习水县和仁怀市。从地理位置上分析，越靠近赤水市的测点负氧离子浓度越高。出现差异的主要原因是，因仁怀的工业和经济较发达，车辆尾气、建筑工地灰尘、工业废气排放等不利因素较多，直接抑制了负氧离子的生成。而赤水的两个监测点周围植被丰富、森林覆盖率高、瀑布多，有利于负氧离子的产生。

③大气负氧离子浓度受气象因子、植被条件和人为活动等要素的影响而变化。赤水的两个监测站中，复兴驿站靠近景区，植被覆盖率高，水汽含量高，负氧离子浓度较高。

④在无雨日，大气负氧离子浓度与日照时数、最高气温呈显著负相关。在雨日，大气负氧离子浓度与气压、气温、水汽压呈明显相关，并且白天雨比晚上雨对大气负氧离子浓度的增加具有明显的影响。气压、最高温度等对雨日大气负氧离子浓度增加相关，而日照时数对无雨日大气负氧离子浓度增加相关。

⑤降水量对赤水市的负氧离子浓度有弱的正相关关系，这与很多研究结论有些差别[17-18,23]，原因还需要进一步研究，这可能与赤水市的地理位置、竹林的覆盖率高以及独特的小气候有关，这与植被覆盖率有利于产生大量的自由电子，形成负氧离子，使大气负氧离子浓度增加相符。