两次不同性质降雨对蒙山负离子浓度的影响

梁俊聪 陈思毅 刘桂华 陈飞盛

摘 要：大气负离子浓度与降雨密切相关。利用蒙山县文圩镇大气负离子观测站逐5 min浓度数据及文圩镇自动气象站逐5 min降雨数据，探讨两次不同性质的降雨过程中负离子浓度的变化特征，并初步分析成因。分析认为，两种性质降雨对负离子浓度上升均具有正向作用，但负离子浓度上升的时间段不同。对于持续性弱降雨，或短时强降雨的开始时段，负离子浓度峰值（或跃增趋势）总是先于降雨峰值出现;对于短时强降雨的主要降雨阶段，则降雨峰值要先于负离子浓度峰值出现。降雨性质及仪器探测两种效应叠加，在弱降雨情况下（或短时强降雨初始阶段），大气水汽压明显先于仪器降雨值出现，导致负离子浓度峰值先于降雨峰值出现。

关键词：大气负离子浓度;短时强降雨;负离子浓度峰值;降雨峰值

中图分类号：X51;X831文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）16-0139-04

Abstract： The atmospheric anion concentration is closely related to rainfall. Based on the five minute concentration data of Wenwei atmospheric negative ion observation station and the five minute rainfall data of Wenwei automatic meteorological station， this paper discussed the variation characteristics of negative ion concentration in two different rainfall processes， and made a preliminary genetic analysis. The analysis shows that the two kinds of rainfall have positive effects on the rise of anion concentration， but the time period of the rise of anion concentration is different. For the beginning period of continuous weak rainfall or short-term heavy rainfall， the peak value of negative ion concentration （or the trend of jump increase） always appears before the peak value of rainfall. For the main rainfall stage of short-term heavy rainfall， the peak value of rainfall appears before the peak value of negative ion concentration. Under the condition of weak rainfall （or the initial stage of short-term heavy rainfall）， the vapor pressure of atmospheric water obviously appears before the rainfall value of the instrument， resulting in the peak of negative ion concentration appearing before the rainfall peak.

Keywords： atmospheric anion concentration;short-term heavy rainfall;peak value of anion concentration;peak value of rainfall

大氣负离子浓度指单位体积空气中的负离子数目。清洁空气中的负氧离子含量较高，因此负离子浓度的高低常被作为空气清新与否的重要指标[1-3]。2016年5月，蒙山县被评为“全国休闲农业与乡村旅游示范县”;2017年，蒙山县设立大气负离子浓度观测站，助力乡村生态旅游建设。因此，对蒙山县大气负离子浓度变化进行分析研究，有助于当地发展乡村生态旅游经济[3-4]。本文利用蒙山县文圩镇大气负离子观测站逐5 min浓度数据，以及文圩镇自动气象站逐5 min降雨数据，探讨两次不同性质的降雨过程中负离子浓度的变化特征，并对成因进行初步分析。

1 两次不同性质降雨特征分析

选取蒙山县文圩镇2019年6月26日19：00至27日08：00降雨过程（以下简称过程一）和2019年7月14日13：00—19：00降雨过程（以下简称过程二）作为分析对象。

过程一的降雨可细分为3个阶段、14次子降雨过程，子降雨过程持续时间最短为5 min、最长为75 min，累积降雨量最小为0.1 mm、最大为21.3 mm。最大子过程累积雨量占全过程总雨量的80%。第一阶段为6月26日19：00至23：55，测站共计出现了4次短时降雨，强度均较小。第一次短时降雨出现在19：40—19：45，时段累积雨量为0.2 mm;第二次短时降雨出现在20：25—21：00，时段累积降雨量为2.7 mm，其中20：35—20：40出现1.5 mm的降雨值;第三次短时降雨出现在22：20—22：35，时段累积降雨量为0.6 mm;第四次短时降雨出现在22：40—22：45，时段累积降雨量为0.1 mm。第二阶段为26日23：55至27日01：15，测站出现短时强降雨，80 min降雨量达21.3 mm，逐5 min雨量时序分布呈现3次峰值（见图1）。其中27日00：00—01：00，小时降雨量达到20.9 mm。分析逐5 min雨量，在00：05—00：10、00：15—00：20，共计2次出现4.1 mm的5 min累积雨量峰值;00：00—00：20连续4次出现5 min累积雨量大于2 mm;00：45出现第三次5min累积雨量峰值，为1.6 mm。第三阶段为01：20—08：00，测站以间歇性短时降雨为主，共计出现9次，阶段累积雨量仅为1.7 mm。

过程二的降雨细分为2个阶段、15次子降雨过程，整体雨量较小，子降雨过程持续时间最短为5 min、最长为70 min，累积降雨量最小0.1 mm、最大1.9 mm。第一阶段，测站出现了3次短时降雨，分别为09：05—09：10、11：20—11：25、13：10—13：15，5 min累积雨量均为0.1 mm。第二阶段共计出现12次子降雨过程，主要降雨集中在3次连续降雨，分别为13：20—14：30，14：45—15：45，17：45—18：20，对应的累积雨量分别为2.0、1.7、1.2 mm。除3次连续降雨外，时段内的其余降雨均为短时弱降雨，降雨持续时间为5～10 min，累积降雨量不超过0.3 mm。

分析这两次降雨过程，过程一主要降雨集中在1 h内发生，且时段累积降雨量较大，主要降雨外的其余时段，降雨很小，具有显著的短时强降雨特征;过程二主要降雨的持续时间明显长于过程一，接近2.5 h，但整体降雨强度及滚动5 min降雨量均较小，过程中最大的5 min累积雨量仅为0.3 mm，共出现了5次，其余时段为间歇性降雨，5 min累积雨量不超过0.2 mm。过程二属于持续性弱降雨。

2 负离子浓度变化分析

2.1 过程一负离子浓度变化情况

对于过程一，时段内共计出现了14次子降雨过程，14次子降雨过程均出现了负离子浓度上升的情况，但负离子浓度上升的时段有所不同。其中3次为降雨前、中、后均出现持续上升;5次为降雨前、降雨中出现上升，降雨后浓度下降;2次为降雨前、降雨后出现下降，降雨中呈现上升;3次为降雨前出现下降、降雨中及降雨后出现上升;另有1次为降雨前出现上升，降雨中、降雨后出现持续下降。从统计结果可以看出，64%的子降雨过程，负离子浓度在过程前出现上升的情况;93%的子降雨过程，负离子浓度在过程中呈现上升的情况;43%的子降雨过程，负离子浓度在降雨后出现上涨的情况。过程一中，负离子浓度共出现10个峰值，其中2个出现在子降雨过程中，最大值为10 749个/cm3，最大增幅接近3倍。

分析过程一中最主要的子降雨过程（6月26日23：55至27日01：15）的负离子浓度变化（见图2）。该子降雨过程持续时间为80 min，距离上一子降雨过程结束，时间间隔为75 min，距离下一子降雨过程，时间间隔为5 min。子降雨过程累积雨量为21.3 mm，逐5 min雨量曲线呈现出3个峰值，峰值分别为4.1、4.1、1.6 mm。在子降雨过程出现前25 min，负离子浓度就已开始出现明显上升，26日23：35从1 688个/cm3跃增至23：55的10 382个/cm3，27日00：00出现10 749个/cm3峰值，并以10 000个/cm3以上的浓度维持至00：15，为该子降雨时段的负离子浓度主峰值。随后27日00：20下降至7 816个/cm3，00：25再次出现上升，浓度为8 231个/cm3，此为该子降雨时段的负离子浓度次峰值。随后负离子浓度迅速下降，至00：45下降至3 092个/cm3，00：45后，负离子浓度第三次出现上升，至00：55出现第三峰值，浓度为5 051个/cm3。00：55后负离子浓度出现该子降雨时段内的最后一次波动，01：15出现第四峰值，浓度为5 058个/cm3。配合子降雨过程内的逐5 min降雨量進行分析可发现，负离子浓度在子降雨时段开始前就已经出现明显上升，负离子浓度主峰值出现在子降雨开始5 min后，即27日00：00，而子降雨时段的第一次降雨峰值出现在10 min后，即00：10，5 min累积降雨量4.1 mm;随后降雨量出现波动，00：20出现第二个降雨量峰值，5 min累积雨量亦为4.1 mm;5 min后，即00：25对应出现负离子浓度的次峰值;随后降雨量再次出现波动，于00：45出现第三个峰值，5 min累积雨量1.6 mm，00：50出现负离子浓度的第三峰值。

2.2 过程二负离子浓度变化情况

对于过程二，时段内共计出现了15次子降雨过程，15次子降雨过程均出现了负离子浓度升高情况，但负离子浓度升高的时段有所不同。其中4次为降雨前、中、后均出现持续上升;5次为降雨前、中出现上升，降雨后浓度下降;3次为降雨前、降雨后出现上升，降雨中呈现下降;2次为降雨前出现上升、降雨中及降雨后出现持续下降;1次为降雨前下降，降雨中、后出现上升。从统计结果可以看出，93%的子降雨过程，负离子浓度在过程前就已经出现了上升情况;66%的子降雨过程，负离子浓度在降雨过程中有所上涨;53%的子降雨过程，负离子浓度在降雨后出现上涨。过程二中，负离子浓度共出现13个峰值，其中6个出现在子降雨过程中，最大值为7 127个/cm3，最大增幅接近1.5倍;其余峰值出现在降雨间歇期，最大值为8 727个/cm3，最大增幅为2倍。

分析过程二中最主要的子降雨过程（7月14日13：20—14：30）的负离子浓度变化。该子降雨过程累积降雨量为2.0 mm，过程中共出现3次雨量峰值，分别为13：35的0.2 mm、14：00的0.3 mm以及14：15的0.2 mm。而子降雨过程中对应的负离子浓度峰值有4个，分别为13：30的2 918个/cm3、13：45的3 291个/cm3、14：00的7 127个/cm3、14：15的6 579个/cm3。第一次负离子浓度峰值早于第一次雨量峰值出现，提前时间为5 min;第二次雨量峰值与第三次负离子浓度峰值同时出现，但在此之前已出现第二次负离子浓度峰值，且13：50—13：55，负离子浓度从2 985个/cm3迅速跃增至6 201个/cm3，增幅达到1倍以上，跃增现象的出现时间早于第二次雨量峰值，提前时间为10 min;同样地，第四次负离子峰值与第三次雨量峰值同时出现，但在此之前，负离子浓度也出现了跃增现象，从14：10的3 074个/cm3跃增至14：15的6 579个/cm3，增幅超过1倍，同时在14：20，负离子浓度亦维持了较高数值，达到6 544个/cm3。

2.3 负离子浓度变化分析

对比分析过程一及过程二的负离子浓度变化可得出以下结论。

从时间特征上分析，负离子浓度峰值基本伴随着降雨量峰值出现。在短时强降雨中，负离子浓度峰值在降雨量峰值前、后均有出现;而在持续性弱降雨中，负离子浓度峰值（或负离子浓度上升趋势）总是较降雨量峰值提前出现。

从浓度值上分析，短时强降雨中，负离子浓度的跃增幅度较持续弱降雨更为明显。短时强降雨中，负离子浓度平均值上升较持续性弱降雨明显。过程一中，短时强降雨出现前后，负离子平均浓度值从2 749个/cm3跃增至接近7 000个/cm3，增幅超过1倍;反观过程二，降雨出现前后，负离子平均浓度值从2 349个/cm3增至4 318个/cm3，增幅略低于过程一。

黄世成等人采用通径分析方法，对影响负离子浓度的气象环境因素进行分析后指出，平均水汽压是影响负离子浓度变化的最大气象环境因子[5]。分析负离子浓度峰值（或负离子浓度上升趋势）较降雨量峰值提前出现且在持续性弱降雨中较短时强降雨更为明显的原因，主要考虑两个原因：一是与降雨性质有很大关系[6-8];二是与现有降雨探测原理有关。

对于较强降雨，由于雨滴体积较大，因此雨滴在空中停留时间相对较短。当空中形成降雨时，大气水汽压开始增加，大气负离子浓度开始上升，随后降雨落至地面并被仪器测出。大气水汽压增加导致负离子浓度上升，与降雨落至地面并被仪器测出的时间差不会太长。而对于弱降雨（例如，毛毛雨）而言，由于雨滴体积很小，因此，降雨在空中飘浮的时间相对较长，从降雨开始出现到被仪器测出，时间差相对较大，从而导致大气水汽压上升（即负离子浓度增加），与降雨被仪器测出的时间差较长。

从降雨探测原理来分析，现有自动气象站基本采用翻斗式雨量计来探测降雨，每个翻斗翻转的雨量阈值为0.1 mm。对于较强降雨而言，由于雨滴较大，雨滴到达翻斗后并达到阈值的时间较快，时间延误较小;而对于较弱降雨（如毛毛雨）而言，由于雨滴体积较小，雨滴到达翻斗并达到阈值，需要时间相对较长。因此，弱降雨情形下，降雨出现到被仪器测出的时间差大于强降雨。

因此，降雨性质及仪器探测两种效应叠加，在弱降雨情况下，大气水汽压明显先于仪器降雨值出现，因此负离子浓度峰值先于降雨峰值出现。在短时强降雨初始阶段，若降雨先以弱降雨的状态开始，则也会出现负离子浓度峰值先于降雨峰值出现的情形。

3 结论

通过分析得知，两次不同性质的降雨对蒙山县负离子浓度的变化有着不同的影响特征。两种性质降雨对负离子浓度上升均具有正向作用，但负离子浓度上升的时间段不同。对于持续性弱降雨，或短时强降雨的开始时段，负离子浓度峰值（或跃增趋势）总是先于降雨峰值出现。对于短时强降雨的主要降雨階段，降雨峰值要先于负离子浓度峰值出现。

弱降雨情形下，负离子浓度峰值（或跃增趋势）先于降雨峰值出现，主要有两个原因。一是降雨性质导致。由于雨滴体积很小，降雨在空中飘浮的时间相对较长，从降雨开始出现到被仪器测出，时间差相对较大，从而导致大气水汽压上升（即负离子浓度增加）与降雨被仪器测出的时间差较长。

二是降雨探测原理问题。目前自动雨量站均采用翻斗式雨量计，对于较弱降雨（例如，毛毛雨）而言，由于雨滴体积较小，雨滴到达翻斗并达到阈值，需时相对较长。因此，弱降雨情形下降雨出现到被仪器测出的时间差，会大于强降雨。

因此，降雨性质及仪器探测两种效应叠加，在弱降雨情况下（或短时强降雨初始阶段），大气水汽压明显先于仪器降雨值出现，导致负离子浓度峰值先于降雨峰值出现。

参考文献：

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