空气负离子观测数据质量控制方法研究
2021-04-06姜燕敏李正泉郁珍艳吴昊旻
姜燕敏，李正泉，郁珍艳，吴昊旻，王 阔
(1.丽水市气象局，丽水 323000；2.浙江省气候中心，杭州 310017)
0 引言
空气负氧离子是带有负电荷的气体分子和轻离子团的总称[1，2]，对人体健康有积极作用，被称为“空气维生素和生长素”，具有杀毒、降尘作用，可改善人体心肺功能，促进新陈代谢，提高免疫力等[3，4]。空气负氧离子的浓度高低常被作为衡量空气质量好坏、空气清新与否的重要指标[5]，其监测数据已被广泛应用于天然氧吧、气候康养等评估认定工作。
目前对于空气负氧离子浓度分布特征及影响因素的研究较多[6-8]，在空气负离子的变化规律[9]、预报模型[10]、分级标准[11，12]和开发利用[13]等方面亦有较多相关研究已开展。但针对空气负氧离子观测数据特性分析以及数据质量控制的研究，目前尚不多见。
近年来随着生态文明建设的推进[14，15]，人们对宜居环境质量提出了更高要求，空气清新问题已成为人们最关心的生态环境问题之一[16]，作为反映生态环境质量的正向指标——空气负氧离子[17，18]的监测和使用也越来越多。随着全国负氧离子观测站点的增多，监测信息更加丰富，负氧离子监测数据的应用范围、使用频次以及相关产品的制作发布等均在快速扩展和增长，有关负氧离子的监测、评价、产品发布和信息传播也越来越受社会公众关注。由于负氧离子观测易受仪器自身及外部环境因素干扰，观测数据中常会存在一些异常值和错误值，若对这些数据不进行质量控制而直接开展分析评价，就很可能影响评估结果的科学合理性，致使人们对其产品信息的传播产生质疑。文章基于负氧离子观测数据敏感性分析试验及仪器对比观测试验，分析研究了负氧离子观测数据出现异常的原因，并在此基础上研究了负氧离子观测数据质量控制技术方法，以便为空气负氧离子数据的科学分析及客观评价提供参考。
1 资料与方法
为分析负氧离子观测数据特性，有针对性地选取数据质量控制指标，文章开展了负氧离子仪器对比观测试验和观测数据敏感性分析试验，并对浙江省53个负氧离子监测站多年的观测数据进行了统计分析。观测试验及各监测站的负氧离子观测，其观测仪器离子迁移率的设定为不小于0.4 cm2/(v·s)。
1.1 对比观测试验
2017-08-20-2017-09-05(8月26日有1次明显的雷电过程)，在杭州下沙气象探测基地试验场内开展了负氧离子仪器对比观测试验，参与对比观测试验的厂商有启源、华思通、威德、郞净、依派、云创、双顺达和东创旭新等，每个厂家提供3台同一型号的空气负氧离子观测仪，所有观测仪器共同放置在同一试验场内。文章选取了其中一个厂家在典型日的现场观测数据(观测输出数据为5 min/次)，分析仪器性能、环境干扰及雷电过程等对负氧离子观测的影响。
1.2 敏感性分析试验
选用杭州市馒头山负氧离子监测站2016年1月-2017年6月逐时观测数据，开展负氧离子观测数据敏感性分析试验，该监测站位于国家基本气象站杭州站(站号：58457)的气象观测场内。为便于更直观地说明问题，文章仅选取典型时段观测个例进行分析，所使用的气象数据及空气污染PM2.5数据为杭州气象站同期观测资料。
1.3 数据质量控制指标筛选
以浙江省30个县区53个负氧离子监测站的2013-2017年逐时观测数据为基础，开展负氧离子数据质量控制规则及质控指标合理阈值的统计分析。在53个负氧离子监测站中，有18个监测站位于气象观测场内、35个监测站位于旅游景区，其中：海拔高度低于150 m的站点有33个，150～300 m的站点有6个，高于300 m的站点有14个。
2 负氧离子观测数据异常分析
空气中的负离子不断生成，也不断被正离子中和，负氧离子观测仪器测量的是“生成”与“中和”两个动态过程下的瞬时值，因此负氧离子观测数据具有非连续、跳变特性，在日常观测中，其观测值易受观测环境扰动和仪器自身性能影响。
2.1 雷电过程
在负氧离子仪器对比观测试验时段内，8月26日上午有1次明显的雷电过程，此过程中负氧离子观测值产生了剧烈跳变，雷击前后时刻的负氧离子数值可相差十几倍甚至几十倍。06：25-09：00，负氧离子观测值从400个/cm3，急剧跳升至5000个/cm3以上，期间剧烈波动，一度达到11，000个/cm3和9000个/cm3等高值。若将这些高值数据(超出平常数值10倍)直接参与负氧离子小时值或日平均值计算，显然会造成严重拉高现象，但这些数据也具有一定观测合理性(雷击确可使空气中负电荷激增)，亦不宜直接将其当作“错误”数据予以剔除。因此，在进行负氧离子数据统计分析时，应当特别注意雷电过程的观测数据，需对其区别对待(如：它们可参与负氧离子极大值统计，但不宜参与平均值计算等)。
2.2 高湿天气
高湿天气条件下，尤其是强降水和浓雾天气，负氧离子观测值会出现骤升或骤降的情况。负氧离子观测数据对空气湿度敏感性分析试验表明：当空气相对湿度大于95%时，负氧离子观测值出现了异常波动，多次出现剧烈上升和下降，当相对湿度下降到90%以下时，负氧离子观测值恢复正常。目前，尽管多数仪器厂商都强调他们的负氧离子观测仪可在空气相对湿度0～100%范围内正常工作，但考虑到仪器是通过电容测量微电量的工作原理(根据微电量换算成负氧离子浓度)，且观测仪器大多没有安装除湿装置，因此高湿条件下观测的负氧离子数据仍需谨慎使用(瀑布区内负氧离子观测值高达数10万个/cm3，该值极有可能是水汽引起的测量失常)。
2.3 重污染过程
多数人认为：清洁空气负氧离子含量高，污浊空气负氧离子含量低，因此负氧离子成为了表征空气清新度的重要指标[19]。但文章发现：重污染天气过程中，负氧离子浓度有增加现象，且维持在较高水平。这一异常情况的发生，可从负氧离子观测原理角度给予解释：负氧离子观测仪测量的是单位流速空气中所含气体分子和轻离子团吸附的电子数量，污染过程空气中颗粒物增多，颗粒物吸附电子数量增加，体现在仪器观测值上就是负氧离子浓度数值增大。仅从观测角度而言，这些数据应是正确的，但在实际应用中这些数据是不能使用的，因为这些数据与空气清新度的评价共识相悖。当重污染过程发生，PM2.5浓度在150 μg/m3以上时，负氧离子浓度值达到了2000 个/cm3以上；按照气象行业标准QX/T 380-2017判定规则[17](负氧离子浓度值等于或高于1200 个/cm3，即为空气清新)，此时空气清新度应判定为“空气清新”。但事实是此时正在发生空气重度污染，这明显违背了空气清新度评价共识。因此，对待重污染天气过程的负氧离子观测数据，必须另加处理方可使用，以免造成评判结果与事实相悖的错误。
2.4 进风口受干扰
负氧离子观测仪器的进风口被异物遮挡(仪器维护不便的野外站点会时常发生)时，负氧离子观测值会出现偏低现象。有蜘蛛网在仪器进风口遮挡时，负氧离子观测值明显较正常情况偏低，清理蜘蛛网后，仪器观测恢复正常。在仪器观测对比试验时，有1台仪器的观测值相比于其他2台出现了异常波动现象，大致推断当时可能有人员在仪器附近活动或者有昆虫在仪器进风口活动。
2.5 仪器性能不稳定
在负氧离子仪器观测对比试验过程中(8月20日-9月5日)，大多厂商的观测仪器都或多或少地出现了数据缺测和仪器运行不稳定问题。
3 负氧离子观测数据质量控制
由上述可知，雷电过程、高湿条件、重污染过程及其他观测环境干扰和仪器自身性能不稳定等因素，均会造成负氧离子观测数据异常。若不对异常数据进行观测质量排查，直接将其应用于数据分析评价，很可能会影响评价结果的合理性和可信度。针对负氧离子异常观测数据产生原因，文章制定了负氧离子数据质控规则，并使用浙江省53个负氧离子监测站的2013-2017年观测数据，进行了数据质量控制试验。
3.1 界限值检查
利用合理界限值(上限与下限)作为负氧离子观测数据质量控制检查指标，找出观测数据中的极大异常值和极小噪音值(图1)。由于观测站点类型不同(森林、草地、城市等)，界限值的大小设置不可使用同一指标，应采用如下方式确定：以多年观测(至少1 a)的负氧离子浓度中位值(Med)[20]为基础，0.05×Med作为观测下限值，10×Med作为观测上限值。值得注意的是：尽管通过界限值检查能够找出异常数据(异常数据明显偏离观测群体，其观测合理性存在很大质疑)，但并不能直接将这些数据判定为“错误”数据，因为有些数据可能具有一定观测合理性(如：雷击数据等)。因此，在数据质量控制过程中，对于超出界限值以外的数据，仅将其诊断判识为“可疑”数据，不将其归入“错误”数据类。
图1 负氧离子观测数据浓度界限值检查
3.2 跳变值检查
负氧离子数据自身具有跳变特点，观测环境突发干扰或仪器运行性能不稳定，也会造成数据跳变。如何区分观测数据是正常跳变还是异常跳变，关键是找出正常数据的跳变范围。经对浙江省53个负氧离子监测站的观测数据统计分析，制定了跳变值检查规则。
跳变值(J)指前后两个时次负氧离子浓度(K)差值的绝对值，其在负氧离子数据质量控制过程中的检查规则如下：1)J=0且持续3个以上观测时次，判识相同的数据为“错误”；2)前时次0≤K≤500个/cm3，该时次J≤1500个/cm3，判识该时次数据“正确”，否则判识为“可疑”；3)前时次500个/cm3
图2 负氧离子观测数据跳变值检查：(a)仪器故障错误数据；(b)突发干扰异常数据
3.3 空气湿度检查
由2.2可知，高湿条件会影响负氧离子正常观测，空气相对湿度大于95 %时，负氧离子观测值会出现异常波动，大于97%时，其波动幅度更为剧烈，究竟选择何种数值作为相对湿度检查指标，还需根据具体情况确定。浙江省阴雨天气较多，当以相对湿度为95%作为检查指标时，多数监测站1 a观测数据中会出现20%～35%的“可疑”数据，甚至还会造成连续多天无可用数据的情况，因此在多阴雨的监测站，建议以97 %或者更高值作为相对湿度检查指标(图3)，以满足观测数据合理性和数据可用性。值得指出的是：尽管负氧离子观测仪器自身内部(非独立观测)可观测空气相对湿度，但根据观测经验，其空气相对湿度测量可信度较差，最好使用临近气象站的相对湿度观测数据。
3.4 正负离子比值检查
依据污染天气过程“空气负离子含量高、正离子含量更高”的特征。利用正负离子比值(q)，即：负氧离子观测仪器测量的正离子和负离子的比值，对负氧离子浓度观测值高于1000 个/cm3的数据进行筛查判别：q<1，判识负氧离子浓度观测值(K)为“正确”；q≥1，判识K值为“可疑”(图3)。经过此种方式检查，基本可检测出重污染过程中负氧离子“过高”观测值的出现，进而可有效避免错误判定结论的出现(图4)。选择负氧离子浓度值1000个/cm3作为进一步筛查数据判别指标的主要原因是：1000个/cm3是安培空气质量评价指数公式所用的数值[21]，且该值也是作为判定空气是否清新的大致界限。
图3 负氧离子数据观测数据空气湿度检查
图4 负氧离子观测数据正负离子比值检查
4 结束语
文章使用负氧离子仪器对比观测试验和观测数据敏感性分析试验，分析了负氧离子观测数据出现异常的原因，并结合浙江省53个负氧离子监测站的观测数据，制定了空气负氧离子数据质量控制规则和指标，得出如下结论：
1)雷电过程、高湿天气及重污染天气条件下，负氧离子观测数据会出现急剧波动或异常变化，致使观测数据存疑，对于这些数据的使用，应特别注意。
2)利用界限值检查、跳变值检查、空气湿度检查和正负离子比值检查等数据质量控制规则，能够较有效地判别出合理数据、可疑数据和错误数据。因可疑数据既有一定的观测合理性又存在异常性，故可疑数据不宜参与负氧离子平均浓度值的计算，但可参与其瞬时浓度极值的统计。
3)负氧离子观测仪器自身性能不稳定及外部环境干扰(如：进风口被遮挡、野外昆虫及动物活动等)等因素，会造成观测数据错误或异常，尽管通过数据质量控制检查能够判别出其中的一些“错误”数据(仪器故障)或“可疑”数据，但难以将其全部找出。及时开展观测仪器巡检和维护，可最大限度避免此类数据出现。
文章虽有针对性地开展了负氧离子仪器对比观测试验和观测数据敏感性分析试验，亦找出了影响负氧离子正常观测的主要因素，但仍存在着难以获知的其他因素，需进一步开展相关试验加以分析。另一方面，文章制定的负氧离子观测数据质量控制规则与指标(已用于浙江省负氧离子监控业务平台)，很大程度上可为其他地区负氧离子的观测与评价提供方法借鉴，但在具体应用中，部分指标值应因地略作调整，如：空气湿度检查中所涉及的相对湿度指标值，在干旱区该指标值可适当降低，在多阴雨区该指标值还可适当提高。
