雷雨天气对负氧离子浓度的影响

卢振礼 杨成芳 崔广暑 安源 张文琴 秦兰

(1 山东省日照市气象局，日照 276826； 2 山东省气象台，济南 250031)

引言

空气负离子大多是由自由电子和氧分子结合的含氧负离子，也称为“空气负氧离子”，国内外专家学者研究表明,空气中“负氧离子”的含量会影响到人体舒适度，促进人体健康，长期生活在负氧离子含量较高的地域，还可治愈一些慢性疾病[1-10]。负氧离子是大气中不稳定粒子，随着环境、时间的变化会有较大变化[5,11-15]，受人类活动的影响也比较明显。目前，关于负氧离子产生源的研究观点基本可归纳为：森林植被、动力水源地、平流水源地、空气射线和紫外线、元素辐射、大气闪电、降雨及人造技术应用等[16-17 ]。

影响空气负氧离子浓度(ANOIC)的气象因子主要包括空气温度、相对湿度、风力、气压、光照时数等。空气负氧离子与气温、相对湿度的关系研究较多，其中有学者认为空气负氧离子与气温正相关[8,18-19 ]，也有学者认为空气负氧离子与气温负相关[ 15,20]，多数学者认为空气负氧离子与相对湿度正相关[20-24 ]，个别学者认为空气负氧离子与气温、风速不具有显著相关性[25]。风力、气压、光照时数的研究也有较大分歧，有分析表明空气负氧离子与风力、气压、光照时数有显著相关性[26-30]。也有文章研究表明空气负氧离子与风力、气压、光照时数不具有显著相关性[20,31-33]。

降雨天气对ANOIC的影响研究同样存在分歧，降雨量对空气负氧离子不具有显著相关性[34-35]的结论，同降雨量与空气负氧离子具有显著相关性[8,36-38]的结论相互对立。还有学者认为降雨量对空气负氧离子不但具有显著相关性，且降雨强度与空气负氧离子也存在显著相关性[25]。此外，闪电频次、次数对空气负氧离子具有显著相关性，发生闪电时，可以产生巨量的小粒径空气负氧离子[5,13,39 ]。尽管ANOIC与气象因子关系已有很多研究，但雷雨天气因子对ANOIC的影响作用的深入研究还比较鲜见。本文分析了大沙洼国家森林公园的ANOIC与雷雨天气因子相关性，研究雷雨天气发生前后ANOIC的变化规律，为今后的相关研究和空气负氧离子(ANOI)合理开发应用提供一些技术参考。

1 研究区资料和研究方法

1.1 研究区资料

大沙洼国家森林公园，濒临黄海中北部，是沿海休闲、康养、旅游目的地之一，属暖温带湿润季风区大陆性气候，四季分明，冷热季和干湿季区别明显。年平均气温13.0 ℃，年降雨日数72 d，年平均降雨量762.5 mm。降雨主要集中在5月初至9月底，占全年降雨量的80%以上，6、7、8月的降雨量最多，雷雨发生率最高。10月初至次年4月底降雨量较少，雷雨发生率低。

1.2 监测数据和研究方法

6要素自动气象监测设备和负氧离子监测设备位于大沙洼国家森林公园内，监测站点分别位于(35°31′N，119°36′E)和(35°32′N，119°37′E)。自动气象站距离海岸线约150 m，负氧离子监测设备距离海岸线300 m。闪电定位仪采用山东省内组网设备，“三点”和“四点”定位模式确定闪电位置。设备分别使用江苏省无线电科学研究所的“DZZ4”自动气象站及成都倍立公司的“BL-flz200”型号负氧离子检测仪。

从2019全年的气象资料中筛查雷雨发生的时间段，统计发现雷雨天气主要集中在5—9月，因而气象资料和负氧离子资料选取范围均为5—9月。利用户外型空气负离子设备对大沙洼森林公园内空气负氧离子浓度进行测量，负氧离子数据每0.5 min更新一次。自动雨量设备监测降雨量，雨量5 min累计一次，在此基础上统计降雨强度。闪电数据来自山东省闪电定位组网监测设备，主要采用三点定位模式，闪电频次不定时监测汇总上传，筛选闪电强度数据，分析闪电强度和空气负氧离子变化率之间的关系。监测数据输入EXCEL表格初步处理，运用SPSS19.0软件进行统计分析、检验。

2 结果与分析

2.1 雷雨天气对空气负氧离子浓度影响结果

为了解雷雨天气发生前后空气负氧离子的变化情况，分析雷雨天气因素与空气负氧离子的相关性。由于空气负氧离子浓度数值每天会有较大差别，每天的早午晚的本底值(本文的本底值指雷雨前的空气负氧离子浓度原有数值)也会有较大差别，不利于比较不同天气时的空气负氧离子浓度变化情况，因而选择ANOIC 10 min变化率分析雷雨天气对空气负氧离子变化的影响。通过统计分析2019年5—9月气象数据和负氧离子数据(以10 min为1个时次，共57个时次)，得到雷雨天气时空气负氧离子浓度变化率的总体情况(图1)。

图1 2019年大洼森林公园5—9月雷雨天气时 10 min空气负氧离子浓度变化率

图1表明，雷雨天气发生时，空气负氧离子浓度有明显增加的趋势，10 min空气负氧离子变化率平均值为17.2%，最大值为39.8%，最小值为5.9%。通过空气负氧离子浓度变化率与雷雨发生时的气象数据对比发现，变化率数值较高时，对应的雷雨天气一般闪电强度值较大同时降水强度也较大；而数值较小时，对应的雷雨天气一般闪电强度值较小同时降水强度也较小，可见雷雨天气对空气负氧离子变化率影响较为明显。

2.2 不同天气影响结果对比

对比不同天气对空气负氧离子浓度的影响，统计有雷雨和无雷雨时的空气负氧离子数据,首先分析在有闪电无降雨、有降雨无闪电、有闪电有降雨天气条件下，负氧离子浓度的10 min的变化率，不同天气各选取10个时次样本数据，共计选取30个统计时次数据。分析发现(图2)，曲线的总体走势具有较大的波动性，当有闪电有降雨时，空气负氧离子浓度有显著跳变趋势，其变化率与其它2种天气条件相比具有显著差异。还可知，在雷雨天气发生的初始阶段，降雨和闪电对空气负氧离子浓度的增长率作用比较明显，此后随着降雨的持续，负氧离子浓度的增长率变得平缓，直至近于停止增长阶段，总体呈现波动变化状态。

图2 不同天气10 min空气负氧离子浓度变化率

然后在无雷雨天气条件下，统计分析负氧离子浓度的10 min的变化率(图3)，曲线的总体走势具有较小的波动性，平均数值仅为3.6%。这进一步说明雷雨天气与空气负氧离子变化率具有较强的相关性。

图3 无雷雨天气10 min空气负氧离子浓度变化率

2.3 雷雨天气负氧离子浓度的影响因子分析

2.3.1 降雨强度对负氧离子浓度的影响

根据雷雨天气过程中降雨强度的大小，降雨数据分为2组。降雨强度大于平均值的为1组，降雨强度小于平值的为2组，统计对应的负氧离子浓度变化率，通过独立样本t检验(表1)。降雨强度大的一组和降雨强度小的一组方差方程的 Levene 检验结果为：假定组内方差相等的前提条件不成立(F=9.959，p<0.01)，假定组内方差不相等的前提条件成立。t检验结果表明：降雨强度大的一组和降雨强度小的一组负氧离子浓度变化率存在显著差异(t=-5.290，p<0.01)，前者大于后者的负氧离子浓度变化率，降雨强度大于平均值的一组的负氧离子浓度变化率要高于降雨强度低的第2组数值，说明降雨强度对负氧离子浓度变化具有显著性影响。

表1 10 min空气负氧离子浓度变化率与降雨强度的独立样本t检验

将雷雨时的负氧离子浓度变化率和对应的降水强度绘制成直方图和曲线图，可更加直观的看到两者的对应关系(图4)。从图中可以看到，当雷雨天气发生时，随着5 min降雨量增大10 min负氧离子浓度变化率相应也增大，降雨量和空气负氧离子浓度变化率存在正向相关性。

图4 5 min降水量(降雨强度)和10 min空气负氧离子浓度变化率对比

2.3.2 闪电强度对负氧离子浓度影响

根据雷雨天气过程中闪电强度的大小，采用相同的分组方式，按照闪电强度大小分为2组，统计闪电强度大的一组和闪电强度小的一组相对应负氧离子浓度变化率情况，并进行独立样本t检验(表2)。检验结果为：方差方程 Levene 假定组内方差相等的前提条件成立(F=0.175，p=0.680 >0.05)，当组内方差相等时，闪电强度大的一组和闪电强度小的一组负氧离子浓度变化率存在显著差异(t=-5.984，p<0.01)，前一组的负氧离子浓度变化率大于后一组的负氧离子浓度变化率。同样，闪电强度大小对空气负氧离子浓度变化率具有显著性影响。

表2 10 min负氧离子浓度变化率与闪电强度的独立样本t检验

将雷雨时的负氧离子浓度变化率数据与闪电强度数值绘制成柱状图和曲线图(图5)，从柱状图和曲线图可直观地看到，当雷雨天气发生时，随着闪电强度增大负氧离子浓度变化率也相应地显著增大，说明闪电强度和负氧离子浓度变化率也存在显著正相关性。

图5 闪电强度和10 min空气负氧离子浓度变化率对比

2.4 负氧离子浓度变化率与雷雨因子回归分析

以上分析表明，4种天气条件下(图2、3)的负氧离子浓度变化率存在显著性差异。为了能够预测雷雨天气因子对负氧离子浓度变化率影响结果，还需要对它们之间的关系进行回归分析。分析表明，负氧离子浓度10 min变化率与降雨强度和闪电强度均具有显著相关关系(p值分别为0.002和0.005，均通过0.01显著性检验),决定系数R2为0.539，说明负氧离子浓度变化率与雷雨因子之间的回归模型，具有中等程度以上的可信度，这与前文的分析结果具有一致性。

根据回归分析得到线性回归模型：

Y=11.352+2.096X1+0.136X2

其中，Y为负氧离子浓度10 min变化率，X1为降雨强度(单位:mm/5min)，X2为闪电强度(单位：kA，负地闪)。利用统计模型，根据不同天气情况下的降雨强度和闪电强度，预测相应的负氧离子浓度变化率，并对回归模型的预测结果进行检验，将预测值和实测值绘制曲线进行对比分析(图6)。

图6 10 min空气负氧离子浓度变化率的预测值与实测值对比

从图6可以看出，两条曲线总体走势基本保持一致，预测值的误差大致分布在ANOIC变化率15%～25%范围内，这区间对应的降雨强度大致为0～1.0 mm/5min，闪电强度大致在-45～-20 kA范围。负氧离子浓度变化率在25%～40%范围内，预测值和实际值保持了很好的一致性，这一区间所对应的的降雨强度一般大于1.0 mm/5min，对应的负闪电强度一般大于50 kA，说明模型对较强雷雨天气条件下预测的准确率要高于其对强度较弱(降雨强度小于1.0 mm/5min、负闪电强度小于45 kA范围内)的雷雨天气，对强度较弱的雷雨天气负氧离子变化率预测能力略显不足，需要辅助监测设备加以订正。

3 讨论

除无降雨无闪电天气外，其他3种天气条件下，负氧离子浓度变化率曲线的最大波峰和最低波谷之间的数值差距均较大，其中有降雨有闪电的差距最大。分析波峰和波谷处的负氧离子浓度数值发现，最大波峰处对应的负氧离子浓度本底值较小，负氧离子浓度仅为2126个/cm3。而在最低波谷处，对应的负氧离子浓度本底值较大，负氧离子浓度达到5807个/cm3。这说明，负氧离子浓度变化率除了受到雷雨因子强弱影响，还取决于负氧离子浓度本底值的大小，本底值越小变化率越大。本文进一步研究还发现，空气负氧离子浓度同一月份当中每日的本底值存在较大差异，这一点与有些学者的研究结果一致[13,28-29]。

虽然闪电对负氧离子浓度的增长率具有一定影响作用，但这种影响作用不具有持续性，因为大气电离产生的自由电子不够稳定，由此增加的负氧离子浓度维持时间相对较短[40 ]。降雨强度在一定程度上对负氧离子浓度会产生影响，在降雨发生的前期表现的比较明显，在降雨产生后的稳定持续阶段，负氧离子浓度增加幅度变得不再明显，甚至出现停止增加现象(图2)。

通过图3还可以看出，在无闪电无降雨条件下，对应曲线存在2个数值异常偏高点，对比分析发现这两点均出现在雷雨刚结束不久的时段内，数据出现异常也是可以理解的。此外在没有雷雨天气发生时，相邻的几天负氧离子浓度本底值有时相差较大，说明负氧离子浓度数值变化除了受降雨和闪电强度影响外，还受其他因子的影响。究竟还有那些因子对空气负氧离子浓度有显著影响，还需要结合实际情况，进一步深入研究才能得到解释。本文在温度、湿度、气压等气象条件相对稳定的时间段内，利用降水强度、闪电强度对空气负氧离子浓度10 min变化率做出相关性分析和回归分析，并得到了显著性检验结果。

4 结论与讨论

(1)雷雨天气时，10 min空气负氧离子浓度变化率有增加的趋势，其变化率平均值为17.2%，最大值达到39.8%。空气负氧离子浓度变化率数值较高时，对应的雷雨天气一般闪电强度值较大同时降水强度也较大；而变化率数值较小时，对应的雷雨天气一般闪电强度值较小同时降水强度也较小，雷雨天气和空气负氧离子浓度变化率有较好的相关性。

(2)在无闪电无降雨、无闪电有降雨、有闪电无降雨、有闪电有降雨4种天气条件下，10 min空气负氧离子浓度变化率总体上差距较大，其中有闪电有降雨、无闪电有降雨、有闪电无降雨天气发生时，空气负氧离子浓度均会增加。在发生雷雨的初始阶段，雷雨因子对空气负氧离子浓度变化率的影响较明显，随着雷雨的持续，雷雨因子对空气负氧离子浓度影响趋于平缓，并呈现出波动变化状态。

(3)雷雨过程中，降雨强度和空气负氧离子浓度变化率存在显著正相关关系，降雨越强10 min空气负氧离子浓度变化率增加越明显。闪电强度和空气负氧离子浓度变化率也存在显著正相关关系，闪电强度越强10 min空气负氧离子浓度变化率越大，这一点通过柱状图和曲线图得到了验证。

研究发现，空气负离子浓度的逐日本底值存在很大差异性，需对空气负氧离子与其它气象因子及气象因子之外的因子关系作进一步研究，探求其中原因并加以解释。