四明山空气清新度分布变化特征及预测模型*

顾小丽 段 月 王晓慧 胡 晓

(1.宁波市海曙区气象局,浙江 宁波 315153;2.宁波市镇海区气象局,浙江 宁波 315200)

0 引 言

21世纪以来,随着城市化、工业化进程的加快,灰霾、空气污染等环境问题日趋严重,威胁着人类的身心健康和生活质量,受到公众和政府的高度重视。清新空气作为人们对美好生活的基本需求,成为学者研究的热点,具有杀菌、降尘、清洁空气等作用的负(氧)离子是评价空气清新度的重要指标[1-5]。2017年国家发布的气象行业标准(QX/T 380—2017)规定,空气清新度等级可根据空气负(氧)离子浓度分为4个级别,当空气负(氧)离子浓度大于等于1200个/cm3时为Ⅰ级，空气清新。姚益平等[2]利用2016年浙江省53个监测站资料全面分析了全省负(氧)离子时空分布特征及地区差异,指出高山林区负(氧)离子浓度基本保持在“清新”级别。顾小丽等[3]利用2010—2011年资料研究指出，宁波地区空气负(氧)离子浓度在市中心附近低、在郊区高的分布特征;在分析负(氧)离子浓度与气象、环境等要素的相关性的基础上,建立了宁波地区负(氧)离子浓度预测模型。史琰等[6]通过比较杭州西湖山林与市区的空气正、负离子浓度指出,山林植被对提高空气负(氧)离子浓度有显著的影响。

四明山位于浙江省东部的宁波和绍兴交界处,宁波市范围内的四明山面积占全市面积的八分之一,区域内森林覆盖率高达72.8%[7],有“浙东绿肺”之称,河流湖库密布,是宁波重要的生态涵养区、饮用水源区[8]。此外,四明山文化底蕴深厚,人文景观与自然景观交相辉映,在宁波推进生态文明先行示范区建设中具有重要的地位。开展四明山空气清新度研究,有利于充分发掘其独特、优质的气候资源优势,带动“美丽经济”“生态经济”,发挥生态环境和森林景观的经济效益。本文利用宁波四明山地区负(氧)离子观测资料,分析空气清新度分布变化特征和影响因子,建立空气清新度预测模型,实现空气清新度等级预报,为该地生态资源开发、旅游建设规划等提供科学依据和参考。

1 资料和方法

宁波四明山地区设有12个负(氧)离子监测站,占宁波市负(氧)离子监测站的三分之一,根据数据的完整性和长度选取10个监测站,分别是位于海曙的五龙潭和皎口水库、奉化地区的亭下水库、柏坑、横山和三隐潭,以及余姚的华山、梁辉、白鹿和丹山赤水。上述站点位于植被覆盖率高的森林景区或水库附近,对四明山的环境具有较好的代表性。选取五龙潭、亭下水库和华山2010年1月—2020年6月的逐小时负(氧)离子资料，分析计算空气清新度时间变化特征;其余分析采用的是2015年1月—2020年6月逐小时数据。气象要素资料为负(氧)离子监测站或最近气象站的温度、相对湿度、风速风向、能见度等逐小时观测数据,以及闪电定位仪监测的闪电强度逐小时数据。环境资料有霾时、霾日、PM2.5浓度和AQI等逐小时监测数据。

鉴于负(氧)离子观测资料存在缺测和奇异值现象,本文根据浙江省地方标准《空气负(氧)离子观测与评价技术规范》对数据进行质量控制。采用逐步回归方法建立空气清新度预测模型。逐步回归分析的实施过程是每一步都要对已引入回归方程的变量计算其偏回归平方和(即贡献),然后选一个偏回归平方和最小的变量,在预先给定的置信水平下进行显著性检验,如果显著则保留该变量,也不需剔除方程中其他几个变量;如果不显著,则要剔除该变量,然后按偏回归平方和由小到大地依次对方程中其他变量进行置信检验,将对结果影响不显著的变量全部剔除。将这一过程继续下去,直到在回归方程中的变量都不能被剔除而又无新变量可以被引入时,逐步回归过程结束。

2 空气清新度分布变化特征及影响因子

2.1 空气清新度分布变化特征

国家气象行业标准《空气负(氧)离子浓度等级》规定,空气清新度等级可分为4个(见表1),当空气负(氧)离子浓度(N)大于等于1200个/cm3时为Ⅰ级,空气清新。根据上述标准,利用2015—2019年四明山区域10个监测站的平均负(氧)离子浓度得到该地区空气清新度等级。在10个监测站中，只有皎口水库的负(氧)离子浓度在1000个/cm3以下,其余监测站的都在1000个/cm3以上,其中三隐潭的负(氧)离子浓度超过4000个/cm3,达到4431个/cm3。根据空气清新度等级标准可知,四明山区域监测站的空气清新度等级都为Ⅱ级(空气较清新)及以上,五龙潭、柏坑、横山、三隐潭、华山、梁辉、丹山赤水7个监测站的为Ⅰ级(空气清新);皎口水库、亭下水库和白鹿3个监测站的为Ⅱ级(空气较清新)。顾小丽等[3]分析得到宁波市区、慈溪和余姚的负(氧)离子浓度普遍为400～600个/cm3,与之相比，四明山区域的空气负(氧)离子浓度显著高于市区的,空气更为清新。

表1 空气清新度等级

研究表明[9-12],空气中负(氧)离子含量受多种因素影响,主要有地理环境、气象、植被、水体、人类活动、大气污染物、局部小生态等。一般来说植被覆盖率高的森林、山区、公园等地负(氧)离子浓度较高,空气湿度大的海滨、瀑布、湖泊等水体附近负(氧)离子含量较多[1],空气清新度等级较高。四明山区域的这些监测站都位于植被茂密的山林和水库附近,周围绿化较好,环境污染较少,气溶胶含量低,所以空气清新度等级明显较高。三隐潭负(氧)离子浓度特别高,是因为该站靠近瀑布,王薇、厉曙光、袁尧清等[1,13-14]研究指出,动态水能明显增加水体周围空气负(氧)离子浓度,其中瀑布周围空气负(氧)离子浓度最高;与动态水相比,静态水附近空气负(氧)离子浓度明显下降。在工业发达、人类活动密集区域,大气气溶胶含量较高,负(氧)离子容易被吸附于气溶胶粒子上发生沉降,导致其浓度较低。皎口水库靠近蜜岩村,周边人类活动较多,平均负(氧)离子浓度为821个/cm3,空气清新度等级为Ⅱ级。

10个监测站空气清新度不同等级的天数占总天数的比例如表2所示。由表2可见,横山、三隐潭、华山和梁辉空气清新度等级为Ⅰ级的天数占比最多,其余监测站为Ⅱ级的天数占比最多。所有监测站Ⅱ级及以上(Ⅰ+Ⅱ级)空气清新度天数占比都在50%以上,其中五龙潭和丹山赤水的天数占比在80%以上,皎口水库、柏坑、三隐潭、华山和梁辉的天数占比在90%及以上,其余3个监测站的天数占比在58%～68%之间。这说明四明山区域空气较清新的天数占比较高,总体适合人们开展旅游、踏青等休闲活动。

表2 10个监测站空气清新度不同等级的天数占总天数的比例 %

利用五龙潭、亭下水库和华山2010年1月—2020年6月的数据,分析了每月空气清新度等级为Ⅰ+Ⅱ级的天数占比,其中亭下水库自2018年12月起监测站停用,无有效数据。3个监测站中五龙潭每月Ⅱ级及以上等级天数占比最高,平均达到92%,Ⅱ级及以上等级天数占比为100%的月份超过一半，说明五龙潭空气清新度较好。亭下水库Ⅱ级及以上等级的天数占比最低,平均仅为73%,2014年秋季至2017春季Ⅱ级及以上等级天数占比不足50%的月份出现频繁。华山Ⅱ级及以上等级的天数占比呈增加的趋势,说明该地近年来空气清新度水平在不断提升。由此可见,近11a来四明山有些地区始终保持着良好的空气清新度,如五龙潭;有些地区空气清新度水平呈现逐渐提升的趋势,如华山;也有个别地区空气清新度水平不高,起伏较大,如亭下水库,需要继续加强生态环境保护等方面的工作。

2.2 空气清新度与气象因子、环境因子的关系

负(氧)离子浓度与气象因子、环境因子密切相关[15-18],顾小丽等[3]对宁波地区空气负(氧)离子浓度的研究表明,负(氧)离子浓度日变化与气温日变化呈显著的负相关,与相对湿度日变化呈显著的正相关。四明山区域的空气清新度日变化也存在这样的规律。在12—16时空气负(氧)离子浓度下降到最低值,空气清新度等级下降,此时气温往往上升到最高;夜间气温下降,负(氧)离子浓度增大,空气清新度等级升高,到第2日清晨空气负(氧)离子浓度达最高值,当空气清新度等级最高时,气温却降到最低。但是当雷电发生时,一般会出现负(氧)离子浓度明显增大的现象。

2.2.1 雷电对负(氧)离子浓度的影响

雷电是影响空气负(氧)离子浓度的气象因素之一[9]。当雷电发生时,空气中的放电现象使空气分子发生电离,可有效增加空气负离子的含量,闪电越强,负(氧)离子增加越明显[19]。选取位于海曙的五龙潭、奉化的横山和余姚的华山作为代表站,统计分析这3个站2015年1月1日—2020年6月30日发生雷电日与无雷电日的平均负(氧)离子浓度可知(表3),发生雷电日平均负(氧)离子浓度均大于无雷电日的平均负(氧)离子浓度。3个站在有雷电发生日平均负(氧)离子浓度为1400～2000个/cm3,在无雷电发生日平均负(氧)离子浓度为1100～1500个/cm3,雷电日和无雷电日的负(氧)离子浓度差为300～500个/cm3,雷电活动使得负(氧)离子浓度明显增大。

表3 发生雷电日和无雷电日平均负(氧)离子浓度 个/cm3

图1是2017年4月15—18日和2018年9月15—21日两段有雷电天气过程中3个代表站的负(氧)离子浓度逐日变化,雷电发生日的负(氧)离子浓度比发生雷电前一日的明显升高,雷电过程结束后负(氧)离子浓度回落。2017年4月16日3个站附近都出现了雷电,负(氧)离子浓度与无雷电的15日的相比都呈现增大趋势,五龙潭、横山和华山3个站的负(氧)离子浓度增幅分别约为3000个/cm3、1000个/cm3和100个/cm3;4月17日横山和华山仍有雷电天气,负(氧)离子浓度继续增大,而无雷电发生的五龙潭,负(氧)离子浓度呈下降趋势;18日各地均无雷电,3个站负(氧)离子浓度回落。分析2018年9月15—21日的天气过程同样可知雷电对负(氧)离子浓度的增幅效应,在有雷电的16—17日,3个站的负(氧)离子浓度呈升高趋势,18—19日无雷电发生的站,负(氧)离子浓度均出现不同程度的回落,20日横山和华山周边有雷电,与前后两天相比,雷电当日负(氧)离子浓度较高。

图1 负(氧)离子浓度逐日变化(实心标记代表有雷电日,空心标记代表无雷电日)(a.2017年4月15—18日、b.2018年9月15—21日)

2018年9月3日傍晚四明山区域有雷电活动,16—18时闪电定位仪在五龙潭、横山和华山附近均监测到有雷电,图2为3个代表站2018年9月3日15—19时负(氧)离子浓度逐时变化和横山闪电强度。16时华山无雷电发生,负(氧)离子浓度值平稳;五龙潭和横山此时出现雷电活动,负(氧)离子浓度增大,其中横山的负(氧)离子浓度增幅尤为显著,明显高于五龙潭的。由闪电强度可知，横山闪电强度达149 kA,强于五龙潭的35 kA,表明闪电强度越强，空气中负(氧)离子浓度增加越明显[19]。17—18时3个站均有雷电发生,华山负(氧)离子浓度呈上升趋势,而较早出现雷电的五龙潭和横山的负(氧)离子浓度没有继续上升,横山的甚至呈下降趋势,但是此时的负(氧)离子浓度仍比15时的大。19时雷电过程结束,负(氧)离子浓度都明显回落。

图2 2018年9月3日15—19时负(氧)离子浓度逐时变化和横山闪电强度(实心标记代表有雷电日,空心标记代表无雷电日)

2.2.2 空气清新度与环境因子的关系

统计分析了五龙潭、横山和华山3个代表站在无霾日(正常)和有霾日两种情况下负(氧)离子平均浓度,结果表明,在有霾日,3个站的负(氧)离子平均浓度都小于无霾日的负(氧)离子平均浓度(图3),二者的差值为180～400个/cm3。

图3 五龙潭、横山、华山在无霾日和有霾日的负(氧)离子平均浓度

根据无霾日和有霾日两种情况,分别计算3个代表站空气清新度Ⅰ至Ⅳ级天数的占比,见图4。五龙潭、横山和华山3个站Ⅰ级天数的占比在无霾日分别为43%、40%和49%,都明显高于有霾日的25%、28%和44%。Ⅰ级和Ⅱ级天数占比的总和在无霾日也高于有霾日的。

图4 3个站无霾日和有霾日空气清新度Ⅰ至Ⅳ级天数占比

为了进一步分析空气清新度等级与环境因子的相关性,计算了3个代表站AQI(空气质量指数)的月均值、PM2.5浓度的月均值和月总霾时,将这3组数据与月均负(氧)离子浓度进行比较。图5为AQI、PM2.5浓度、月总霾时与月均负(氧)离子浓度的逐月变化。由图5可知，3个站负(氧)离子浓度呈现春季上升、夏季达最高、秋季降低、冬季降至最低的变化特征,而3个环境因子的变化与此相反,AQI、PM2.5浓度春季下降,夏季降至最低,秋季升高，冬季最高。月总霾时春季减少，夏季减至最少，秋季增多，冬季最多。冬季大气扩散流通性差,四明山地区多为西北风,空气质量总体下降,负(氧)离子容易被吸附于可吸入颗粒物上沉降消失;夏季为东南季风,空气污染较少,空气清新度等级较高。

图5 AQI、PM2.5浓度、月总霾时与月均负(氧)离子浓度的逐月变化(a.五龙潭、b.横山、c.华山)

3 预测模型

3.1 建立预测模型

顾小丽等[3]建立的宁波地区负(氧)离子预测模型,给出了宁波各地和部分景点的负(氧)离子浓度预测模型,但是所选预报要素较多,部分要素(如日照时长、14时风速风向等)回归效果不佳，未进入预报方程;此外,考虑到水汽压等要素从预报产品中难以直接获取,对日常开展负(氧)离子浓度预报造成不便,本文对顾小丽等[3]选取的21个预报因子进行精简,保留12个相关性较好、入选率较高的要素,增加相关性较显著的PM2.5浓度和AQI,最终共有14个要素作为预报模型的输入参数。这14个要素中有11个气象要素,分别为日降水量、日平均气温、日最高气温、日最低气温、日平均风速、日最大风速、日极大风速、日均相对湿度、日平均露点温度、日均气压、日均能见度,有3个环境要素，分别为PM10浓度、PM2.5浓度、AQI。

选取五龙潭、横山和华山3个代表站,建立空气清新度预测模型。采用逐步回归方法,从14个要素中引入回归效果较好的要素,剔除效果差的要素,得到3个站的预测方程如下:

五龙潭:

y=9.53R+26.97Tmean+31.1RH+
58.53V+14.12PM10-3.21AQI-2696

(1)

横山:

y=6.83R-19.03P+9.8V-3.17PM10-
2.87AQI+19813

(2)

华山:

y=-94.72Tmean+58.29Tmin-27.21RH+
74.23Td-34.97V-17.14PM10+4837

(3)

在式(1)～(3)中,y为空气负(氧)离子浓度;R为日降水量;Tmean为日平均气温;RH为日平均相对湿度;V为日平均能见度;P为日平均气压;Tmin为日最低气温;Td为日平均露点温度。在3个预测方程中,温度、湿度、能见度、PM10、AQI等这些与负(氧)离子浓度相关性较好的要素被保留下来,其中PM10在3个方程中都有出现。

3.2 检验预测模型

选取2020年1—6月作为预测模型的检验样本,检验3个代表站的预测效果。将式(1)～(3)中右侧要素分别代入相应的回归方程中,计算模型预测的负(氧)离子浓度,并与实况观测资料进行对比。由图6可知,五龙潭模型预测值和实况观测值的平均值较为接近,二者的相关系数为0.76,其中1月和5月下旬模型预测值比实况观测值的振幅大,预测效果不理想,其余时段二者的变化趋势较为一致。横山观测值和预测值的相关系数为0.57,其中1—4月观测值波动较多、变化振幅较小,与预测值的振幅较为一致;5—6月观测值振幅明显增大、波动减少,预测值的振幅略偏小,但是位相变化的一致性提高。华山除了2月上旬预测值偏大之外,其余时段预测值和观测值的变化位相和振幅一致性均较好,二者相关系数达到0.74。

图6 2020年1—6月负(氧)离子浓度模型预测值和实况观测值对比(a.五龙潭、b.横山、c.华山)

采用逐步回归方法建立的负(氧)离子浓度预测模型,保留了相关性高、影响显著的气象因子和环境因子,模型具有较好的预测能力,在预测业务中可以利用气象和环境要素的预测值得到负(氧)离子浓度的预测值,进行空气清新度等级预测。上述预测模型,除个别时段预测结果的振幅和变化趋势相对于观测值存在一些偏差外,总体上具有较好的预测能力。

4 结 语

宁波四明山区域多年平均空气清新度等级都为Ⅱ级及以上,其中五龙潭、柏坑、横山、三隐潭、华山、梁辉、丹山赤水等地为Ⅰ级。在横山、三隐潭、华山和梁辉的空气清新度等级中，Ⅰ级天数占比最多;一半的站Ⅱ级及以上(Ⅰ+Ⅱ级)天数占比在90%及以上,其余站的占比在58%及以上，说明该区域总体适宜开展旅游、踏青等休闲活动。近11 a来有些地区始终保持着良好的空气清新度,有些地区空气清新度等级呈现逐渐上升的趋势,然而也有个别地区空气清新度变化较大,需要加强生态环境保护等方面的工作。

空气清新度等级与气象因素、环境因素等密切相关。通过分析有无雷电日和有无霾日的负(氧)离子浓度可知,发生雷电日的负(氧)离子浓度值大于无雷电日的,雷电活动通过放电使空气分子电离，造成负(氧)离子浓度显著增大;有霾日空气清新度不及无霾日的情况。与负(氧)离子浓度的季节变化特征相反,AQI、PM2.5浓度在春季下降,夏季降至最低，月总霾时最少,此时空气最清新。AQI、PM2.5浓度秋季升高,冬季升至最高,月总霾时最多，空气清新度等级相对偏低。

采用逐步回归分析方法,利用气象和环境因子建立的空气清新度预测模型保留了相关性高、影响显著的要素,模型具有较好的预测能力,可以据此开展负(氧)离子浓度的预测和空气清新度等级预测。由于影响负(氧)离子浓度的要素众多,且负(氧)离子浓度受周边环境影响大、局地性强,故预测模型难以全面体现。