江西省空气负离子浓度特征与气象因子相关分析

方砚秋 张方敏 陈龙 李柏贞 王怀清

(1 南京信息工程大学 应用气象学院 气象灾害预报预警与评估协同创新中心 /江苏省农业气象重点实验室，南京 210044；2 江西省生态气象中心，南昌 330096；3 江西省气候中心，南昌 330096)

引 言

空气负离子(Negative Air Ion， NAI)，又称负氧离子，是空气中一种带负电的离子，具有杀菌、降尘、清洁空气、提高免疫力、调节机能平衡的功效[1]。自然界中空气负离子的产生机制主要分为物理、生物两大类，物理类指大气中的氧分子受闪电、雷暴、风暴及空气和山地岩石中放射性元素诱导而发生电离以及水分子的分解等[2-3]；生物类指森林中树冠、枝叶的尖端放电以及绿色植物光合作用中的光电效应等[4-5]。研究表明空气负离子浓度越高，空气质量越高，对人体越有益，因而空气负离子浓度成为了评价空气质量好坏的重要指标。

目前国内外学者关于空气负离子浓度的研究主要集中于时空分布特征及水体、植物、建筑、温湿压风等天气条件的影响[6-9]。研究指出，在森林和绿地空气负离子浓度明显高于城市中心，并且空气负离子浓度时间变化差异较大；空气负离子浓度总体表现为白天大于夜间，但对于峰值时刻不同学者研究结果不同[10-13]。有学者认为空气负离子浓度与气象因子以及天气状况有显著相关的关系[14-16]；但是又有学者认为，空气负离子浓度和气象因子关系难以统一[17]。不同天气条件下空气负离子含量大小顺序为雨天>晴天>阴天[15，18]，但降水时间和降水量对其的影响研究尚未有明确。

因此，本文选取2019年1—12月较为完整的江西省靖安森林试验基地空气负离子浓度观测资料以及气象因子资料进行分析。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

江西省森林生态气象(靖安)观测基地位于靖安县生态公益林场周坊分场大洞口护林点(29°3′45″N， 115°21′45″E)，海拔279 m，坡度35°左右，山脉南坡。靖安属于北亚热带湿润气候，春季回暖迟，有春寒，夏季炎热时间长，秋季凉得快，冬季较寒冷，四季分明。全年雨量充沛，光照充足。春季(3—5月)阴冷多雨，平均气温为17.3℃，常出现大风、强降雨、冰雹等强对流性天气，4月开始进入汛期；夏季(6—8月)温高湿重，平均气温为27.6℃，汛期与伏秋期在此季交汇，6—7月中旬降雨集中，易发暴雨洪涝；秋季(9—11月)秋高气爽，平均气温为19℃，多晴好天气，风不大，湿度较小，气温适中；冬季(12月—次年2月)湿冷，平均气温为7.2℃，冷空气影响频繁，多偏北大风，近年来冬季平均气温呈上升趋势，降水量也呈明显上升的趋势。

1.2 数据来源和方法

空气负离子数据来源于江西省气象局森林生态气象(靖安)观测基地观测站，观测采用EP100B大气负离子监测系统，采用电容式吸入法监测NAI，测量范围为0～9.99×108个/cm3，测量分辨率10个/cm3，迁移率大于等于0.4 cm2·v-1·s-1，测量精度小于等于8%，采集频率10 s/次，观测时间为2019年1月1日—12月31日。此外，在林中设立36 m高塔，在高塔上同步观测地上四层(顶层(冠上5 m)、林冠层(22 m)、冠内层(8 m)、底层(1.5 m))、地被层和地下四层(地面以下5、10、20、40、80 cm)的风温湿压和太阳辐射等微气象要素，观测站参照国家林业局林业行业标准《森林生态系统定位研究站建设技术要求》建站，温湿度与辐射观测仪器采样频率10 s/次，存储1 min均值，风向风速观测仪器采样频率2 s/次，存储1 min均值，降雨量观测仪器降水时触发，存储时间[19]。为保证数据的真实可靠，对数据进行三倍标准差法检验与异常值的剔除，并对不同层的数据运用散点图初步分析，选取与空气负离子相关性最好的顶层(冠上5 m)气象数据。

剔除异常值后，采用皮尔逊积矩相关系数法[12-14]、逐步回归分析法[15，18]等常规气象统计方法，研究不同时间尺度空气负离子浓度特征。

2 结果分析

2.1 空气负离子浓度变化特征

由图1可见，靖安年平均空气负离子浓度为2 187个/cm3，其中夏季平均空气负离子浓度最高，为2 910个/cm3；春季次之，平均空气负离子浓度为2 324个/cm3；冬季平均空气负离子浓度为1 957个/cm3；秋季平均空气负离子浓度最低，为1 756个/cm3。月平均浓度最大值为3 718个/cm3，出现在7月；最小值为1 385个/cm3，出现在1月。空气负离子月平均浓度1—7月呈上升趋势，7—12月呈下降趋势，其中5—7月上升迅速，7—9月明显下降。图1 a中有5个月的月平均浓度超出年平均浓度，分别为2—4月、6月和7月。

空气负离子浓度不同季节的日变化特征如图2所示，四季日变化均呈现单峰分布，白天的空气负离子浓度高于夜间，峰值均出现在白天，但是谷值出现时间季节差异较大。夏季，空气负离子浓度峰值出现在06时(北京时，下同)，谷值出现在23时。春季，空气负离子浓度峰值出现在10时，谷值出现在23时；秋季，空气负离子浓度峰值出现在09时，谷值出现在13时；冬季，空气负离子浓度峰值出现在13时，谷值出现在17时。

表1 空气负离子浓度与各气象因子尺度和月尺度相关系数Table 1 Correlation coefficient among negative air ion concentration and meteorological factors

图1 空气负离子浓度年变化Fig.1 Anaully variation of negative air ion concentration

图2 空气负离子浓度日变化Fig.2 Diurnal variation of negative air ion concentration

2.2 空气负离子浓度与气象因子相关性分析

各个气象因子对空气负离子浓度的影响不同。在月尺度上，除降水量(P<0.01)与空气负离子浓度成显著正相关外，其他气象因子与空气负离子浓度均没有显著的相关性，相关系数表现为降水量>相对湿度>气温>净辐射>风速(表1)。其中，空气负离子浓度的变化特征与月降水量的变化特征具有一致性(图3)。在日尺度上，除风速以及净辐射外，其他气象因子与空气负离子浓度均成显著正相关(P<0.01)，其中相关系数表现为降水量>气温>相对湿度>净辐射>风速(表1)。

图3 空气负离子浓度与月降雨量相关性Fig.3 Correlation of negative air ion concentrationwith precipitation

以5%的可靠性作为因变量的入选和剔除临界值，采用逐步回归法建立空气负离子浓度的预测方程。结果显示，在月尺度上，最优空气负离子浓度预测方程为降水量(PRE)的函数，即：Y=1 581.75+6.49PRE(R2=0.67，P<0.01)。在日尺度上，最优空气负离子浓度预测方程为气温(TA)和降水量(PRE)的函数，即：Y=903.05+79.49TA+27.31PRE(R2=0.47，P<0.01)。

不同天气条件对空气负离子浓度的影响也不同。四个季节晴天空气负离子浓度均低于雨天，其中夏季晴雨天空气负离子浓度相差最大(晴天日平均浓度为2 515.15个/cm3，雨天为3 428.65个/cm3)，春季与冬季晴雨天相差浓度相似(春季晴雨天相差416.22个/cm3，冬季晴雨天相差426.19个/cm3)，秋季晴雨天空气负离子浓度相差最小(33.08个/cm3)。晴天空气负离子浓度与气象因子相关系数关系表现为气温>相对湿度>净辐射>风速。表明，气温、相对湿度、净辐射的增加均会导致空气负离子浓度的升高。雨天相关系数表现为降水量>气温>净辐射>相对湿度>风速(表2)。采用逐步回归法，以不同天气条件下的空气负离子浓度为因变量，以气象因子为自变量，得出不同天气条件下的空气负离子浓度的最优预测模型，晴天时为气温和相对湿度的方程：Y=554.26+56.64TA+8.71RH(R2=0.20，P<0.01)；雨天时为气温和降水量的方程：Y=883.21+80.38TA+26.38PRE(R2=0.44，P<0.01)。

表2 空气负离子浓度与各气象因子相关系数Table 2 Correlation coefficient between negative air ion concentration and meteorological factors

2.3 不同降水对空气负离子浓度的影响

2.3.1 降水时间对空气负离子浓度的影响

不同季节的典型雨日降雨时间以及空气负离子浓度的变化特征如图4。雨天的空气负离子日变化不再遵循季节性日变化特征，雨天的峰值随着降水时间的变化而变化。春季典型雨日(4月23—25日)第一次降水后的峰值出现在雨后的7 h，第二次降水后的峰值出现在雨后的9 h；相较于未降水条件下，降水后的空气负离子浓度更高(图4a)。夏季降水频繁，夏季典型雨日(7月12—14日)的空气负离子浓度日变化也较春季雨天更为复杂，雨后的峰值出现在每次降水后的7～15 h(图4b)。秋季典型雨日(11月17—19日)的空气负离子浓度日变化较其他三个季节最为规律，两次降水后的空气负离子浓度峰值均出现在雨后的9 h(图4c)。冬季典型雨日(1月8—10日)第一次降水后的空气负离子浓度峰值出现在雨后的11 h，第二次降水后的峰值出现在雨后的9 h(图4d)。总体来看，降水导致不同季节的降水空气负离子峰值的延迟程度不同，夏季延迟效果最明显，但同一季节相邻3 d的延迟程度也不完全相同。

2.3.2 降水量对空气负离子浓度的影响

不同等级降水量对空气负离子浓度的影响不同(图5)。由图可知，随着降水量的增加，空气负离子浓度整体呈上升趋势。当降水量在0～10 mm时，空气负离子浓度没有明显变化，降水量对空气负离子浓度几乎没有影响，此时空气负离子浓度相对较低；当降水量大于10 mm时，空气负离子浓度开始随降水量的增加而增加；当降水量达到25～50 mm时，空气负离子浓度最大；但暴雨天气出现时(降水量大于50 mm)，随着降水量的增加，空气负离子浓度大幅下降。总体来看，空气负离子浓度随着降水量的增加表现为先增加再减小，最大空气负离子浓度位于降水量为25～50 mm时。

图4 典型雨日空气负离子浓度变化Fig.4 Variation of negative air ion concentration in typical rain days

图5 不同日降水量下空气负离子浓度分布Fig.5 Distribution of negative air ion concentration under daily precpitation

3 空气负离子浓度及其影响因子

3.1 空气负离子浓度变化特征及其与气象因子的相关性

本文利用亚热带湿润气候区的江西省靖安森林试验基地空气负离子浓度观测资料，发现空气负离子浓度的日变化、季节变化均有明显的差异性。研究发现1 d中空气负离子浓度变化较为明显，白天高于夜间[18，20]，但不同于前人所提出的日变化呈“双峰型”[7，13]，认为靖安站的空气负离子浓度日变化呈“单峰型”。空气负离子浓度也存在明显季节性差异，夏季的空气负离子浓度最高，春季次之，这与前人研究相同[18-20]，同时发现，靖安站的空气负离子浓度秋季最低，可能是由于靖安春夏两季多雨，冬季湿冷，而秋季秋高气爽。

有研究认为气温和湿度可能是决定空气负离子浓度的主要因素[7]。彭春梅等[21]认为空气负离子浓度与温度呈正相关，随空气相对湿度的升高呈现3种变化趋势[9]；或是认为空气负离子浓度与温度相关性不大但与相对湿度呈正相关[22]；也有学者认为空气负离子浓度与温度呈负相关，与相对湿度呈显著正相关[23-24]。在日尺度上，靖安空气负离子浓度与温度呈显著正相关，其原因可能是温度升高可使分子或原子热运动速度加快，相互间碰撞几率增加，碰撞电离几率增加；氧的电离能较大，温度升高使分子或原子的平均动能升高，氧被电离的能力升高，空气负离子增多，负离子含量升高[25]。

3.2 不同天气条件下的空气负离子浓度及降水对其的影响

天气状况对空气负离子浓度有显著影响。晴天时负离子浓度明显增大，但雨后天晴时空气负离子比干燥晴天还要高，呈现雨后>晴天>阴天[15，18]，尤其雷雨过后空气中负离子浓度明显增高[19]。雨过天晴过后，空气湿度大，空气中尘埃少，植物光合作用强烈，所以雨后负离子含量明显高于晴天。而阴天的负离子含量之所以低于晴天，是因为晴天太阳光强烈，丰富的紫外线有助于空气负离子的产生，植物的光合作用也比较强烈[25]。同时雷电的冲击带来大量的负离子，降水的同时会增加负离子密度，降低正离子密度[26]。本研究结果也发现雨天的空气负离子浓度高于晴天，且在雨后的7～15 h空气负离子的浓度达到峰值。

不同季节的雨天峰值出现时间有所不同，相邻降水事件峰值出现时间也不完全相同，可能是降水量的不同而产生的差异，相似于“不同降水量和降水时长对PM2.5有不同程度的清除作用”[27]。当降水量在0～10 mm时，降水对空气负离子浓度的变化没有明显作用，随后随着降水量逐渐增加，空气负离子浓度也随之增加，可能是由于动态水在高速运动时水滴会破碎，水滴破碎后会失去电子而成为正离子，而周围空气捕获电子而成为负离子。当出现暴雨天气的时候，空气负离子浓度反而呈现下降趋势，可能是暴雨冲刷掉一定浓度的空气负离子或是周围空气不能迅速捕获电子而成为负离子，也可能是在暴雨的条件下其他的气象因子如风速[17]、辐射[28]等作用的结果，各气象因子之间存在自相关作用，因此，具体原因还需进一步加强研究。

4 结论

基于亚热带湿润气候区的江西省靖安森林试验基地空气负离子浓度的观测资料得出结论如下：

(1)靖安年平均空气负离子浓度2 187个/cm3，其中夏季平均空气负离子浓度最高(2 910个/cm3)，春季次之(2 324个/cm3)，冬季(1 957个/cm3)低于春季，秋季最低(1 756个/cm3)。四季日变化均呈单峰型，且峰值均出现在白天，白天的空气负离子浓度高于夜间。夏季，空气负离子浓度峰值出现在06时，谷值出现在23时。春季，空气负离子浓度峰值出现在10时，谷值出现在23时。秋季，空气负离子浓度峰值出现在09时，谷值出现在13时。冬季，空气负离子浓度峰值出现在13时，谷值出现在17时。

(2)空气负离子浓度主要受温度和降水的影响。日变化上，气温与降水的作用最为显著；月尺度上，降水对空气负离子浓度的影响更为显著。降水对空气负离子的作用主要分为降水对其日变化峰值的影响以及降水量对其的影响。雨天的空气负离子浓度高于晴天，春季雨天峰值出现在开始降水的7～9 h后，夏季峰值出现在开始降水后7～15 h，秋季峰值出现在开始降水后9 h，冬季峰值出现在开始降水后9～11 h。当降水量在0～10 mm时，降水对空气负离子浓度的变化没有明显作用，随后随着降水量逐渐增加，空气负离子浓度也随之增加，当出现暴雨天气的时候，空气负离子浓度反而呈现下降趋势。