浙江省气象及环境因子对负氧离子浓度的影响

郁珍艳,李正泉,樊高峰,高大伟,张 含

浙江省气象及环境因子对负氧离子浓度的影响

郁珍艳,李正泉,樊高峰,高大伟*,张 含

(浙江省气候中心,浙江 杭州 310017)

基于2019年浙江省89个站的负氧离子浓度监测结果,结合气象及环境观测资料,开展了负氧离子浓度分布及气象和环境因子对负氧离子浓度的影响分析.结果表明:浙南和浙西的山区负氧离子浓度高,年平均浓度基本均在1000个/cm3以上;浙北平原浓度相对较低,大部分站年平均浓度在500～1000个/cm3左右.负氧离子浓度基本表现为高山林区>浅山景区>海岛、水体附近>郊区、平原公园>城镇.环境因素和气象因子对负氧离子浓度有一定的影响,负氧离子浓度与AQI、PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO等环境因子呈现出明显的负相关性.随着日照时数的增加,负氧离子浓度基本呈现出明显增大的变化趋势.当日平均气温在2～15℃和23～31℃时,随着气温的上升,负氧离子浓度基本呈现增大的变化趋势.50%～75%为相对适宜的相对湿度,对应的负氧离子浓度也较高.降水量越大、风速越大,负氧离子浓度基本呈现出升高的变化趋势;但当雨量达到暴雨级别、风速达到强风级别以上时,负氧离子浓度开始有出现回落的变化趋势.

负氧离子；生态环境；空气质量；气象条件

自然界中负氧离子的产生主要源于大气电离、水体Lenard效应、植被光合和植物尖端放电等,负氧离子与灰尘、有害气体和颗粒物等相结合,能起到杀菌、除尘净化和清洁空气的作用,负氧离子还能促进人体新陈代谢,强化细胞机能,增强机体免疫力,改善情绪[1-2],有利于身心健康,被称为“空气维生素”[3].

空气中的负氧离子不断生成,也不断地被正离子所中和,两个相反的过程时刻处于一种动态的平衡状态,决定着空气中负氧离子含量的高低.负氧离子含量越高,空气清洁度就越高.在环境评价中,负氧离子浓度的高低常被作为空气清新与否的重要指标[4].

近些年随着对空气污染问题的关注,负氧离子的研究也逐渐成为一个热点.目前负氧离子的研究大多集中在其自身的时空变化特征[5-6],包括森林[7-8]、城市绿地[9-10]等区域,以及季节、植被等因素对负氧离子浓度的影响[11-12].大量研究表明,负氧离子浓度有明显日和季节变化规律[13],多是午夜至早晨浓度较高、下午较低,夏秋季浓度较高、冬春季相对较低[14-16].但负氧离子日变化的峰、谷出现的时间,由于周边环境、植被结构、人流量的不同而不同.在季节动态上,也受地理环境、时间和气象条件的差异,不同地区并非完全一致[17-19].负氧离子浓度空间分布不均匀,由城市向郊区逐渐增大,随海拔高度的增加而增大;在森林和植物绿化较为丰富的地方浓度较高[20-21].

除了与环境类型有关外,相关研究也得到负氧离子浓度与风速、温度、相对湿度、太阳辐射、天气现象等气象要素有较大相关性[22-23],但在不同的地理环境或研究时段,呈现出的相关性也存在差异[24-25].不同天气条件对负氧离子浓度有显著影响[26],降雨能有效增加负氧离子浓度[27],微风天气有利于负氧离子生成,而过大的风速会将负氧离子吹散,浓度降低[28].负氧离子与大气污染物有一定的相关性[29],与PM2.5和O3浓度表现出一致的负相关性[30].

近年来,为深入贯彻“两山”理论,更好地挖掘和利用浙江生态气候资源潜力,推进浙江生态文明建设,浙江省气象、林业、环保等多部门开展了负氧离子浓度试验性监测,对负氧离子浓度水平有了初步了解[31-34].但浙江省负氧离子的相关研究起步较晚,对其影响机理仍不明确.本文结合气象观测数据及空气质量监测数据,通过开展气象因子及大气环境对负氧离子浓度的影响分析,综合环境空气清洁度的评价,挖掘影响负氧离子浓度的敏感因子,以期为今后负氧离子浓度预测模型的建立提供科学支撑.

1 数据来源与方法

1.1 数据来源

资料来源于浙江省气象局2019年89个气象站内监测数据,这89个监测站运行稳定、数据异常率较低,并均匀分布于全省,能较好的反应全省负氧离子资源的分布,弥补了前期研究站点稀少的不足.

负氧离子观测仪器型号主要有威德创新科技(北京)有限公司的WIMD型和FLZ型、北京依派伟业数码科技有限公司的EP型.通过2017年8月20日至9月5日,在杭州下沙气象探测基地开展的国内主流型号负氧离子监测仪器的观测性能对比试验结果得到,本文资料涉及的监测仪均能观测出负氧离子浓度随天气环境变化而发生的趋势变化,且获得的观测趋势基本相似,浓度上升或下降的变化步调基本一致.个别因仪器不同造成的观测浓度差异或者异常值,应用《空气负(氧)离子观测与评价技术规范》(DB33/T 2226-2019)[35]规定的界限值检查、跳变值检查、空气湿度检查、正负氧离子比值检查等4项质控规则对数据进行了严格质量控制[13].

1.2 站点分类

通过负氧离子站点位置及站点信息说明,结合三维遥感影像图,将海拔<150m的站点分为3类,其中位于城镇且周围环境多建筑物或城市公路等的站划分为城镇站,位于郊区或平原公园且周围多为草地丘陵等的站划分为郊区、平原公园站,以及位于海岛、水体附近的站.海拔³150m的站,均位于山区林区,将150m£海拔<300m的站,归类为浅山景区站;将海拔³300m,归类为高山林区站.

表1 负氧离子站分类

图1 浙江省空气负氧离子监测站点分布

1.3 评价方法

1.3.1 等级评价 世界卫生组织(WHO)规定(表2):每cm3空气中负氧离子含量在500～900个为一般空气;低于500个为不清新空气;高于1200个的定为清新空气,大于2100个为非常清新空气.

表2 WHO空气清新度等级划分中的负氧离子指标

1.3.2 安培空气质量评价指数 安培空气质量评价指数反映了居住区空气中离子浓度接近自然界空气离子化水平的程度,用CI=(/1000×)表示.其中,1000表示满足人体生物学效应最低需求的空气负氧离子浓度;代表负氧离子个数;代表正氧离子个数;=/为单极系数.CI把空气负氧离子作为指标,又考虑了正负氧离子的构成比,因此较为全面和客观.评价标准见表3.

表3 空气清洁度与空气质量评价指数(CI)的关系

2 结果与分析

2.1 负氧离子浓度分布概况

如图2所示,2019年浙江省负氧离子年平均浓度在316(宁波奉化)～3884(临安天目山)个/cm3之间,总体表现为山区高、平原低,空气中的负氧离子可以通过植物的尖端放电和光电效应产生,高山林区的植被覆盖度较高、太阳辐射强,并能大量吸收空气中的灰尘,周边空气负氧离子的浓度增加[4].因此,森林覆盖率高的山区是负氧离子的富集地.浙北平原地区城镇区域大,森林覆盖率较低,人类活动多,污染物排放多,因此负氧离子浓度相对较低.全省89个监测站中有27个站的年平均值达到1200个/cm3以上,其中7个站超过2000个/cm3.全省有16个站负氧离子日最高浓度达到5000个/cm3以上,其中有7个站超过7000个/cm3.

负氧离子浓度季节平均值分布与年平均值基本一致.春季负氧离子平均浓度值在229(温州平阳)～5199(奉化三隐潭)个/cm3之间,夏季在233(温州文成)～4571(临安天目山)个/cm3之间,秋季在268(宁波奉化)～3531(丽水龙泉)个/cm3之间,冬季在264(宁波奉化)～4079(临安天目山)个/cm3之间.四个季节分别有20个、31个、33个、31个站达到1200个/cm3以上.对比邵海荣等[6]对北京地区及王薇等[21]对南方沿海城市的负氧离子浓度监测结果,浙江省负氧离子浓度的分布特征与之前的研究基本一致.

图2 2019年负氧离子监测年平均浓度值(个/cm3)

如图3所示,负氧离子的月变化趋势大致表现为5～9月浓度较高,1～4月浓度较低.高山林区站各月浓度均在1600个/cm3以上;浅山景区站各月浓度基本在1000个/cm3以上;海岛、水体附近的负氧离子浓度在6～12月达到1000个/cm3以上;郊区、平原公园站除7～8月和11月外,大多月份都在1000个/cm3以下;城镇站负氧离子浓度的月值基本在1000个/cm3以下.与北京[30]、合肥[17]等地的负氧离子浓度变化一致.

图3 2019年浙江省不同类型监测站负氧离子浓度月变化

图4 2019年浙江省不同类型监测站不同负氧离子浓度占比

如图4所示,城镇站的负氧离子日平均浓度在501～1000个/cm3的概率最大,达到40%左右.郊区、平原公园站的浓度在1500个/cm3以下的概率较城镇站略小,而在1500个/cm3以上的概率略大.海边、水体附近的浓度在1001～2000个/cm3的概率较城镇站和郊区、平原公园站明显增大.浅山景区的日平均浓度在2000个/cm3以上的概率较前3类站明显增大,1000个/cm3以上达到50%以上,2000个/cm3以上达到20%以上.高山林区的日平均浓度在1000个/cm3以上的概率达到了72%,2000个/cm3以上达到了42%,低浓度概率较其他类型站点明显减小.

2.2 环境因子对负氧离子浓度的影响

2.2.1 负氧离子浓度与环境要素的相关关系 AQI可以表征空气污染程度,PM2.5、PM10代表空气中颗粒物含量,SO2、NO2、CO都是大气主要污染物.在污浊空气中,这些颗粒物和污染物对负氧离子具有吸附作用,使负氧离子生成速率低于中和速率,因此污浊空气中的负氧离子含量较低.

经统计计算,日平均负氧离子浓度与日AQI、PM2.5、PM10的负相关性能通过显著性检验的站点均达到了90%以上,与日SO2、NO2、CO的负相关性能通过显著性检验的站点可达到70%～80%左右, 说明负氧离子浓度越高,环境要素浓度越低,空气质量越好.

如图5所示,负氧离子浓度与各环境要素的月际变化也呈现出明显的负相关性,10～12月和1～3月的秋冬季,AQI、PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO的浓度相对较高,负氧离子浓度明显降低.6～8月的夏季,AQI、PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO的浓度较低,负氧离子浓度达到年度峰值.负氧离子浓度与环境要素的负相关性与其他地区的研究结果一致[29-30].

如图6所示,城镇、郊区、平原公园和海岛、水体附近站点的AQI、PM2.5、PM10浓度相对高,对应的负氧离子浓度相对低;浅山景区和高山林区站点的AQI、PM2.5、PM10浓度相对低,对应的负氧离子浓度相对高.SO2、NO2浓度基本呈现出城镇>郊区、平原公园>海岛、水体附近>浅山景区>高山林区,CO浓度在城镇和郊区、平原公园区域较大,在海岛、水体附近、浅山景区和高山林区浓度接近,5类站SO2、NO2、CO的浓度和负氧离子浓度基本呈负相关.

分析季节变化,各区域负氧离子和环境要素的浓度分布与年平均浓度基本一致.夏季各类型站的负氧离子浓度最高,对应的环境要素浓度最低,冬季相反.春季各类型站环境要素浓度与年平均值的差异均在10%以内,高山林区植被多,负氧离子浓度基本不受环境要素的影响;其余地区负氧离子浓度比年平均值低9%～19%,对环境要素的变化较敏感.秋季各地区差异较大,在城镇和郊区、平原公园地区,负氧离子以及环境要素浓度与年平均值差异较小;在海岛、水体附近,各环境要素浓度较年平均值低,负氧离子浓度较年平均值高19%左右;在浅山景区和高山林区,各环境要素浓度较年平均值高,负氧离子浓度较年平均值低.总体来看,各地区四季负氧离子浓度与环境要素均呈负相关性.

2.2.2 安培空气质量评价指数 挑选了具有代表意义的不同环境场所的5个站点进行安培空气质量评价,其中温州站为城镇代表站,位于温州市五马街道;温州永嘉站为郊区、平原公园代表站,位于东城街道浦口村小平山;温州洞头站为海岛、水体附近代表站,位于东屏镇后坑村;温州平阳站为浅山景区代表站,位于平阳县昆阳镇东门山;衢州钱江源站为高山林区代表站,位于开化县齐溪镇.

图5 负氧离子浓度与环境要素月际变化

图7 2019年浙江省不同类型监测站安培空气质量评价指数分级占比

从安培空气质量评价情况来看,高山林区负氧离子含量高,空气质量最好,有14%以上的观测频次达到最清洁等级(CI>1.00),清洁(0.70£CI£1.0)和中等清洁(0.50£CI<0.7)等级的比例也分别达到16%以上和23%左右,达到允许(CI³0.3)以上等级的比例高达85%.其次为浅山景区,负氧离子浓度较高,空气质量较好,约8%左右的观测频次达到最清洁等级,清洁和中等清洁等级的比例分别达到10%以上和25%左右,达到允许以上等级的比例为68%左右.海岛、水体附近和郊区、平原公园的空气质量条件比较接近,达到最清洁等级的比例海岛、水体附近要多于郊区、平原公园.城镇站的空气质量相对最差,达到中等清洁以上的比例明显减少,而轻污染比例有所增加.总体来看,空气质量与负氧离子浓度一致,基本表现为高山林区>浅山景区>海岛、水体附近>郊区、平原公园>城镇.

2.3 气象因子对负氧离子浓度的影响分析

2.3.1 天气现象对负氧离子浓度的影响 利用89个站共48000多次天气现象观测数据及对应的负氧离子浓度资料,统计了大风、雨、雷电、雪、雾、霾这6个天气现象发生时的平均负氧离子浓度,如图8所示.较大的风速使空气摩擦,继而产生负氧离子从而增加负氧离子浓度[36],大风天气又有利于污染源的扩散,空气质量转好,所以负氧离子浓度也相对较高,平均值为1235个/cm3,达到清新级别.雨水对环境空气有冲刷清洁作用,雨水的冲击也会产生Lenard效应,提升周围空气的负氧离子浓度,因此负氧离子的平均浓度在雨天也能达到994个/cm3.空气中的氧分子在雷电的作用下,会分离出带负电的负氧离子,因此雷电发生时,会产生大量的负氧离子,瞬时值可以达10000个/cm3以上.加上雷电发生时,往往伴随着雷雨大风天气,空气质量也相对较好.因此雷电天气下负氧离子平均浓度能达到1123个/cm3,接近清新级别,浓度也较高.雪天由于气温低,光照少,植物光合作用微弱;但另一方面,可能由于人类活动减少,污染物排放减少,负氧离子浓度较高,为828个/cm3.雾、霾天空气污染较重,在污浊空气中,负氧离子的生成速率低于中和速率,负氧离子含量较低[4],雾、霾天气发生时负氧离子浓度平均值分别为692个/cm3和568个/cm3.总体来看,负氧离子浓度为大风>雷电>雨>雪>雾>霾.

2.3.2 气象要素对负氧离子浓度的影响 选取89个站日降水量为0mm、日平均风速£1.5m/s且非雾、霾天气的样本共计7052个,统计了日照时数、气温、相对湿度对应的负氧离子平均浓度.随着日照时数的增加,负氧离子浓度基本呈现出明显增大的变化趋势.当日照时数为0h,负氧离子平均浓度为900个/cm3左右;当日照时数达到9h以上,负氧离子平均浓度能达到1000个/cm3左右;当日照时数达到12h,负氧离子平均浓度为1200个/cm3以上,达到“清新”级别.四季均表现出日照时数增加,负氧离子浓度增大的变化趋势,其中夏季最明显,秋、冬季其次,春季相对最弱.可见,晴天的负氧离子浓度高于阴天,因为日照时数越长,太阳辐射越强,植物光合作用越强,空气中的负氧离子通过植物的尖端放电和光电效应产生,因而周边空气负氧离子的浓度增加[4].

图8 六类天气现象发生时的负氧离子平均浓度

图9 日照时数和负氧离子浓度对应变化

温度升高可使分子运动速度加快,相互间碰撞几率增大,产生的负氧离子增多,当日平均气温在2～ 15℃和23～31℃之间时,随着气温的上升,负氧离子浓度基本呈现增大的变化趋势.另一方面,2～15℃气温上升阶段对应的季节是由冬季到春季,是植物由“休眠”到“生长发育”的阶段,植物能通过尖端放电和光电效应产生负氧离子,大量吸收空气中的灰尘,因而周边空气负氧离子的浓度随之增加.23～31℃气温上升阶段对应的季节是夏季,是植物生长“繁盛”时期,随着温度的升高,植物光合作用增强,产生的负氧离子越多.夏季也是降水最丰沛的季节,水体Lenard效应增强,产生的负氧离子也越多.当日平均气温在15～23℃和31～33℃之间时,随着气温的升高,负氧离子浓度呈现出减小趋势;15～23℃阶段对应的季节是最适宜出游的春季和秋季,人类活动增多,汽车尾气等污染物排放增多,产生的负氧离子容易被中和,浓度减小.当日平均气温达到31～33℃时,为处于最高气温达35℃以上甚至37℃以上的盛夏,由于气温过高,植物体内的酶活性降低,光合作用受限,释放的负氧离子减少.

图10 温度和负氧离子浓度对应变化

春季,相对湿度在46%～80%时,负氧离子浓度随着相对湿度的增大呈缓慢增大的变化趋势,浓度在800～950个/cm3左右;相对湿度达到80%以上时,负氧离子浓度随着相对湿度的增大有比较明显的减小趋势,当相对湿度达到90%以上时,负氧离子浓度减小至600个/cm3左右.

夏季,相对湿度较其他季节高,负氧离子浓度基本呈现随相对湿度增大而减小的变化趋势,且减小的趋势比较显著.当相对湿度在61%～65%时,负氧离子浓度达到峰值1300个/cm3左右;而当相对湿度达到90%以上时,负氧离子浓度只有650～700个/cm3左右.

秋季,随着相对湿度的增大,负氧离子浓度呈现先增大后减小的变化趋势,相对湿度在50%以下时,负氧离子浓度大概在700个/cm3左右;当相对湿度达到50%～75%时,负氧离子浓度约为1000～1100个/cm3左右;当相对湿度达到75%以上时,负氧离子浓度开始减小,到相对湿度达90%以上时,负氧离子浓度减小至650个/cm3左右.

冬季,除相对湿度较低和较高时负氧离子浓度较小,在550个/cm3左右;其余的相对湿度对应的负氧离子浓度基本在800～950个/cm3左右.

总体来看,当相对湿度£75%时,随着湿度的增大,负氧离子浓度增大.因为根据负氧离子形成机理,环境空气中须有一定的含水量才可以形成空气负氧离子,因此随着湿度增大,空气中的水分子增多,负氧离子浓度也随之增大.相对湿度在50%～75%时,为相对适宜的相对湿度,对应的负氧离子浓度也较高.但相对湿度太低或太高时,负氧离子浓度较低,高温高湿环境不利于负氧离子的产生.

图11 四季相对湿度和负氧离子浓度对应变化

图12 降水量、风速和负氧离子浓度对应变化

选取89个站非雾、霾天气的样本共计26047个,统计了降水量及风速变化对负氧离子浓度变化的可能影响.当降水量为小雨、中雨和大雨时,负氧离子浓度基本随风速的增大而增大,且在小雨时增大最明显;而当降水量达到暴雨或大暴雨量级时,负氧离子浓度随风速增大有先增大后减小的变化.当风速在一定范围内时,负氧离子浓度基本上随着降水量的增多而增大.四季均呈现出相似的变化特征.总体而言,降水量越大、风速越大,负氧离子浓度基本呈现出升高的变化趋势;但这个增大不是持续不断的,当雨量达到暴雨级别、风速达到强风级别以上时,负氧离子浓度开始出现回落的变化趋势.雨水的冲刷、风的扩散作用都有利于污染物的消散,提升负氧离子浓度,但是狂风暴雨可能也会破坏负氧离子的生成或维持.

3 结论

3.1 浙南和浙西森林覆盖率高的山区空气负氧离子含量高,年平均浓度基本均在1000个/cm3以上;浙北平原负氧离子浓度相对较低,大部分站年平均浓度在500～1000个/cm3左右.全省有27个站的年平均值达到1200个/cm3以上,其中7个站超过2000个/cm3.负氧离子浓度基本表现为高山林区>浅山景区>海岛、水体附近>郊区、平原公园>城镇,5～9月浓度较高,1～4月浓度较低.

3.2 从安培空气质量评价情况来看,高山林区有14%以上的观测频次达到最清洁等级,中等清洁等级以上的比例达到53%左右;其次为浅山景区,约8%左右达到最清洁,中等清洁等级以上的比例达到43%左右;海岛、水体附近和郊区、平原公园的空气质量条件比较接近,城镇站的空气质量相对最差,达到中等清洁以上的比例明显减少.

3.3 环境因素对负氧离子浓度有一定的影响,90%以上站点的日AQI、PM2.5、PM10和70%～80%左右站点的日SO2、NO2、CO与日平均负氧离子浓度呈显著负相关.负氧离子浓度与环境因素的月际、季节变化也呈现出明显的负相关性,说明AQI、PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO值越低,负氧离子浓度越高,空气质量越好.

3.4 气象因子对负氧离子浓度有一定的影响.负氧离子平均浓度在大风天和雨天分别为1235和994个/cm3,雷电天为1123个/cm3,雪天为828个/cm3,雾、霾天分别为692和568个/cm3.随着日照时数的增加,负氧离子浓度基本呈现出明显增大的变化趋势.当日平均气温在2～15℃和23～31℃之间时,随着气温的上升,负氧离子浓度基本呈现增大的变化趋势;其余温度时相反.50%～75%为相对适宜的相对湿度,对应的负氧离子浓度也较高.降水量越大、风速越大,负氧离子浓度基本呈现出升高的变化趋势;但这个增大不是持续不断的,当雨量达到暴雨级别、风速达到强风级别以上时,负氧离子浓度开始有出现回落的变化趋势.

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Effects of meteorological and environmental factors on negative oxygen ions concentration in Zhejiang Province.

YU Zhen-yan, LI Zheng-quan, FAN Gao-feng, GAO Da-wei*, ZHANG Han

(Zhejiang Climate Center, Hangzhou 310017, China)., 2023,43(2)：514～524

Based on the negative oxygen ions concentration data of 89 observatories and meteorological and environmental observational data in Zhejiang province, the effects of meteorological and environmental factors on negative oxygen ions concentration was analyzed, as well as the distribution of negative oxygen ions concentration. Results showed that: in the mountain areas of South and West Zhejiang, negative oxygen ions concentration was relatively high, with annual mean value generally higher than 1000cm-3; whereas in plain areas of North Zhejiang, negative oxygen ions concentration was relatively low, with annual mean value mostly amount to 500～1000cm-3. Generally, the spatial distribution of negative oxygen ions concentration showed a pattern of high-mountain forest areas > middle-hill scenic areas > areas near island or water bodies > parks in suburban and plain areas > urban areas. Meteorological and environmental factors had certain effects on negative oxygen ions concentration, showed noticeable negative correlation between negative oxygen ions concentration and environmental factors of AQI, PM2.5, PM10, SO2, NO2, CO. With the increase of sunshine duration, negative oxygen ions concentration also tended to increase. When daily mean air temperature ranged from 2～15℃ to 23～31℃, with the rose of air temperature, negative oxygen ions concentration tended to increase. When relative humidity was within the comfort range of 50%～75%, negative oxygen ions concentration was relatively high. With the increased of precipitation or wind speed, negative oxygen ions concentration generally increased. However, when precipitation was greater than torrential rain or wind speed was stronger than strong breeze, negative oxygen ions concentration tended to decrease with the increase of precipitation or wind speed.

negative oxygen ions；ecological environment；air quality；meteorological conditions

X823

A

1000-6923(2023)02-0514-11

郁珍艳(1984-),女,硕士,高级工程师,主要从事气候变化与生态环境方面研究.发表论文20余篇.

2022-06-27

浙江省气象科技计划重点项目(2019ZD07);国家自然科学基金资助项目(42005027);中国气象局气象发展与规划院政策研究项目(ZCYJ20220010)

* 责任作者, 高级工程师, davidgao82@163.com