城市公园与高山茶园负氧离子浓度对比分析及气象要素影响

张曼义,丁国香,杨 伟,王 涛

(1.安徽省公共气象服务中心,安徽 合肥 230031;2.安徽省旌德县气象局,安徽 旌德 242699)

0 引言

空气负氧离子是指带负电荷的单个气体分子和轻离子团的总称[1],主要来源于空气分子在大气上层发生的电离现象、水分子的裂解、树叶尖端放电、植物光合作用中的光电效应、火山爆发、雷雨闪电等物理过程[2-3]。负氧离子具有净化除尘、抑菌杀毒及治疗保健作用,是衡量空气清新程度,评价康养旅游的关键指标之一[4-6]。

近年来,随着康养旅游产业的发展,众多学者对空气负氧离子的时空变化、气象要素影响机制进行了大量研究。国内外研究表明不同季节[7]、不同天气状况[8]、不同地表类型[9]负氧离子浓度变化不同,气温、降水等气象要素均会对负氧离子浓度变化产生影响[10-12],森林、海滨等地区负氧离子浓度相对较高。但由于负氧离子浓度受局地环境影响较大,且国内外负氧离子评价尚未有统一标准,因此,不同研究结果之间借鉴性不强,需针对研究区域开展特定研究。旌德县位于皖南山区腹地,茶叶种植面积广泛,全县现有茶园1760 hm2,品质优良,深受消费者喜爱。旌德县政府以“分析评估负氧离子浓度”为抓手,打响旌德生态康养旅游品牌。目前,众多负氧离子浓度对比研究集中于森林、城市的比较分析,鲜有关于茶园和城市负氧离子浓度的比较分析,因此,立足县况,开展城市公园、高山茶园负氧离子浓度对比及气象要素的影响研究,可为公众提供实时精准的负氧离子浓度信息,为旌德县挖掘康养旅游资源品牌价值奠定基础,也为旌德县生态康养旅游发展规划提供科学依据[13]。

1 资料和方法

1.1 研究区概况

分别在旌德县兔儿山公园、路西村茶园建立负氧离子监测站点。兔儿山公园站(118°32′29″E,30°18′19″N)下垫面为城市型公园,海拔150 m,属城市居民居住区;路西村茶园站(118°25′41″E,30°22′37″N),海拔300 m,下垫面为高山型茶园,属风景名胜区。

1.2 资料来源

本研究资料为2020年1—12月兔儿山公园、路西村大气负氧离子浓度数据,同步气象资料数据(包括逐时气温、风速、降水量、云量等)。分别布设固定式大气负氧离子监测仪(依派伟业FLZ2-1型)对大气负氧离子浓度进行连续观测(迁移率K≥0.4 cm2/V·s)。兔儿山公园同步气象资料来源于旌德国家气象观测站(距离兔儿山公园3.0 km),路西村茶园气温、风速、降水量资料来源于旌德三溪气象观测站(坐落于路西村),云量资料来源于欧洲数值预报ERA5再分析数据。

分别在兔儿山公园站、路西村茶园站采用便携式大气负氧离子监测仪(依派伟业EP050)开展对比试验研究。结果表明:本研究涉及的固定式负氧离子监测仪能准确观测出各站的负氧离子浓度变化范围,以及随气象要素变化而发生的趋势变化。

1.3 研究方法

参照其他气象观测数据质量控制方法,对数据进行预处理:对明显异常或超出允许变化范围的数值进行标记,当负氧离子浓度值长时间为0,或10 min的观测值跳变在5000以上,均判识为异常数据。

根据气候资料统计规定,3—5月为春季,6—8月为夏季,9—11月为秋季,12—2月为冬季。负氧离子浓度数据剔除缺测和异常值,采用算术平均法对各站小时值、日均值、月均值、季均值进行统计,相关性分析结果采用SPSS统计软件进行单因素Pearson相关性分析获得。

2 结果与分析

2.1 不同地表类型负氧离子浓度比较

2.1.1 季节变化比较 城市公园年均负氧离子浓度为2407 个·cm-3,高山茶园年均负氧离子浓度为3465 个·cm-3。从2站各季节负氧离子浓度变化可见,负氧离子浓度存在季节变化特征(图1),以夏季最高、春秋季次之,冬季最低。夏季,城市公园、高山茶园负氧离子浓度可达3240 个·cm-3、3703 个·cm-3,冬季浓度则为1252 个·cm-3、3231 个·cm-3,秋冬季,空气污染相对严重,气候干燥,空气湿度较小,负氧离子浓度处于四季最低值。城市公园负氧离子浓度夏冬季节差异明显高于高山茶园。

图1 城市公园与高山茶园负氧离子浓度季节变化比较

2.1.2 月变化比较 逐月负氧离子浓度变化显示(图2),高山茶园逐月负氧离子浓度变化幅度较小,城市公园幅度较大,以1、2月间浓度较低,3月浓度迅速上升,至6月达到峰值,7月负氧离子浓度又开始回落,至12月达到谷值。

图2 城市公园与高山茶园负氧离子浓度月变化比较

2.1.3 日变化比较 2站负氧离子浓度的日变化特征基本一致,整体呈“一峰一谷”变化趋势,峰值出现在上午,谷值出现在正午前后(图3)。城市公园负氧离子浓度较高时段为每日21时—次日08时(峰值为07时),较低时段为09—17时(谷值为12时);高山茶园负氧离子浓度较高时段为02—11时(峰值为10时),较低时段为13—23时(谷值为13时);日变化中,城市公园、高山茶园负氧离子浓度日较差分别为211个·cm-3、254个·cm-3。

2.2 气象要素对负氧离子浓度的影响

将研究时段内各小时观测资料进行平均,得到全年负氧离子浓度、气温、风速逐小时平均值,绘制全年负氧离子浓度日变化随气象要素变化曲线图。

2.2.1 气温对负氧离子浓度的影响 气温日变化呈“一谷一峰”型变化特征,凌晨06时气温降至最低,午后14时升高至日最高值。兔儿山公园负氧离子浓度日极值出现时间与气温较为吻合,日出之后,随气温上升,负氧离子浓度逐渐降低,14时后,负氧离子浓度随气温下降呈逐渐升高趋势。高山茶园负氧离子浓度日极值出现时间与气温略有差异,10时后,负氧离子浓度随气温升高逐渐降低,降至13时达日最低值,之后随气温下降不断升高,17时后,负氧离子浓度随气温下降而波动性下降(图4)。

图4 城市公园与高山茶园负氧离子浓度与气温日变化特征

2.2.2 风速对负氧离子浓度的影响 2 min平均风速呈“一峰一谷”型日变化特征,日最小值出现在06时,日最大值出现在15时。城市公园负氧离子浓度日极值出现时间与风速较为吻合,07时之后,随风速增大,负氧离子浓度逐渐降低,15时后,负氧离子浓度随风速减小呈逐渐升高趋势。高山茶园负氧离子浓度在10时之前,随风速增大呈升高趋势;10—13时,随风速增大不断降低;17时之后,随风速减小呈降低趋势(图5)。

图5 负氧离子浓度与2 min平均风速日变化特征

2.2.3 负氧离子浓度与气象要素相关系数 以全年负氧离子浓度平均值日变化为因变量,气象要素平均日变化值为自变量,采用SPSS软件进行单因素Pearson相关性分析。分析结果表明,负氧离子浓度日变化与气温呈显著负相关,其中城市公园负氧离子浓度日变化与气温呈极显著负相关(相关系数为-0.897,P<0.01),高山茶园负氧离子浓度日变化与气温呈显著负相关(相关系数为-0.438,P<0.05);负氧离子浓度日变化与风速呈负相关,其中城市公园负氧离子浓度日变化与风速呈极显著负相关(相关系数为-0.881,P<0.01),高山茶园负氧离子浓度日变化与风速呈显著负相关(相关系数为-0.416,P<0.05)。

2.2.4 不同天气状况对负氧离子浓度的影响 负氧离子浓度与天气状况关系密切,不同天气状况下负氧离子浓度变化不同。根据云量多少将天气状况分为晴天、多云、阴天、雨天在4种天气类型(表1),分别统计2站在4种天气状况下的负氧离子浓度日均值,并进行比较分析(图6)。分析结果表明:4种天气状况下负氧离子浓度有所差异,2站负氧离子浓度均为雨天最高,晴天次之,阴天和多云相对较低。雨水对环境空气有冲刷清洁作用,雨水的冲击会产生勒纳德效应,提升周围空气的负氧离子浓度,雨天,城市公园、高山茶园负氧离子浓度分别达2524个·cm-3、3503个·cm-3。阴天、多云天气,负氧离子的生成速率低于中和速率,负氧离子浓度较低。其中,城市公园负氧离子浓度阴天、多云分别较雨天降低15%、19%。

表1 不同天气状况划分标准

图6 4种天气状况下城市公园、高山茶园负氧离子浓度比较

2.2.5 不同降雨等级对负氧离子浓度的影响 由2.2.4可知,雨天能提高大气负氧离子浓度。根据国家标准 GB/T 28592-2012降水量等级[14],结合旌德县实际降雨特征,将降雨量划分为5种等级。分别统计2站无雨和5种降雨等级条件下的负氧离子浓度日均值,并进行比较分析(图7)。分析可知,随着降雨等级提升,负氧离子浓度逐渐升高。城市公园大雨等级下负氧离子浓度最高,达3222个·cm-3,较小雨时负氧离子浓度升高38.5%;高山茶园暴雨等级下负氧离子浓度最高,达3683个·cm-3,较小雨时负氧离子浓度升高4.1%,但达到大暴雨级别,2站负氧离子浓度均呈下降趋势。

图7 无雨、5种降雨等级条件下负氧离子浓度比较

上述研究表明暴雨天气条件下大气负氧离子浓度呈显著提高趋势。以2020年6月20日为例(暴雨天气),将2020年6月20日日降水量与负氧离子浓度进行比较(图8)。

图8 2020年6月20日城市公园、高山茶园日降水量与负氧离子浓度比较

2020年6月20日,城市公园降水时段出现在01—21时,随着降水量增大,负氧离子浓度明显升高(相关系数为0.63,P<0.01)。该日降水峰值出现在03—04时、06—07时、13—14时、17—18时,分别对应4个负氧离子浓度峰值段,07时由4243个·cm-3升高至5291个·cm-3。高山茶园降水时段出现在01—20时,负氧离子浓度与降水量呈显著正相关关系(相关系数为0.42,P<0.05)。降水量与负氧离子浓度峰值分别出现在05—06时、10—11时、16—17时、18—19时,19时升高至日最高值6670个·cm-3。说明强降水天气有助于负氧离子浓度增加。

3 结论和讨论

(1)高山茶园负氧离子浓度高于城市公园。众多研究表明林区负氧离子浓度高于城市区负氧离子浓度[9,15],针对茶园负氧离子浓度的研究较少,有待进一步研究。负氧离子浓度存在明显季节变化,夏季最高,冬季最低,春秋季次之,春季高于秋季,可能是由于夏季植物光合作用旺盛,植被覆盖率高,降水较多,负氧离子浓度相对较高。受江淮梅雨影响,强降水较多,湿度较大,负氧离子浓度于6月达最高值。

(2)负氧离子浓度日变化整体呈“一峰一谷”变化趋势,峰值出现在上午,谷值出现在正午前后。可能是由于正午时刻,植物光合作用减弱,空气湿度减小,负氧离子浓度降至日最低值。

(3)负氧离子浓度受气象要素影响,与气温、风速呈显著负相关;雨天负氧离子浓度最高,晴天次之,阴天和多云负氧离子浓度相对较低;随降雨等级提升,负氧离子浓度逐渐升高,城市公园升高更为显著,暴雨天气条件下大气负氧离子浓度显著提高。可能是由于强降水条件下,降水运动对水分子的剪切作用,其勒纳德效应增强,有利于负氧离子浓度的产生。