乌鲁木齐负氧离子浓度的分布特征

蔡仁，买买提·阿布来提，廖菲

（1.乌鲁木齐市气象局，新疆乌鲁木齐 830002；2.广州市气象台，广东广州 511430）

空气负离子是指获得多余电子的带负电荷的空气离子，因空气中氧分子化学性质活泼优先获得电子，故也称为负氧离子，广泛分布于自然环境中，如森林和湿地。它是森林有效清除空气中有机污染物、提升空气质量的重要载体，已成为衡量一个地区空气清洁度的重要指标之一，同时具有多种抗菌作用和生物学效应，对人体的心理和生理机能具有重要的促进作用，被誉为“空气维生素”［1-4］。许多研究表明，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［3-5］，在空间上的分布与植被覆盖度对应［6］，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［6-9］。在不同季节里，空气中负氧离子浓度通常夏秋高于冬春，且夏季最高、冬季最低［10-11］。除此之外，温度、气压、湿度、天气状况等气象要素对空气负氧离子浓度的影响很大［11-12］。林晓青等［13］还结合人体舒适度、温湿指数、风寒指数、度假气候指数结合负氧离子浓度等级对陆河生态气候休闲养生适宜性进行统计分析。

乌鲁木齐市地处北天山北麓，准噶尔盆地南部，地势起伏悬殊，由东南向西北降低，市区三面环山，南部、东北部高，中部、北部低。为了解乌鲁木齐的空气负氧离子分布情况，自2019年12月起，在乌鲁木齐南部的天山北麓地区，选择森林覆盖较多的西白杨沟景区、天山大峡谷景区作为森林水体区代表站，天山区气象局作为城市区代表站开展了观测。本研究依托截止到2021年12月共3年的观测数据，分析乌鲁木齐空气负氧离子分布特征，了解天山对城市空气负氧离子资源的影响，为合理评价乌鲁木齐空气的清新度提供参考。

1 资料与方法

白杨沟站、大峡谷及市区站所使用的仪器为EPEX研制的HY3000大气负氧离子自动测报仪，测量分辨率为1 cm-3，观测频次包括标准和加密（标准：1次／h、加密：1次整10 min、加密：1次／min）。该设备由新疆自治区气象装备中心定期检定，由乌鲁木齐环境监测中心定期鉴定，以确保数据可靠。

负氧离子观测站点也位于区域自动气象站旁，因此可获得同步的气象要素数据，包括气压、气温、湿度、平均风速、日照时数等，数据经新疆自治区气象局业务数据质量控制处理。

数据处理时，主要运用数学统计的方法进行小时、日、月等平均和统计计算，借助相关分析法等分析负氧离子与气象要素之间的关系等。

2 结果与分析

2.1 日变化

利用3个站2年的空气负氧离子浓度观测数据，统计得到了日逐小时的平均空气负氧离子浓度值，图1给出了3个站的日变化分布。相比于城市站而言，山区森林地区的两个测站的空气负氧离子浓度明显更高，其中，仅代表森林的白杨沟站，其空气负氧离子浓度在1 200 cm-3；而代表有水体的森林站（大峡谷站），空气负氧离子浓度基本维持在20 000 cm-3以上，接近城市站的5倍。虽然3个测站的空气负氧离子浓度存在明显差异，但3个站的日变化均具有双峰分布特征；2个森林站的空气负氧离子浓度极大值出现在两个时段，分别是早晨的07：00—09：00（北京时，下同）和夜间的00：00左右，市区站点白天空气负氧离子浓度极大值出现时段与森林站相似，但夜间的极大值略早，大约在20：00。森林站的日变化相对明显，极大值比极小值往往可高出800 cm-3，但市区站点在一天之日的变化幅度较小，通常起伏变化程度约为±100 cm-3。

图1 各站负氧离子浓度的日变化

另外，根据观测数据还分类统计了不同季节的日变化（图略）。与图1相似，4个季节负氧离子浓度的分布规律基本一致，白天的空气负氧离子浓度低于夜晚，一天之中中午是空气负氧离子浓度最低的时候。与冬春季相比，夏秋季空气负氧离子浓度在夜间明显相对较大。

不同天气背景和气象条件对空气负离子浓度有明显的影响。为了解天气对乌鲁木齐本地空气负离子浓度的影响，将近3年观测期间的天气背景分为晴天、多云、阴天、雨、雪、雷雨、雾等7种天气类型，利用3个站的全部数据，给出了对应的空气负离子平均浓度（表1）。

表1 空气负氧离子浓度和天气现象对应分布

很显然，当天空是以晴为主，不管云量多寡，相比于有降水的天气而言，其空气空气负离子平均浓度都相对较小。不过，晴朗少云时空气负离子平均浓度达到1 850 cm-3，比晴朗多云时高出830 cm-3，这一数值超出了乌鲁木齐市区站的年平均值，可见充足的阳光对空气负离子的产生是有利的。在有雨的情况下，空气负氧离子平均浓度比晴空条件下会明显增加，即便是雾天，空气负氧离子浓度平均浓度也有1 820 cm-3；当出现雨雪天气时，空气负氧离子平均浓度则大幅增大，都超过2 000 cm-3，其中固态降水（雪）时比液态降水（雨）时空气负氧离子平均浓度略偏小200 cm-3，无论是单纯性的降雨时空气负氧离子平均浓度最高，可达到2 650 cm-3，与大峡谷在夏季早晨时段的浓度类似。介于上述两种天气（晴天、雨天）之间的阴天情况，空气负氧离子平均浓度仅为1 460 cm-3，仅高于多云天气。

可见，对于乌鲁木齐市的3个测站所处环境，降水的出现对于空气负氧离子的增加是非常有利的，此时空气负氧离子平均浓度往往是最高的。而在无降水的天气背景下，晴天（阳光充足）时空气负氧离子平均浓度为次大值。尽管阴天时阳光不充足，但相比于多云天气，其空气负氧离子平均浓度相对较大，因此，多云条件下空气负氧离子平均浓度最低。这一现象的原因有待于进一步的研究。

2.2 月变化

作为我国天山南麓的观测站点，其逐月平均的空气负氧离子浓度分布也具有典型的分布特征（图2）。从全年来看，3个测站的逐月空气负氧离子浓度分布呈现单峰型的分布特征，这与其它森林或城市站的分布有所不同（如胡梦玲等［15］森林站表现为多峰型）。全年空气负氧离子浓度高峰集中在7月左右，对应该地区的夏季；空气负氧离子浓度低值在冬季（1月）。同时，相比于其它两个站而言，伴有水体存在的森林站（大峡谷）的空气负氧离子浓度高峰能持续到11月，可见下垫面环境对本地空气负氧离子浓度影响是明显的。

图2 不同区域空气负氧离子浓度逐月变化

就单站的空气负氧离子浓度值来看，不同下垫面环境下也存在显著不同。月平均空气负氧离子浓度的大小，总体是大峡谷＞白杨沟＞市区。其中，大峡谷站全年最低月平均浓度约2 300 cm-3，比白杨沟站7月份的最高值也高出约300 cm-3；相似地，白杨沟全年空气负氧离子浓度最低的月份（12月），其浓度约1 000 cm-3，也比市区站空气负氧离子浓度最高的月份（7月）高出约200 cm-3。

从月变化分布来看，城市站的月变化不太明显，全年各月的空气负氧离子浓度相对平稳，且浓度较低，这与其它城市站也相类似［15］。而森林站中，季节变化所伴随的植物生长快慢，能明显的影响空气负氧离子浓度。夏季日照时间长，太阳辐射强、植物光合作用强、气温高、雷雨天多，空气负氧离子浓度达到峰值，并且当水体存在时，从夏季转秋季的转折过程中，空气负氧离子浓度的变化是相对平稳的（大峡谷站），而不会出现较为快速的下降特征（白杨沟站）。而冬季植物叶片脱落，光合作用较弱，各站在全年冬季都是最低的空气负氧离子浓度。

2.3 空间分布

分布在乌鲁木齐市的3个测站，代表着乌鲁木齐市典型的3种下垫面环境。大峡谷站在乌鲁木齐市西南侧，位于天山北坡低山带，海拔2 000 m左右，以原始雪岭云杉林为主，周边没有高大山体的遮挡；而白杨沟站虽然与大峡谷站类似，但其位于天山北坡中山与低山过渡带，海拔约2 200 m，周边大山较多；而市区处于盆地，海拔较低，三面临山。

由于植被的大量覆盖，在乌鲁木齐西南侧的天山地区，空气负氧离子浓度常年较大，大峡谷站年平均值2 949 cm-3，年最大值3 315 cm-3，年最小值2 315 cm-3，远高于世界卫生组织“清新空气中负离子含量不应低于1 000 cm-3”的规定；而白杨沟站年平均值1 430 cm-3，年最大值1 987 cm-3，年最小值1 025 cm-3；市区年平均值486 cm-3，年最大值708 cm-3，年最小值386 cm-3。

2.4 气象要素对空气负氧离子的影响

1）负氧离子与雷电、气温、空气相对湿度的关系。

从2.1节分析可知，乌鲁木齐市空气负氧离子浓度在雨天和雷雨天气时最高。为进一步了解与之相关的气象条件与空气负氧离子浓度的关系，选取相对湿度、雷电频次、气温等气象因素，利用统计学方法开展了相关分析。

从图2和图3可以看出，夏季是乌鲁木齐市雷电活动频繁的季节，峰值集中在6—7月，最大值出现在7月（图3），对应白杨沟站7月也出现空气负氧离子浓度最大值（2 000 cm-3），并且其浓度比无雷电时期（10月至次年4月）高出最多达800 cm-3。在市区站虽然7月出现空气负氧离子浓度最高值（800 cm-3），比无雷电时期高出约400 cm-3。

图3 各站雷电次数

虽然7月大峡谷是3个站中雷电最为活跃的区域，但其空气负氧离子浓度分布与雷电频数的逐月分布并无明显的一致性。可见，雷电活动对于有水体的森林（大峡谷站）的空气负氧离子浓度的影响不明显，但能提高一般的环境（森林、市区）的空气负氧离子浓度。

从全年的气温演变来看，各站均表现出夏季（7月）出现最高气温的单峰型分布（图略），其中3站中大峡谷站月平均温度最低，白杨沟站次之，市区月平均温度最高，气温的演变与闪电频次的分布有相似分布。结合对应的空气负氧离子浓度来看，气温的演变趋势也是与白杨沟站和市区站的空气负氧离子浓度有着相一致的变化，而大峡谷站空气负氧离子浓度与气温的变化相关性并不明显。

受森林和水体的影响，大峡谷站全年均保持较高的相对湿度，除9月低于60%、10月高于80%外，其他月份均保持在70%左右（图4）。虽然市区站冬季相对湿度较高，这主要是因为冬季城市逆温层的影响，其它季节通常都低于50%。对于以森林为主的白杨沟站及大峡谷站，由于植被以针叶林为主，在相对湿度较高的大峡谷站空气负氧离子浓度更高，说明相对湿度较高的环境条件有利于空气负氧离子的增加，而如果缺乏植被的覆盖，即便相对湿度更高（如市区站的冬季），其空气负氧离子浓度也不会有明显的增多现象。

图4 各站相对湿度月平均值分布

3 结论

为了解天山北麓乌鲁木齐的生态气象环境，利用分布在城市和郊外森林不同下垫面环境的大气负氧离子自动测报仪，研究分析了城市及周边空气负氧离子浓度分布变化特征，结果如下：

1）空气负氧离子浓度具有日变化特征。白天的空气负氧离子浓度低于夜晚，其中中午空气负氧离子浓度最低；夏秋季比冬春季日变化大。市区站的日变化最小，代表森林水体的大峡谷站日变化最大。

2）空气负氧离子浓度月变化特征不一。从相对起伏变化量来看，市区站的月变化不太明显且浓度较低；白杨沟站逐月空气负氧离子浓度在各站中次大，且夏季最高，全年呈单峰型分布；大峡谷站位于有水体存在的森林地区，空气负氧离子浓度在各站中最大（平均值达2 949 cm-3），月变化平稳，其冬季空气负氧离子浓度仍然较高。

3）不同的天气条件对空气负氧离子浓度影响明显。降水的出现对于空气负氧离子的增加是非常有利的，此时空气负氧离子平均浓度往往是最高的。晴天时空气负氧离子平均浓度次大，多云条件下空气负氧离子平均浓度最低。

4）气象因素对空气负氧离子浓度的影响各有不同。对于周边无水体存在时（如市区站、白杨沟站），较高的气温和相对湿度、雷电活动多都有利于空气负氧离子浓度增大，在相同的气象条件下，植被覆盖多时空气负氧离子浓度也更大。但对于周边存在水体和较多植被时（如大峡谷站），气温升高和雷电活动增强对空气负氧离子浓度的影响并不明显，相对湿度与空气负氧离子浓度的分布较为一致，可见湿润的空气环境对这类地区的空气负氧离子浓度维持和增加是有利的。