融水县空气负离子浓度的时空变化特征分析

收稿日期：2024-02-13

作者简介：何杭骏（1994—），女，云南玉溪人，研究方向为应用气象学（公共服务方向）。#通信作者：张凌云（1975—），女，广西柳州人，研究方向为天气预报及服务，E-mail：yxl2zsys@163.com。

摘 要：利用融水苗族自治县双龙沟站（2018—2022年）、体育公园站、三友瀑布站（2021年7月—2022年7月）空气负离子浓度数据及气象资料，分析了融水县县城区域和乡村区域的空气负离子浓度时空变化特征和不同时间尺度下各种因子对空气负离子浓度的变化影响。结果表明：（1）融水县乡村区域空气负离子浓度年变化和季节变化特征明显，且峰值出现时间和融水县的汛期基本同步。夏季日平均值最大且日变化剧烈，这是雨滴碰撞导致的。（2）县城的年变化特征不明显，县城浓度日平均值冬季较大、日变化特征明显。冬季空气负离子浓度的增加与人类活动的减少和冬季的阴雨天气有关。（3）降水过程中的充沛的水汽条件和降水运动对水分子的剪切作用，与Lenard效应的叠加是乡村区域空气负离子浓度高的主要原因。雨天的空气负离子浓度日变化不再遵循季节性的日变化特征，其浓度明显受到降水的影响。在融水县乡村区域，雨量越大，空气负离子浓度越大。

关键词：空气负离子；浓度；时空变化特征；气象因子

中图分类号：X51 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）04–0-03

根据地理物理学和大气测量学国际联盟的大气联合委员会采用的理论，空气负离子就是O2（H2O）n，或OH-（H2O）n，CO4（H2O）2，是带负电荷单个气体分子及其轻离子团的总称。由于氧分子比CO2、N等分子更具有亲电性，因此氧分子更容易形成负离子，所以空气负离子主要由空气负离子组成，故常被称为空气负离子。空气负离子常带负电，容易与空气中细菌、灰尘、烟雾等带正电的微粒一起沉淀成中性微粒，达到净化空气的目的。空气负离子具有降尘、杀菌、清洁和保健的作用，对人体的某些疾病有着辅助治疗的作用，也是反映空气质量的一个重要指标。较高浓度的空气负离子具有多种潜在的生物学功能，因此空气负离子更是一类重要的健康旅游资源。

目前对空气负离子的研究涉及很多方向，包括空气负离子的捕获方式；在森林公园、城市绿地方面的应用；对不同下垫面条件下空气负离子的时空特征变化的研究；对气象因子、植被种类等各种要素对空气负离子浓度变化影响的研究；对空气负离子浓度预测方法的探索等。其中余娟[1]研究了贵州特殊的洞穴条件下的空气负离子时空变化及来源，认为空气负离子的富集受到通风效应、洞内人类活动、洞道形态、海拔、滴水、洞外天气状况等环境因子，以及温度、湿度、CO2、风速等气候因子的综合影响。黄世成等[2]认为日平均水气压是影响空气负离子浓度最大的直接和间接气象因子。庆涛等[3]认为南京市江宁区不同季节下气象因子与空气负离子相关性不同，夏季空气负离子浓度与气压呈负相关，而与降水量、气温、日照时数、日净全辐射呈正相关。许鸣等[4]得出了丽水市空气负离子浓度值与温度呈负相关关系，与湿度、日照时数呈正相关的结论。汤浩藩等[5]通过对南昌市城郊针阔混交林的研究，认为空气负离子浓度与PM2.5浓度呈负相关，与相对湿度呈正相关。

不同季节、不同环境条件下的空气负离子浓度受气象要素的影响不同，空气负离子浓度具有较强的瞬变性，加上监测设备等存在的差异，导致结论差异较大。以往研究侧重于对大城市的休闲公园、森林绿地的空气负离子浓度进行分析，为城市规划、环境污染管理等提供理论依据，针对乡村区域的空气负离子研究较少。为了助力乡村振兴和发展乡村生态旅游，根据位于县城和乡村2个不同环境下的3个空气负离子站数据，分析了融水县的空气负离子浓度的时间变化规律，以及空气负离子浓度的影响因子。

1 数据与方法

1.1 研究地概况

融水县位于广西壮族自治区北部，属中亚热带湿润季风气候区，四季分明，气候温和，降水丰沛，光照充足。融水县依托良好的自然生态资源，大力发展特色乡村旅游产业。2020年12月融水县被评为“国家全域旅游示范区”。

融水县3个空气负离子站分别建在双龙沟景区、体育公园和三友瀑布景区。体育公园站位于县城，周围以草坪绿化为主，双龙沟站和三友瀑布站位于乡村，植被茂密，三友瀑布站位于瀑布旁。

1.2 观测仪器与数据获取

汇总整理经过质控后的双龙沟站（2018—2022年）、

体育公园站和三友瀑布站2021年7月—2022年7月空气负离子浓度数据和距离最近的地面站同步气象要素观测资料，使用Origin 2021软件绘制空气负离子时间变化特征图，采用SPSS 25统计软件对空气负离子浓度数据和气象因子在不同时间尺度上的Pearson相关性分析。

2 融水县空气负离子浓度的时间变化特征

2.1 融水县空气负离子浓度的年变化特征

位于乡村的双龙沟站和三友瀑布站年变化特征明显，峰值处于融水县的主汛期（5—7月），双龙沟在5月份（8 117.3 个/cm3），三友瀑布在6月（7 386.7 个/cm3）。

同时，2个站都在11月有一个次峰。双龙沟的空气负离子增加从3月开始，到5月份融水县强对流天气频发，雷暴、强降雨天气增多，空气负离子浓度到达峰顶，6月正式进入汛期，融水县天气转为连续性的暴雨，空气负离子平稳回落。夏季后期到秋季前期的干旱使空气中的湿度下降，温度升高，对植物光合作用不利，空气负离子浓度到达谷底，随着秋雨对旱情的缓解，空气负离子浓度回升。三友瀑布的空气负离子浓度回升比双龙沟晚一个月，主要受瀑布效应的影响。位于县城的体育公园站的年变化特征不明显，空气负离子浓度月平均值除了在1月出现一个大值（3 755.2 个/cm3），

其余月份在2 000 个/cm3左右波动。

2.2 融水县空气负离子浓度日变化的季节性特征

为研究融水县乡村和县城的季节变化差异，采取2021年7月到2022年7月的空气负离子小时数据进行统计分析（图1）。

由图1可知，三友瀑布站夏季空气负离子浓度日平均值最高，秋季和冬季次之，春季最低，秋季略高于冬季。此站各季节的空气负离子浓度大体上呈现凌晨到中午（0：00～11：00）浓度大于中午到夜晚（12：00

～23：00）的规律，且白天变化比夜间剧烈。一天的最高值在7：00～8：00，春、秋季最低值出现在0：00～23：00，

夏、冬季出现在15：00～16：00，最低值和最高值的趋势和平均值趋势一致。夏季的日变化比其他3个季节波动剧烈。

双龙沟站夏季空气负离子浓度日平均值最高，春季次之，秋季和冬季最低，秋季略高于冬季。该站春季空气负离子浓度大可能是因为长时间的连阴雨，连阴雨导致湿度提高，同时雨滴可以与空气中的灰尘等大离子结合，使空气负离子的寿命增加。春、秋、冬季空气负离子浓度日变化不明显。秋、冬两季在午后波动较为剧烈，峰值出现在14：00～16：00。

因为三友瀑布站位于瀑布旁边，该站一年四季日变化都较为剧烈，水体在撞击和喷射过程中加快正负电荷的分离，水流速度越快，相应摩擦产生的电离能越大，周边环境的空气负离子浓度越高，同时水的喷溅过程可以达到湿沉降的效果，有效减少大气悬浮颗粒物，来源于水的空气负离子具有较长的寿命。

体育公园站位于县城，日变化的季节趋势与其他2个站明显不同。冬季空气负离子浓度日平均值最高，且日变化波动剧烈；春、夏、秋季日平均值按秋季＞夏季＞春季排列，且日变化不明显。日变化最低值的出现时间与县城居民到体育公园散步和夜间活动的时间相符，人类活动增加了大气悬浮颗粒物，吸附空气负离子并沉降导致空气负离子浓度变低。融水县城冬天依然有常绿植被覆盖，植被生长代谢活跃，有利于空气负离子的生成。

3 空气负离子浓度与多因子的相关性分析

3.1 不同时间尺度下空气负离子浓度与多因子的相关性分析

选取双龙沟站2018—2022年及三友瀑布和体育公园站2021年7月—2022年7月的空气负离子数据与对应时间段的相关要素，分析不同时间尺度下县城区域和乡村区域各影响因子与空气负离子浓度的相关性。

乡村区域的2个站降水量与空气负离子的日浓度、

月浓度均呈极显著正相关关系。有学者认为降雨落在森林，与叶片、土壤等撞击的过程与瀑布拍打岩石的效果类似，降水过程中充沛的水汽条件和降水运动对水分子的剪切作用，与Lenard效应的叠加可能是2个站在降水过程中空气负离子浓度高的原因。

对于日浓度来说，县城区域平均风速和CO与空气负离子浓度呈极显著正相关关系，水汽压、气温、O3、PM10、PM2.5与空气负离子浓度呈极显著负相关关系。县城区域的空气负离子月浓度和平均风速和CO在0.05水平上呈显著正相关关系。对于县城来说，平均风速和污染物对空气负离子浓度的影响较大（表1～表3）。

对比乡村区域和县城区域，气压、水汽压和风速在不同的环境条件下得出相反的结论，由于环境条件和时间尺度的变化，温度和湿度甚至有时与空气负离子浓度不相关，说明在融水县空气负离子浓度与气压、水汽压、温度、湿度的关系较为复杂且不确定。

3.2 降水对融水县乡村区域空气负离子浓度的影响

鉴于降水量和融水县乡村区域的空气负离子浓度相关系数较大，进一步分析不同降水过程和不同降水量级与融水县乡村区域空气负离子浓度的关系。选择三友瀑布站2021年7月—2022年7月的空气负离子浓度数据和香粉站的降水量数据进行分析。从降水过程的空气负离子浓度变化分析，雨天的空气负离子浓度日变化不再遵循季节性的日变化特征主要受降水影响。春季和夏季的典型雨日（2022年2月6日和2021年7月4日），空气负离子浓度的峰值均出现在降雨之后1 h，而秋季和冬季（2021年10月29日和2022年1月8日），空气负离子浓度的峰值则均出现在降雨后3 h。

春、夏季的峰值延迟时间缩短可能是瀑布和降雨的叠加作用导致的。不同等级降水量对空气负离子浓度的影响程度不同，随着降水量增加，空气负离子浓度也随之上升，其波动范围也随之扩大，当降雨为暴雨到大暴雨量级（R=50～100 mm）时，空气负离子浓度最大。而有学者认为当出现暴雨天气时，由于降雨可能会冲刷掉一定浓度的空气负离子，空气负离子浓度反而下降，这与本文的结论不符。一方面是由于降雨落在瀑布上空气负离子浓度会更高，超过了被冲刷掉的空气负离子浓度；另一方面可能与其他气象因子互相作用的不同有关。

4 结论

讨论了不同时间尺度融水县位于县城和乡村区域的3个站的空气负离子浓度变化、气象因子和污染物因子对空气负离子的影响。但数据量有限，且影响空气负离子浓度的因子较为复杂，除了气象因子，还要考虑植被、海拔、人类活动等其他因素，因此未能对融水县空气负离子浓度建立预测模型。融水县拥有丰富的空气负离子资源，建议当地进一步对空气负离子进行研究，以便更好地开发利用。

参考文献

[1] 余娟.龙打岩洞空气负离子时空分布特征及影响因素研究[D].贵阳：贵州师范大学，2021.

[2] 黄世成，徐春阳，周嘉陵.城市和森林空气负离子浓度与气象环境关系的通径分析[J].气象，2012，38（11）：1417-1422.

[3] 庆涛，夏斌，汪笑，等.南京雷暴天气异常的环流背景分析[J].现代农业科技，2019（23）：173-176.

[4] 许鸣，张建国，葛扬.丽水市空气负离子浓度分布的时空特征及其影响因素[J].园林，2020（6）：76-81.

[5] 汤浩藩，吴巧花，王丽艳，等.南昌市城郊针阔混交林负氧离子浓度及其影响因子研究[J].林业资源管理，2022（5）：84 -90.