湘潭负氧离子浓度变化与气象要素的相关分析

何　宁，林明丽，赵红云，刘　灏

(湖南省湘潭市气象局，湖南　湘潭　411100)



湘潭负氧离子浓度变化与气象要素的相关分析

何宁，林明丽，赵红云，刘灏

(湖南省湘潭市气象局，湖南湘潭411100)

利用2014年5月—2015年5月湘潭负氧离子实况资料，分析了负氧离子季、月和日变化特征及其与气象要素的相关性。结果表明：①森林公园负氧离子浓度高于郊区，且森林和郊区负氧离子浓度的月季变化规律存在明显差异，森林表现为春高秋低，郊区则为夏高秋低；负氧离子浓度日变化规律，即夜间高白天低。②天气状态对空气负氧离子浓度存在显著影响。③负氧离子浓度除与相对湿度无相关外，均与日照、降水量、气温呈线性正相关。

负氧离子浓度；变化；气象要素;分析;湘潭

1　引言

随着社会经济的持续快速增长, 工业、交通运输业的蓬勃发展, 人们的生活水平得到了很大的提高,对生活质量也有了更高的要求, 整天忙碌的人们在闲暇之余, 选择了一种健康的、时尚的休闲生活方式，就是到森林中“洗肺”。 据有关研究，空气中的负氧离子在一定浓度下对人体健康十分有益，并被誉为“空气维生素和空气长寿素”，因此，负氧离子作为一种重要的森林资源越来越受到“洗肺人”的关注，生态旅游也越来越受到人们的青睐。空气负氧离子水平已成为评价旅游环境空气清洁度的重要指标。

据相关分析研究，空气中负离子的产生与存活与气象条件关系密切。目前，湘潭市已分别在韶山和昭山分别安装了负氧离子监测仪，但对负氧离子浓度变化、与气象因子的关系等分析研究仍为空白。韶山和昭山分别作为毛泽东故居·红色旅游圣地、长株潭的“绿心”，开展其空气负氧离子浓度与环境因子关系的分析研究，为下一步进行负氧离子预测模型的建立打下基础。同时，为拓展环境气象业务和服务，全面配合长株潭生态核心城市群的建设，推动生态旅游发展，具有十分重要的意义。

2　研究区概括与方法

2.1研究区概括

长株潭的“绿心”——湘潭昭山省级森林公园总面积820.9 hm2，其中林地面积659.4 hm2，森林覆盖率80.6%，位于长株潭“绿心”保护区核心区，与长沙石燕湖生态旅游风景区接壤，公园地理位置优越，自然风景秀丽。

毛泽东故居·红色旅游圣地——湘潭韶山属于典型的丘陵地带，总人口10万，总面积210.38 km2，森林覆盖率56%，自然生态环境优良，空气清新，有“天然大氧吧”的美誉。

2.2研究方法

昭山负氧离子观测点位于昭山风景园区内，地理位置为27.97°N，113.0°E，海拔高度为158.0 m；韶山站点位于韶山市气象局观测场内，地理位置为27.93°N,112.52°E,海拔高度为88.3 m。观测仪器均采用美国Epex大气负(氧)离子监测仪。负氧离子检测为全天候无人值守、自动监测。测报的离子值为3档，记录容量大，能记录129 600个数据(包括温度、湿度)，数据采样间隔时间为1 min，可连续保存3个月；测量误差：离子浓度≤±10%，迁移率≥1。

由于昭山监测站点的搬迁，为了研究数据的连续性和代表性，本文分析资料取自2014年5月—2015年5月分钟观测资料，日平均负氧离子浓度值为24 h算术平均，气象资料使用同时、同一地点观测资料。各季定义分别为夏季6—8月、秋季9—11 月、冬季12月—至次年2 月、春季3—5月。

3　结果与分析

3.1森林公园与郊区旷野负氧离子浓度比较

3.1.1负氧离子浓度地域变化 经统计，湘潭地区的昭山站和韶山站年平均负氧离子浓度分别为1 584个/cm3、914个/cm3，其中昭山站达到国际卫生组织规定的清新空气标准。根据两站负氧离子浓度数据表明：森林公园>郊区旷野。

上述两地负氧离子浓度差异的形成，表明空气负氧离子浓度受环境因素影响较大, 随地域和时间的不同而发生变化。一是负氧离子浓度随高度增加而增大[1]，昭山站海拔为158 m，负氧离子数量多，而韶山站海拔为88.3 m，负氧离子数量较少。另外昭山站地处风景园区山上，山地岩石中含放射性物质较多，尤其是在高山上紫外线、宇宙射线较强，太阳光照射到森林植物枝叶上会发生光电效应，山林下土壤疏松,岩石和土壤中的放射性元素容易逸出土壤而进入空气，树木与花卉释放出的芳香挥发性物质等都能使林区空气发生电离现象，加上绿地和树木有除尘作用，使林区空气中的负氧离子不仅浓度高,而且寿命较长；韶山站附近以水泥、沥青路面为主，阻隔了来自土壤的电离源[1]。二是昭山森林覆盖率达到80.6%，森林资源丰富，环境污染少，而韶山则只有56%，人类活动密集，大气气溶胶含量高，负氧离子容易吸附于气溶胶粒子发生沉降，负氧离子浓度仅为昭山的50%～60%，森林与郊区相比，空气负氧离子浓度可高出近二倍。三是2014年10月份韶山站点附近新修一条公路，人流、车流明显增多，大气污染严重，使空气负氧离子损失增多。

因此植树种草,搞好城市和居民区绿化,就等于为城市和居民区安装了空气调节器和负离子发生器。

3.1.2负氧离子浓度季变化从表1可以看出两地负氧离子浓度在季节上存在明显差异，韶山负氧离子浓度夏季高于冬季，而昭山则反，为冬季高于夏季，这与一些文献的研究成果有所不同。其中：昭山站冬季负氧离子浓度最高，秋季最小；韶山夏季负氧离子浓度最高，春季最小。

从表1还可以看出昭山站的空气负氧离子浓度是韶山站的1.7倍，尤其是春季，高出3倍以上，冬季次之，高出约2倍。由于春冬季逆温效应使空气污染严重，而森林内除了枯落物层的保温作用外，林冠层也起着缓和气温变化的作用，阻挡了林内长波辐射的热失散[1]，逆温效应不明显，加上林内风小，水汽不易向外扩散，空气湿度比城市大，更易形成负氧离子，致使春冬季昭山站负氧离子浓度明显高于韶山站。因此建议人们可以选择春冬季到森林公园游玩，以呼吸到负氧离子浓度相对较高的清新空气。

表1　湘潭负氧离子浓度季节分布(单位： 个/cn3)

3.1.3负氧离子浓度月变化从图1看出，昭山月平均最大浓度值为1 969个/cm3，出现在2014年5月，月平均最小浓度值为1 120个/cm3，出现在11月。一年中有6个月(12—次年5月)大于平均值，有6个月(5—11月)小于平均值，月最大变幅为768.4个/cm3。韶山月平均最大浓度值为1 522个/cm3，出现在2014年5月，月平均最小浓度值为541个/cm3，出现在3月，月最大变幅为438.1个/cm3。

图1　湘潭负氧离子浓度月际变化Fig.1　Monthly Viration of Negative oxygen ion concentration in Xiangtan

3.1.4负氧离子浓度日变化湘潭负氧离子浓度除具有明显的季、月变化特征外，还具有一定的的日变化规律。本文选取了韶山站2015年3月2日(阴天)的负氧离子浓度作分析。从图2可以看出，空气负氧离子浓度分布呈W型，05时之前较高，而后开始下降，08时负氧离子浓度降到最低，之后浓度逐渐增大，14时左右达到第二高峰值，17—18时再次降至最低，之后迅速升至一日中最高峰值。空气负氧离子浓度有夜间高、白天低的日变化规律，最大值出现在夜间后期和晨间早期时段，有时午后出现第二高值，最小值出现在早晨和黄昏时段，由于是早晚上班的高峰期，人流、车流明显增多，大气气溶胶粒子的密度增大，使空气负氧离子损失增多，而夜间人类活动减少，大气气溶胶含量减少，空气质量较好，因此负氧离子浓度增大。一定程度上说明07时之前空气较为清新，因此建议人们最好选在此时段进行晨练活动。

图2　2015年3月2日韶山负氧离子浓度逐时变化Fig.2　Hourly variation of negative oxygen ion concentration of Shaoshan on March 2nd,2015

3.1.5天气状况对空气负氧离子浓度的影响为了研究在其他条件变化不大的情况下，同一环境在不同天气条件下的空气负氧离子变化规律[8]，选取了阴天、晴天、大雾、雨天4种不同天气情况进行分析。为便于比较以及实验结果的准确性，且能在短期内经历这4种天气，选择春季进行观测，得出各种天气的观测结果如图3。从图3可以看出，4种不同天气条件下，昭山和韶山的空气负氧离子浓度差异较大，中午12时前，较能体现负氧离子浓度因天气产生的不同，波动较明显，出现峰值的时间均有雷雨或降水较清楚，或是在雷阵雨之后的几小时内。12时之后，林区的负氧离子浓度变化趋于平稳。尤其是有雾天气，林区和郊区的负氧离子浓度均在10时之前处于低值，11—12时出现最大，13时之后浓度随时间而减少，负氧离子浓度基本持续较低状态，因此建议人们尽量减少在大雾发生时段出门。总体上不同的天气状况，负氧离子浓度大小关系依次为：雨天>晴天>阴天>大雾。

图3　昭山(a)和韶山(b)不同天气空气负氧离子数Fig.3　negative oxygen ion concentration under different weather condition, Zhaoshan (a), Shaoshan (b)

4　负氧离子浓度与气象要素关系分析

研究表明[9-10]，月平均温度、月平均相对湿度、月日照、月降水量、月极端最高气温、月最小相对湿度等气象因子对负氧离子浓度有很大影响。根据负氧离子逐日资料与同步观测的气象要素资料，将负氧离子浓度月均值和当月的日照、降水量、气温和相对湿度等气象要素分别进行相关性检验，得到一元线性回归方程y=a+bx,对表2和图4进行分析，当显著性水平α=0.1时R(10)=0.497 3，α=0.05时R(10)=0.576，α=0.02时R(10)=0.658 1。

表2　负氧离子浓度与气象因子关系的一元线性回归结果

结果表明：

①负氧离子浓度与降水量、月极端最高气温之间呈正相关关系，但线性关系不显著，由于影响y取值的，除了x外，还有其他不可忽略的因素。

③负氧离子浓度与月平均相对湿度、月最小相对湿度之间无相关性，且不具有显著的线性关系。

④负氧离子浓度与月平均气温呈正相关关系；由于α=0.1时，R平均温度>R(10)，所以平均温度与负氧离子浓度之间线性关系比较显著。气温越高，大气层结不稳定，空气分子运动剧烈，空气分子间、植物间的摩擦越强,电离作用也越强，负氧离子浓度也就越大[3]。

5　结论与讨论

图4　负氧离子浓度随月极端最高气温、降水量、日照、温度变化图Fig.4　The Variation of negative oxygen ion concentration with the change of monthly maximum temperature, precipitation, sunlight and temperature

①昭山森林公园负氧离子浓度高于韶山郊区，年平均负氧离子浓度为1 584个/cm3，空气清新，有益于身心健康；韶山负氧离子浓度含量较低，绿化工作有待加强。

②森林和郊区负氧离子浓度的季变化规律存在明显差异，森林表现为春高秋低，郊区则为夏高秋低；负氧离子浓度还呈日变化规律，即夜间高白天低。

③天气状态对空气负氧离子浓度存在显著影响。总体上大小关系依次为雨天>晴天>阴天>大雾。可根据天气变化，选择在雷阵雨过后的晴朗天气出行旅游。

④负氧离子浓度除与相对湿度无显著相关外，均与日照、降水量、气温呈线性正相关。

⑤上述结论是在湘潭2014—2015年观测资料数据基础上给出的，由于资料年份短、样本量少，分析结论难免有局限性。随着长期观测和研究的不断深入，对负氧离子浓度的分析将会更加完善。

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Fluctuation of Negative Oxygen Ion Concentration and Its Influence of Meteorological Elements in Xiangtan

HE Ning，LIN Mingli，ZHAO Hongyun，LIU Hao

(Xiangtan Meteorological Bureau, Xiangtan 411100, China)

Based on the observation data of negative oxygen ion concentrations and meteorological data from May in 2014 to May in 2015 in Xiangtan, the seasonal, monthly and daily variations of negative oxygen ion concentrations and the relationships between negative oxygen ion concentrations and meteorological factors were analyzed. The results show that negative oxygen ion concentrations are obviously different in different seasons, months and days. Negative oxygen ion concentrations are higher in the forest than in the suburb, negative oxygen ion concentration is lower in the daytime than in the night; Weather influences significantly the concentration of air negative ions; The negative oxygen ion concentration has close correlation with meteorological elements; The monthly average concentration of negative oxygen has positive correlation with monthly average; temperature, sunlight and moisture.

negative oxygen ion; fluctuate of concentration; meteorological elements; correlation analysis; Xiangtan

1003-6598(2016)02-0065-05

2015-11-24

何宁(1990—)，女，助工，主要从事气象预报工作，E-mail:504529104@qq.com。

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