江西大岗山负离子浓度与气象因子之间的响应关系

张嘉昕，邹嘉南

1. 南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室，江苏 南京 2100442. 南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 2100443. 中国气象局 气溶胶与云降水重点开放实验室，江苏 南京 210044

0 引 言

近年来，大气环境质量备受关注，空气质量的好坏对人类健康起着重要的影响作用。空气负离子(简称“负离子”，下同)为环境空气质量的评价指标，其浓度的大小直接影响着空气质量(谭静等，2017)。负离子对空气中的悬浮颗粒物进行吸附和沉降，从而起到净化空气的作用(袁相洋等，2014)。相关研究表明，一定浓度的负离子能对人体的生理状况和心情起到改善作用(彭巍等，2020)，并可以抑制呼吸系统疾病(Alexander et al, 2013)，提高睡眠质量(Perez et al, 2013)。在城区和室内，因环境污染严重且空气不流通，负离子浓度一般较低。负离子浓度为700—1 000 个/cm3或者超过1 000 个/cm3时, 就有保健作用，当其大于1 000 个/cm3时，能够缓解、抑制和辅助治疗人体的多种疾病(黄建武和陶家元，2002)。因此，空气负离子也成为“中国天然氧吧”建设的重要评价指标和人们旅行度假选择的重要依据。

国内外很多学者对不同地区负离子浓度的分布及其变化进行了研究，发现负离子浓度的变化与环境温度、湿度、气压、气候状况、植被类型、社会活动等因素相关(曾曙才等，2007；白保勋等，2016；杨旭升，2017；吴迪等，2017；高兴和张冬有，2018)。其中很多研究探讨了负离子浓度的时空变化与气象因子的相关性，但是，针对负离子浓度的突变尚未深入探讨。暴雨、雷电、紫外线 (太阳辐射) 等天气现象有利于空气中各种电离反应并释放电子。雷雨过后，空气中的负离子数目可突变至10 000 个/cm3以上(叶彩华等，2000)。

本研究基于江西大岗山森林生态地面标准气象观测场内2019年度空气负离子浓度监测数据和气象监测数据，分析了不同季节和不同天气条件下负离子浓度与空气温度、湿度的关系，以及空气温度、湿度的不同变化幅度对于负离子浓度的影响，并对暴雨过程中负离子浓度的突变及其与降雨量的相关性进行讨论，以期为江西大岗山地区的生态资源研究和江西省“中国天然氧吧”的建设提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究区域

此次观测站点为江西大岗山森林生态系统国家野外科学观测研究站(简称“大岗山站”，下同)。该台站位于江西省分宜县，其经度范围为114°30′—114°45′E，纬度范围为27°30′—27°50′N。台站内气候属于亚热带湿润气候，其夏季炎热多雨、冬季温暖湿润，无霜期265 d，4—6月份的降雨量占全年的45%。该气候有益于植被的生长，台站的地带性植被为亚热带常绿阔叶林。

1.2 数 据

本次采集负离子浓度所使用的空气负离子监测仪为云创HQWAS-200PRO，采样时间为2019年3月—2020年2月。采集空气温度和湿度使用的自动气象站型号为美国DavisVantagePro2。2019年中国地面降水日值0.5°×0.5°格点数据集来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn)。

2 负离子浓度与温度、湿度的相关性分析

2.1 日变化特征

分析空气负离子浓度与温度的日变化(图1)可见，春季(3—5月)大岗山观测场内负离子浓度日均值为1 406 个/cm3，日最高值出现在13时，最低值出现在凌晨1时。07:00—13:00(BT，下同)和19:00—23:00负离子浓度总体随空气温度的升高而上升，随空气温度的降低而下降。在00:00—07:00和14:00—17:00负离子浓度随空气温度的升高而下降，随空气温度的降低而上升。由此可见，春季负离子浓度与温度之间没有明显的相关性。夏季(6—8月)，负离子浓度日均值为1 384 个/cm3，日最高值出现在09时和21时，最低值出现在13时。负离子浓度在大部分时间随空气温度的升高而下降，随空气温度的降低而上升。只有在08:00—10:00负离子浓度随气温的升高而增大，在22:00—00:00负离子浓度随气温的降低而减少。因此，夏季负离子浓度与温度之间可能为负相关。秋季(9—11月)，负离子浓度日均值为1 432 个/cm3，日最高值出现在12时，最低值出现在07时和17时。秋季负离子浓度大体上随空气温度的升高而上升，随气温的降低而下降。只有17:00—19:00和22:00—23:00负离子浓度随着空气温度的降低而增大，所以秋季负离子浓度与温度可能为正相关。冬季(12月—次年2月)负离子浓度日均值为1 262 个/cm3，日最高值出现在13时。冬季负离子浓度日变化总体呈先升高后降低的单峰型变化曲线，这说明冬季夜间温度过低，不利于负离子的稳定存在。大部分时段负离子浓度随空气温度的升高而上升，随空气温度的降低而下降，只有在12:00—13:00负离子浓度才随着空气温度的降低而增大。因此，冬季负离子浓度与温度可能呈正相关。

图1 春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)季江西大岗山空气负离子浓度与温度的日变化Fig. 1 Diurnal variation of air anion concentration and air temperature over Dagang Mountain in Jiangxi province in spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d)

分析空气负离子浓度与湿度的日变化(图2)可见，春季全天大部分时间段内，负离子浓度随空气湿度的升高而下降，随空气湿度的降低呈上升趋势。夏季，在00:00—07:00和09:00—21:00时段内负离子浓度随空气湿度的升高而上升，随空气温度的降低而下降，其余时段则相反。说明夏季负离子浓度与湿度可能呈正相关关系。秋季，在03:00—10:00和19:00—00:00负离子浓度总体上是随空气湿度的升高而下降，随空气湿度的降低而上升，而在10:00—17:00负离子浓度随空气湿度的升高而上升，随空气湿度的降低而下降。由此推断，秋季负离子浓度与湿度在清晨和夜间可能为负相关，在正午和下午可能为正相关，总体上可能呈负相关。冬季夜间湿度几乎无变化，而日间负离子浓度大体上是随空气湿度的降低而上升，随空气湿度的升高而下降，只有在12:00—13:00负离子浓度随空气湿度的降低而下降。因此，冬季负离子浓度与湿度之间可能为负相关。

图2 春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)季江西大岗山空气负离子浓度与湿度的日变化Fig. 2 Diurnal variation of air anion concentration and air humidity over Dagang Mountain in Jiangxi province in spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d)

2.2 相关性分析

为进一步验证前文推测的大岗山空气负离子浓度与温度、湿度的相关性，对空气负离子浓度与温度、湿度的日变化进行相关性分析。不同季节大岗山空气负离子浓度与温度的相关性不同(表1)，夏季温度与负离子浓度的变化呈显著负相关，而冬季呈正相关，春、秋季处于过渡期，相关性不显著或相关性较小。由此说明，温度较低时，负离子浓度与温度表现为正相关；温度较高时，负离子浓度与温度表现为负相关。根据热力学原理，随着温度升高，分子或原子的热运动速度会加快，由此导致其碰撞几率增大。与此同时，当温度升高时，氧气的电离作用加强，也会导致负离子浓度增多(李佳珊，2016)。但当温度增加到一定程度时，会加剧污染物的活动，污染物在活动过程中吸附大量负离子，最终导致负离子浓度降低(曾曙才等，2007)。对于湿度，除夏季外，负离子浓度与湿度均呈显著负相关，且秋季的相关系数最大，夏季负离子浓度与湿度呈显著正相关。这是因为当湿度增加时，空气中含水量也会增加，污染物浓度因吸附作用而降低，从而使负离子浓度增加。但与此同时，湿度增加也会抑制植物进行光合作用，从而降低负离子浓度。

表1 春、夏、秋、冬季江西大岗山空气负离子浓度与温度、湿度的相关系数

综上所述，夏季空气负离子浓度与温度呈负相关，而其他季节均为正相关，且在夏季午间负相关最明显。这是因为夏季温度最高，在午时达最大，同时光照强度大，植物叶片气孔关闭，即出现“午休”现象，于是负离子浓度明显降低。而其他季节温度低于夏季，光照强度也较弱，此时温度升高引起的正效应要大于植物“午休”现象造成的负离子浓度降低效应。而空气负离子浓度与湿度在夏季呈现正相关，其他季节均为负相关。这是由于夏季降雨强度最大，此时湿度增加对于污染物的吸附作用大于其对植物光合作用的抑制作用。因此，不同季节空气负离子浓度的变化幅度与温度、湿度变化有很大的相关性。

3 空气负离子浓度对夏季降水的响应

空气中的负离子受各方面的影响，会在较短的时间内不断地生成、出现，也会不断地消失、沉降(王层林，2003；徐昭晖，2004；潘剑彬等，2011)。江西省的降水主要集中在夏季，因此筛选出夏季不同天气条件下空气负离子浓度的日变化进行对比。文中定义日降雨量大于50 mm为暴雨天，日降雨量大于0且小于等于50 mm为雨天，日降雨量为0则为无雨天。图3为夏季无雨天、雨天和暴雨天空气负离子浓度的日变化。分析可知，在暴雨天负离子浓度明显增大，且日变化趋势与无雨天和雨天差别较大，尤其在08:00—18:00时段。因为夏季无雨天温度过高不利于负离子的产生，并在午时存在强烈的植物“午休”现象。而在暴雨天光照强度减弱，植物“午休”现象被削弱，并且暴雨天多伴有雷电现象，雷电条件有利于负离子的产生，造成负离子浓度的升高。

图3 夏季无雨天、雨天和暴雨天江西大岗山空气负离子浓度的日变化Fig. 3 Diurnal variation of air anion concentration during no rain days, rainy days and rainstorm days in summer

计算不同天气条件下负离子浓度日变化与温度、湿度的相关系数(表2)可见，在无雨天和雨天，温度与负离子浓度呈显著负相关，而湿度与负离子浓度呈显著正相关。相反在暴雨天，温度与负离子浓度呈显著正相关，湿度与负离子浓度相关性较小且为负相关。

表2 夏季无雨天、雨天和暴雨天江西大岗山空气负离子浓度与温度、湿度的相关性分析

进一步选取2019年5月18—22日、6月6—12日、6月21—25日和7月6—12日四次暴雨过程(一次暴雨过程包括暴雨发生前、发生时和发生后三个时段)。将这四次过程期间的负离子浓度与日降水量计算相关系数发现，相关系数均通过信度为0.05的显著性检验(表略)，说明负离子浓度与暴雨日降水量呈显著正相关关系，即暴雨过程中负离子浓度随着降水量的增加(减少)而增大(减小)。图4为四次暴雨过程中空气负离子浓度和日降水量的时间序列，分析可知，在四次暴雨过程中，负离子浓度与降水量的变化趋势基本相同，负离子浓度的极大值点与降水量的极大值点基本一致，说明负离子浓度的突变往往伴随着降水量的突变，即负离子浓度会在暴雨发生时急剧增长。

图4 2019年5月18—22日、6月6—12日、6月21—25日和7月6—12日四次暴雨过程中空气负离子浓度和日降水量的时间序列Fig. 4 Time series of air anion concentration and daily precipitation during four rainstorms from May 18 to 22, June 6 to 12, June 21 to 25 and July 6 to 12 in 2019, respectively

4 结 论

文中基于2019年江西大岗山空气负离子浓度和气象监测数据，分析了不同季节负离子浓度与温度、湿度之间的关系，以及负离子浓度对夏季暴雨的响应。结果发现：

1) 夏季，大岗山空气负离子浓度与温度呈负相关、与湿度呈正相关，在其余季节负离子浓度与温度呈正相关，与湿度呈负相关。这是由于夏季温度过高，光照强度大，温度升高导致的植物“午休”效应和对污染物活动的加剧作用占主导，导致负离子浓度随之下降。而其他季节温度偏低，植物“午休”效应没有夏季显著，温度升高引起的分子或原子热运动速度加快、平均动能升高作用更大，由此导致负离子浓度增多。

2) 各个季节温度、湿度的大幅变化时常伴随着负离子浓度的大幅变化，而温度、湿度变化幅度较小时，负离子浓度的变化也较小，说明在该地区温度、湿度的变化对负离子浓度的影响较大。

3) 夏季无雨天与雨天，负离子浓度与温度呈显著负相关，与湿度呈现显著正相关；暴雨天，负离子浓度与温度呈显著正相关，与湿度相关性较小且为负相关。暴雨过程中，负离子浓度随着降水量的增加(减少)而增大(减小)，且负离子浓度会在暴雨发生时急剧增长。

致 谢

感谢国家生态系统观测研究网络平台、江西大岗山森林生态系统国家野外科学观测研究站提供负离子和气象数据。