赤水市大氣負氧離子的時空特征

尚媛媛，王紅波，陶 勇，張 蕾

(貴州省氣象服務中心，貴州 貴陽 550002)

1 引言

有著“空氣維生素”、“長壽素”之稱的負氧離子，對人體健康十分有利[1]，具有殺毒、降塵和提高免疫力的功能[2]。空氣負氧離子對人體健康有著促進作用，同時還能反映空氣質量，是生態環境狀況的重要指標，而且對旅游城市的建設有一定的導向作用。近年來，各地政府委托氣象部門積極申報“中國天然氧吧”稱號，積極開展對負氧離子濃度的監測與分析工作。2017年8月赤水市政府申報“中國天然氧吧”成功，提升了赤水市優良旅游資源。北京、天津、大連、杭州等地已經開展了負氧離子濃度預報業務，并取得了較好的社會效益[3]。

大量研究表明，森林之所以會讓人有清新的感覺，主要原因是森林空氣中含有大量的空氣負氧離子，是空氣負氧離子的產生源[4-6]，在森林、海濱等地區[7]，負離子含量可以高達5 000～20 000個/cm3，而在污染嚴重的城市僅為300～1 000個/cm3，在室內就更少了，只有100～200個/cm3，甚至是沒有。根據聯合國衛生組織的標準，空氣中負離子含量達到1 500個/cm3時，是空氣清新的標準：當空氣中的負氧離子含量達到20 000個/cm3以上則具有醫療保健的功效。根據聯合國衛生組織標準和國內外其他地區常見的等級標準，本文采用以下推薦標準作為評價標準，具體見表1。

表1 負氧離子濃度分級Tab.1 Concentration Classification of Air Ions

有研究表明空氣濕度對負氧離子濃度影響最大，其次是光照、最小是溫度[8-9]，但也有研究認為空氣負氧離子濃度與相對濕度、風速、云量、日照、降水量的相關性不顯著[10-11]，還有研究認為影響空氣負氧離子濃度的氣象因子有風速、太陽輻射、相對濕度等，空氣負氧離子濃度與日平均風速、太陽輻射正相關，與相對濕度負相關[12-14]。顯然，氣象因子與負氧離子關系的研究，存在著許多不確定性，這也許與局地小氣候有關。

赤水市位于貴州省北部，處于云貴高原向四川盆地過渡地帶，屬于中亞熱帶濕潤季風氣候區，受中亞熱帶濕潤季風氣候與峽谷丘陵山地立體氣候的疊加，相較于同處中亞熱帶的其他地區，赤水具有冬暖春早，氣候溫和，無霜期長，初夏晚秋多陰雨，多年不見積雪，立體氣候明顯。赤水降水豐沛，7月降水最多，4—10月降水量占全年降水量的82.5%，并且多夜雨。夜雨不但可以滋養植物，還可以降溫除塵，使空氣變得更加清新怡人。這些氣候特點使得赤水市擁有明顯的局地小氣候。

本文在前人研究基礎上，基于旅游景區大氣負氧離子觀測，利用逐小時負氧離子觀測數據，對赤水市局地小氣候背景下的負氧離子濃度進行分析，同時，與氣象因子相關性進行分析，研究其基本規律以及與日照時數、降水、氣溫、空氣濕度等氣象要素的關系，對于研究赤水市當地生態資源、掌握和科學地利用大氣負氧離子的變化規律有著重要的科學意義和現實價值[15-16]，以期為旅游城市的大氣負氧離子研究提供一定的參考。

2 資料與方法

選取了復興驛站、古跡驛站2個觀測點，兩個監測站均位于赤水仁懷的公路棧道旁，其中復興驛站位于赤水游客服務中心附近，下墊面以草皮為主，古跡驛站位于赤水河谷公路與赤水河中間狹窄地帶，下墊面以草地、濕地為主，周圍方圓十里均以竹林為主。根據“中國天然氧吧”中管理辦法，該地區屬于商業交通混合區，應屬于二類區域，能代表整個赤水市的空氣中負氧離子含量水平。本文采用2016年5月—2017年4月赤水市2個負氧離子驛站觀測數據，采用的大氣負氧離子監測儀型號為Ion-Best，是一套高精度大氣負離子監測儀，符合國際通行技術規范。同時采用同屬于遵義市與赤水市相鄰縣市(見圖1)的負氧離子驛站數據作為對比(習水縣的紅軍露營地驛站、九龍屯驛站，仁懷市的茅臺驛站、沙灘驛站)。分析中剔除了異常數據，采用負氧離子數變化與氣象因子關系做相關性分析。

圖1 負氧離子監測站分布圖Fig.1 Sampling Points of Negative Air Ions

3 負氧離子分布特征

3.1 負氧離子時間分布特征

3.1.1 負氧離子濃度的日變化特征 據觀測，復興站和古跡站大氣負氧離子濃度的日平均值為5 056個/m3，復興站日平均值為6 554個/m3，古跡站日平均值為3 244個/m3。復興站夜間負氧離子濃度略高于白天，古跡站白天與夜晚基本一致。根據負氧離子濃度分級表得出(見表1、表2)，赤水市復興站的負氧離子濃度達到高山級；古跡站的達到郊野級。兩站的空氣質量均達到健康等級(表3)，具有殺菌、減少疾病傳染的功效。

表2 2016年5月—2017年4月赤水市負氧離子監測數據統計表Tab.2 Statistics of negative oxygen ion monitoring data in Chishui

表3 2016年5月—2017年4月赤水市負氧離子監測數據匯總表Tab.3 negative oxygen ion monitoring data summary table

圖2 赤水市大氣負氧離子濃度的日變化Fig.2 Variations of Daily Negative Air Ions Concentration

從圖2負氧離子的濃度日變化分析得出，一天中大氣負氧離子濃度最高值出現在09—10時、13—15時、22—23時，04時、20時是每日負氧離子含量的低值出現的時間。這與羅豐[16]對廣州下半年空氣負離子變化規律的研究中早晚濃度較高的結果接近。與邵海榮[17]等對北京負離子研究的最小值約在23時的結果相反，原因可能是地形地貌、氣候條件和空氣質量狀況等相差較大有關。

在09—10時、13—16時，太陽紫外輻射、植物光合作用增強，電離產生大量的自由電子，促使負氧離子濃度增大；22—23時，人類活動減少，大氣顆粒物含量降低，空氣濕度增加，從而增加了負氧離子與水分子結合的效率，使負氧離子濃度增加[19-20]。

3.1.2 負氧離子濃度月變化特征 從圖3可以看出，赤水市各月負氧離子濃度變化不大， 復興站5—6月稍低，可能與剛開始監測，儀器不穩定有關。已有很多研究表明夏季負氧離子濃度較其他季節較高，主要是因為夏季午后雷雨的存在雷電活動增加了負氧離子的濃度，同時降水減少了空氣中各類污染物濃度，間接有利于負氧離子濃度的上升；但是在赤水并未出現這種季節變化。

圖3 赤水市大氣負氧離子濃度的月平均變化Fig.3 Variations average of Monthly Negative Air Ions Concentration

剔除個別異常數據，復興驛站負氧離子逐月含量顯示2016年5—7月監測的數據略偏低一些，負氧離子含量為4 688～5 062個/cm3，其余各月的含量基本持平，負氧離子含量均在6 519個/cm3以上。

3.2 相鄰縣市負氧離子分布特征和比較

習水縣負氧離子月均濃度含量近3 000個/cm3，各月的含量基本持平。紅軍露營地驛站負氧離子的濃度日變化分析得出，03—10時是負氧離子含量的高峰值時區。九龍屯驛站負氧離子的濃度日變化分析得出，一日中負氧離子含量最低值出現在01—03時，06—19時是負氧離子含量的高峰值時區。

仁懷市負氧離子月均濃度含量為2 850個/cm3，各月的含量基本持平。茅臺驛站負氧離子的濃度日變化分析得出，一日中負氧離子含量最低值出現在19時左右，04—11時是負氧離子含量的高峰值時區。沙灘驛站負氧離子的濃度日變化分析得出，一日中負氧離子含量最低值出現在凌晨01時和晚上20—21時，白天的08—19時是負氧離子含量的高峰值時區。

對各個站點數據分析可知(見圖4)，各驛站月平均濃度變化趨勢基本一致，赤水市(復興驛站、古跡驛站)負氧離子濃度最高，且明顯高于其他2個縣市對比站。對仁懷市(茅臺、沙灘)、習水縣(紅軍露營地、九龍屯)的結果分析后發現，出現差異可能與這些站的地理位置有關系(圖1)，由于赤水市高的森林覆蓋率比習水縣和仁懷市高，因此，越靠近赤水的測站負氧離子濃度越高。

圖4 赤水市及臨近縣市大氣負氧離子濃度的月變化(各月相鄰的6根柱體從左到右分別是茅臺、沙灘、紅軍露營地、九龍屯、復興、古跡)Fig.4 Variations of Monthly Negative Air Ions Concentration

4 氣象條件對大氣負氧離子濃度的影響

4.1 負氧離子與氣象因子的相關性

本文選取7個逐日基本氣象因子，即降水量、平均氣溫、最高溫度、氣壓、水汽壓、相對濕度、日照時數，采用相關性分析法，分別就雨日、無雨日的大氣負氧離子與各氣象因子的相關性進行分析。

結果表明，在雨日、無雨日的不同情況下，氣象因子與大氣負氧離子的相關性表現不同。在雨日，大氣負氧離子與氣壓、相對濕度、最高氣溫、水汽壓等呈顯著相關(P<0.05)；在無雨日，大氣負氧離子除與上述因子有關外，還與日照時數呈顯著相關(P<0.05)。這表明不同天氣狀況下，氣象因子對大氣負氧離子濃度產生影響不同。

很多研究對降雨日氣象因子對負氧離子的影響只做了日平均統計，結果表明基本無關。本文在雨日負氧離子與氣象因子的相關性分析中發現：如果將雨日分為白天雨和夜雨進行分析，則與負氧離子的關系不同(見表4)。通過將雨日分白天雨和晚上雨的大氣負氧離子與氣象要素相關性分析，相關系數比不分白天和夜晚雨日的相關性明顯較高。白天雨的大氣負氧離子與水汽壓、平均氣溫、氣壓，呈顯著相關(P<0.05)，其中與水汽壓呈顯著負相關；晚上雨的大氣負氧離子與氣壓、水汽壓、最高氣溫呈顯著相關(P<0.05)，與水汽壓呈顯著負相關。這表明出現降雨天氣時，大氣負氧離子與水汽壓、氣溫、氣壓有較好的相關性，并且白天雨比晚上雨對大氣負氧離子濃度的增加具有明顯的相關性。

表4 負氧離子日平均濃度與各氣象要素的關系Tab.4 Relationship between Daily Average Concentration of Negative Air Ions and Meteorological Factors

注：*表示置信度>95%；**表示置信度>99%

理論上講，降水可加大大氣顆粒物濕沉降速率，使空氣凈化，可以使負氧離子含量升高。另外，已有研究表明，降水與地面、建筑物等物體摩擦、撞擊可以加快正負電荷的分離[21]；同時，由于降水天氣導致交通運輸等人類活動減少[22]，可以使負氧離子的含量升高。但本研究結果并非如此。另外，理論上相對濕度增加，可以吸附大氣中離子，形成凝結核，增加了大氣離子濃度，從而增加了大氣負氧離子[23]，本觀測研究結果表明，在無雨日這一規律成立。但在有雨日，只有夜雨時段的相對濕度才與負氧離子顯著性相關。

4.2 不同天氣條件下各個氣象因子的季節影響

將大氣負氧離子資料按無雨日和有雨日分別統計，并對顯著相關氣象因子在不同季節對大氣負氧離子影響的表現進行分析，結果如下：

4.2.1 無雨日氣象因子對大氣負氧離子濃度影響

研究表明，在沒有降水的條件下，大氣負氧離子與日照時數、最高氣溫呈顯著負相關(參見表4)。從圖5a和5b可以看出，夏季(圖中為氣溫高，日照時數長的時段)，負氧離子濃度波動較小，冬季(最高氣溫較低、日照時數少的時段)負氧離子濃度波動相對較大。

4.2.2 雨日對大氣負氧離子濃度影響 由圖5c、5d、5e和5f可知，大氣負氧離子濃度值一般在下雨的時候隨著水汽壓的升高而增大，且不論降水出現白天還是晚上，大氣負氧離子濃度均與水汽壓呈明顯正相關性。同時，當白天有雨時，大氣負氧離子濃度與平均氣溫呈正相關，夏季平均氣溫高，大氣負氧離子濃度值較高，這與一些研究認為雷陣雨會使空氣中負氧離子濃度明顯增大有關[12]。夏季，當晚上有雨時，降水強度大的時段內，負氧離子濃度高；冬季，當晚上有雨時，氣溫較高時，負氧離子濃度較低，氣溫較低時，負氧離子濃度反而較高。

圖5 氣象因子與大氣負氧離子的對比(a和b為無雨日，c、d為白天有雨日，e、f為夜間有雨日)Fig.5 Comparison Between Air Negative Oxygen Ions and Precipitation

5 結論與討論

通過對2016年5月—2017年4月赤水市觀測到的負氧離子濃度及氣象數據分析，結果表明：

①赤水市大氣負氧離子濃度白天略高于夜間，各季節濃度相差不大。市區的濃度在3 580～6 669個/cm3，年平均濃度為5 125個/cm3，各月月平均負氧離子濃度均超過3 000個/cm3。遠超出世界衛生組織界定的清新空氣標準(1 000～1 500個/cm3)，整體上對人體健康具有增強免疫抗菌力和康復治療的作用。

②赤水的負氧離子濃度高于附近的習水縣和仁懷市。從地理位置上分析，越靠近赤水市的測點負氧離子濃度越高。出現差異的主要原因是，因仁懷的工業和經濟較發達，車輛尾氣、建筑工地灰塵、工業廢氣排放等不利因素較多，直接抑制了負氧離子的生成。而赤水的兩個監測點周圍植被豐富、森林覆蓋率高、瀑布多，有利于負氧離子的產生。

③大氣負氧離子濃度受氣象因子、植被條件和人為活動等要素的影響而變化。赤水的兩個監測站中，復興驛站靠近景區，植被覆蓋率高，水汽含量高，負氧離子濃度較高。

④在無雨日，大氣負氧離子濃度與日照時數、最高氣溫呈顯著負相關。在雨日，大氣負氧離子濃度與氣壓、氣溫、水汽壓呈明顯相關，并且白天雨比晚上雨對大氣負氧離子濃度的增加具有明顯的影響。氣壓、最高溫度等對雨日大氣負氧離子濃度增加相關，而日照時數對無雨日大氣負氧離子濃度增加相關。

⑤降水量對赤水市的負氧離子濃度有弱的正相關關系，這與很多研究結論有些差別[17-18,23]，原因還需要進一步研究，這可能與赤水市的地理位置、竹林的覆蓋率高以及獨特的小氣候有關，這與植被覆蓋率有利于產生大量的自由電子，形成負氧離子，使大氣負氧離子濃度增加相符。