降水天氣過程中負離子濃度與小時雨量間相關性研究

李 嫦 黃彩婷 何 瑤

1. 江西省大氣探測技術中心，江西 南昌 330096

2. 江西省氣候中心，江西 南昌 330096

空氣負離子的濃度（以下簡稱負離子濃度或負離子）是指在單位體積中負離子的個數，它是衡量空氣清新程度和質量的重要指標之一。空氣中的負離子有降塵、滅菌及預防疾病的功能，有利于人體健康，被譽為空氣維生素和生長素。空氣負離子還具有清潔空氣、調節小氣候的作用，其濃度水平已成為評價一個地方空氣清潔程度的指標[1]。隨著生態旅游的日益興起，人們出行游玩大多會選擇負氧離子含量豐富的地區。

2006 年1 月至2019 年3 月，江西省在10 個地市20 個縣、區的5A 級景區和重點自然風景名勝區，先后完成24 個負氧離子觀測和服務系統臺站建設。負離子觀測站安裝于景區合適的位置，能最大限度體現景區的真實空氣質量，為人們出行提供參考。氣象部門已將空氣負離子納入氣象監控系統[2]，并作為日常基礎業務加以考核觀測。

空氣負離子濃度與氣象條件有著密切的關系。一些學者研究了氣溫、風速、濕度、太陽輻射等氣象要素與負離子的關系[3]。本文將開展降水天氣過程中負離子濃度與小時雨量間相關性研究。

暴雨是降水強度很大的雨。雨勢傾盆。一般指每小時降雨量16mm 以上，或連續12 小時降雨量30mm 以上，或連續24 小時降雨量50mm 以上的降水。江西省7 月先后出現兩次暴雨、強降水過程，7 月3—9 日和12—14 日,江西省集中時段暴雨范圍廣、強度大，和前期強降雨區重疊度高，曾導致贛州、撫州、萍鄉、宜春等地出現較為嚴重的洪澇災害，給群眾的生產生活帶來了嚴重影響。

本文以廬山、艾溪湖兩大景區內負氧離子濃度在7月降水天氣過程變化為研究方向，合理分析空氣負離子濃度與氣象要素小時雨量之間可能存在的關系。

1 降水天氣過程

全省7 月降水量異常偏多，位居1961 年以來同期第1 高位。其間出現兩次暴雨、強降水過程，集中在7月3—9 日和12—14 日。在此時段選取廬山、艾溪湖兩個負離子站點對比分析降水天氣過程中負離子濃度與小時雨量間的關系。

廬山，又稱匡山或匡廬，隸屬于江西省九江市，是我國5A 級景區。廬山雄奇秀拔，云霧繚繞，山中多飛泉瀑布和奇洞怪石，名勝古跡遍布，夏天氣候涼爽宜人。負氧離子含量很高，是名副其實的“天然氧吧”，更是我國著名的避暑療養勝地。廬山氣候溫和，夏天涼爽，冬天也不太冷，年平均溫度15℃，極端最高溫度不超過32℃，廬山雨量豐沛，年平均降雨量1900 mm 左右。廬山負氧離子站建在風景區內，海拔高度1164.5 m。

南昌艾溪湖濕地公園位于江西省南昌市高新開發區艾溪湖東岸，是南昌市唯一的一塊典型城市天然濕地。草坪60 萬m2，堆筑島嶼30 多個，植物種類豐富，有紫荊、水杉、濕地松等，非常壯觀。這里四季常青，四季有花，并將逐步與天香園候鳥公園連為一體，是一個非常好的天然氧吧。艾溪湖負氧離子站建在濕地公園內，海拔高度僅32 m。

文中所選取的廬山、艾溪湖負離子站都建在氣象觀測站內，與雨量儀經緯度相近，方便取二者間的小時數據做比較。

廬山7 月主要降水集中在7 月4 日、9 日、12—13日。其中12—13 日出現小時雨量16 mm 以上的強降水天氣過程。艾溪湖7 月主要降水集中在7 月4 日、6 日、8—9 日、12—13 日。其中12—13 日出現小時降雨量20 mm 以上的強降水天氣過程。

2 峰值數據分析

根據廬山7 月降水的分布特征，將7 月小時雨量的峰值與負離子濃度峰值做統計，詳見表1。廬山降水小時雨量波峰的數量與負離子濃度波峰的數量基本一致均為6 次，且雨量峰值的前一時次，負離子濃度也出現一次峰值。

表1 廬山7 月降水、負離子濃度峰值統計

根據艾溪湖7 月降水的分布特征，將7 月降水的峰值與負離子濃度峰值相比較，詳見表2。艾溪湖降水小時雨量波峰的數量與負離子濃度波峰的數量基本一致均為12 次，且雨量峰值的前一時次或當前時次，負離子濃度也出現一次峰值。

表2 艾溪湖7 月降水、負離子濃度峰值統計

根據列表數據得出以下結論。

（1）小時降水量到達一個峰值的前一時次或當前時次，負離子濃度也會出現一次明顯峰值。

（2）負離子濃度峰值的高低變化并不與雨量峰值變化完全一致，即濃度最高的時次，雨量并不一定是最高峰值。

（3）在一次降水過程中，負離子濃度變化與小時雨量的波峰個數基本一致。

針對以上結論，把幾次雨量峰值與負離子濃度峰值做線性比較，分析兩個變量間的線性相關性。R2為回歸平方和與總離差平方和的比值，這一比值越大，表示總離差平方和中可以由回歸平方和解釋的比例越大，模型越精確，回歸效果越顯著。從數值上說，R2介于0～1 之間，越接近1，回歸擬合效果越好。廬山雨量峰值與負離子濃度峰值回歸平方值r2=0.6688，艾溪湖站為r2=0.6791。r2>0.6 說明擬合程度適中，小時雨量的峰值與負離子濃度的峰值相關性良好。同時也論證了小時雨量峰值與負離子濃度峰值出現時次前后不超過1小時，有時候會是同一時次。分析原因可能與負離子濃度大于某一數值相關。即負離子濃度達到某一數值后，小時雨量峰值會與負離子濃度峰值出現在同一時次，這種情況的數據樣本不多，有待今后研究。

3 強降水天氣小時雨量與負離子濃度關系

根據廬山、艾溪湖7 月的降水分布特征，7 月12—13 日兩站均出現了強降水天氣。分別將強降水過程中小時雨量與負離子濃度做線性分析。強降水天氣過程中，廬山小時雨量與負離子濃度間線性關系為r2=0.7279，回歸直線的擬合程度接近1，說明在強降水天氣過程中，小時雨量與負離子濃度兩變量間有比較強的相關性。艾溪湖小時雨量與負離子濃度間線性關系為r2=0.4732，回歸直線的擬合程度不高，在此次強降水天氣過程中，艾溪湖小時雨量與負離子濃度兩變量間相關性弱。

兩個站點在強降水天氣過程中，出現相關性強弱明顯。除去兩站的地形地貌特征、海拔高度、氣壓和經緯度等客觀因素的影響，取兩次過程的數據進行分析。艾溪湖負離子站小時雨量在13 日1 時出現最大值高達22.9mm，且12—13 日小時強降水大于16mm 即為暴雨有4 個時次。廬山負離子站小時雨量12 日14 時出現最大值17.1mm，且暴雨僅出現1 個時次。艾溪湖小時雨量平均值、小時濃度平均值均高于廬山站。

結論表明：艾溪湖與廬山站在12—13 日的強降水天氣過程中，線性相關差別較大，除去客觀因素，可能與數據的標準偏差值有關。標準偏差是一種度量數據分布的分散程度之標準，用以衡量數據值偏離算術平均值的程度。標準偏差越小，這些值偏離平均值就越少（表3）。

表3 小時雨量、小時濃度偏差值統計

由表3 得出，艾溪湖小時雨量標準偏差、小時濃度標準偏差，均高于廬山站。即兩組數據值艾溪湖的數據偏離平均值較多，負離子濃度日變化尤其明顯。而數據偏離程度也是度量數據分散程度的標準，即有理由認為是造成兩站線性相關性強弱區別較大的原因。

4 結論

通過對艾溪湖、廬山兩大負離子站在7 月降水天氣過程中的數據分析，得出以下結論。

①在一次降水過程中，小時雨量的峰值與小時濃度的峰值個數基本一致。

②小時雨量峰值與小時濃度峰值回歸平方值r2>0.6，線性相關性良好。

③小時雨量與小時濃度兩個變量的峰值出現的時間前后相差小于或等于一小時。

④在強降水過程中，負離子濃度與小時雨量線性相關強弱與標準偏差值有關，偏離平均值程度越高，負離子濃度日變化越明顯，相關性越差，反之越強。

本文合理利用負離子連續觀測資料，開展負離子濃度變化與氣象要素的相關性研究[4]，為今后空氣負離子濃度在降水天氣過程這種非典型性變化規律的研究提供一些參考和理論依據。