空氣負離子觀測數據質量控制方法研究

姜燕敏，李正泉，郁珍艷，吳昊旻，王 闊

(1.麗水市氣象局，麗水 323000；2.浙江省氣候中心，杭州 310017)

0 引言

空氣負氧離子是帶有負電荷的氣體分子和輕離子團的總稱[1，2]，對人體健康有積極作用，被稱為“空氣維生素和生長素”，具有殺毒、降塵作用，可改善人體心肺功能，促進新陳代謝，提高免疫力等[3，4]。空氣負氧離子的濃度高低常被作為衡量空氣質量好壞、空氣清新與否的重要指標[5]，其監測數據已被廣泛應用于天然氧吧、氣候康養等評估認定工作。

目前對于空氣負氧離子濃度分布特征及影響因素的研究較多[6-8]，在空氣負離子的變化規律[9]、預報模型[10]、分級標準[11，12]和開發利用[13]等方面亦有較多相關研究已開展。但針對空氣負氧離子觀測數據特性分析以及數據質量控制的研究，目前尚不多見。

近年來隨著生態文明建設的推進[14，15]，人們對宜居環境質量提出了更高要求，空氣清新問題已成為人們最關心的生態環境問題之一[16]，作為反映生態環境質量的正向指標——空氣負氧離子[17，18]的監測和使用也越來越多。隨著全國負氧離子觀測站點的增多，監測信息更加豐富，負氧離子監測數據的應用范圍、使用頻次以及相關產品的制作發布等均在快速擴展和增長，有關負氧離子的監測、評價、產品發布和信息傳播也越來越受社會公眾關注。由于負氧離子觀測易受儀器自身及外部環境因素干擾，觀測數據中常會存在一些異常值和錯誤值，若對這些數據不進行質量控制而直接開展分析評價，就很可能影響評估結果的科學合理性，致使人們對其產品信息的傳播產生質疑。文章基于負氧離子觀測數據敏感性分析試驗及儀器對比觀測試驗，分析研究了負氧離子觀測數據出現異常的原因，并在此基礎上研究了負氧離子觀測數據質量控制技術方法，以便為空氣負氧離子數據的科學分析及客觀評價提供參考。

1 資料與方法

為分析負氧離子觀測數據特性，有針對性地選取數據質量控制指標，文章開展了負氧離子儀器對比觀測試驗和觀測數據敏感性分析試驗，并對浙江省53個負氧離子監測站多年的觀測數據進行了統計分析。觀測試驗及各監測站的負氧離子觀測，其觀測儀器離子遷移率的設定為不小于0.4 cm2/(v·s)。

1.1 對比觀測試驗

2017-08-20-2017-09-05(8月26日有1次明顯的雷電過程)，在杭州下沙氣象探測基地試驗場內開展了負氧離子儀器對比觀測試驗，參與對比觀測試驗的廠商有啟源、華思通、威德、郞凈、依派、云創、雙順達和東創旭新等，每個廠家提供3臺同一型號的空氣負氧離子觀測儀，所有觀測儀器共同放置在同一試驗場內。文章選取了其中一個廠家在典型日的現場觀測數據(觀測輸出數據為5 min/次)，分析儀器性能、環境干擾及雷電過程等對負氧離子觀測的影響。

1.2 敏感性分析試驗

選用杭州市饅頭山負氧離子監測站2016年1月-2017年6月逐時觀測數據，開展負氧離子觀測數據敏感性分析試驗，該監測站位于國家基本氣象站杭州站(站號：58457)的氣象觀測場內。為便于更直觀地說明問題，文章僅選取典型時段觀測個例進行分析，所使用的氣象數據及空氣污染PM2.5數據為杭州氣象站同期觀測資料。

1.3 數據質量控制指標篩選

以浙江省30個縣區53個負氧離子監測站的2013-2017年逐時觀測數據為基礎，開展負氧離子數據質量控制規則及質控指標合理閾值的統計分析。在53個負氧離子監測站中，有18個監測站位于氣象觀測場內、35個監測站位于旅游景區，其中：海拔高度低于150 m的站點有33個，150～300 m的站點有6個，高于300 m的站點有14個。

2 負氧離子觀測數據異常分析

空氣中的負離子不斷生成，也不斷被正離子中和，負氧離子觀測儀器測量的是“生成”與“中和”兩個動態過程下的瞬時值，因此負氧離子觀測數據具有非連續、跳變特性，在日常觀測中，其觀測值易受觀測環境擾動和儀器自身性能影響。

2.1 雷電過程

在負氧離子儀器對比觀測試驗時段內，8月26日上午有1次明顯的雷電過程，此過程中負氧離子觀測值產生了劇烈跳變，雷擊前后時刻的負氧離子數值可相差十幾倍甚至幾十倍。06：25-09：00，負氧離子觀測值從400個/cm3，急劇跳升至5000個/cm3以上，期間劇烈波動，一度達到11，000個/cm3和9000個/cm3等高值。若將這些高值數據(超出平常數值10倍)直接參與負氧離子小時值或日平均值計算，顯然會造成嚴重拉高現象，但這些數據也具有一定觀測合理性(雷擊確可使空氣中負電荷激增)，亦不宜直接將其當作“錯誤”數據予以剔除。因此，在進行負氧離子數據統計分析時，應當特別注意雷電過程的觀測數據，需對其區別對待(如：它們可參與負氧離子極大值統計，但不宜參與平均值計算等)。

2.2 高濕天氣

高濕天氣條件下，尤其是強降水和濃霧天氣，負氧離子觀測值會出現驟升或驟降的情況。負氧離子觀測數據對空氣濕度敏感性分析試驗表明：當空氣相對濕度大于95%時，負氧離子觀測值出現了異常波動，多次出現劇烈上升和下降，當相對濕度下降到90%以下時，負氧離子觀測值恢復正常。目前，盡管多數儀器廠商都強調他們的負氧離子觀測儀可在空氣相對濕度0～100%范圍內正常工作，但考慮到儀器是通過電容測量微電量的工作原理(根據微電量換算成負氧離子濃度)，且觀測儀器大多沒有安裝除濕裝置，因此高濕條件下觀測的負氧離子數據仍需謹慎使用(瀑布區內負氧離子觀測值高達數10萬個/cm3，該值極有可能是水汽引起的測量失常)。

2.3 重污染過程

多數人認為：清潔空氣負氧離子含量高，污濁空氣負氧離子含量低，因此負氧離子成為了表征空氣清新度的重要指標[19]。但文章發現：重污染天氣過程中，負氧離子濃度有增加現象，且維持在較高水平。這一異常情況的發生，可從負氧離子觀測原理角度給予解釋：負氧離子觀測儀測量的是單位流速空氣中所含氣體分子和輕離子團吸附的電子數量，污染過程空氣中顆粒物增多，顆粒物吸附電子數量增加，體現在儀器觀測值上就是負氧離子濃度數值增大。僅從觀測角度而言，這些數據應是正確的，但在實際應用中這些數據是不能使用的，因為這些數據與空氣清新度的評價共識相悖。當重污染過程發生，PM2.5濃度在150 μg/m3以上時，負氧離子濃度值達到了2000 個/cm3以上；按照氣象行業標準QX/T 380-2017判定規則[17](負氧離子濃度值等于或高于1200 個/cm3，即為空氣清新)，此時空氣清新度應判定為“空氣清新”。但事實是此時正在發生空氣重度污染，這明顯違背了空氣清新度評價共識。因此，對待重污染天氣過程的負氧離子觀測數據，必須另加處理方可使用，以免造成評判結果與事實相悖的錯誤。

2.4 進風口受干擾

負氧離子觀測儀器的進風口被異物遮擋(儀器維護不便的野外站點會時常發生)時，負氧離子觀測值會出現偏低現象。有蜘蛛網在儀器進風口遮擋時，負氧離子觀測值明顯較正常情況偏低，清理蜘蛛網后，儀器觀測恢復正常。在儀器觀測對比試驗時，有1臺儀器的觀測值相比于其他2臺出現了異常波動現象，大致推斷當時可能有人員在儀器附近活動或者有昆蟲在儀器進風口活動。

2.5 儀器性能不穩定

在負氧離子儀器觀測對比試驗過程中(8月20日-9月5日)，大多廠商的觀測儀器都或多或少地出現了數據缺測和儀器運行不穩定問題。

3 負氧離子觀測數據質量控制

由上述可知，雷電過程、高濕條件、重污染過程及其他觀測環境干擾和儀器自身性能不穩定等因素，均會造成負氧離子觀測數據異常。若不對異常數據進行觀測質量排查，直接將其應用于數據分析評價，很可能會影響評價結果的合理性和可信度。針對負氧離子異常觀測數據產生原因，文章制定了負氧離子數據質控規則，并使用浙江省53個負氧離子監測站的2013-2017年觀測數據，進行了數據質量控制試驗。

3.1 界限值檢查

利用合理界限值(上限與下限)作為負氧離子觀測數據質量控制檢查指標，找出觀測數據中的極大異常值和極小噪音值(圖1)。由于觀測站點類型不同(森林、草地、城市等)，界限值的大小設置不可使用同一指標，應采用如下方式確定：以多年觀測(至少1 a)的負氧離子濃度中位值(Med)[20]為基礎，0.05×Med作為觀測下限值，10×Med作為觀測上限值。值得注意的是：盡管通過界限值檢查能夠找出異常數據(異常數據明顯偏離觀測群體，其觀測合理性存在很大質疑)，但并不能直接將這些數據判定為“錯誤”數據，因為有些數據可能具有一定觀測合理性(如：雷擊數據等)。因此，在數據質量控制過程中，對于超出界限值以外的數據，僅將其診斷判識為“可疑”數據，不將其歸入“錯誤”數據類。

圖1 負氧離子觀測數據濃度界限值檢查

3.2 跳變值檢查

負氧離子數據自身具有跳變特點，觀測環境突發干擾或儀器運行性能不穩定，也會造成數據跳變。如何區分觀測數據是正常跳變還是異常跳變，關鍵是找出正常數據的跳變范圍。經對浙江省53個負氧離子監測站的觀測數據統計分析，制定了跳變值檢查規則。

跳變值(J)指前后兩個時次負氧離子濃度(K)差值的絕對值，其在負氧離子數據質量控制過程中的檢查規則如下：1)J=0且持續3個以上觀測時次，判識相同的數據為“錯誤”；2)前時次0≤K≤500個/cm3，該時次J≤1500個/cm3，判識該時次數據“正確”，否則判識為“可疑”；3)前時次500個/cm32000個/cm3，該時次J≤2000個/cm3，判識該時次數據“正確”，否則判識為“可疑”。利用跳變值檢查，可以較為有效地診斷判別出因儀器工作不正常產生的錯誤數據(圖2a)和突發環境干擾造成的異常數據(圖2b)。

圖2 負氧離子觀測數據跳變值檢查：(a)儀器故障錯誤數據；(b)突發干擾異常數據

3.3 空氣濕度檢查

由2.2可知，高濕條件會影響負氧離子正常觀測，空氣相對濕度大于95 %時，負氧離子觀測值會出現異常波動，大于97%時，其波動幅度更為劇烈，究竟選擇何種數值作為相對濕度檢查指標，還需根據具體情況確定。浙江省陰雨天氣較多，當以相對濕度為95%作為檢查指標時，多數監測站1 a觀測數據中會出現20%～35%的“可疑”數據，甚至還會造成連續多天無可用數據的情況，因此在多陰雨的監測站，建議以97 %或者更高值作為相對濕度檢查指標(圖3)，以滿足觀測數據合理性和數據可用性。值得指出的是：盡管負氧離子觀測儀器自身內部(非獨立觀測)可觀測空氣相對濕度，但根據觀測經驗，其空氣相對濕度測量可信度較差，最好使用臨近氣象站的相對濕度觀測數據。

3.4 正負離子比值檢查

依據污染天氣過程“空氣負離子含量高、正離子含量更高”的特征。利用正負離子比值(q)，即：負氧離子觀測儀器測量的正離子和負離子的比值，對負氧離子濃度觀測值高于1000 個/cm3的數據進行篩查判別：q<1，判識負氧離子濃度觀測值(K)為“正確”；q≥1，判識K值為“可疑”(圖3)。經過此種方式檢查，基本可檢測出重污染過程中負氧離子“過高”觀測值的出現，進而可有效避免錯誤判定結論的出現(圖4)。選擇負氧離子濃度值1000個/cm3作為進一步篩查數據判別指標的主要原因是：1000個/cm3是安培空氣質量評價指數公式所用的數值[21]，且該值也是作為判定空氣是否清新的大致界限。

圖3 負氧離子數據觀測數據空氣濕度檢查

圖4 負氧離子觀測數據正負離子比值檢查

4 結束語

文章使用負氧離子儀器對比觀測試驗和觀測數據敏感性分析試驗，分析了負氧離子觀測數據出現異常的原因，并結合浙江省53個負氧離子監測站的觀測數據，制定了空氣負氧離子數據質量控制規則和指標，得出如下結論：

1)雷電過程、高濕天氣及重污染天氣條件下，負氧離子觀測數據會出現急劇波動或異常變化，致使觀測數據存疑，對于這些數據的使用，應特別注意。

2)利用界限值檢查、跳變值檢查、空氣濕度檢查和正負離子比值檢查等數據質量控制規則，能夠較有效地判別出合理數據、可疑數據和錯誤數據。因可疑數據既有一定的觀測合理性又存在異常性，故可疑數據不宜參與負氧離子平均濃度值的計算，但可參與其瞬時濃度極值的統計。

3)負氧離子觀測儀器自身性能不穩定及外部環境干擾(如：進風口被遮擋、野外昆蟲及動物活動等)等因素，會造成觀測數據錯誤或異常，盡管通過數據質量控制檢查能夠判別出其中的一些“錯誤”數據(儀器故障)或“可疑”數據，但難以將其全部找出。及時開展觀測儀器巡檢和維護，可最大限度避免此類數據出現。

文章雖有針對性地開展了負氧離子儀器對比觀測試驗和觀測數據敏感性分析試驗，亦找出了影響負氧離子正常觀測的主要因素，但仍存在著難以獲知的其他因素，需進一步開展相關試驗加以分析。另一方面，文章制定的負氧離子觀測數據質量控制規則與指標(已用于浙江省負氧離子監控業務平臺)，很大程度上可為其他地區負氧離子的觀測與評價提供方法借鑒，但在具體應用中，部分指標值應因地略作調整，如：空氣濕度檢查中所涉及的相對濕度指標值，在干旱區該指標值可適當降低，在多陰雨區該指標值還可適當提高。