高淳區(qū)負(fù)氧離子含量時(shí)空特征研究

陸一磊，吳自越，繆穎綺，譚國威，胡夢玲

（1.南京市高淳區(qū)氣象局，南京 211300；2.南京市浦口區(qū)氣象局，南京 211800；3.南京市江寧區(qū)氣象局，南京 211100）

近年來，隨著人民生活水平的提高，大眾對環(huán)境，尤其是對空氣質(zhì)量越來越重視，而負(fù)氧離子[1]含量作為評價(jià)空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，日益受到大家關(guān)注[2-4]。相關(guān)研究資料顯示，空氣中負(fù)氧離子的含量在低于20個(gè)/cm3時(shí)，人體就會(huì)感到困乏和頭暈?zāi)X脹；當(dāng)空氣中的負(fù)氧離子含量在1 000～10 000個(gè)/cm3時(shí)，人就會(huì)感到舒服，心情也非常安定，有心曠神怡之感；當(dāng)空氣中的負(fù)氧離子含量在10 000個(gè)/cm3以上時(shí)，人就會(huì)感到非常有精神，心情會(huì)感到非常的舒適愉快；而當(dāng)空氣中的負(fù)氧離子含量高達(dá)10萬個(gè)/cm3以上時(shí)，負(fù)氧離子不僅能讓人感到舒服，還能起到消除疲勞、止喘、鎮(zhèn)靜和調(diào)節(jié)神經(jīng)等強(qiáng)體健身和治病的效果[5-6]。因此，空氣中負(fù)氧離子的含量不僅影響著空氣質(zhì)量，而且負(fù)氧離子含量高的環(huán)境，具有一定的醫(yī)療保健作用，因此常被稱為“空氣維生素”[7-10]。

自然界中的負(fù)氧離子主要來源于雷電、太陽紫外線、水體沖擊、植物葉面尖端放電及光合作用等過程，其含量與天氣條件、周邊環(huán)境等密切相關(guān)[11-12]。輻射、暴雨和雷電等天氣現(xiàn)象均有利于空氣負(fù)氧離子的生成，同時(shí)負(fù)氧離子的含量與氣溫、濕度、降水、風(fēng)速和太陽輻射等諸多氣象因子有關(guān)[13-15]。由于研究區(qū)域環(huán)境和氣候條件差異，研究結(jié)果也存在一定差異。陳兵紅等[16]發(fā)現(xiàn)白云山國家森林公園空氣負(fù)氧離子平均含量明顯高于城區(qū)，其離子含量由外向里、自下而上逐漸升高，生態(tài)空間變化為水環(huán)境、林水環(huán)境、林地環(huán)境、道路環(huán)境依次遞減；劉佳明等[17]發(fā)現(xiàn)龍巖市區(qū)、郊區(qū)、林緣和森林的負(fù)氧離子含量呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，負(fù)氧離子含量與周圍植被疏密、通風(fēng)情況和離水源地距離等有密切聯(lián)系；姚益平等[18]發(fā)現(xiàn)浙南和浙西山區(qū)空氣負(fù)氧離子含量高、浙北平原含量相對較低；劉燕等[19]發(fā)現(xiàn)浦口區(qū)大氣負(fù)（氧）離子空間分布規(guī)律：農(nóng)莊、珍珠泉、老山森林、石橋萬誠依次遞減；胡夢玲[20]發(fā)現(xiàn)江寧區(qū)市郊森林區(qū)域空氣負(fù)氧離子含量顯著高于城市綠地區(qū)域空氣負(fù)氧離子含量。

1 研究區(qū)域

高淳區(qū)位于南京市最南端，距離南京市區(qū)大約80 km，全區(qū)總面積約為802 km2，被譽(yù)為南京后花園和南大門，是中國首個(gè)“國際慢城”。高淳區(qū)坐擁先天的山湖資源，具有吳越江南典型生態(tài)特征，東部低陵延綿不斷，西部湖盆平原廣闊，固城湖、石臼湖環(huán)繞四周，水資源豐富[21]。全區(qū)生態(tài)涵養(yǎng)面積達(dá)到國土面積的70%，地表水優(yōu)于三類水的比例達(dá)到75%以上，空氣優(yōu)良天數(shù)保持在85%左右，人均公共綠地面積達(dá)41 m2[22]，林木覆蓋率超過25%[23]。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)

本次研究數(shù)據(jù)來源于山慢城、水慢城和文慢城設(shè)置的負(fù)氧離子監(jiān)測站，負(fù)氧離子監(jiān)測站點(diǎn)信息請參考表1。

表1 負(fù)氧離子監(jiān)測站點(diǎn)位置信息

其中山慢城位于高淳市區(qū)以東大約15 km處，也是中國首個(gè)國際慢城所在地；水慢城位于高淳市區(qū)南部，緊鄰高淳市區(qū)；文慢城設(shè)立在高淳區(qū)氣象局內(nèi)，屬于市區(qū)站點(diǎn)。研究時(shí)間從2020年3月1日至2021年2月28日共一年的數(shù)據(jù)，監(jiān)測站每日0時(shí)至23時(shí)逐小時(shí)上報(bào)負(fù)氧離子平均含量、最低含量、最高含量、溫度和濕度。

2.2 方法

利用3個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)據(jù)分別從時(shí)間和空間上對高淳區(qū)域負(fù)氧離子含量進(jìn)行分析和研究，為了分析不同時(shí)間尺度負(fù)氧離子含量分布情況，引入概率密度曲線。根據(jù)氣候統(tǒng)計(jì)規(guī)定，認(rèn)為12、1、2月為冬季，3、4、5月為春季，6、7、8為夏季，9、10、11月為秋季。

3 研究結(jié)果

從圖1（a）中可以看出，除8月份，其他月份負(fù)氧離子含量均呈現(xiàn)山慢城、文慢城、水慢城逐漸降低，3個(gè)慢城的負(fù)氧離子含量波動(dòng)較為頻繁，但整體幅度并不大。其中山慢城負(fù)氧離子含量最高為7月份（夏季）的3 599個(gè)/cm3，最低為4月份（春季）的2 680個(gè)/cm3，最高含量與最低含量差值為919個(gè)/cm3；文慢城負(fù)氧離子含量最高為11月份（秋季）的2 542個(gè)/cm3，最低為8月份（夏季）的2 050個(gè)/cm3，最高含量與最低含量差值為492個(gè)/cm3；水慢城負(fù)氧離子含量最高為8月份（夏季）的2 389個(gè)/cm3，最低為7月份（夏季）的1 631個(gè)/cm3，同時(shí)該值也是3個(gè)站點(diǎn)全年負(fù)氧離子含量的最低值，說明高淳區(qū)域空氣質(zhì)量整體上非常好，最高含量與最低含量差值為758個(gè)/cm3。三個(gè)慢城中，波動(dòng)幅度最大的為山慢城，同時(shí)負(fù)氧離子含量也最高，較為適合有氧運(yùn)動(dòng)，波動(dòng)最小為文慢城，說明文慢城在全年所有月份中其負(fù)氧離子含量相對比較平穩(wěn)，另外，水慢城負(fù)氧離子含量也比較大。

從表2和圖1（b）可以看出，年平均和四季平均負(fù)氧離子含量均表現(xiàn)出山慢城比文慢城高，文慢城高于水慢城。從表2的春夏秋冬數(shù)據(jù)可以看出，山慢城負(fù)氧離子含量最高的季節(jié)為夏季的3 240個(gè)/cm3，最低為春季的2 824個(gè)/cm3，最高含量與最低含量差值為416個(gè)/cm3；文慢城負(fù)氧離子含量最高為冬季的2 490個(gè)/cm3，最低為夏季的2 326個(gè)/cm3，最高含量與最低含量差值僅為164個(gè)/cm3；水慢城負(fù)氧離子含量最高為春季的1 988個(gè)/cm3，最低為秋季的1 824個(gè)/cm3，最高含量與最低含量差值也僅為164個(gè)/cm3。因此，3個(gè)慢城的最高含量和最低含量出現(xiàn)的季節(jié)并不統(tǒng)一，其中從圖1（a）和圖1（b）可以看出山慢城季節(jié)最高含量、最低含量與月平均數(shù)據(jù)一致，文慢城僅有最低含量的月份和季節(jié)一致。

從圖1和表2整體上看，不論是月平均負(fù)氧離子含量，還是季節(jié)平均和年平均負(fù)氧離子含量，3個(gè)慢城的負(fù)氧離子含量均比較高，說明高淳區(qū)域空氣清新度也很高。

圖1 不同區(qū)域月平均（a）和季節(jié)平均（b）負(fù)氧離子含量

表2 年均和四季平均負(fù)氧離子含量 （個(gè)·cm-3）

從圖2（負(fù)氧離子平均含量空間分布圖）可以看出，整個(gè)高淳區(qū)域的年平均圖2（a）和四季平均（圖2（b）—圖2（e））的負(fù)氧離子含量均為水慢城最低，其含量在1 800～2 000個(gè)/cm3，然后在文慢城附近有一個(gè)顯著上升，負(fù)氧離子含量為2 800～3 000個(gè)/cm3，當(dāng)進(jìn)一步遠(yuǎn)離城市到達(dá)邊遠(yuǎn)郊區(qū)的山慢城，其負(fù)氧離子含量更高，達(dá)到3 200～3 400個(gè)/cm3。通過雙線性插值法計(jì)算出來的空間分布情況顯示繼續(xù)遠(yuǎn)離城市的地方，負(fù)氧離子含量更高，超過5 000個(gè)/cm3。

從圖3（負(fù)氧離子最低含量空間分布圖）年最低和季節(jié)最低的負(fù)氧離子含量分布情況可以看出，其與圖3平均值空間分布情況存在較大差異。從春季（圖3（b））和冬季（圖3（e））空間分布圖可以看出文慢城和水慢城的負(fù)氧離子含量很接近，大約在900～1 000個(gè)/cm3，而夏（圖3（c））秋（圖3（d））季節(jié)，水慢城（1 100～1300個(gè)/cm3）比文慢城略高（900～1 000個(gè)/cm3），而山慢城在四季中均處于負(fù)氧離子最高含量，達(dá)到1 800～1 900個(gè)/cm3。從負(fù)氧離子含量的年最低值空間分布圖3（a）中可以看出，文慢城的負(fù)氧離子含量大約為2 000個(gè)/cm3，比山慢城和水慢城的負(fù)氧離子含量都要高。圖4最低值的空間分布圖也基本上符合從城區(qū)向郊區(qū)，負(fù)氧離子含量逐步升高的趨勢。

從圖4（負(fù)氧離子最大含量空間分布圖）可以看出，負(fù)氧離子含量最高值空間分布與上述圖2和圖3的空間分布均有所不同，春夏秋3個(gè)季節(jié)（圖4（a）—圖4（d））中，山慢城、水慢城和文慢城的負(fù)氧離子含量最高值比較接近，差異并不明顯，而在冬季圖4（e）中，水慢城和山慢城負(fù)氧離子含量較為接近，文慢城偏高，從年最高負(fù)氧離子含量空間分布圖4（a）中可以看出，文慢城和山慢城的負(fù)氧離子含量較為接近，且顯著低于水慢城含量。

圖2 高淳區(qū)負(fù)氧離子年和四季平均含量分布

圖4 高淳區(qū)負(fù)氧離子年和四季最高含量分布

從圖5的負(fù)氧離子含量逐小時(shí)時(shí)間序列變化的結(jié)果來看，山慢城和文慢城含量均出現(xiàn)1個(gè)波峰1個(gè)波谷，變換規(guī)律高度同步，日最高含量值均出現(xiàn)在上午6點(diǎn)左右，波谷均出現(xiàn)在14：00左右，相對于文慢城負(fù)氧離子含量，山慢城含量日變化較大，最高含量與最低含量值相差接近1 000個(gè)/cm3；水慢城負(fù)氧離子含量波動(dòng)較為頻繁，第一個(gè)波峰也是出現(xiàn)在6點(diǎn)左右，在9點(diǎn)左右出現(xiàn)第一個(gè)波谷，隨后升高，在15點(diǎn)左右到達(dá)日最高含量，在20：00點(diǎn)左右出現(xiàn)第二個(gè)波谷，同時(shí)也是日最低含量，其中負(fù)氧離子含量除了在14：00—15：30比文慢城稍高一點(diǎn)外，水慢城的日均負(fù)氧離子含量是3個(gè)慢城中最低的，山慢城含量最高，文慢城次之。

圖5 3個(gè)慢城負(fù)氧離子含量24 h變化情況

從圖6（a）來看，山慢城的負(fù)氧離子含量主要分布在2 100～4 100個(gè)/cm3，文慢城負(fù)氧離子含量主要分布在2 700個(gè)/cm3左右，水慢城負(fù)氧離子含量主要分布在800～2 200個(gè)/cm3左右；從圖6（b）來看，山慢城負(fù)氧離子含量主要分布在3 000個(gè)/cm3左右，文慢城負(fù)氧離子含量次之，主要分布在2 500個(gè)/cm3左右，水慢城負(fù)氧離子含量最低，主要分布在1 800個(gè)/cm3左右。從圖6（a）和圖6（b）的概率密度曲線來看，負(fù)氧離子含量概率分布依然是山慢城超過文慢城，文慢城超過水慢城。

圖6 24 h和12個(gè)月平均負(fù)氧離子含量概率密度曲線

4 結(jié)論

整體上看，高淳區(qū)域的空氣質(zhì)量非常好，負(fù)氧離子含量呈現(xiàn)出城區(qū)較低，而遠(yuǎn)離城市的郊區(qū)山林環(huán)境較高的規(guī)律，與陳兵紅等[16]的研究結(jié)果一致。就日變化情況而言，文慢城和水慢城分別所代表的城市和城市近郊區(qū)域，由于人類活動(dòng)和污染等原因?qū)е缕湄?fù)氧離子含量偏低，但波動(dòng)和變化并不大，說明相關(guān)因素的影響比較穩(wěn)定，而山慢城所代表的城市遠(yuǎn)郊區(qū)域，由于人類活動(dòng)和污染較少，其負(fù)氧離子含量最高，同時(shí)波動(dòng)也是最大，原因可能是山慢城附近負(fù)氧離子含量受環(huán)境因素變化影響較大；從月均負(fù)氧離子含量情況來看，3個(gè)慢城都比較穩(wěn)定，僅在個(gè)別月份波動(dòng)較大，說明負(fù)氧離子含量可能跟當(dāng)?shù)販囟茸兓南嚓P(guān)性不是很高；從負(fù)氧離子含量的季節(jié)變化情況來看，更加佐證了這一可能性，因?yàn)?個(gè)慢城四季負(fù)氧離子含量幾乎沒有變化，尤其是文慢城和水慢城；由于負(fù)氧離子含量的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)僅有1年，雖然從數(shù)據(jù)上看，負(fù)氧離子含量依然呈現(xiàn)從城市向遠(yuǎn)郊山林逐步增加的趨勢，但是很難看出其年代際變化和趨勢，相關(guān)研究工作還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。