城市公園與高山茶園負氧離子濃度對比分析及氣象要素影響

張曼義,丁國香,楊 偉,王 濤

(1.安徽省公共氣象服務中心,安徽 合肥 230031;2.安徽省旌德縣氣象局,安徽 旌德 242699)

0 引言

空氣負氧離子是指帶負電荷的單個氣體分子和輕離子團的總稱[1],主要來源于空氣分子在大氣上層發生的電離現象、水分子的裂解、樹葉尖端放電、植物光合作用中的光電效應、火山爆發、雷雨閃電等物理過程[2-3]。負氧離子具有凈化除塵、抑菌殺毒及治療保健作用,是衡量空氣清新程度,評價康養旅游的關鍵指標之一[4-6]。

近年來,隨著康養旅游產業的發展,眾多學者對空氣負氧離子的時空變化、氣象要素影響機制進行了大量研究。國內外研究表明不同季節[7]、不同天氣狀況[8]、不同地表類型[9]負氧離子濃度變化不同,氣溫、降水等氣象要素均會對負氧離子濃度變化產生影響[10-12],森林、海濱等地區負氧離子濃度相對較高。但由于負氧離子濃度受局地環境影響較大,且國內外負氧離子評價尚未有統一標準,因此,不同研究結果之間借鑒性不強,需針對研究區域開展特定研究。旌德縣位于皖南山區腹地,茶葉種植面積廣泛,全縣現有茶園1760 hm2,品質優良,深受消費者喜愛。旌德縣政府以“分析評估負氧離子濃度”為抓手,打響旌德生態康養旅游品牌。目前,眾多負氧離子濃度對比研究集中于森林、城市的比較分析,鮮有關于茶園和城市負氧離子濃度的比較分析,因此,立足縣況,開展城市公園、高山茶園負氧離子濃度對比及氣象要素的影響研究,可為公眾提供實時精準的負氧離子濃度信息,為旌德縣挖掘康養旅游資源品牌價值奠定基礎,也為旌德縣生態康養旅游發展規劃提供科學依據[13]。

1 資料和方法

1.1 研究區概況

分別在旌德縣兔兒山公園、路西村茶園建立負氧離子監測站點。兔兒山公園站(118°32′29″E,30°18′19″N)下墊面為城市型公園,海拔150 m,屬城市居民居住區;路西村茶園站(118°25′41″E,30°22′37″N),海拔300 m,下墊面為高山型茶園,屬風景名勝區。

1.2 資料來源

本研究資料為2020年1—12月兔兒山公園、路西村大氣負氧離子濃度數據,同步氣象資料數據(包括逐時氣溫、風速、降水量、云量等)。分別布設固定式大氣負氧離子監測儀(依派偉業FLZ2-1型)對大氣負氧離子濃度進行連續觀測(遷移率K≥0.4 cm2/V·s)。兔兒山公園同步氣象資料來源于旌德國家氣象觀測站(距離兔兒山公園3.0 km),路西村茶園氣溫、風速、降水量資料來源于旌德三溪氣象觀測站(坐落于路西村),云量資料來源于歐洲數值預報ERA5再分析數據。

分別在兔兒山公園站、路西村茶園站采用便攜式大氣負氧離子監測儀(依派偉業EP050)開展對比試驗研究。結果表明:本研究涉及的固定式負氧離子監測儀能準確觀測出各站的負氧離子濃度變化范圍,以及隨氣象要素變化而發生的趨勢變化。

1.3 研究方法

參照其他氣象觀測數據質量控制方法,對數據進行預處理:對明顯異常或超出允許變化范圍的數值進行標記,當負氧離子濃度值長時間為0,或10 min的觀測值跳變在5000以上,均判識為異常數據。

根據氣候資料統計規定,3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12—2月為冬季。負氧離子濃度數據剔除缺測和異常值,采用算術平均法對各站小時值、日均值、月均值、季均值進行統計,相關性分析結果采用SPSS統計軟件進行單因素Pearson相關性分析獲得。

2 結果與分析

2.1 不同地表類型負氧離子濃度比較

2.1.1 季節變化比較 城市公園年均負氧離子濃度為2407 個·cm-3,高山茶園年均負氧離子濃度為3465 個·cm-3。從2站各季節負氧離子濃度變化可見,負氧離子濃度存在季節變化特征(圖1),以夏季最高、春秋季次之,冬季最低。夏季,城市公園、高山茶園負氧離子濃度可達3240 個·cm-3、3703 個·cm-3,冬季濃度則為1252 個·cm-3、3231 個·cm-3,秋冬季,空氣污染相對嚴重,氣候干燥,空氣濕度較小,負氧離子濃度處于四季最低值。城市公園負氧離子濃度夏冬季節差異明顯高于高山茶園。

圖1 城市公園與高山茶園負氧離子濃度季節變化比較

2.1.2 月變化比較 逐月負氧離子濃度變化顯示(圖2),高山茶園逐月負氧離子濃度變化幅度較小,城市公園幅度較大,以1、2月間濃度較低,3月濃度迅速上升,至6月達到峰值,7月負氧離子濃度又開始回落,至12月達到谷值。

圖2 城市公園與高山茶園負氧離子濃度月變化比較

2.1.3 日變化比較 2站負氧離子濃度的日變化特征基本一致,整體呈“一峰一谷”變化趨勢,峰值出現在上午,谷值出現在正午前后(圖3)。城市公園負氧離子濃度較高時段為每日21時—次日08時(峰值為07時),較低時段為09—17時(谷值為12時);高山茶園負氧離子濃度較高時段為02—11時(峰值為10時),較低時段為13—23時(谷值為13時);日變化中,城市公園、高山茶園負氧離子濃度日較差分別為211個·cm-3、254個·cm-3。

2.2 氣象要素對負氧離子濃度的影響

將研究時段內各小時觀測資料進行平均,得到全年負氧離子濃度、氣溫、風速逐小時平均值,繪制全年負氧離子濃度日變化隨氣象要素變化曲線圖。

2.2.1 氣溫對負氧離子濃度的影響 氣溫日變化呈“一谷一峰”型變化特征,凌晨06時氣溫降至最低,午后14時升高至日最高值。兔兒山公園負氧離子濃度日極值出現時間與氣溫較為吻合,日出之后,隨氣溫上升,負氧離子濃度逐漸降低,14時后,負氧離子濃度隨氣溫下降呈逐漸升高趨勢。高山茶園負氧離子濃度日極值出現時間與氣溫略有差異,10時后,負氧離子濃度隨氣溫升高逐漸降低,降至13時達日最低值,之后隨氣溫下降不斷升高,17時后,負氧離子濃度隨氣溫下降而波動性下降(圖4)。

圖4 城市公園與高山茶園負氧離子濃度與氣溫日變化特征

2.2.2 風速對負氧離子濃度的影響 2 min平均風速呈“一峰一谷”型日變化特征,日最小值出現在06時,日最大值出現在15時。城市公園負氧離子濃度日極值出現時間與風速較為吻合,07時之后,隨風速增大,負氧離子濃度逐漸降低,15時后,負氧離子濃度隨風速減小呈逐漸升高趨勢。高山茶園負氧離子濃度在10時之前,隨風速增大呈升高趨勢;10—13時,隨風速增大不斷降低;17時之后,隨風速減小呈降低趨勢(圖5)。

圖5 負氧離子濃度與2 min平均風速日變化特征

2.2.3 負氧離子濃度與氣象要素相關系數 以全年負氧離子濃度平均值日變化為因變量,氣象要素平均日變化值為自變量,采用SPSS軟件進行單因素Pearson相關性分析。分析結果表明,負氧離子濃度日變化與氣溫呈顯著負相關,其中城市公園負氧離子濃度日變化與氣溫呈極顯著負相關(相關系數為-0.897,P<0.01),高山茶園負氧離子濃度日變化與氣溫呈顯著負相關(相關系數為-0.438,P<0.05);負氧離子濃度日變化與風速呈負相關,其中城市公園負氧離子濃度日變化與風速呈極顯著負相關(相關系數為-0.881,P<0.01),高山茶園負氧離子濃度日變化與風速呈顯著負相關(相關系數為-0.416,P<0.05)。

2.2.4 不同天氣狀況對負氧離子濃度的影響 負氧離子濃度與天氣狀況關系密切,不同天氣狀況下負氧離子濃度變化不同。根據云量多少將天氣狀況分為晴天、多云、陰天、雨天在4種天氣類型(表1),分別統計2站在4種天氣狀況下的負氧離子濃度日均值,并進行比較分析(圖6)。分析結果表明:4種天氣狀況下負氧離子濃度有所差異,2站負氧離子濃度均為雨天最高,晴天次之,陰天和多云相對較低。雨水對環境空氣有沖刷清潔作用,雨水的沖擊會產生勒納德效應,提升周圍空氣的負氧離子濃度,雨天,城市公園、高山茶園負氧離子濃度分別達2524個·cm-3、3503個·cm-3。陰天、多云天氣,負氧離子的生成速率低于中和速率,負氧離子濃度較低。其中,城市公園負氧離子濃度陰天、多云分別較雨天降低15%、19%。

表1 不同天氣狀況劃分標準

圖6 4種天氣狀況下城市公園、高山茶園負氧離子濃度比較

2.2.5 不同降雨等級對負氧離子濃度的影響 由2.2.4可知,雨天能提高大氣負氧離子濃度。根據國家標準 GB/T 28592-2012降水量等級[14],結合旌德縣實際降雨特征,將降雨量劃分為5種等級。分別統計2站無雨和5種降雨等級條件下的負氧離子濃度日均值,并進行比較分析(圖7)。分析可知,隨著降雨等級提升,負氧離子濃度逐漸升高。城市公園大雨等級下負氧離子濃度最高,達3222個·cm-3,較小雨時負氧離子濃度升高38.5%;高山茶園暴雨等級下負氧離子濃度最高,達3683個·cm-3,較小雨時負氧離子濃度升高4.1%,但達到大暴雨級別,2站負氧離子濃度均呈下降趨勢。

圖7 無雨、5種降雨等級條件下負氧離子濃度比較

上述研究表明暴雨天氣條件下大氣負氧離子濃度呈顯著提高趨勢。以2020年6月20日為例(暴雨天氣),將2020年6月20日日降水量與負氧離子濃度進行比較(圖8)。

圖8 2020年6月20日城市公園、高山茶園日降水量與負氧離子濃度比較

2020年6月20日,城市公園降水時段出現在01—21時,隨著降水量增大,負氧離子濃度明顯升高(相關系數為0.63,P<0.01)。該日降水峰值出現在03—04時、06—07時、13—14時、17—18時,分別對應4個負氧離子濃度峰值段,07時由4243個·cm-3升高至5291個·cm-3。高山茶園降水時段出現在01—20時,負氧離子濃度與降水量呈顯著正相關關系(相關系數為0.42,P<0.05)。降水量與負氧離子濃度峰值分別出現在05—06時、10—11時、16—17時、18—19時,19時升高至日最高值6670個·cm-3。說明強降水天氣有助于負氧離子濃度增加。

3 結論和討論

(1)高山茶園負氧離子濃度高于城市公園。眾多研究表明林區負氧離子濃度高于城市區負氧離子濃度[9,15],針對茶園負氧離子濃度的研究較少,有待進一步研究。負氧離子濃度存在明顯季節變化,夏季最高,冬季最低,春秋季次之,春季高于秋季,可能是由于夏季植物光合作用旺盛,植被覆蓋率高,降水較多,負氧離子濃度相對較高。受江淮梅雨影響,強降水較多,濕度較大,負氧離子濃度于6月達最高值。

(2)負氧離子濃度日變化整體呈“一峰一谷”變化趨勢,峰值出現在上午,谷值出現在正午前后。可能是由于正午時刻,植物光合作用減弱,空氣濕度減小,負氧離子濃度降至日最低值。

(3)負氧離子濃度受氣象要素影響,與氣溫、風速呈顯著負相關;雨天負氧離子濃度最高,晴天次之,陰天和多云負氧離子濃度相對較低;隨降雨等級提升,負氧離子濃度逐漸升高,城市公園升高更為顯著,暴雨天氣條件下大氣負氧離子濃度顯著提高。可能是由于強降水條件下,降水運動對水分子的剪切作用,其勒納德效應增強,有利于負氧離子濃度的產生。