烏魯木齊負氧離子濃度的分布特征

蔡仁，買買提·阿布來提，廖菲

（1.烏魯木齊市氣象局，新疆烏魯木齊 830002；2.廣州市氣象臺，廣東廣州 511430）

空氣負離子是指獲得多余電子的帶負電荷的空氣離子，因空氣中氧分子化學性質活潑優先獲得電子，故也稱為負氧離子，廣泛分布于自然環境中，如森林和濕地。它是森林有效清除空氣中有機污染物、提升空氣質量的重要載體，已成為衡量一個地區空氣清潔度的重要指標之一，同時具有多種抗菌作用和生物學效應，對人體的心理和生理機能具有重要的促進作用，被譽為“空氣維生素”［1-4］。許多研究表明，負氧離子是大氣中不穩定粒子，隨著環境、時間的變化會有較大變化［3-5］，在空間上的分布與植被覆蓋度對應［6］，目前，關于負氧離子產生源的研究觀點基本可歸納為森林植被、動力水源地、平流水源地、空氣射線和紫外線、元素輻射、大氣閃電、降雨及人造技術應用等［6-9］。在不同季節里，空氣中負氧離子濃度通常夏秋高于冬春，且夏季最高、冬季最低［10-11］。除此之外，溫度、氣壓、濕度、天氣狀況等氣象要素對空氣負氧離子濃度的影響很大［11-12］。林曉青等［13］還結合人體舒適度、溫濕指數、風寒指數、度假氣候指數結合負氧離子濃度等級對陸河生態氣候休閑養生適宜性進行統計分析。

烏魯木齊市地處北天山北麓，準噶爾盆地南部，地勢起伏懸殊，由東南向西北降低，市區三面環山，南部、東北部高，中部、北部低。為了解烏魯木齊的空氣負氧離子分布情況，自2019年12月起，在烏魯木齊南部的天山北麓地區，選擇森林覆蓋較多的西白楊溝景區、天山大峽谷景區作為森林水體區代表站，天山區氣象局作為城市區代表站開展了觀測。本研究依托截止到2021年12月共3年的觀測數據，分析烏魯木齊空氣負氧離子分布特征，了解天山對城市空氣負氧離子資源的影響，為合理評價烏魯木齊空氣的清新度提供參考。

1 資料與方法

白楊溝站、大峽谷及市區站所使用的儀器為EPEX研制的HY3000大氣負氧離子自動測報儀，測量分辨率為1 cm-3，觀測頻次包括標準和加密（標準：1次／h、加密：1次整10 min、加密：1次／min）。該設備由新疆自治區氣象裝備中心定期檢定，由烏魯木齊環境監測中心定期鑒定，以確保數據可靠。

負氧離子觀測站點也位于區域自動氣象站旁，因此可獲得同步的氣象要素數據，包括氣壓、氣溫、濕度、平均風速、日照時數等，數據經新疆自治區氣象局業務數據質量控制處理。

數據處理時，主要運用數學統計的方法進行小時、日、月等平均和統計計算，借助相關分析法等分析負氧離子與氣象要素之間的關系等。

2 結果與分析

2.1 日變化

利用3個站2年的空氣負氧離子濃度觀測數據，統計得到了日逐小時的平均空氣負氧離子濃度值，圖1給出了3個站的日變化分布。相比于城市站而言，山區森林地區的兩個測站的空氣負氧離子濃度明顯更高，其中，僅代表森林的白楊溝站，其空氣負氧離子濃度在1 200 cm-3；而代表有水體的森林站（大峽谷站），空氣負氧離子濃度基本維持在20 000 cm-3以上，接近城市站的5倍。雖然3個測站的空氣負氧離子濃度存在明顯差異，但3個站的日變化均具有雙峰分布特征；2個森林站的空氣負氧離子濃度極大值出現在兩個時段，分別是早晨的07：00—09：00（北京時，下同）和夜間的00：00左右，市區站點白天空氣負氧離子濃度極大值出現時段與森林站相似，但夜間的極大值略早，大約在20：00。森林站的日變化相對明顯，極大值比極小值往往可高出800 cm-3，但市區站點在一天之日的變化幅度較小，通常起伏變化程度約為±100 cm-3。

圖1 各站負氧離子濃度的日變化

另外，根據觀測數據還分類統計了不同季節的日變化（圖略）。與圖1相似，4個季節負氧離子濃度的分布規律基本一致，白天的空氣負氧離子濃度低于夜晚，一天之中中午是空氣負氧離子濃度最低的時候。與冬春季相比，夏秋季空氣負氧離子濃度在夜間明顯相對較大。

不同天氣背景和氣象條件對空氣負離子濃度有明顯的影響。為了解天氣對烏魯木齊本地空氣負離子濃度的影響，將近3年觀測期間的天氣背景分為晴天、多云、陰天、雨、雪、雷雨、霧等7種天氣類型，利用3個站的全部數據，給出了對應的空氣負離子平均濃度（表1）。

表1 空氣負氧離子濃度和天氣現象對應分布

很顯然，當天空是以晴為主，不管云量多寡，相比于有降水的天氣而言，其空氣空氣負離子平均濃度都相對較小。不過，晴朗少云時空氣負離子平均濃度達到1 850 cm-3，比晴朗多云時高出830 cm-3，這一數值超出了烏魯木齊市區站的年平均值，可見充足的陽光對空氣負離子的產生是有利的。在有雨的情況下，空氣負氧離子平均濃度比晴空條件下會明顯增加，即便是霧天，空氣負氧離子濃度平均濃度也有1 820 cm-3；當出現雨雪天氣時，空氣負氧離子平均濃度則大幅增大，都超過2 000 cm-3，其中固態降水（雪）時比液態降水（雨）時空氣負氧離子平均濃度略偏小200 cm-3，無論是單純性的降雨時空氣負氧離子平均濃度最高，可達到2 650 cm-3，與大峽谷在夏季早晨時段的濃度類似。介于上述兩種天氣（晴天、雨天）之間的陰天情況，空氣負氧離子平均濃度僅為1 460 cm-3，僅高于多云天氣。

可見，對于烏魯木齊市的3個測站所處環境，降水的出現對于空氣負氧離子的增加是非常有利的，此時空氣負氧離子平均濃度往往是最高的。而在無降水的天氣背景下，晴天（陽光充足）時空氣負氧離子平均濃度為次大值。盡管陰天時陽光不充足，但相比于多云天氣，其空氣負氧離子平均濃度相對較大，因此，多云條件下空氣負氧離子平均濃度最低。這一現象的原因有待于進一步的研究。

2.2 月變化

作為我國天山南麓的觀測站點，其逐月平均的空氣負氧離子濃度分布也具有典型的分布特征（圖2）。從全年來看，3個測站的逐月空氣負氧離子濃度分布呈現單峰型的分布特征，這與其它森林或城市站的分布有所不同（如胡夢玲等［15］森林站表現為多峰型）。全年空氣負氧離子濃度高峰集中在7月左右，對應該地區的夏季；空氣負氧離子濃度低值在冬季（1月）。同時，相比于其它兩個站而言，伴有水體存在的森林站（大峽谷）的空氣負氧離子濃度高峰能持續到11月，可見下墊面環境對本地空氣負氧離子濃度影響是明顯的。

圖2 不同區域空氣負氧離子濃度逐月變化

就單站的空氣負氧離子濃度值來看，不同下墊面環境下也存在顯著不同。月平均空氣負氧離子濃度的大小，總體是大峽谷＞白楊溝＞市區。其中，大峽谷站全年最低月平均濃度約2 300 cm-3，比白楊溝站7月份的最高值也高出約300 cm-3；相似地，白楊溝全年空氣負氧離子濃度最低的月份（12月），其濃度約1 000 cm-3，也比市區站空氣負氧離子濃度最高的月份（7月）高出約200 cm-3。

從月變化分布來看，城市站的月變化不太明顯，全年各月的空氣負氧離子濃度相對平穩，且濃度較低，這與其它城市站也相類似［15］。而森林站中，季節變化所伴隨的植物生長快慢，能明顯的影響空氣負氧離子濃度。夏季日照時間長，太陽輻射強、植物光合作用強、氣溫高、雷雨天多，空氣負氧離子濃度達到峰值，并且當水體存在時，從夏季轉秋季的轉折過程中，空氣負氧離子濃度的變化是相對平穩的（大峽谷站），而不會出現較為快速的下降特征（白楊溝站）。而冬季植物葉片脫落，光合作用較弱，各站在全年冬季都是最低的空氣負氧離子濃度。

2.3 空間分布

分布在烏魯木齊市的3個測站，代表著烏魯木齊市典型的3種下墊面環境。大峽谷站在烏魯木齊市西南側，位于天山北坡低山帶，海拔2 000 m左右，以原始雪嶺云杉林為主，周邊沒有高大山體的遮擋；而白楊溝站雖然與大峽谷站類似，但其位于天山北坡中山與低山過渡帶，海拔約2 200 m，周邊大山較多；而市區處于盆地，海拔較低，三面臨山。

由于植被的大量覆蓋，在烏魯木齊西南側的天山地區，空氣負氧離子濃度常年較大，大峽谷站年平均值2 949 cm-3，年最大值3 315 cm-3，年最小值2 315 cm-3，遠高于世界衛生組織“清新空氣中負離子含量不應低于1 000 cm-3”的規定；而白楊溝站年平均值1 430 cm-3，年最大值1 987 cm-3，年最小值1 025 cm-3；市區年平均值486 cm-3，年最大值708 cm-3，年最小值386 cm-3。

2.4 氣象要素對空氣負氧離子的影響

1）負氧離子與雷電、氣溫、空氣相對濕度的關系。

從2.1節分析可知，烏魯木齊市空氣負氧離子濃度在雨天和雷雨天氣時最高。為進一步了解與之相關的氣象條件與空氣負氧離子濃度的關系，選取相對濕度、雷電頻次、氣溫等氣象因素，利用統計學方法開展了相關分析。

從圖2和圖3可以看出，夏季是烏魯木齊市雷電活動頻繁的季節，峰值集中在6—7月，最大值出現在7月（圖3），對應白楊溝站7月也出現空氣負氧離子濃度最大值（2 000 cm-3），并且其濃度比無雷電時期（10月至次年4月）高出最多達800 cm-3。在市區站雖然7月出現空氣負氧離子濃度最高值（800 cm-3），比無雷電時期高出約400 cm-3。

圖3 各站雷電次數

雖然7月大峽谷是3個站中雷電最為活躍的區域，但其空氣負氧離子濃度分布與雷電頻數的逐月分布并無明顯的一致性?？梢?，雷電活動對于有水體的森林（大峽谷站）的空氣負氧離子濃度的影響不明顯，但能提高一般的環境（森林、市區）的空氣負氧離子濃度。

從全年的氣溫演變來看，各站均表現出夏季（7月）出現最高氣溫的單峰型分布（圖略），其中3站中大峽谷站月平均溫度最低，白楊溝站次之，市區月平均溫度最高，氣溫的演變與閃電頻次的分布有相似分布。結合對應的空氣負氧離子濃度來看，氣溫的演變趨勢也是與白楊溝站和市區站的空氣負氧離子濃度有著相一致的變化，而大峽谷站空氣負氧離子濃度與氣溫的變化相關性并不明顯。

受森林和水體的影響，大峽谷站全年均保持較高的相對濕度，除9月低于60%、10月高于80%外，其他月份均保持在70%左右（圖4）。雖然市區站冬季相對濕度較高，這主要是因為冬季城市逆溫層的影響，其它季節通常都低于50%。對于以森林為主的白楊溝站及大峽谷站，由于植被以針葉林為主，在相對濕度較高的大峽谷站空氣負氧離子濃度更高，說明相對濕度較高的環境條件有利于空氣負氧離子的增加，而如果缺乏植被的覆蓋，即便相對濕度更高（如市區站的冬季），其空氣負氧離子濃度也不會有明顯的增多現象。

圖4 各站相對濕度月平均值分布

3 結論

為了解天山北麓烏魯木齊的生態氣象環境，利用分布在城市和郊外森林不同下墊面環境的大氣負氧離子自動測報儀，研究分析了城市及周邊空氣負氧離子濃度分布變化特征，結果如下：

1）空氣負氧離子濃度具有日變化特征。白天的空氣負氧離子濃度低于夜晚，其中中午空氣負氧離子濃度最低；夏秋季比冬春季日變化大。市區站的日變化最小，代表森林水體的大峽谷站日變化最大。

2）空氣負氧離子濃度月變化特征不一。從相對起伏變化量來看，市區站的月變化不太明顯且濃度較低；白楊溝站逐月空氣負氧離子濃度在各站中次大，且夏季最高，全年呈單峰型分布；大峽谷站位于有水體存在的森林地區，空氣負氧離子濃度在各站中最大（平均值達2 949 cm-3），月變化平穩，其冬季空氣負氧離子濃度仍然較高。

3）不同的天氣條件對空氣負氧離子濃度影響明顯。降水的出現對于空氣負氧離子的增加是非常有利的，此時空氣負氧離子平均濃度往往是最高的。晴天時空氣負氧離子平均濃度次大，多云條件下空氣負氧離子平均濃度最低。

4）氣象因素對空氣負氧離子濃度的影響各有不同。對于周邊無水體存在時（如市區站、白楊溝站），較高的氣溫和相對濕度、雷電活動多都有利于空氣負氧離子濃度增大，在相同的氣象條件下，植被覆蓋多時空氣負氧離子濃度也更大。但對于周邊存在水體和較多植被時（如大峽谷站），氣溫升高和雷電活動增強對空氣負氧離子濃度的影響并不明顯，相對濕度與空氣負氧離子濃度的分布較為一致，可見濕潤的空氣環境對這類地區的空氣負氧離子濃度維持和增加是有利的。