邵阳市负氧离子浓度变化与气象要素相关分析
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摘要：文章采用2013年1月1日至2014年12月31日邵阳市同期气象资料以及逐日负氧离子实况数据，采用统计分析方法，得到了城市负氧离子浓度的三种典型机理，即稀释吸附、扩散吸附和沉淀吸附。分析三种机制相互作用下负氧离子浓度的季节变化及其与相关气象因子的关系，城市负氧离子极端浓度的气象成因，负氧离子浓度与相关气象因子的关系。为邵阳市生态环境发展提供参考，对科学开展健康生态旅游、指导户外大气环境资源开发，尤其是负离子资源开发利用具有重要的现实意义。
关键词：负氧离子;浓度变化;气象要素分析
空气中的负离子指带负电荷的氧离子，无色无味，又称为“负氧离子”。[1]空气中的负氧离子有改善大脑功能，促进人体新陈代谢，去除空气中的烟雾﹑粉尘起到净化空气的作用，又被称之为“空气中的维生素”。[2]空气负离子浓度测定和评价作为近年来衡量城市环境的重要指标，是评价生态效益的重要方法之一。[3]本文对2013年和2014年的负氧离子观测资料及相关气象要素进行分析，揭示邵阳市区春夏秋冬四季负氧离子浓度的变化规律及与相对湿度﹑降水等气象要素的相关关系。
1资料和方法
1.1分析地概况
邵阳市位于湖南省西南部，地形主要以丘陵、山地为主，属中亚热带季风湿润气候。本文数据来源的负氧离子试验观测仪器安装在邵阳市大祥区孙家山邵阳市气象局院内，海拔高度为260m，感应部分距地面高度1.5m，观测四周无大型遮挡物和工厂，仪器直线距离市区火车站和汽车站仅1.5千米，能较直观的反应邵阳市区空气负氧离子变化。
1.2实验设计
（1）实验设备。负氧离子浓度测量采用美国EPEX股份有限公司的Epex200系列大气负氧离子自动测报系统，（满足国家标准：GBT18809-2002，工作环境：温度-20～+60°C，湿度0-100%，分辨率：1个离子cm3，取样空气流速：2ms，迁移率≥1.0）。
（2）实验方法。负氧离子分析数据从2013年1月1日00：00时至2014年12月31日23：00时逐小时观测资料，日平均负氧离子浓度值为24小时的算术平均值，气象资料使用同时、同一地点的气象观测资料，冬春夏秋定义分别为冬季11月至次年1月、春2～4月、夏5～7月、秋8～10月。对数据采用列表﹑做曲线图来分析日、月的变化规律、变化范围及波动性，并对负氧离子与各气象要素之间的关系进行分析。
1.3负氧离子浓度评级标准
世界卫生组织（WorldHealthOrganization）已将新鲜空气中负氧离子标准浓度设定为1000～1500个cm3。本文利用六级评价标准对邵阳市负离子浓度进行评价，表明空气负离子含量与空气的关系，分别见表1、表2。
2负氧离子浓度分析
2.1负氧离子浓度季节变化和月变化
相关研究表明。[4，5]温度、湿度等环境因素对负氧离子浓度有很大影响。因此，有必要对邵阳市负氧离子浓度与温度、湿度的关系进行研究。统计结果表明，邵阳市负氧离子浓度在春季、夏季、秋季、冬季具有明显的变化特征，夏季和秋季浓度高，春季和冬季浓度较低，这符合空气负氧离子的含量与空气温度成正相关。资料分析表明邵阳市冬季11月至次年1月负氧离子浓度平均为504个cm3;春季2-4月负氧离子浓度平均为971个cm3;夏季5-7月平均浓度值为1646个cm3;秋8-10月平均浓度值为1455个cm3，这是因为夏秋季节邵阳市温度变化不大导致空气中负氧离子浓度高，而冬春季由于天气变冷以及大气污染加重等影响，使得负氧离子急剧减少。邵阳市负氧离子浓度月平均最小浓度值为334个cm3出现在12月;月平均最大浓度值为2489个cm3，出现在6月。2013年和2014年10月至次年1月负氧离子浓度逐月下降，下降比较缓慢降幅不大，3-6月逐月上升，其中7-8月上升迅速，该时段为主汛期，降水急剧增多。
2.2负氧离子日变化规律分析
已有相关研究普遍表明：[6]晚上19：00～20：00时刻空气负氧离子浓度达到最大极值，最小值则出现在中午12：00到13：00之间，但是由于多种复杂原因影响，邵阳市负氧离子浓度规律和研究有细小变化。选取邵阳市区2013年7月1日至2013年8月31日的晴朗天气10天负氧离子浓度和湿度观测数据，按小时取得平均值，得出邵陽市区负氧离子浓度和相对湿度日变化曲线。图2显示最大值为2800个，出现在6：00时，最小值为1003个，出现在11：00时，凌晨5点时负氧离子浓度达到最高，而后开始下降，到11：00时负氧离子浓度偏小，17：00时以后负氧离子浓度逐渐增加，直至第二天清晨，在14：30时中略有波动，波动幅度并不大。从图2可以看出，湿度越大，负氧离子浓度越大。这主要是因为在空气中以O-2（H2O）n形式存在的负氧离子相对稳定。[7]湿度增加时，空气中的水分子增加，O-2结合水分子的机会就增大，负氧离子浓度也随之增大。
2.3逐日负氧离子浓度与雷电日、降水日
分析2013年和2014年邵阳市各月降水数据，2013年4月和5月降水量正常，6月和8月降水减少，1月、2月和10月降水显著偏少，7月降水异常偏少，11、12月偏多，3月显著偏多，9月异常偏多。2014年1月、10月、12月降水明显偏少，5月降水明显偏多，11月异常偏多，其他月份降水正常。分析得出，2013年和2014年月降水量变化趋势和负氧离子浓度变化基本一致。2013年和2014年5-8月负氧离子月差异明显主要是由于2013年6-8月邵阳市发生重大旱情，降水偏少导致。
如表3所示：有雷电日和有降水日负氧离子浓度明显较高，其日平均负氧离子浓度分别达到1670个cm3和1480个cm3，出现对人体健康相当有利的4级空气清新度的百分比分别达到63%和42%，而出现对人体健康不利的百分比分别为零。在无雷电和无降水的日子里，负氧离子的浓度要小得多，其日平均负氧离子浓度只有597个cm3和760个cm3。 2.4负氧离子浓度与雾霾
谢志祥[8]等深刻解析了基于PM2.5的中国雾霾灾害风险评价，邵阳市处于雾霾灾害风险中度威胁等级。邵阳市雾霾月主要集中在冬半年，雾主要以辐射雾为主，多集中在02-10时刻，加之冬季上游北方沙塵暴等污染源扩散的影响，浮尘和雾霾双管齐下导致冬季成为大气污染物浓度最高，两年中第12月份出现雾霾次数较多。分析2013年和2014年雾霾数据结合负氧离子数据可以发现：2013年和2014年1月-3月和12月邵阳市负氧离子浓度呈现全年低值，此时邵阳市雾霾出现均在10月、11月、12月和1月，两者普遍呈现正相关性。
3结论
邵阳市负氧离子浓度全年总体达到世界卫生组织规定的三级标准，年平均负氧离子浓度为1168个cm3。邵阳全年负离子浓度的最大值高达13000个/cm3，出现在6月;而最小值仅为210个/cm3，出现在1月。不同天气条件下空气浓度存在显著差异，不同季节的空气负离子浓度如下：夏季>秋季>春季>冬季。邵阳市负氧离子浓度的季节和日变化明显，和沿海﹑山区等城市有着显著地不同。邵阳全年空气负离子浓度的月度变化：2012年10月至次年1月负氧离子浓度逐月下降，下降比较缓慢降幅不大，3-6月逐月上升，其中7-8月上升迅速。一日中，最高空气浓度出现在晚上5时，最小出现在9时和下午16时。一日内负离子浓度的变化规律在上午和傍晚较高，下午较低。通过日变化规律，人们可以科学调整出行和锻炼的时间。负氧离子浓度的变化与气象因子密切相关，浓度与相对湿度和降水量呈正相关，浓度变化趋势与月平均相对湿度变化趋势相同。最大和最低浓度比最大和最小降水值晚一个月。空气饱和水量是负氧离子浓度变化的主要原因，大气污染物雾霾则是冬季负氧离子浓度最低值的主要原因。
参考文献：
[1]毛永文.环境、生活与健康[M].北京：科学出版社，1986.
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[5]李继育.植物对空气负离子浓度影响的研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2008.
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[8]谢志祥，秦耀辰，李亚男，等.2017.基于PM2.5的中国雾霾灾害风险评价[J].环境科学学报，37（12）：4503-4510.
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