城市和森林空气负离子浓度与气象环境关系的通径分析

许 凯

陕西省汉中市气象局 陕西 汉中 723000

一、空气负离子

空气负离子主要是由空气中含氧负离子与若干个水分子结合而形成的原子团,被统称负氧离子。负氧离子浓度是环境空气质量监测、评价的重要指标。随着社会对气候变化、气象环境的关注,研究人员对负氧离子展开了广泛的研究与应用,并获得了一些新的成果。就气象环境与负氧离子浓度关系的而言,已有研究表明空气负离子浓度可能与多种气象要素相关。例如,有研究表明空气湿度对空气负离子浓度影响最大,其次是光照强度,最小是温度；但也有研究认为空气负离子浓度与相对湿度、风速、云量、日照、降水量的相关性不显著。有研究认为影响空气负离子浓度的气象因子有日平均风速、太阳辐射、相对湿度等,空气负离子浓度与日平均风速、太阳辐射正相关,与相对湿度负相关；有的研究却认为空气负离子浓度与温度、风速等呈负相关,与湿度在春、夏、冬三季正相关(在秋季负相关。显然,基于常规线性回归分析方法的气象环境与负氧离子浓度关系的研究,存在着许多不确定性,甚至矛盾性的结论。

由于许多相关研究结论的不确定性给相关业务预报、科研工作带来了困扰。为了更客观、更准确地揭示气象因子对大气负离子浓度的影响程度,需要适时根据森林区和城市区空气负离子实测资料,选取尽可能多的气象要素资料,采取通径分析方法,研究气象因子对空气负离子浓度的贡献,以期获得对空气负离子浓度影响因子的准确认识,从而为空气负离子浓度预报提供参考,并为不同地理位置的空气负离子研究提供参考。

二、通径分析

统计学理论在研究多个相关变量间的线性关系时,一般采用简单相关分析或多元回归分析方法,多元回归与简单相关分析相比,在一定程度史真实表现各自变量与因变量的关系,此种方法在气象统诅研究上已有成熟的研究应用。但是在多元回归分析中,不能直接比较各自变量对因变量的效应。通径分析方法克服上述不足,因而在农业、环境等领域得到较多应用。一般认为该方法在研究多个相关变量间的关系时具有精确、直观等优点,使用通径系数可以不受度量单位和自变量变异程度的影响去评估自变量对因变量的效应(相对重要性),也能区分自变量对因变量的直接作用和间接作用。而且该方法中以通径系数的大小表示各因子相对于结果的相对重要性,较大的剩余通径系数表示因子对结果误差较大,或者还有其他的更重要的因素需要被考虑。可见,采用通径系数的通径分析方法,可获得比相关分析和回归分析更为准确的结论。其基本算式模型如下：

通过通径分析,在当样本中影响因变量的自变量较多且存在较大共线可能性时,可以排除相关性较大的自变量间的共线作用,明确不同自变量间的相互作用和对因变量的直接及间接影响,同时通过决策系数可确定每个自变量对结果的影响程度。

三、气象环境与空气负离子浓度分析

就全年而言,森林区具有比城市区更多的空气负氧离子浓度,特别是夏季(6一8月)、秋季(9一11月)森林区的空气负离子浓度是城市的几倍,表明森林区的空气比城市要好,此结论与现有研究的结论是一致的。对于森林区,空气负离子的浓度均大于城市,这种差异与下垫面植被茂盛有关。夏季森林区植被茂盛,释放的负离子要比城市大得多,也是一年中森林区、城市区负离子浓度差别最大的季节；秋季虽然绿色植被比夏季少,但城市空气干燥、浮尘多,负离子存活时间较森林短,因而城市区负离子浓度总体上仍低于森林区。到了冬、春季,森林区植被覆盖相对夏、秋季减少,负离子浓度较少,并与城市的负离子浓度的差值进一步减小。

四、结论

在选取了尽可能多的气象因子,并辅以在揭示因子贡献分析上较为先进的通径分析方法,分析了城市环境和森林环境下大气负氧离子浓度的差异,并对气象因子与空气负离子浓度的关系作了探讨,得到如下的结论：

(1)相同天气条件下,森林区和城市区负氧离子浓度变化不同。森林区大气负氧离子浓度要比城市高,夏、秋季节森林区的空气负离子浓度达到城市区的2、3倍,森林区的空气更有益于人体健康。

(2)相关分析表明,总云量、平均风速和日照百分率同城市和森林空气负离子浓度相关不显著。蒸发量与森林区空气负离子浓度相关不显著,且仅在无雨日与城市区空气负离子浓度显著相关。

(3)对气象要素与负离子浓度的通径分析表明,日平均水汽压、日平均气温是影响城市区和森林区空气负离子浓度的主要直接因子。日平均水汽压还是其他气象要素影响空气负离子浓度的主要间接因子。

由于空气负离子产生机制和影响因子的复杂性,空气负离子浓度变化研究一直是气象、环境、林业等多学科交叉课题,既与研究区域地理位置、下垫面的差异有关,又与大气环境中气象要素间的相互作用有关。已有的研究表明空气负离子浓度可能与多种气象要素相关,但在具体因子的分析上,结果仍存在不确定性,一方面与统计分析方法本身的约束条件有关,另一方面与大气环境中气象要素间的相互作用的复杂性、研究区域地理位置、气候背景有关。观测时间短,研究结果难免存在一定的局限性,如何探明这些其他重要因素及其与负离子浓度的关系,这需要在今后的观测试验中,增有关要素观测,并做进一步研究。