地區低能見度事件變化特征分析范文

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《干旱區地理雜志》2016年第一期

摘要：

以關中城市群為研究區域，選取關中8個氣象站1981-2013年逐日3個時次的大氣能見度、降水、相對濕度、風速、天氣現象等觀測資料為研究對象，使用統計方法，分析關中地區低能見度天氣時空分布特征，研究影響關中地區低能見度的氣象和環境因素，結果表明：1981-2013年關中地區能見度有下降的趨勢，日平均能見度以10～20km最多，低能見度事件6月出現最少，12月最多，冬半年明顯高于夏半年，低能見度狀況具有明顯的延續性。關中西部和中部低能見度日數呈減少趨勢而東部增加趨勢，關中東、西部城市低能見度日數差異顯著減少。霧是造成低能見度事件的主要天氣現象，其次為降水和霾。與霧有關的低能見度事件在低能見度總數中占92.8%，霧、霾造成的低能見度事件主要出現在冬季，并以1月、12月最多。相對濕度、風速也是重要的影響因素，另外污染物質量濃度是影響能見度水平的另一主要因素。

關鍵詞：

能見度；低能見度事件；關中地區；時空變化特征；影響因子

能見度是表征大氣透明度的指標，指具有正常視力的人在當時的天氣條件下還能夠看清楚目標輪廓的最大水平距離［1-2］，影響能見度的因素很多，降水、霧、霾、沙塵以及大氣中存在的污染性氣體和氣溶膠等都會對能見度產生很大的影響［3-4］。能見度是影響航空、航海、陸上交通以及軍事活動等的重要因素之一［5］，較低能見度天氣會給社會經濟和人們的日常生活帶來諸多不便。因此，大氣能見度尤其是低能見度天氣現象受到了氣象、環境工作者及社會各界的廣泛關注。我國關于大氣能見度研究很多，吳兌等［6-8］分別研究了廣州、北京、上海等地的低能見度事件的氣候特征及影響因素，有效促進了對當地低能見度天氣氣候規律的認識，但是關于關中地區能見度的相關研究尚不多見。關中城市群是是中國“十一五”期間重點建設的“十大城市群”之一，是陜西乃至西北地區的重要生產科研基地陜西經濟的核心區，區內土地面積5.5×104km2，總人口2326.88×104人，分別占全省的27.0%和62.84%，人均GDP為10819元，是全省平均水平的1.09倍［9］。隨著城市化和社會經濟的高速發展，人口、產業不斷集中，空中和陸地交通將愈加繁忙，大力改善當地的能見度及空氣質量顯得尤為迫切，因此，掌握關中區域低能見度現象的形成與分布規律，分析低能見度的影響因素，對于做好低能見度天氣的準確預測預報，確保交通安全，對綜合治理該區域的低能見度事件提供必要的指導和相互協調，提高人民生活水平，具有重要的意義。

1資料和方法

因1980年以前，氣象站點人工觀測能見度為等級值，故本研究選取關中城市群西安、咸陽、渭南、寶雞、銅川、興平、華陰、韓城等8個氣象站點1981-2013年逐日08、14、20時3個時次的能見度觀測資料為研究對象。采用統計方法，探討關中地區低能見度事件的年、季變化和日變化規律，使用累積距平法，分析關中地區低能見度天氣的偏多時段、偏少時段及時空分布特征，研究關中地區的低能見度特征，結合相關氣象因子和環境因子分析造成低能見度事件的因素，為相關部門預警信息和采取有效的防治措施提供科學依據。依據王曉芙［10］等人研究結果，本文定義日均能見度低于10km的視程障礙現象為“低能見度”事件。

2關中低能見度統計特征

2.1能見度等級分布特征利用逐時能見度資料的算術平均得到當天的日均能見度，并劃分為以下8個等級，即≥20km、10～20km、5～10km、3～5km、2～3km、1～2km、<1km，分別統計出一年中對應等級的能見度日數及其百分比（表1），顯示1981-2013年間關中地區日平均能見度以10～20km最多，占總數的54.6%，年均約198.5d；其次為5～10km，占總數的23.3%，年均約84.7d；≥20km的能見度占14.9%，年均54.0d；而2～5km的低能見度相對較少，能見度<1km的低能見度最少，年平均僅0.6d，占0.3%，10km以下低濃度事件約占30.5%。

2.2低能見度時間分布特征

2.2.1低能見度年變化特征關中地區1981-2013年平均發生低能見度事件110.9d，其中興平、寶雞發生低能見度事件多于其他縣市。從圖1看出，關中地區20世紀80年代初到80年代中期能見度上升明顯，以后有明顯的下降趨勢，90年代以后能見度持續降低，1997年后各年能見度低于多年平均值，2000年后關中地區能見度明顯惡化。其中1986年能見度最好8站平均達16.67km，2000年能見度最低僅12.28km，多年平均能見度約14km。各月平均能見度6月最高，7月次之，1月和12月分別為最低和次低。從圖2可以看出各站各月低能見度日數分布呈明顯的單谷型，6月低能見度出現最少僅3.7d，12月最多達14.1d，1月、10月和11月低能見度日數均超過10d。可見夏季能見度最好，冬季最差，冬半年能見度明顯低于夏半年，低能見度日數明顯高于夏半年，可能由于關中地區冬季風速小、靜穩天氣多造成霧、霾多發引起的。

2.2.2日變化特征根據能見度觀測的結果，關中地區1981-2013年日平均能見度變化非常大，日平均能見度最小僅0.07km，最大可達63.33km，低于1km的日數出現1.0d•a-1。統計分析有觀測的各日3次能見度，關中08時出現低能見度頻率為39.8%，14時出現頻率為20.5%，20時出現頻率為20.8%，可見低能見度多生成于夜間，清晨是能見度最低的時段。持續小時分布來看，多年來08時出現低能見度143d•a-1，08時到14時持續出現低能見度日為63.2d•a-1，08時持續到20時的低能見度天氣30a出現48.1d•a-1，可見低能見度從清晨開始逐漸減少一般維持到中午前后即可好轉，夜間逆溫層的存在抑制污染物的垂直擴散和清晨人類活動比較集中增大了污染源的排放，可能導致了夜間至清晨能見度較低，而日出后太陽輻射加強，大氣不穩定性增加有利于大氣中微粒的擴散，能見度轉好。

2.3能見度空間分布特征圖3為關中主要代表城市1981-2013年逐年低能見度日數分布曲線，可以看出，關中西部城市寶雞多年平均低能見度日數最多139.2d•a-1，其次是關中中部西安96.1d•a-1，東部韓城最少為63.2d•a-1。從變化趨勢看出：寶雞、西安1981-2013年年平均低能見度日數呈減少趨勢，西安減少趨勢明顯，韓城低能見度日數則呈明顯的增加趨勢，東、西部低能見度日數差異顯著減少。可見，關中西部和中部能見度趨于好轉而東部能見度有降低趨勢，由于關中地區近年來城市發展所規劃的大氣污染在關中地區東部比較集中，加上特殊地形和特定盛行風的影響，導致的城市氣溶膠聚集造成污染堆積，使得關中東部大氣能見度降低，低能見度日數增多。

2.4低能見度的持續特征從日平均低能見度持續時間來看，33a來最長出現持續27d的低能見度事件（寶雞，1988年12月14日～1989年1月9日），另外單日低能見度事件約占低能見度事件的16.8%，持續2d以上的低能見度事件約占低能見度事件的83.2%，持續5d以上低能見度事件約占42.6%，關中地區持續性低能見度日數明顯大于單日低能見度日數，低能見度狀況具有明顯的延續性，可能因天氣系統具有延續性造成，而低能見度事件持續時間越長，出現次數越多，對人民生活和日常交通影響越大，越應該引起重視。

3低能見度的影響因素

影響大氣能見度的因素包括自然和人為的兩種原因。前者是指影響大氣能見度的天氣現象，如降水、霧、大風、沙塵暴等，后者指由于人類活動排放進入大氣的污染物［11］。

3.1低能見度與天氣現象的關系眾多學者大量的研究工作表明降水、揚沙特別是霧、霾、降水、揚沙等天氣現象都是可能產生低能見度的天氣現象。表3為關中地區低能見度與天氣現象的統計關系，關中地區與霧有關的低能見度事件占低能見度總數的91.7%，和雨、霾有關的低能見度事件所占比例分別為次多和第三，其中由霧單獨引起的占34.8%，單獨雨引起的低能見度約占2.1%，單獨因霾引起的低能見度事件約占1.7%，由霧和雨引起的低能見度事件約占30.6%，由霧和霾引起的低能見度事件約占26.3%。霧、霾造成的低能見度事件主要出現在冬季，并以1月、12月最多，夏季較少。因此霧、霾等天氣現象是造成低能見度事件的主因，降水是低能見度事件的另一主要因素，揚沙、沙塵暴等引起低能見度事件次數較少，主要發生在春季。

3.2低能見度與相對濕度的關系相對濕度對能見度也有一定的影響［12］。根據計算所得到的相對濕度和能見度日均值統計，1981-2013年關中地區相對濕度和大氣能見度存在較好的負相關，相對濕度的升高往往對應能見度的降低。將日均相對濕度RH分成八級，再挑選出各級相對濕度范圍對應的低能見度的日數，計算各級的日數在總的低能見度日數中所占的比例（圖4），顯示33a來關中地區低能見度事件日平均相對濕度（78.1%）遠大于未出視程障礙現象日平均相對濕度（63.1%）。低能見度事件日平均相對濕度在80%<RH≤90%范圍內發生最多，出現概率約為33.3%，其次占有較高比例的為70%<RH≤80%和RH>90%兩個等級，即關中地區的低能見度事件在中高相對濕度（RH>70%）范圍內，且有隨濕度降低而減少的趨勢，RH<50%低相對濕度時則發生低能見度事件很少，RH<30%幾乎未發生低能見度事件。可能由于較高相對濕度下消光系數較大，從而影響大氣透明度造成能見度較差，另外較大相對濕度不利于污染物擴散，易加重空氣污染，而污染物濃度的增加也會降低大氣能見度。

3.3低能見度與風的關系許多研究表明地面風速是影響大氣能見度的關鍵因子［13］。計算33a來關中地區低能見度事件日平均風速1.2m•s-1小于未出視程障礙現象日平均風速1.8m•s-1，可見風速小是造成低能見度的一個重要因素。將低能見度事件日平均風速分成7級，再挑選出各級風速范圍對應的日均能見度的日數，計算各級的日數在總的低能見度日數中所占的比例（表4、圖5），由于風使大氣中的污染物和水蒸氣遷移和稀釋能力增強從而增大能見度，33a來關中地區低能見度事件在靜風和小風范圍內發生最多，出現概率達80%以上，風速增大的同時，能見度增大。風速>5.0m•s-1時出現低能見度事件的主要原因是大風引起沙塵暴天氣從而造成顆粒物濃度急劇上升起大氣透明度降低。

3.4低能見度與大氣污染物濃度的關系根據西安市環境監測站網站提供的2002-2013年逐日污染物質量濃度數據計算影響大氣能見度的主要空氣污染物的平均統計特征（表5），能見度與污染物質量濃度呈明顯的負相關關系，與瞿德業［14-15］等人的研究結果相一致，其中PM10質量濃度與能見度相關系數達-0.4。從質量濃度變化上看低能見度時間發生期間污染物質量濃度顯著高于平均值，其中低能見度事件SO2平均質量濃度0.053mg•m-3，NO2平均質量濃度0.046mg•m-3，PM10平均質量濃度0.184mg•m-3，PM10平均質量濃度超過國家環境空氣質量二級標準，SO2、NO2、PM10平均質量濃度較未出視程障礙現象分別高出52%、32%和39%，比例上與能見度和污染物濃度的相關系數次序大體一致，低能見度事件PM10平均質量濃度遠大于未出視程障礙現象日PM10平均質量濃度的0.121mg•m-3。表明氣溶膠能通過消光作用降低大氣的能見度，氣溶膠的質量濃度直接影響了能見度的變化，是影響能見度水平的主要因素之一。

4結論與討論

（1）關中地區1981-2013年多年平均能見度約14.1km，日平均能見度以10～20km最多，10km以下低濃度事件約占31%，其中5～10km的低濃度事件約占23.5%，能見度<1km的低能見度最少。低能見度事件1981-2013年均約110.9d，6月低能見度出現最少，12月最多，冬半年低能見度日數明顯高于夏半年。一日里08時出現低能見度最多，14時最少，低能見度從清晨開始逐漸減少一般維持到中午前后即可好轉。低能見度狀況具有明顯的延續性，持續低能見度日數明顯大于單日低能見度日數。（2）區域分布上關中西部寶雞市低能見度事件最多達139.2d•a-1，東部城市韓城最少為63.2d•a-1，從變化趨勢上看近年來關中西部和中部低能見度日數呈減少趨勢而東部增加趨勢，關中東、西部城市低能見度日數差異顯著減少。（3）低能見度事件的影響氣象因素很多，霧是造成低能見度事件的主要天氣現象，其次為降水，霾是影響低能見度的第三因子，其中霧、霾造成的低能見度事件主要出現在冬季，并以1月、12月最多，揚沙、沙塵暴等引起低能見度事件次數較少，主要發生在春季。（4）相對濕度、風速也是造成大氣低能見度事件的主要氣象因子，33a來關中地區低能見度事件日平均相對濕度>80%<RH≤90%范圍內發生最多約占33%左右，RH<30%幾乎未發生低能見度事件，從風速變化上看，風速≤1.5m•s-1時出現低能見度事件達80%以上，風速增大的同時，能見度增大。（5）氣溶膠的質量濃度直接影響了能見度的變化，是造成低能見度事件的另一重要環境因素，SO2、NO2、PM10平均質量濃度較未出視程障礙現象平均質量濃度分別高出52%、32%和39%。

作者：胡琳 王琦 張文靜 陳建文 曹紅麗 單位：陜西省氣候中心 西安市氣象局