青島地區(qū)海霧分布特征及風(fēng)險(xiǎn)評估＊

馬 艷，郝 燕，王 穎

（1.青島市氣象局 青島市氣象臺，山東 青島 266003；2.南京信息工程大學(xué)遙感學(xué)院，江蘇 南京 210044）

霧是在特定的天氣條件下，近地面大氣層中懸浮的水滴和冰晶大量堆積，水平能見度小于1 000m的一種天氣現(xiàn)象。大霧造成的災(zāi)害主要在交通、供電和人體健康3個(gè)方面。2013年1月3日，受大霧影響，云南省昆明機(jī)場取消了436個(gè)航班；1月10日晚，從北京開往武漢的動車、高鐵受河南境內(nèi)大霧影響，先后2次發(fā)生斷電停車事故，上千名旅客滯留。霧按照其形成的物理機(jī)制可劃分為輻射霧、平流霧、蒸發(fā)霧、混合霧等［1－2］。陸地上的霧多為輻射霧，在海洋影響下生成在海上或海岸區(qū)的霧稱為海霧，基本上是屬于平流霧。對霧的類型及生成條件研究最多的是平流冷卻霧，即暖空氣流經(jīng)冷海面時(shí)發(fā)生凝結(jié)產(chǎn)生的霧，這類霧在黃海和東海占有很大比例［3］。近年來也出現(xiàn)了許多專門針對黃海沿海海霧所開展的氣候特征分析［4－6］和數(shù)值模擬的研究成果［7－15］，在海霧的天氣氣候特征、形成條件和物理機(jī)制等方面獲取了許多有價(jià)值的成果。除了在暖濕空氣條件下容易形成海霧外，其它氣象條件下也時(shí)有海霧發(fā)生，王亞男等［14］給出了近20%的冷空氣影響下的黃東海海霧特征。

受觀測手段的限制，目前海霧的觀測分析大都局限于地面和高空常規(guī)觀測資料的診斷分析以及利用衛(wèi)星遙感反演資料的分析研究［5－16］，而針對霧的風(fēng)險(xiǎn)評估和區(qū)劃研究目前尚不多見。扈海波等［17］運(yùn)用柵格疊置分析方法評價(jià)了北京地區(qū)的霧災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。鄒辰曦等［18］借鑒相對成熟的地質(zhì)災(zāi)害和其他氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估的方法和經(jīng)驗(yàn)，介紹了一些可用于霧災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估的方法。青島市位于山東半島的南部，西有膠州灣，東、南有黃海環(huán)繞，是典型的環(huán)海灣城市群。受海洋的影響，青島地區(qū)一年四季都有霧的發(fā)生，以海霧發(fā)生的范圍最廣，危害最大，也是世界上幾個(gè)重要的海霧多發(fā)地區(qū)之一［19－21］。根據(jù)青島海事局的不完全統(tǒng)計(jì)，2000—2003年青島地區(qū)海上船舶碰撞事故中大約有50%與海霧有關(guān)。因此開展青島地區(qū)海霧氣候特征分析和海霧災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估對青島這個(gè)沿海城市公眾社會活動、交通運(yùn)輸、海上作業(yè)等都具有非常重要的科學(xué)意義和實(shí)踐價(jià)值，也會對未來城市規(guī)劃和建設(shè)宜居幸福現(xiàn)代大城市提供技術(shù)支撐。

1 資料和方法

收集整理1978—2007年共30年的青島市區(qū)、嶗山區(qū)、膠南市、膠州市、即墨市、平度市和萊西市7個(gè)基準(zhǔn)站大霧日數(shù)資料以及有能見度要素觀測的自動站的資料。由于青島市大部分自動站始建于2005年，為了綜合分析霧空間分布特征，反映青島岸基站和海島站及周邊霧的分布狀況，本文對自動站資料進(jìn)行時(shí)間需補(bǔ)。具體方法如下：以當(dāng)日能見度最小值＜1 000m為有霧，挑選有霧記錄的自動站，統(tǒng)計(jì)每年霧季霧日數(shù)（4～7月）、非霧季霧日數(shù)（1～3，8～12）以及年霧日數(shù)資料，使用反距離加權(quán)插值法，利用7個(gè)基準(zhǔn)站的資料首先插值出每個(gè)自動站2007的每年霧季霧日數(shù)、非霧季霧日數(shù)以及年霧日數(shù)資料，對比基準(zhǔn)站和自動站在2007短時(shí)間序列中霧日的實(shí)況，找出每一個(gè)自動站和周圍哪幾個(gè)基準(zhǔn)站相關(guān)性最大，調(diào)整插值方案，使用修正后的插值方法續(xù)補(bǔ)每個(gè)自動站的前30年資料。

收集1984—2007年20多年來的由于海霧所造成的災(zāi)情普查資料，利用災(zāi)害學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評估的指標(biāo)加權(quán)綜合模型，基于歷史資料的統(tǒng)計(jì)學(xué)頻率分析方法計(jì)算氣象指標(biāo)，利用層次分析法確定指標(biāo)的權(quán)重，最后基于地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS）進(jìn)行海霧災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估分析。評估的具體范圍為青島市、膠州市和膠南市，以市域行政界線為評估界線，青島市區(qū)以區(qū)級行政單位為基本研究單位，包括市南區(qū)、市北區(qū)、四方區(qū)、黃島區(qū)、嶗山區(qū)、城陽區(qū)、李滄區(qū)。膠州、膠南由于數(shù)據(jù)獲取的原因只以市級行政單位為基本研究單位。

2 青島地區(qū)大霧特征

從青島地區(qū)霧的空間分布來看（見圖1），青島地區(qū)霧日數(shù)局地性強(qiáng)，差異很大。青島市區(qū)出霧頻率大，年霧日數(shù)達(dá)53d，尤其是太平角至奧帆基地沿海一帶海霧發(fā)生較為頻繁。雖然即墨內(nèi)陸地區(qū)受海霧影響和陸霧影響較少，年霧日僅有16d，但其田橫島地區(qū)與青島市區(qū)地理特征相似，年霧日數(shù)多達(dá)56d，且多為海霧。膠南沿海地區(qū)也是海霧多發(fā)區(qū)，但略少于青島，為45～50d左右。其次是膠州和膠南西北部，萊西和平度以陸霧為主，年霧日較少，約為30d?？傮w來說，青島地區(qū)沿岸和近海為霧的頻發(fā)區(qū)，多為海霧，年霧日數(shù)都在50d以上，海霧的影響縱深大約為8km；內(nèi)陸霧較少，多為輻射霧。就環(huán)膠州灣區(qū)域來分析，青島和黃島沿海海霧多發(fā)，膠州灣北部霧較少，膠州灣的東北側(cè)霧最少。因此在青島未來城市建設(shè)規(guī)劃中應(yīng)充分考慮霧的多發(fā)性和空間分布特征，在沿海及膠州灣環(huán)灣地區(qū)注意布設(shè)防霧設(shè)施，沿海公路應(yīng)加強(qiáng)大霧警示燈設(shè)置。

圖1 青島地區(qū)1978—2007年年平均霧日數(shù)Fig.1 Annual mean fog days from 1978to 2007 in Qingdao

基于青島市區(qū)大霧的高發(fā)性特點(diǎn)，本文統(tǒng)計(jì)分析了1978—2007年青島市區(qū)逐年霧日次數(shù)（圖略）。表明，青島一年四季都有霧的發(fā)生，年際變化不大，其中2006年霧日數(shù)最多，高達(dá)89d。青島市霧季一般從4月開始，7月結(jié)束。海霧日數(shù)占青島總霧日數(shù)的一半以上，6、7月是海霧發(fā)生高頻時(shí)期，3月之前和8月之后海霧則較少發(fā)生（見圖2）。觀測資料分析表明，青島海霧易于在凌晨3～6時(shí)和傍晚17～19時(shí)2個(gè)時(shí)間段出現(xiàn)，海霧消散時(shí)間主要在上午8～11時(shí)和夜間22時(shí)；海霧持續(xù)時(shí)間多為1～6h，持續(xù)24h以上的海霧事件僅為3.4%。根據(jù)溫度日變化特點(diǎn)以及大霧生消的時(shí)間分布特征，劃分20～00時(shí)、00～08時(shí)、08～16時(shí)、16～20時(shí)4個(gè)時(shí)段，對大霧的生消按不同時(shí)段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，00～08時(shí)是青島大霧形成的高概率時(shí)段，08～16時(shí)是消亡的高概率時(shí)段，比例都在51% 以上。

圖2 1978—2007年青島市區(qū)平均逐月霧日次數(shù)Fig.2 Monthly variation of fog days from 1978to 2007in Qingdao

圖3是2006年青島市區(qū)逐月霧日和常年月平均霧日數(shù)的對比曲線。在海霧高發(fā)的6和7月，青島市區(qū)霧日數(shù)分別達(dá)到了21和14d，出現(xiàn)頻率較常年增加了110%和40%。對比分析2006年青島市區(qū)二氧化硫，二氧化氮以及PM103種污染物的月平均濃度，在6～7月都呈現(xiàn)出低值的特點(diǎn)（見圖4），和海霧的高出現(xiàn)頻率呈現(xiàn)反位相、負(fù)相關(guān)的關(guān)系。這主要是青島為海洋性季風(fēng)氣候，夏季盛行由其南部黃海來的東南風(fēng)，大氣對流強(qiáng)并且發(fā)生頻繁。從海洋上移來的平流霧相對清潔，加上較好的垂直擴(kuò)散條件及降雨的沖刷沉降作用，使得這一期間青島空氣質(zhì)量較好。王鑫等［6］也指出，海霧形成的水汽不是由局地提供的，而是靠低空急流從熱帶大氣輸送過來。而霧日數(shù)相對較少的1～3月，青島市區(qū)的污染物的濃度卻是維持較高水平。造成相應(yīng)時(shí)段污染物濃度較高的原因，一是與冬季燃煤取暖造成的污染源的增加有關(guān)，二是與冬季大氣擴(kuò)散能力較差，三是冬季大霧天氣不利于污染物的擴(kuò)散。

圖3 2006年青島市區(qū)逐月霧日次數(shù)Fig.3 Monthly variation of fog days in Qingdao in 2006

圖4 2006年青島市區(qū)污染物月平均濃度Fig.4 Monthly mean pollutant concentration in Qingdao in 2006

3 青島地區(qū)海霧風(fēng)險(xiǎn)評估

大霧災(zāi)害作為自然災(zāi)害的一部分，是致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境與承災(zāi)體是綜合作用的產(chǎn)物［22－23］。本文從致災(zāi)因子的危險(xiǎn)度，孕災(zāi)環(huán)境敏感度以及承災(zāi)體暴露度3個(gè)方面進(jìn)行青島地區(qū)大霧災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估。由于海霧日數(shù)占青島總霧日數(shù)的一半以上，這里只針對海霧進(jìn)行評估分析。定義能見度0級稱為重霧，氣象能見度小于50m；能見度1級稱為濃霧，氣象能見度在50～200m；能見度2級稱為中霧，氣象能見度在200～500m；能見度3級稱為輕霧，氣象能見度在500～1 000m。

3.1 致災(zāi)因子危險(xiǎn)度分析

災(zāi)害產(chǎn)生和存在與否的第一個(gè)必要條件是要有風(fēng)險(xiǎn)源，即致災(zāi)因子。它反映災(zāi)害本身的危險(xiǎn)性程度，主要包括災(zāi)害種類、災(zāi)害活動規(guī)模、強(qiáng)度、頻率、致災(zāi)范圍等。這種過程或變化的頻率越大，那么它給人類社會系統(tǒng)造成破壞的就可能越大；相應(yīng)地，人類社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)承受的來自該風(fēng)險(xiǎn)源的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)就可能越高。致災(zāi)因子的這種性質(zhì)，通常被描述為危險(xiǎn)度。

霧災(zāi)致災(zāi)因子危險(xiǎn)度是指引發(fā)霧災(zāi)危險(xiǎn)的可能性，其評價(jià)要素主要為霧災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)、影響范圍、歷史發(fā)生頻次、能見度等級等［18］。本文根據(jù)1978—2007年青島市7個(gè)基準(zhǔn)氣象站能見度的觀測數(shù)據(jù)，將能見度分成0級和1～3級2個(gè)等級，以不同等級能見度出現(xiàn)次數(shù)為指標(biāo)，按照頻率公式，計(jì)算不同等級的大霧頻率，并根據(jù)能見度等級確定權(quán)重，利用危險(xiǎn)度公式獲得表1所示的致災(zāi)因子的危險(xiǎn)度值。從表1可以看到，青島地區(qū)大霧災(zāi)害致災(zāi)因子的危險(xiǎn)度在空間上有很大差異，市區(qū)的危險(xiǎn)度最高，即墨危險(xiǎn)度最低，膠州和城陽區(qū)部分地區(qū)危險(xiǎn)度值較高。

表1 青島各基準(zhǔn)站不同等級能見度頻率和致災(zāi)因子危險(xiǎn)度Table 1 Different level of visibility frequency and risk for hazard factor in Qingdao

3.2 孕災(zāi)環(huán)境的敏感度分析

孕災(zāi)環(huán)境主要包括水文條件、地形地貌條件、植被條件等自然條件，它們對災(zāi)害發(fā)生強(qiáng)度有很大的影響，通常用敏感度來表征孕災(zāi)環(huán)境的特性。由于影響青島地區(qū)的海霧，其影響程度與區(qū)域的臨海距離密切相關(guān)，因此本文采用海岸線指數(shù)來表征孕災(zāi)環(huán)境的敏感性。利用ArcGIS軟件在地圖上劃出距離海岸線0～2、2～4、4～6、6～8、8～10和小于10km的區(qū)域，按影響程度分別賦值，作為孕災(zāi)環(huán)境的敏感度指數(shù)，距離海岸線越近，海霧孕災(zāi)環(huán)境的敏感度指數(shù)就越高，其中距離海岸線0～2km的區(qū)域，其敏感度指數(shù)設(shè)定為1.0，而距離海岸線10km以外的區(qū)域，其敏感度指數(shù)設(shè)定0.0，即不再受海霧的影響。圖5就是依據(jù)海岸線指數(shù)所獲得的孕災(zāi)環(huán)境敏感度空間分布。青島市市南區(qū)、市北區(qū)、四方區(qū)、黃島區(qū)、城陽區(qū)和嶗山區(qū)因?yàn)榕R海或者距離海岸線較近，其相應(yīng)的孕災(zāi)環(huán)境敏感度較高。

圖5 孕災(zāi)環(huán)境敏感度空間分布Fig.5 Distribution of sensitivity for pregnant environment

3.3 承災(zāi)體的暴露度分析

有危險(xiǎn)性并不意味著災(zāi)害就一定存在，因?yàn)闉?zāi)害是相對于人類及其社會經(jīng)濟(jì)活動而言的，只有風(fēng)險(xiǎn)源有可能危害某社會經(jīng)濟(jì)目標(biāo)（即承災(zāi)體）后，對于一定的風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)者來說，才承擔(dān)了相應(yīng)的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。暴露性是指可能受到氣象危險(xiǎn)因子威脅的所有人和財(cái)產(chǎn)，如人員、房屋、農(nóng)作物、生命線等。一個(gè)地區(qū)暴露于氣象危險(xiǎn)因子的人和財(cái)產(chǎn)越多即受災(zāi)財(cái)產(chǎn)價(jià)值密度越高，可能遭受潛在損失就越大，氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)越大。大霧災(zāi)害損害的對象主要是人和交通，考慮指標(biāo)的可取得性，采用人口密度指標(biāo)來表征大霧對人的健康影響，采用路網(wǎng)密度來反映大霧對交通的影響。從2008年《青島市統(tǒng)計(jì)年鑒》獲取人口、各區(qū)市面積的數(shù)據(jù)，計(jì)算人口密度。利用ArcGIS軟件從2008年青島1∶10 000的電子地圖上提取青島地區(qū)的路網(wǎng)系統(tǒng)，按道路等級分別賦值（見表2），作為道路指數(shù)，根據(jù)暴露度公式計(jì)算承災(zāi)體的暴露度指標(biāo)。

式中：w1、w2分別為人口密度標(biāo)準(zhǔn)值（v1）和道路指數(shù)（v2）的權(quán)重，分別取值為0.32和0.68。

從承載體的暴露性空間分布（見圖6）來看，大霧災(zāi)害承災(zāi)體暴露度平均值較低，只有0.024，這說明大部分地區(qū)承災(zāi)體暴露度較低。暴露度高值區(qū)出現(xiàn)在市南區(qū)、市北區(qū)和膠州灣高速公路、青銀高速公路、濟(jì)青高速公路、同三高速公路、疏港高速公路、104國道及四方區(qū)內(nèi)道路。四方區(qū)、李滄區(qū)及其他地區(qū)局部道段暴露度也較高，大于平均值0.024。

表2 青島地區(qū)路網(wǎng)密度指數(shù)Table 2 Index of density of road network in Qingdao

圖6 承載體暴露性空間分布圖Fig.6 Distribution of exposure for carrying body

3.4 大霧災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析

基于ArcGIS空間分析平臺，利用氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)度指標(biāo)加權(quán)綜合模型［23］，綜合考慮致災(zāi)因子的危險(xiǎn)度、孕災(zāi)環(huán)境的敏感度以及承災(zāi)體的暴露度3個(gè)方面對青島地區(qū)大霧災(zāi)害的貢獻(xiàn)，計(jì)算青島環(huán)灣地區(qū)大霧災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)度值。計(jì)算公式如下：

式中：R為風(fēng)險(xiǎn)度；W1、W2、W3分別為危險(xiǎn)度（H）、敏感度（S）、暴露度（V）的權(quán)重值，分別取值0.50、0.25、0.25。

圖7是獲得的大霧災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)度空間分布?？梢钥吹?，青島地區(qū)大霧災(zāi)害極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)集中在市南區(qū)、市北區(qū)、四方區(qū)的西南部和黃島區(qū)東部沿海，這些地區(qū)位置緊臨海邊，大霧出現(xiàn)頻率較高，又是人口和道路密集的地區(qū)，其危險(xiǎn)度、敏感度和暴露度3個(gè)指標(biāo)都是很高。而膠州灣西面沿海地區(qū)和東面局部地區(qū)也是大霧災(zāi)害的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

圖7 大霧災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)度空間分布Fig.7 Distribution of risk for fog disaster

4 結(jié)論

本文通過分析青島地區(qū)1978—2007年霧日觀測資料，獲得了青島地區(qū)大霧發(fā)生的時(shí)間和空間分布特征?；贕IS，結(jié)合1984—2007年的大霧災(zāi)情普查資料對青島地區(qū)城市建設(shè)和社會經(jīng)濟(jì)活動影響較大的海霧災(zāi)害進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評估。主要結(jié)論如下：

（1）青島地區(qū)沿海為霧的頻發(fā)區(qū)，海霧日數(shù)占青島總霧日數(shù)的一半以上；內(nèi)陸霧較少，多為輻射霧。

（2）青島一年四季都有霧的發(fā)生。每年6、7月是海霧發(fā)生高頻時(shí)期；海霧易于在凌晨3～6時(shí)和傍晚17～19時(shí)2個(gè)時(shí)間段出現(xiàn)。

（3）青島地區(qū)大霧災(zāi)害極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)集中在市南區(qū)、市北區(qū)、四方區(qū)的西南部和黃島區(qū)東部沿海，青島環(huán)膠州灣西面沿海地區(qū)和東面局部地區(qū)也是大霧災(zāi)害的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

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