貴州高速公路低能見度分類預報方法研究

唐延婧，宋丹，柳艷香，廖波

（1.貴州省氣象服務中心，貴陽550002；2.中國氣象局公共服務中心，北京100081）

1 引言

隨著高速公路網(wǎng)的全面鋪開，不利氣象條件對交通運輸業(yè)的威脅日顯突出。尤其在大霧等低能見度天氣條件下，引起交通事故頻發(fā)，損失慘重。貴州是全國14個預防重特大道路交通事故的重點省份之一。近年來受低能見度天氣的影響，發(fā)生過多起惡性交通事故。在這樣的背景下，貴州高速公路低能見度預報方法的研究有著更實際的意義和迫切的應用需求。

由于霧本身具有很強的局地性特征，其分布與地形地貌也有很大關系［1］。而貴州地形復雜，水網(wǎng)交縱，地理環(huán)境的復雜使得霧的分布有明顯的地域性特點，有的地方常年有上坡霧出現(xiàn)，加劇了大霧等低能見度天氣的預報難度。另一方面，霧的生消變化可以是一個較為迅速的過程，有時甚至幾分鐘內(nèi)能見度就有可能急劇下降［2-3］。且其持續(xù)時間長短不一［4］：團霧維持的時間可能短至幾分鐘；霾與霧結(jié)合的復雜氣象條件下，低能見度天氣能夠維持很長時間［5］。因此低能見度的預報非常困難。

之前對貴州及周圍山區(qū)霧的研究以霧的氣候特征、天氣特征、氣象條件等［6-11］為主，但系統(tǒng)的霧的預報方法尚有待完善。國內(nèi)其他地區(qū)在霧的預報方法方面已取得了許多成果［12-20］，為做好霧的預報提供了有利參考。本文圍繞適應貴州天氣氣候特點和高速公路需求的低能見度預報方法設計，展開了一系列深入的研究。

2 貴州高速公路低能見度分級和預警閾值

雖然通常對霧的定義都是能見度小于1000米［21］，然而實踐證明，高速公路低能見度的定義不同于常規(guī)的氣象定義：能見度在500米以上，對高速公路交通通行幾乎沒有影響，能見度小于200m，即濃霧，交通部門就應對車輛實行限速。通過實地考察和專家咨詢，發(fā)現(xiàn)貴州的高速公路穿行于山間，地形環(huán)境復雜，多橋梁、隧道、彎道等，高速路段能見度小于100米，就有發(fā)生追尾事故的風險。參照2013年7月印發(fā)的《公路交通氣象監(jiān)測服務產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范（試行）》將能見度對交通影響程度分為4級，對交通影響最重的4級上限設為100m（見表1），同時也是預警閾值。另根據(jù)低能見度發(fā)生的影響天氣系統(tǒng)，將貴州的低能見度天氣分為鋒面霧、輻射霧、地形霧三類

表1 低能見度等級劃分及類型劃分

3 貴州低能見度天氣特征

在文獻［22］中，將高速公路快速發(fā)展的2008年到2013年的低能見度天氣做了分類、分等級、分范圍的統(tǒng)計分析。發(fā)現(xiàn)3級能見度的分布比較特殊，多在秋冬季，有23個站點（27%）3級能見度發(fā)生的頻率大于2級。分類型的研究發(fā)現(xiàn)不同類型的霧頻發(fā)季節(jié)不同，空間分布差異也大：鋒面霧主要分布在中部以西，各地差別明顯。輻射霧差別相對較小，易發(fā)區(qū)主要在東部、南部。各站點的鋒面霧和輻射平均霧日（表2）接近；都與海拔高度都顯著相關，但符號相反，海拔高的地區(qū)易發(fā)鋒面霧，海拔低的地方易發(fā)輻射霧。地形霧等其他類型的霧主要集中在大方、開陽、萬山，多與冷空氣活動有關。從各范圍霧日的年際變化來看，小范圍霧以地形霧等其他類型的霧為主（50.4%）。大范圍的霧中輻射霧占63.6%，有96.6%會出現(xiàn)3級能見度，27.9%會出現(xiàn)4級能見度。4級能見度有76.7%發(fā)生在大范圍霧日中，其中62.9%發(fā)生在大范圍輻射霧中?？梢姶蠓秶椛潇F的影響范圍廣，強度大。

表2 鋒面霧和輻射霧的比較

通過前面的分析和之前的研究結(jié)果［6，8-10］，可見貴州鋒面霧和輻射霧的時空分布、特點、性質(zhì)上都差異很大；因此不論是預報還是監(jiān)測預警，都應該分類來討論。

4 高速公路低能見度預報的氣象要素指標

之前許多研究針對能見度與氣象要素的關系［16-20］，證明通過氣象要素分析來預報或判斷能見度是可行的，較其他方法也更為簡便。下面對各類型、各等級低能見度的氣象要素進行考察，以期望能夠找到氣象條件上的差異。但由于鋒面霧、地形霧4級能見度的個例較少，統(tǒng)計分析結(jié)果僅供參考。

4.1 氣溫

從三類霧的氣溫統(tǒng)計來看，各類霧大多發(fā)生在20℃以下，氣溫均值都是隨能見度等級升高而降低。即氣溫越低，能見度越差。但鋒面霧的4級能見度氣溫較其他等級要高。

從變溫來看（圖1），鋒面霧和其他兩類霧有明顯區(qū)別。輻射霧大多數(shù)變溫大多都是負值（75.6%），強濃霧更有89.7%都是降溫。各等級之間有負變溫越大，能見度越低的關系。也充分證明了輻射霧的成因，主要是輻射降溫。地形霧也有大部分是負變溫（63.5%），與輻射霧類似，但降溫幅度不如輻射霧。而鋒面霧只有三分之一左右是負變溫（32%），且各等級之間區(qū)分不明顯。

氣溫和前日氣溫最高時的露點差，下文稱交叉溫度，是綜合考慮溫度和濕度的一個指標，考察結(jié)果與氣溫的結(jié)果相似：對輻射霧和地形霧來說，隨著能見度等級降低，其均值下降，兩者之間存在關聯(lián)度，但各等級之間區(qū)分更清楚。鋒面霧的交叉溫度不是單調(diào)變化的，而是在4級能見度時有一個明顯增大。

各級鋒面霧中氣溫要素表現(xiàn)出非單調(diào)性，研究后發(fā)現(xiàn)在2009年2月25日這一天，開陽能見度達100米以下，但前日靜止鋒北抬到開陽以北，該地天氣轉(zhuǎn)好，溫度較高，相對濕度很小；由于鋒面霧中的4級能見度很少（15例），樣本間差異較大對統(tǒng)計結(jié)果影響很大，統(tǒng)計分析效果不好。

圖1 各類低能見度的變溫比較

4.2 濕度

發(fā)生低能見度天氣時的相對濕度都較大，很多時候達100%，不服從正態(tài)分布。因此統(tǒng)計分析時，以90%百分位數(shù)作為閾值參考。輻射霧中各等級能見度發(fā)生時的相對濕度，均值、90%百分位數(shù)和及小值都隨等級上升而上升（圖2），即能見度程度越重，要求的濕度越高。輻射霧發(fā)生時的相對濕度大多在92.1%以上，4級以上低能見度大多發(fā)生在濕度94.7%以上時。其他兩類霧總體的相對濕度的90%百分位數(shù)為92.2%和90.8%，相對濕度和能見度等級之間沒有明顯的關聯(lián)。值得注意的是，鋒面霧中4級能見度曾出現(xiàn)在90.9%的情況下，為各類型中極小值。

圖2可見濕度在各等級輻射霧有區(qū)分，但范圍有重疊。濕度在其他兩類霧的各等級之間差別不明顯。三類霧都存在總體發(fā)生與否的濕度閾值，但差別并不太大。

4.3 降水量

降水量和風速，都不是連續(xù)變化的要素，因此采取分級統(tǒng)計的方法。輻射霧發(fā)生時基本都沒有降水，前6小時也絕大部分都沒有降水，0.1mm以下降水和無降水占98.4%；輻射霧中4級能見度也絕大多數(shù)都發(fā)生在無降水情況下，降水量最大也只有0.1m。鋒面霧發(fā)生時30%左右是有降水的（表4），但都以小于1mm的弱降水為主；前6小時則只有37%沒有降水，大多都是有降水的，但大多是5mm以下的小雨（97.97%）。地形霧等其他類型的霧中包含了降雨原因引起的低能見度，在此剔除當時的1小時降水量大于10mm的5個個例（5個個例中能見度等級均小于4）。地形霧中統(tǒng)計各降雨量級的頻率都小于鋒面霧的，說明地形霧中出現(xiàn)降水的情況更多，降水量平均也比鋒面霧的大。但兩類霧中的4級能見度出現(xiàn)時，最大的降水量為0.3m，前6小時降水量為2.5m，說明弱的降水利于出現(xiàn)鋒面霧和地形霧等，但降水過大不利于出現(xiàn)能見度級別低的天氣。

圖2 輻射霧各級濕度比較

4.4 風速

風向在山區(qū)有很強的局地性，不能完全客觀反映與能見度的關系。因此主要考察風速與能見度之間的關系。輻射霧中靜風和小于1m.s-1的弱風在總體樣本中所占比例為3類中最大（表5），但4級能見度樣本中弱風的比例卻明顯減小。鋒面霧和輻射霧相反：靜風、小于1m.s-1的弱風在4級能見度中所占比例和均值都較總體的小，靜風和弱風更利于產(chǎn)生能見度低的鋒面霧。地形霧風速均值是3類中最大，4級能見度都發(fā)生在風速大于1m.s-1的情況下。

通過前文分析得出各類霧的分級氣象要素指標，發(fā)現(xiàn)在輻射霧中，變溫、交叉溫度、濕度等氣象要素與能見度等級之間有較好區(qū)分，但各等級之間的要素范圍有所重疊。各等級地形霧、鋒面霧之間的氣象要素差別不太明顯?？梢姺值燃壍湍芤姸鹊念A報非常困難。雖然WRF、精細化預報產(chǎn)品等都有能見度值的預報，但檢驗結(jié)果在貴州山區(qū)不甚理想?？偟膩碚f，山區(qū)能見度受地形環(huán)境影響明顯，預報能見度等級、能見度值的難度很大。但各類霧的發(fā)生，有一定的氣象條件，且各類霧之間發(fā)生的氣象條件有所差別，可以作為分類霧的有無預報指標。

5 總結(jié)

通過分類霧的特征比較和氣象要素的考察，認識各類霧的發(fā)生條件，以及各等級霧的氣象條件之間的細微差異。雖然實現(xiàn)分等級預報存在困難，但仍可以總結(jié)出貴州各類霧的有無預報指標，從而實現(xiàn)適宜貴州天氣特點的分類霧的預報。

表3 鋒面霧和地形霧的降雨量統(tǒng)計

表4 風速統(tǒng)計

（1）各類低能見度天氣之間的性質(zhì)差異明顯，在預報中宜分類進行。鋒面霧的局地性特點，在預報中需要重點關注鋒面霧多發(fā)點、區(qū)域。輻射霧的性質(zhì)更均勻，低能見度程度更重，對交通影響重。

（2）各類霧的分級氣象要素指標考察發(fā)現(xiàn)：在輻射霧中，變溫、交叉溫度、濕度等氣象要素隨能見度等級變化有一定規(guī)律，4級輻射霧發(fā)生的降水和風速條件強于其余級別。各等級鋒面霧之間的氣象要素差別不太明顯，且4級能見度與其他級別有較大差異，受樣本量少的影響統(tǒng)計效果不好。

（3）各類霧之間發(fā)生的氣象條件有所差別并可作為預報依據(jù)。鋒面霧和其他兩類霧的變溫有明顯區(qū)別：輻射霧大多是負變溫，而鋒面霧只有三分之一是負變溫。三類霧都存在總體發(fā)生與否的濕度閾值，但差別并不太大。輻射霧發(fā)生時和前6小時基本無降水，而弱的降水利于出現(xiàn)鋒面霧和地形霧等，但降水過大不利于出現(xiàn)能見度級別低的天氣。輻射霧大多發(fā)生在靜風和弱風情況下，鋒面霧較輻射霧的風速略大，而地形霧發(fā)生時的風速最大。

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