江蘇不同強度降雨對能見度影響分析

鮑婧　黃亮

摘要利用江蘇70個基本站多年逐時雨量、相對濕度、風向、風速以及同時段內(nèi)最低能見度等觀測資料，分析不同強度降雨對能見度的影響，并對比分析兩種不同強度降雨造成的低能見度事件統(tǒng)計特征。結(jié)果表明：降雨是除霧以外，江蘇低能見度的主要影響天氣（147%），其中穩(wěn)定性弱降雨和短時強降雨影響最大。與低能見度霧事件不同，降雨造成的低能見度事件全天各時段均可能出現(xiàn)，發(fā)生時可伴隨較強的風速（>2 m/s），短強低能見度多見風速>4 m/s（266%）。江蘇冬春兩季為雨霧高發(fā)季，主要受降雨持續(xù)時間影響，對應(yīng)的低能見度區(qū)間為500～1 000 m，有明顯日變化。短強低能見度主要受雨強影響，多發(fā)生于6—9月，對應(yīng)的低能見度區(qū)間為小于200 m，無明顯日變化。兩種降雨產(chǎn)生的低能見度事件有明顯的空間分布差異，且雨霧低能見度發(fā)生時偏北風占主導(dǎo)，短強低能見度發(fā)生時則偏東風占主導(dǎo)。

關(guān)鍵詞低能見度；降雨造成的低能見度；不同強度降雨；雨霧；短時強降雨

低能見度是影響交通運輸安全的重要氣象因素之一，容易誘發(fā)交通事故，統(tǒng)計表明，我國由低能見度造成的交通事故占氣象原因事故的292%，對人們的生命和財產(chǎn)造成無法估量的損失，因而做好能見度的預(yù)報、研究具有積極意義（陸春松等，2011；劉霖蔚等，2012；候靈等，2014；費東東等，2016）。研究發(fā)現(xiàn)，降雨影響能見度變化（Stewart and Yiu，1993；Stewart et al.，1995；Tardif and Rasmussen，2007，2008，2010；吳兌等，2009），由降雨造成的低能見度事件時有發(fā)生，給現(xiàn)代交通運輸安全帶來嚴重危害（Harold and Hakkert，1988；Kevin and Ian，2005；謝靜芳等，2006；吉廷艷等，2011）。

國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對降雨與能見度的關(guān)系做出了探索，從宏觀特征（鄧雪嬌等，2007；李宏宇等，2010；嚴文蓮等，2010；黃治勇等，2012）和微觀特征（孟蕾等，2010；趙胡笳和馬雁軍，2011；劉端陽，2011；趙胡笳等，2014）對雨霧的形成、發(fā)展機制、環(huán)流背景、垂直結(jié)構(gòu)、微物理特性以及各種影響因素的作用方面進行研究，得出了許多有益的結(jié)論，Donaldson and Stewart（1993）認為雨霧是雨滴下落到云層以下的干空氣中后蒸發(fā)為水汽，冷卻凝結(jié)而形成的霧，Tardif and Rasmussen（2010）基于數(shù)值模擬和觀測實例指出自由降落的雨滴處于非平衡態(tài)，也認為雨滴的蒸發(fā)是霧形成的原因。于華英等（2015）對2007年12月南京6次雨霧過程的宏、微觀結(jié)構(gòu)演變特征進行了分析。劉西川等（2010）在分析降水粒子的大小、速度、形狀、譜分布、光學(xué)特性等特征的基礎(chǔ)上，忽略氣溶膠粒子的影響，建立基于實測譜分布的降水與能見度的理論模型。

這些研究加深了對雨霧過程的認識，雨霧多形成于穩(wěn)定性弱降雨中，而不同強度降雨對能見度變化的影響不同，對流性強降雨，短時間內(nèi)雨強達到高值，影響霧滴數(shù)濃度和含水量，從而使得能見度急速降低，此類型降雨使得能見度短時間內(nèi)急速下降，其危害性不容忽視，但已知研究多針對雨霧展開，對于不同強度降雨和能見度的關(guān)系卻鮮見研究。且由于觀測資料的限制，現(xiàn)有研究多以個例分析為主，對于大樣本降雨條件下的低能見度事件共性特征缺乏了解，相關(guān)預(yù)報指標少有研究，這嚴重制約了對于不同強度降雨造成的低能見度事件的認識，無法為能見度降雨預(yù)報提供技術(shù)支撐，嚴重影響了對低能見度天氣預(yù)報服務(wù)的準確率。

本文應(yīng)用較長時間序列觀測資料，分析江蘇地區(qū)降雨對能見度的影響，選取雨霧和短時強降雨造成的低能見度（簡稱“短強低能見度”，下文同）這兩種降雨造成的低能見度的主要類型，通過統(tǒng)計方法對比分析不同強度降雨造成的低能見度事件的氣象要素分布、時空分布特征，為提高由降雨造成的低能見度事件的預(yù)報準確率提供參考。

1資料

1）利用2005—2014年江蘇70個基本站（圖1）3 h間隔地面觀測資料，對江蘇近10 a低能見度天氣的天氣性質(zhì)進行統(tǒng)計分析，以此對江蘇近10 a低能見度主要天氣有初步的認識。

2）利用2012—2014年上述站點逐時雨量、相對濕度、風向、風速資料以及同時段內(nèi)能見度儀測得的最低能見度值（能見度背景場觀測開始于2012年），選取小時降雨量大于0 mm/h且小時最低能見度小于1 000 m的事件，即“降雨造成的低能見度事件”，研究降雨強度對能見度的影響。

3）對比分析不同強度降雨造成的低能見度事件（本文指雨霧和短強低能見度）的氣象要素分布和時空分布特征等。

2降雨對能見度的影響

21降雨與能見度的相互關(guān)系

分析2005—2014年江蘇70個基本站地面低能見度事件發(fā)生時對應(yīng)天氣現(xiàn)象，其中降雨造成的低能見度事件占比147%，可見降雨對能見度的影響客觀存在且不容忽視，降雨造成的低能見度是江蘇低能見度事件的一種重要類型。而目前我國氣象部門所發(fā)布的預(yù)警信號中并未對此類天氣現(xiàn)象做出區(qū)分，因此對此類天氣現(xiàn)象進行研究具有實際意義。

分析2012—2014年江蘇地區(qū)降雨造成的低能見度事件中，小時降雨量與小時最低能見度的相互關(guān)系（圖2），可知，能見度隨著小時降雨量的增大總體呈指數(shù)降低，但受降水粒子特性和天氣條件以及譜分布等多種因素影響，能見度與降雨強度之間的關(guān)系并不是唯一對應(yīng)的。當小時降雨量較小時，對應(yīng)能見度分布較為分散，波動性強，此時對能見度起主要影響的可能不是降雨強度，受其他因素，如持續(xù)時間的影響明顯，因此導(dǎo)致小時最低能見度的波動范圍較大，隨著小時降雨量繼續(xù)增大，能見度隨雨強持續(xù)下降，此時對能見度其主導(dǎo)因素的為雨強?？梢?，不同強度降雨對能見度的影響不同。

22不同強度降雨對能見度的影響

參考氣象行標《高速公路交通氣象條件等級》，結(jié)合實際氣象工作經(jīng)驗，對高影響的低能見度和降雨進行了等級劃分，如表1和表2所示。

圖3為2012—2014年江蘇地區(qū)降雨造成的低能見度過程中，不同閾值范圍小時降雨量對應(yīng)不同等級低能見度出現(xiàn)的比率分布，可見，在降雨造成的低能見度過程中，各個等級低能見度的變化受降雨量影響較大：500～1 000 m區(qū)間在0～1 mm/h所占比重最大為78%，之后隨雨強增大迅速減小；200～500 m區(qū)間所占比重隨雨強迅速增大，在10～15 mm/h達到最大（522%），之后隨雨強增大逐漸減??；100～200 m，50～100 m區(qū)間變化趨勢相似，當小時降雨量<5 mm/h時，隨雨強增大變化不大，此后隨雨強增大迅速增大，且前者增幅更大；0～50 m區(qū)間的低能見度鮮少出現(xiàn)，集中在15～30 mm/h范圍內(nèi)。此外，值得關(guān)注的是，在當小時降雨量達到5、10、15、20、30 mm/h閾值時，區(qū)間內(nèi)的主導(dǎo)能見度等級都出現(xiàn)了變化?？偟膩碚f，隨著降雨量的增大，出現(xiàn)高等級能見度天氣的比率明顯增大。

不同能見度范圍內(nèi)不同等級小時降雨量的比率分布（圖4）則表明，在所有低能見度等級中0～1 mm/h所占比率都是最大的，這也是由于江蘇地區(qū)該等級降雨最常出現(xiàn)；500～1 000 m和<50 m區(qū)間內(nèi)，≤1 mm/h降雨占主導(dǎo)；200～500 m區(qū)間內(nèi)，≤1 mm/h的弱降雨和短時強降雨都起到重要作用；而在50～200 m區(qū)間內(nèi)，短時強降雨所占比重明顯較大。

可見，不同強度降雨對能見度的影響不同，對于江蘇地區(qū)，影響能見度的降雨事件主要為小時降雨量≤1 mm/h的弱降雨以及小時降雨量≥20 mm/h的短時強降雨，對應(yīng)的低能見度過程性質(zhì)也不同，對于弱降雨來說，以雨霧為主，主要受降雨持續(xù)性影響，對應(yīng)的能見度區(qū)間為500～1 000 m，而對于短時強降雨，則主要是雨強影響能見度，對應(yīng)的能見度區(qū)間為小于200 m。短強低能見度過程更易出現(xiàn)高等級低能見度，對交通安全的危害更大。

3雨霧和短強低能見度統(tǒng)計特征對比

31不同強度降雨造成的低能見度過程氣象要素分布特征

對兩種不同強度降雨造成的低能見度事件的相對濕度、風向、風速以及同時段內(nèi)最低能見度分等級統(tǒng)計（圖5），雨霧的最低能見度（圖5a）主要分布在500～1 000 m區(qū)間內(nèi)（780%），小于200 m的樣本僅占24%，短強低能見度的最低能見度（圖5a）主要集中分布在50～500 m區(qū)間內(nèi)，其中最多分布區(qū)間為100～200 m（523%）。

兩種不同強度降雨造成的低能見過程，其相對濕度（圖5b）分布情況基本一致，主要分布在90%～100%的區(qū)間內(nèi)，占比均在80%以上，其中短強低能見度在95%～100%高濕區(qū)間所占比重（634%）高于雨霧（457%），而相對濕度為100%的飽和狀況都不多。

由風速（圖5c）的分布可知，對于雨霧，靜風的情況最少，僅占34%，1～2 m/s的區(qū)間占比最大（320%），2～3 m/s區(qū)間和0～1 m/s區(qū)間占比相差不大，分別為226%和181%?？梢娂词癸L速較大，降雨仍然能夠?qū)δ芤姸犬a(chǎn)生有效地影響。同樣的情況發(fā)生在短強低能見度過程中，占比最高的區(qū)間為大于4 m/s（266%），與雨霧過程相比，短強低能見度過程中的風速更大，短時強降雨主要出現(xiàn)在強天氣過程中。另已有研究表明，江蘇地區(qū)輻射霧發(fā)生時風速通常為0～2 m/s。因此，降雨造成的低能見度事件和低能見度霧事件中風速的分布存在顯著差異。

對不同強度降雨造成的低能見度事件的風向風速（圖6）進行統(tǒng)計可知，對于雨霧（圖6a），東北風占比最大（18%），而西南風比重最低，僅為39%，此外，東風（174%）和西北風（153%）也不容忽視。對于短強低能見度（圖6b），偏東風占主導(dǎo)（546%），偏西南風占比相差不大（7%左右）。而對不同風向?qū)?yīng)風速等級所占比例分析可知，各個風向的風速等級分布規(guī)律基本一致，與圖5c的結(jié)果相同。

32不同強度降雨造成的低能見度過程時間分布特征

圖7為2012—2014年江蘇地區(qū)雨霧過程頻率、小時降雨量、小時最低能見度月平均和逐時平均的變化。由圖7a可見，全年均可出現(xiàn)雨霧過程，呈三峰結(jié)構(gòu)，春季（3—5月）所占比重大于其他季節(jié)，達298%，出現(xiàn)雨霧頻率最高，冬季次之（289%），夏季最低（198%）。全年的極值出現(xiàn)在2月，為147%，這與冬季冷空氣活動頻繁有關(guān)。7—9月小時降雨量月平均明顯高于其余月份。而小時最低能見度月平均值在631 m（1月）～746 m（9月）區(qū)間范圍內(nèi)，小時最低能見度的月平均變化趨勢和雨霧出現(xiàn)的頻率在春、夏季呈明顯的反相關(guān)，而在秋、冬季則為正相關(guān)。降雨量與能見度呈正相關(guān)，可能是由于弱降雨對能見度起到一定的“清洗”作用，此時造成低能見度的不是雨強，而是雨滴的蒸發(fā)。

由圖7b可見，全天各時段均可能出現(xiàn)雨霧，有明顯的日變化，主要發(fā)生時段集中在凌晨到日出08時，呈單峰結(jié)構(gòu)，變化幅度不大，06時出現(xiàn)的概率最大，為64%，16時最低，為23%。小時降雨量逐時平均值的低值時段和雨霧的高發(fā)時段一致，白天明顯高于夜間。而小時最低能見度逐時平均在647 m（07時）～742 m（16時）區(qū)間范圍內(nèi)，低值時段為05—08時，小時最低能見度的日變化趨勢和雨霧出現(xiàn)的頻率為明顯的反相關(guān)。

圖8為2012—2014年江蘇地區(qū)短強低能見度過程頻率、小時降雨量和小時最低能見度月平均、逐時平均變化，可見，短強低能見度過程和雨霧過程的時間變化特征有很大差異。由圖8a可見，冬季沒有短強低能見度過程出現(xiàn)，此類過程集中出現(xiàn)在江蘇雨量充沛的汛期（6—9月），高達956%，極值出現(xiàn)在7月，為421%。同樣的，月平均小時降雨量也是在6—9月最大，明顯高于其余月份。而小時最低能見度月平均值在94 m（11月）～242 m（5月）區(qū)間范圍內(nèi)。其余月份變化不大，小時最低能見度的月平均變化趨勢和短強低能見度出現(xiàn)的頻率呈明顯的反相關(guān)。由圖8b可見，全天各時段均可能出現(xiàn)短強低能見度，無明顯日變化，午后16—18時為最多發(fā)生的時段，18時出現(xiàn)的概率最大，為62%，12時最低，為29%。小時降雨量逐時平均值無明顯日變化。而小時最低能見度逐時平均在158 m（00時和19時）至211 m（06時）區(qū)間范圍內(nèi)。

33不同強度降雨造成的低能見度過程空間分布特征

對雨霧及短強低能見度過程發(fā)生頻數(shù)的空間分布（圖9）進行分析，可知不同強度降雨造成的低能見度事件空間分布存在明顯差異，其中雨霧過程（圖9a），沿江蘇南地區(qū)為高發(fā)區(qū)，最高出現(xiàn)在宜興（1 710次），西南—東北向出現(xiàn)頻數(shù)逐漸減少，其中淮北西北部和沿淮中部分別有一個中心區(qū)；而由短強低能見度過程的空間分布（圖9b）可知，短強低能見度有兩個高發(fā)區(qū)，一個是蘇南地區(qū)，另一個是江淮之間西北部、沿淮及淮北東部地區(qū)，高值中心出現(xiàn)在泗洪（24次）。

4結(jié)論

1）降雨是除霧以外，影響江蘇低能見度的主要天氣，根據(jù)1 h降雨量，江蘇地區(qū)影響能見度的降雨主要有兩類：小時降雨量≤1 mm/h的穩(wěn)定性弱降雨以及短時強降雨。

2）對于雨霧，主要受降雨持續(xù)性影響，造成低能見度的不是雨強，而是雨滴的蒸發(fā)，對應(yīng)的低能見度區(qū)間為500～1 000 m，而對于短強低能見度，則主要受雨強影響，對應(yīng)的低能見度區(qū)間為小于200 m，與雨霧相比，短強低能見度過程更易出現(xiàn)高等級低能見度，對交通安全的危害更大。

3）與低能見度霧事件不同，降雨造成的低能見度事件全天各時段均可出現(xiàn)，發(fā)生時可伴隨較強的風速，雨霧多伴有偏北風（333%），短強低能見度為偏東風占主導(dǎo)（546%）。

4）雨霧與短強低能見度有明顯的時空分布差異，江蘇雨霧高發(fā)季為冬春兩季，有明顯日變化，高發(fā)區(qū)為沿江蘇南地區(qū)，自西南向東北出現(xiàn)頻數(shù)逐漸減少，短強低能見度幾乎都發(fā)生在6—9月，無明顯日變化，有兩個高發(fā)區(qū)，一個是蘇南地區(qū)，另一個是江淮之間西北部、沿淮及淮北東部地區(qū)。

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Analysis of the influence of rainfall intensity on visibility in Jiangsu

BAO Jing1，HUANG Liang1，SHEN Yang2，ZHANG Liwen1，ZHANG Zhiwei1

1Jiangsu Meteorological Service Center，Nanjing 210008，China；

2Jiangsu Meteorological Observatory，Nanjing 210008，China

Using the hourly observation data of rain，relative humidity，wind direction，wind speed，and minimum visibility in the same period from 70 national weather stations in Jiangsu Province，the impacts of different rainfall intensities on visibility was analyzed，and the statistical characteristics of two types of rainfalls with different intensities，which caused lowvisibility weather，were compared and analyzed.The results showed that rainfall was the major reason for lowvisibility weather in Jiangsu（145%） besides fog.Stable weak rainfall and shorttime heavy rainfall showed the most obvious impacts.Unlike the lowvisibility weather events caused by fogs，those caused by rainfalls may occur at any time throughout the day usually with high wind speeds（>2 m/s）.In 266% of these events，wind speed would be>4 m/s.Winter and spring were seasons with most frequent rain fog weather in Jiangsu，which was mainly affected by the duration of rainfalls.The corresponding low visibility range was 500—1 000 m with obvious diurnal variations.Shorttime heavy rainfall fog weather was mainly affected by the intensity of rainfalls，which mostly occurred during June and September，and the corresponding lowvisibility range was less than 200 m without obvious diurnal variations.There was obvious spatial distribution difference between the low visibility weather events caused by the two types of rainfalls.When the rain fog weather occurred，the northerly wind dominated；when the shorttime heavy rainfall fog weather occurred，the easterly wind dominated.

lowvisibility；lowvisibility caused by rainfall；different rainfall intensities；rain fog；shorttime heavy rainfall

doi：1013878/j.cnki.dqkxxb.20170806002

（責任編輯：張福穎）