三峽區(qū)域水面能見度變化特征及相關性分析

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(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

1 研究背景

“能見”是指在白天能看到和辨認出目標物輪廓和形體，在夜間能清楚看到目標燈的發(fā)光點?！澳芤姸取笔侵敢暳φ５娜耍诋敃r天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨認出目標物的最大水平距離[1]。“水面能見度”主要指河流、水庫和湖泊上空視野內(nèi)1/2以上范圍內(nèi)能辨識的參照物最大水平距離。

“大氣透明度”是影響能見度的直接因子，空氣中所含空氣分子和氣溶膠粒子能夠削弱通過空氣層光線的能量，因此大氣及其所含雜質(zhì)對陽光的散射和吸收是決定大氣透明度的基本因素，即空氣中雜質(zhì)越多、越渾濁，能見度就越差；反之，能見度就越好。

能見度不僅是衡量一個區(qū)域空氣質(zhì)量的重要指標，還對人們出行、工作產(chǎn)生較大影響，因此，分析能見度長期觀測資料，對研究空氣質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實意義。早在20世紀60年代，國內(nèi)外就有人開始研究能見度變化，幾十年來的研究表明，能見度具有明顯的日變化、月變化等特征[2]，同時具有較強的區(qū)域性。

三峽水庫運行以后，近庫區(qū)域部分氣象因子是否有變化，受到國內(nèi)外專家學者和社會各界的廣泛關注。為了準確了解三峽水庫上下游沿程能見度變化，近年開展了連續(xù)中長系列能見度觀測，以研究、掌握三峽區(qū)域水面能見度變化特征及主要影響，為三峽水庫調(diào)度運行及回應社會關注提供參考依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2014年底至2018年3月，長江委水文局在宜昌水文站(宜昌市葛洲壩水利樞紐下游約6 km)、蝦子溝蒸發(fā)站(宜昌市夷陵區(qū)馮家灣，葛洲壩壩前黃柏河出口附近左岸)、黃陵廟水文站(宜昌市夷陵區(qū)樂天溪鎮(zhèn)，三峽水利樞紐下游約12 km)、廟河水文站(秭歸縣茅坪鎮(zhèn)，三峽水庫壩上約14 km)以及巴東蒸發(fā)試驗站(鄂西洲巴東縣，三峽水庫中段，距離壩前約71 km)等5個代表性觀測點開展了能見度觀測，測站地理位置范圍為北緯30.7°～31.1°，東經(jīng)111.3°～110.4°。其中，巴東蒸發(fā)試驗站、廟河水文站位于三峽水庫近壩段，人口密集程度一般，測站附近水面變化較大；黃陵廟水文站和蝦子溝蒸發(fā)站位于三峽和葛洲壩水利樞紐之間，人口較密集，測站附近水面變化較為頻繁，但變化幅度不大；而宜昌水文站受葛洲壩水利樞紐調(diào)度影響明顯，水面變化在中、高水較大，附近人口密集。按照地面氣象觀測規(guī)范要求，觀測項目包括水面能見度、相對濕度(RH)、水汽壓、水溫、降水等，各站位置分布見圖1。

圖1 三峽區(qū)域水面能見度觀測站點分布

數(shù)據(jù)收集方式主要是人工觀測和自動氣象數(shù)據(jù)采集，一般人工每天只進行08:00、14:00、20:00這3個段次觀測，能見度不記錄起止觀測時間，只記錄現(xiàn)象，而天氣現(xiàn)象只記錄每日08：00情況。自動氣象數(shù)據(jù)則每天24 h采集。

根據(jù)規(guī)范要求，每個站都在最初觀測時確定固定位置，一般選擇通視條件較好的開闊地點進行。白天通過在不同方向、不同距離上選擇若干目標物進行觀測，晚上觀測時應盡可能選擇自帶光源的目標物作為能見度觀測的依據(jù)。光源應盡可能獨立且不帶彩色，不要求成群成帶或重疊，但光源強度應盡量固定。為正確判斷能見度，還應參照氣象要素的變化和其他天氣現(xiàn)象綜合進行判斷。夜間觀測時應先在黑暗處停留5～15 min，待眼睛適應觀測點周邊環(huán)境后再進行觀測。

觀測能見度時，如目標物非常清晰可辨，能見度可定為目標物距離的5倍；若目標物細微部分隱約可見且顏色基本能分清，能見度可定為目標物距離的2.5倍；若目標物很難分辨或顏色難以分清，則目標物能見度的距離不能大于2.5倍。

考慮到資料收集初期不同觀測員對人工觀測方法掌握不一致和觀測者視力差異，消除雨雪、沙塵、霧、大風等視障天氣事件對能見度觀測的影響，對2015～2017年明顯不合理的數(shù)據(jù)進行剔除。

2.2 統(tǒng)計分析方法

根據(jù)已有數(shù)據(jù)，主要采用數(shù)理統(tǒng)計、顯著性檢驗[3]等方法分析比較各站水面能見度特征變化，了解三峽水庫上下游沿程能見度變化趨勢。

3 結(jié)果與分析

3.1 水面能見度變化特征

目前國內(nèi)沒有單獨針對內(nèi)陸水面能見度的定義標準，現(xiàn)參考大氣能見度與海面能見度，確定以下水面能見度參照表[4]，見表1。

表1 水面能見度參照

3.1.1 年平均時空變化

統(tǒng)計三峽區(qū)域5站2015～2018年各年、季度平均能見度，如圖2所示。由圖可見，能見度年、季變化趨勢基本一致。3 a來，三峽區(qū)域宜昌站和廟河站能見度變化略有下降，黃陵廟站次之，蝦子溝站和巴東站變化不大。各站年際最大值出現(xiàn)時間不一，經(jīng)過分析表明，這與數(shù)據(jù)收集時間較短有關，從長期來看，最大值仍是出現(xiàn)在一個相對穩(wěn)定的時段內(nèi)。

圖2 各站年、季平均能見度變化過程

能見度年際變化除與氣候變化有關外，還與人類活動影響以及污染治理有關。如蝦子溝站位于宜昌市夷陵區(qū)境內(nèi)長江支流黃柏河邊，人類活動影響較大，特別是觀測站附近運煤車來往頻繁，導致空氣灰塵較大，能見度明顯降低。黃陵廟和巴東區(qū)域居住人員較少，加上庫區(qū)沿江兩岸退耕還林效果顯著，能見度則相對穩(wěn)定。從表2可知，5個觀測站3 a平均能見度均處于基本清晰和不清晰兩種狀態(tài)，雖然三峽大壩附近的觀測站也存在能見度大于50 km的時間段，但持續(xù)時間不長，說明三峽區(qū)域能見度狀況一般，且越接近居民點，能見度越差。

表2 各觀測站2015～2017年平均能見度統(tǒng)計

各季度日平均能見度具有一定起伏變化規(guī)律，夏季能見度的明顯要好于冬季，一般年最大能見度均出現(xiàn)在5～7月，最小能見度出現(xiàn)在12月到次年 2月。

3.1.2 月、季變化

夏冬兩季日平均能見度變化要大于春秋兩季，從表3可知，大部分測站四季能見度具有冬季<秋季<春季<夏季特點，三峽區(qū)域各站能見度沿程比較，蝦子溝<宜昌<廟河<巴東<黃陵廟，說明兩壩間和三峽庫區(qū)能見度普遍好于宜昌城區(qū)。

表3 各站季度平均能見度統(tǒng)計 km

各站月平均能見度變化反映了各季度能見度變化，月內(nèi)未見能見度的明顯規(guī)律性變化，各月之間高低變化具有隨機性。綜合多年情況，4～9月能見度較高，特別是5～7月，各站情況類似。具體來說，巴東、廟河和黃陵廟3個水庫觀測站水面能見度大于10 km的次數(shù)占比分別為55%、62%和 66%，即較清晰的時間段占全年一半以上，而蝦子溝較清晰能見度占比只有8%，大部分時間水面能見度在4 km左右，霧日現(xiàn)象明顯較多。主要原因是冬季輻射冷卻常形成近水面逆溫層，大氣流動相對較差，特別是宜昌城區(qū)，水汽中凝結(jié)物增多，導致能見度降低；而夏季則因?qū)α魈鞖夂蜔崃用黠@，降水增多、太陽輻射增強，水庫水面污染物擴散條件趨好，能見度增加，如圖3所示。

圖3 各站不同水面能見度范圍出現(xiàn)次數(shù)

3.1.3 日變化

三峽區(qū)域水面能見度均采用人工每日3段次觀測，雖然測次過程不能完全反映能見度日變化，但中長期連續(xù)觀測數(shù)據(jù)可基本上顯示日變化規(guī)律[3-5]。本次選取2個不同年份的測站數(shù)據(jù)來分析三峽各區(qū)域水面能見度日變化規(guī)律，如宜昌站2015年4月和黃陵廟2016年4月(過程見圖4)。其中，宜昌站代表宜昌城區(qū)，人口密集，人類活動頻繁，水面受工程調(diào)度頻繁，水面范圍存在一定變化；黃陵廟站代表兩壩間，人口密集程度較低，人類活動較少，受工程調(diào)度頻繁，水面變化較小。

圖4 各站各時段水面能見度過程

數(shù)據(jù)分析表明：早上08：00出現(xiàn)全天最小能見度的可能性為0.77～0.93，14:00出現(xiàn)最大能見度的可能性為0.70～0.83。能見度特征值區(qū)域表現(xiàn)為宜昌城區(qū)08:00和14:00出現(xiàn)最小或最大的概率要大于黃陵廟和巴東，巴東和黃陵廟在20:00出現(xiàn)最大或最小能見度的可能性要大于宜昌。這說明兩壩間和三峽庫區(qū)能見度變化受太陽輻射和近地面或水面對流的變化影響，特別是午后水面空氣濕度和氣溫變化大，逆溫層逐漸被抬升消失或增強，大氣垂直交換加強，導致兩壩間和庫區(qū)能見度在下午至20：00前出現(xiàn)特征值的可能性增大。

3.2 較差能見度變化規(guī)律

根據(jù)地面氣象觀測規(guī)范定義，低能見度范圍為0～0.9 km，較差能見度范圍為1.0～3.9 km，當出現(xiàn)低能見度和較差能見度時，對人類生活，特別是車船出行會造成一定影響。

三峽區(qū)域5站3 a來觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表4，低能見度比較差能見度略好，較差能見度2.0～3.9 km之間出現(xiàn)次數(shù)相對其他能見度范圍較多。而各站之間，又以兩壩間和三峽庫區(qū)為好，最差為蝦子溝站一帶。

表4 低能見度和較差能見度平均出現(xiàn)次數(shù)占全測次比例

此外，兩壩間和三峽庫區(qū)低能見度和較差能見度出現(xiàn)次數(shù)均在10%以內(nèi)，以每天觀測3次計算，即全月出現(xiàn)次數(shù)在8次左右(本次統(tǒng)計未考慮復雜氣象因素影響)。這種頻次的低能見度和較差能見度表明，兩壩間和三峽區(qū)域水面能見度相對較好，有利于水面作業(yè)和船舶航行；而蝦子溝站一帶則情況相反，全年約一半天氣中能見度較差，這與該站位于城區(qū)，人為活動影響和附近煤場轉(zhuǎn)運貨物有關。

3.3 能見度與氣象因子相關性

水面能見度和大氣能見度類似，主要受各種氣象因素的影響，如風速、降水、氣壓、相對濕度、溫度等，都對能見度變化起到不同作用。相對而言，風速大小對空氣中的霧、水汽凝結(jié)物等擴散具有較大影響力，相對濕度通過增加吸濕性粒子的散射截面積，間接導致能見度降低。此外，相對濕度的增加易形成霧日天氣，導致能見度下降[1]。

利用近年蝦子溝站和巴東站收集的相對濕度、水汽壓、風速等資料，分析三峽水庫區(qū)域和兩壩間水面能見度與各氣象因子間相關性，并進行顯著性檢驗，結(jié)果見表5和圖5(選取巴東站2017年數(shù)據(jù))。

表5 水面能見度與其他氣象因子相關性統(tǒng)計

圖5 巴東站2017年日平均能見度和相對濕度及水汽壓相關比較

由圖5可以看出，所選代表站水面能見度與其他氣象因子相關度都不高。這與水面能見度觀測范圍有關，水面能見度大多在河道水面7m以上的空域，而氣象觀測一般是指較高空域大氣能見度。因此，兩種能見度與氣象因子的相關性存在顯著差異。各氣象因子與水面能見度的相關度順序為K相對濕度>K水汽壓>K風速，即相對濕度與水面能見度的相關性相對較高，呈負相關，其次是水汽壓，而蝦子溝站的風速與水面能見度相關性較差，不予統(tǒng)計。

總的來看，相關因子具有類似性，但相關的顯著性不同。

4 結(jié) 論

通過對2015～2017年三峽區(qū)域5個觀測站水面能見度等資料分析，得到以下初步結(jié)論。

(1)人工觀測能見度一般只有每天08:00、14:00、20:00三個段次觀測，且與能見度觀測儀器比較存在時段少、觀測人員方法把握不一、觀測精度不同等情況，難以客觀、準確地掌握能見度日變化規(guī)律，但長系列資料仍可顯示能見度變化基本特征[5]。

(2)能見度年、季變化趨勢基本一致，各觀測站近幾年能見度相對穩(wěn)定，三峽大壩附近相對較好，宜昌城區(qū)附近次之，蝦子溝站最差，說明三峽區(qū)域能見度狀況一般，越接近居民點，能見度就越差。

(3)夏冬兩季日平均能見度變化要大于春秋兩季，大部分觀測站四季能見度具有冬季<秋季<春季<夏季的現(xiàn)象，5站能見度沿程比較結(jié)果為：蝦子溝站<宜昌<廟河<巴東<黃陵廟。

(4)日變化特征表明，每天08：00出現(xiàn)全天最小能見度可能性為0.77～0.93，14：00出現(xiàn)最大能見度可能性為0.7～0.83；宜昌城區(qū)08：00和14：00出現(xiàn)最小或最大的概率要大于黃陵廟和巴東，巴東和黃陵廟在20：00出現(xiàn)最大或最小能見度的可能性要大于宜昌。

(5)水面能見度與其他氣象因子相關度不高，相比較而言，各氣象因子與水面能見度的相關度順序為K相對濕度>K水汽壓>K風速，相對濕度與水面能見度呈負相關，與水汽壓呈正相關，與其他因子相關性不強。

由于數(shù)據(jù)積累時間有限，現(xiàn)階段只分析了2015～2017年3 a水面能見度時空變化及影響因素，若要更為準確地掌握能見度變化規(guī)律，還需繼續(xù)加大原始資料積累、提高單測次觀測精度和站網(wǎng)布設的科學性，以便更好回應社會關注并積極為地方經(jīng)濟建設和工程調(diào)度提供參考。