三峽庫首區(qū)低能見度特征分析及影響因素研究*

羅劍琴 范元月 湯 淼 葉 丹

(湖北省宜昌市氣象局 宜昌 443000)

0 引 言

對長江航運(yùn)而言，最主要的不利天氣是強(qiáng)風(fēng)和大霧.據(jù)文獻(xiàn)[1]給出的我國年平均霧日分布圖可見，長江沿線有兩個多霧區(qū)，宜昌以上為一多霧區(qū)，有些地方的平均年霧日(能見度<1 000 m)超過50 d.自2003年三峽水庫蓄水以來，三峽庫首區(qū)水域大霧天氣發(fā)生的頻率大幅增加，霧情程度明顯增大；2008年1—4月，三峽船閘因霧(能見度低于1 000 m)停航達(dá)10次，兩線累計停航185.86 h，超過2005—2007年的各年度全年停航時間，當(dāng)年最長停航時間達(dá)到36.83 h.除了大霧頻率增加以外，大霧多發(fā)區(qū)也發(fā)生了明顯變化，歷史上大霧多發(fā)區(qū)主要集中在三峽壩上仙人橋—太平溪一帶和葛洲壩的廟嘴、南津關(guān)一帶，目前三峽—葛洲壩的兩壩間水域發(fā)展成為新的多霧區(qū)域，主要集中在樂天溪—下引航道和石牌一帶[2].

這一地區(qū)大霧的多發(fā)在1990年已引起了不少學(xué)者的關(guān)注[3]，虞俊等[4]通過分析1951—2007年三峽庫區(qū)6個站能見度觀測資料表明，三峽庫區(qū)在2000年以后霧日明顯減少，相對濕度與霧日之間存在顯著正相關(guān)，而相對濕度與氣溫呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系.白永清等[5]重點(diǎn)關(guān)注了三峽航道不同區(qū)域之間能見度的差異，結(jié)果表明:三峽航道能見度局地差異大部分源于監(jiān)測點(diǎn)的海拔高度及可能的水體影響.王林等[6]研究了氣象因子與地理因子對長江三峽庫區(qū)霧的影響，結(jié)果表明，風(fēng)速、溫度和濕度是影響秋末和冬季霧情等級的最主要?dú)庀笠蜃樱乩硪貙F的滋生有間接作用.陳正洪等[7-8]也針對此處山區(qū)的霧情展開了研究，結(jié)果均表明:受復(fù)雜地形影響，此處大霧天氣多發(fā)、頻發(fā)，且山地、平原和河谷霧的發(fā)生均不相同.

受觀測資料限制，上述研究均基于定時的人工觀測，時間、空間精度低且有一定的主觀性，無法對能見度空間分布的局地差異和精細(xì)的時間變化趨勢作出區(qū)分.2014年，三峽庫首區(qū)國家氣象站增設(shè)了能見度觀測儀器，逐步實(shí)現(xiàn)了能見度自動觀測，高精度能見度觀測站的建成使研究三峽庫首區(qū)局地能見度水陸差異成為可能.

目前水陸分布對能見度的影響研究集中于海洋對沿海地區(qū)大霧形成的影響，許多學(xué)者就海霧的發(fā)生規(guī)律、預(yù)報方法進(jìn)行了研究[9-10].結(jié)果表明，水陸差異對中國沿海地區(qū)大霧形成有較大影響，且與風(fēng)向有較大的關(guān)系.由于內(nèi)陸湖、江面遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于海洋且缺乏系統(tǒng)的觀測，目前針對內(nèi)陸湖、江面對霧的形成影響研究較少.湯天然等[11]用湖面觀測數(shù)據(jù)分析了太湖與湖岸城市間大氣顆粒物分布特征，表明不同氣象條件下，湖心和離島區(qū)域城市顆粒物分布截然不同. 田小毅等[12]對長江江蘇段江面霧研究結(jié)果表明，江面霧主要發(fā)生于1月、6月和11月，穩(wěn)定的江面霧形成之前也會形成明顯的“象鼻形”先期振蕩特征.伍勇等[13]研究了三峽區(qū)域水面能見度變化特征，結(jié)果表明，三峽區(qū)域水面能見度相對不高，與相對濕度、水汽壓以外的氣象因子相關(guān)性不顯著.以上研究均表明，江面霧與平原、山區(qū)霧的形成規(guī)律各不相同，為提高三峽庫首區(qū)能見度預(yù)報水平，有必要利用高精度能見度監(jiān)測數(shù)據(jù)開展此地能見度水陸差異研究.

文中分析了三峽庫首區(qū)周邊能見度時空分布特點(diǎn)，探索庫首區(qū)周邊溫度、濕度、風(fēng)等氣象要素分布的差異對能見度分布的影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析氣象條件對三峽庫首區(qū)低能見度天氣的影響.

1 資料和方法

1.1 資料

數(shù)據(jù)來源于湖北省氣象信息中心和三峽通航管理局通信中心，站點(diǎn)要素見表1.本文使用的能見度資料為2010—2018年三峽庫首15個能見度監(jiān)測點(diǎn)逐小時能見度數(shù)據(jù)，其中有庫首區(qū)周邊的宜昌、恩施共8個國家氣象站，主要用來對比其他要素的空間分布.根據(jù)離水體的距離將站點(diǎn)分為遠(yuǎn)水體站點(diǎn)、近水體站點(diǎn)，離巨大水體(中型以上河流，即長江、清江)超過2.0 km以上的站點(diǎn)稱為遠(yuǎn)水體站點(diǎn)，2.0 km以下的站點(diǎn)稱為近水體站點(diǎn).其中，又根據(jù)相對于三峽大壩的上下游方向分為壩上和壩下，離清江流域更近則為清江流域組.

表1 三峽庫首能見度監(jiān)測站點(diǎn)信息 單位：m

1.2 標(biāo)準(zhǔn)

氣象部門根據(jù)水平能見度[14]，將霧等級劃分為:輕霧(1～10 km)、霧(<1 000 m)、大霧(200～500 m)、濃霧(50～200 m)、強(qiáng)濃霧(<50 m)；而通航部門根據(jù)能見度對航運(yùn)影響程度,習(xí)慣上劃分為:輕霧(1 000～1 500 m)、中霧(500～1 000 m)、大霧(<500 m).

1.3 歸一化處理

由于文中使用的資料來源不同，時長不一致，為了保證分析資料的一致性，需要對單站低能見度天氣頻次進(jìn)行歸一化處理.在空間分布的頻次分析中，取研究時段內(nèi)單站有效能見度時次數(shù)作為有效時長，單站出現(xiàn)相應(yīng)級別低能見度的時次數(shù)除以單站有效時長作為歸一化后低能見度天氣的頻次，后文均簡稱頻率.

1.4 邊界層高度計算方法

邊界層高度(boundary layer height,BLH)一般不是常規(guī)觀測得到，而需要根據(jù)溫度、濕度和風(fēng)等的垂直廓線計算得到.干絕熱法考慮在典型的天氣條件下，夜間由于地面輻射冷卻接近地面空氣形成逆溫、呈穩(wěn)定狀態(tài)，白天由于太陽輻射而呈不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)忽略平流、下沉及機(jī)械湍流的影響時，平均混合層高度由08：00探空溫度廓線和地面最高、最低溫度而定.春、夏季大氣為中性層結(jié)，則要利用大氣折射率指數(shù)的顯著變化來確定邊界層高度[15]，邊界層內(nèi)大氣混合較均勻，當(dāng)?shù)竭吔鐚禹敃r，湍流明顯減弱，大氣折射率指數(shù)會出現(xiàn)異常，因而可以利用宜昌站高空探測溫度、濕度計算出大氣折射率指數(shù)N.

式中：e為水汽壓；t為溫度;p為氣壓.

從地面到高空折射率指數(shù)第一次出現(xiàn)異常值的高度即為邊界層高度.

2 三峽庫首低能見度天氣的特征

2.1 空間分布

以全年逐小時能見度樣本統(tǒng)計三峽航道每組區(qū)域的能見度等級頻率分布，見圖1，分析三峽航道能見度區(qū)域分布特征.

圖1 三峽航道能見度頻次分布

由圖1可知，整體上看，宜昌、曾家店兩站受局地小氣候影響，各等級低能見度天氣出現(xiàn)的頻次均最高，其中又以500 m以下的大霧出現(xiàn)的頻率最高.除此之外，其他各分組大霧、中霧、輕霧頻次依次增加；近水體組(壩上、壩下、清江流域)出現(xiàn)各級低能見度天氣的頻率均遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)水體組，文獻(xiàn)[5]研究了三峽航道不同區(qū)域能見度的基本特征，表明近庫區(qū)水體監(jiān)測點(diǎn)比遠(yuǎn)水體霧情嚴(yán)重，這與上述統(tǒng)計結(jié)果較為一致.在近水體組中，整體來看，清江流域出現(xiàn)低能見度天氣的頻率高于三峽庫首區(qū)；僅就三峽庫首區(qū)而言，低于1 000 m的中霧和大霧在壩上出現(xiàn)的頻率高于壩下，初步推斷是由于水體對邊界層溫、濕度影響的差異導(dǎo)致：近水體區(qū)域由于早晚等特定時間段水體溫度較環(huán)境氣溫低，在邊界層低層產(chǎn)生溫差，水汽霧化易形成大霧，且水庫蓄水后，壩上水位更高而水面更寬，水體影響更為明顯，局地水汽條件也較壩下更豐富，使低能見度天氣的出現(xiàn)頻率更高.

2.2 時間分布

圖2為三峽庫首低能見度天氣(<1 000 m)逐月發(fā)生頻次.由圖2可知，不同地形地貌下低能見度天氣逐月變化有顯著差異.近水體壩上，春季最多，其次為夏秋季，冬季最少.除新太平溪站外，低能見度天氣高峰期均為4—5月，次高峰為9月；12月和1月幾乎不會出現(xiàn)大霧.太平溪站兩個高峰時間分別為4月和7月，二者頻率差別不大，8月至次年2月幾乎不會出現(xiàn)大霧、中霧.

圖2 三峽庫首低能見度天氣(<1 000 m)逐月發(fā)生頻次

近水體壩下，冬季最多，秋季也時有發(fā)生，春、夏季發(fā)生低能見度天氣的概率非常低；低能見度天氣發(fā)生的頻次為單峰型，多發(fā)于11月和1月，5—9月基本不出現(xiàn)低能見度天氣.

近水體清江流域組，低能見度天氣發(fā)生的頻次為單峰型，峰區(qū)較寬，最多發(fā)于11月到次年1月，3—10月期間長陽站也時有大霧出現(xiàn)，其中8月出現(xiàn)大霧可能性最低.

遠(yuǎn)水體低山組也為單峰型，興山低能見度天氣發(fā)生在11月到次年3月期間，發(fā)生頻次依次為冬季>春季>秋季>夏季，夏季出現(xiàn)頻率非常小；芝蘭站低能見度天氣集中發(fā)生在6—8月期間，其他月份基本不出現(xiàn)大霧、中霧.

遠(yuǎn)水體小氣候組，冬春季多于夏秋季，兩站均為雙峰型，峰區(qū)較寬，各月均會出現(xiàn)低能見度天氣，月份之間發(fā)生頻次差別不大，宜昌站高峰為2月和11月，曾家店高峰為11月和4月.

圖3為三峽庫首低能見度(<1 000 m)頻次日變化

圖3 三峽庫首低能見度(<1 000 m)頻次日變化

由圖3可知，與水體距離不同日變化也有顯著不同.近水體壩上，發(fā)生低能見度天氣峰區(qū)更寬，多發(fā)于03:00—09:00，以05:00最多；而在11：00-19:00期間發(fā)生低能見度天氣的概率極低.

近水體壩下，日變化曲線也為單峰型，但多發(fā)時段集中在05:00—09:00時，較壩上出現(xiàn)時段晚2 h而時段更集中，13：00—19:00期間發(fā)生低能見度天氣的概率也非常低.

近水體清江流域組，僅長陽為單峰型，低能見度天氣集中出現(xiàn)在04:00—08:00時，出現(xiàn)頻率大、時間早、時段集中；另外兩站則無明顯峰值，03:00—09:00間發(fā)生低能見度天氣的概率無明顯差別，13：00—19:00間出現(xiàn)低能見度天氣的概率極低.

遠(yuǎn)水體組中，發(fā)生低能見度天氣的概率日變化較為明顯，均在日出前后為高峰期，午后到傍晚為少發(fā)時段.遠(yuǎn)水體低山組中，低能見度天氣發(fā)生頻率的日變化為單峰型，峰值出現(xiàn)在05:00—08:00時，出現(xiàn)時段集中在01:00—09:00時，10:00—23:00間發(fā)生低能見度天氣的概率非常小.遠(yuǎn)水體小氣候組，低能見度天氣發(fā)生頻率的日變化為單峰型，峰值出現(xiàn)在08:00前后，谷值出現(xiàn)在下午到前半夜，峰、谷頻率差別較大，各時次發(fā)生低能見度天氣的概率均在8.0%以上.

另外，通過低能見度天氣持續(xù)時間對比發(fā)現(xiàn)，除小氣候影響下的山地區(qū)域低能見度平均持續(xù)時間最長(3.6 h)外，近水體壩下低能見度天氣持續(xù)時間較長，平均持續(xù)時間為3.1 h,壩上持續(xù)時間最短，平均持續(xù)時間為2.7 h.三峽庫區(qū)長江航道各站點(diǎn)中，壩上低能見度天氣出現(xiàn)時段分散、持續(xù)時間較短，壩下低能見度天氣時段集中、持續(xù)時間長.

三峽庫首低能見度天氣時空分布特征可見，對于庫首區(qū)航道而言，近水體三峽壩上站點(diǎn)出現(xiàn)低能見度天氣的季節(jié)、時次與其他站點(diǎn)有明顯差別，由于水體影響，在秋冬季區(qū)域性大霧易發(fā)時段外，春、夏季也多有發(fā)生，日變化上發(fā)生低能見度天氣峰區(qū)更寬，低能見度天氣的出現(xiàn)與局地氣象條件關(guān)系更密切，這是與其它站點(diǎn)最大的不同.分析表明庫區(qū)壩上站點(diǎn)低能見天氣發(fā)生的季節(jié)、時次與其他研究結(jié)果有差異，此地對通航影響較大，因而以下重點(diǎn)分析庫區(qū)壩上低能見度天氣與局地氣象條件之間關(guān)系.

3 低能見度天氣的局地氣象要素環(huán)境特征分析

圖4為2015年5月下旬至6月上旬秭歸能見度、氣溫、濕度和風(fēng)的逐3小時變化，另給出同時段宜昌站一天兩次探空計算得到的BLH分布，可見壩上低能見度天氣發(fā)生在低邊界層、暖濕條件下；高能見度天氣出現(xiàn)在高邊界層、相對濕度較低時.

圖4 2015年5月20日-6月10日秭歸站能見度(m)和溫度、地面風(fēng)速(m/s)和相對濕度(%)、邊界層高度(m)

由圖4可知，5月27日、6月10日能見度較低且相對濕度較高、邊界層高度低(見虛線方框)，5月21日和6月5日能見度較高且相對濕度較低、邊界層高度較高(見實(shí)線方框)，利用這4日環(huán)流場分析大尺度環(huán)流對三峽庫區(qū)能見度的影響.

劉騫等[16]研究結(jié)果表明，從長期來看，相對濕度、風(fēng)速和氣溫這三種氣象要素對能見度影響是最主要的，其中長江流域的能見度受相對濕度影響較大，其次是風(fēng)速，影響最小的是氣溫.為了解不同因子對三峽庫區(qū)能見度的影響，圖5中對2 m溫度、相對濕度、10 m風(fēng)速共3個潛在影響因子的相關(guān)性進(jìn)行分析.結(jié)果表明：能見度與2 m相對濕度相關(guān)性最強(qiáng)，呈顯著負(fù)相關(guān)(R=-0.745，p<0.05)，大部時段低能見度天氣均對應(yīng)了地面的高相對濕度；與2 m溫度相關(guān)性其次，為顯著正相關(guān)(R=0.565，p=0.01)，1 d中氣溫較低時段能見度也較低；與10 m風(fēng)速相關(guān)性較低，相關(guān)系數(shù)僅為0.2，這與文獻(xiàn)[17]研究結(jié)果明顯不同，這很有可能是由于此地處于山區(qū)，風(fēng)力常年較小[18]，從而與能見度相關(guān)性較低.

由文獻(xiàn)[19-20]可知，邊界層高度對能見度影響也較大，利用08：00和20：00宜昌站邊界層高度(BLH)和同時次能見度求相關(guān)系數(shù)，僅為0.21，相關(guān)性較低，這很有可能是由于高空探測密度較低及代表性導(dǎo)致的.前文中能見度日分布特征顯示，壩上站點(diǎn)低能見度天氣多發(fā)生在03:00—09:00時，而邊界層高度的探測只有1 d兩次，考慮到邊界層高度是一個連續(xù)變量，可將邊界層高度等距插值到逐3 h(與能見度觀測同時次)，相關(guān)分析結(jié)果顯示，能見度與邊界層高度呈正相關(guān)(R=0.36，p<0.05)，大部分時段低的邊界層高度對應(yīng)了低能見度，當(dāng)邊界層高度較高時，能見度也較高.

圖6為5月21日、5月27日、6月5日、6月10日925 hPa位勢高度場、水平風(fēng)場和相對濕度的分布，發(fā)現(xiàn)低能見度天氣時，21日受高壓脊影響，秭歸附近為東北風(fēng)，相對濕度僅30%～40%，6月5日也受高壓脊影響，秭歸附近為西北風(fēng)，相對濕度為60%～70%；而高能見度天氣時，5月27日秭歸受低壓場中偏西風(fēng)影響，相對濕度為70～80%，6月10日則位于低壓中冷鋒后部西北氣流影響，相對濕度為60%～70%.

圖6 08：00時925 hPa位勢高度、風(fēng)場和相對濕度

位勢高度-等值線，位勢什米；風(fēng)場和相對濕度-陰影；“+”-秭歸站

4 結(jié) 論

1) 從低能見度天氣發(fā)生頻率上來看，近水體出現(xiàn)的頻率高于遠(yuǎn)水體，這是水體影響及局地水汽條件的體現(xiàn)；在近水體組中，三峽庫區(qū)低能見度天氣出現(xiàn)在壩上的頻率高于壩下.

2) 從低能見度天氣發(fā)生頻率的月份分布來看，近水體站點(diǎn)和遠(yuǎn)水體站點(diǎn)出現(xiàn)的時間也有明顯區(qū)別，壩上近水體低能見度天氣出現(xiàn)時間有別于季節(jié)性大霧天氣多發(fā)時段.近水體壩上多出現(xiàn)在春季4-5月，夏季亦會出現(xiàn)，最少出現(xiàn)在冬季12—次年1月；清江流域和壩下最多出現(xiàn)在冬季11—次年1月，最少出現(xiàn)在春夏季5—9月；遠(yuǎn)水體低山組，冬多夏少，11月—次年3月較多；遠(yuǎn)水體小氣候組，冬春多，夏秋少，遠(yuǎn)水體組低能見度天氣與季節(jié)性大霧天氣多發(fā)時段一致.

3) 日變化來看，壩上多出現(xiàn)在03:00—09:00，05:00最多，起霧早；壩下多發(fā)生在05:00—09:00，出現(xiàn)時段較為集中，起霧晚；清江多發(fā)生在04:00—08:00時，其中07:00多達(dá)15%概率會出現(xiàn)低能見度天氣.遠(yuǎn)水體低山組多發(fā)生在05:00—08:00時，遠(yuǎn)水體小氣候組中，低能見度天氣發(fā)生得最多且全天各時次均會出現(xiàn)，宜昌站最多發(fā)生在06:00前后，曾家店09:00發(fā)生最多.

4) 位于航道上的三峽通航站點(diǎn)，能見度與相對濕度顯著負(fù)相關(guān)，與溫度、邊界層高度相關(guān)性其次，呈顯著正相關(guān)；由于山區(qū)風(fēng)力普遍較小，因而此地風(fēng)力與能見度無明顯相關(guān).

5) 對三峽通航低能見度天氣環(huán)流特征分析表明，低能見度天氣出現(xiàn)在925 hPa高壓場中，高能見度天氣出現(xiàn)在低壓場中，能見度天氣與925 hPa相對濕度相關(guān)性較小.