天津市東麗區(qū)低能見度事件特征分析

史 珺，張嘉霖

(1. 天津市東麗區(qū)氣象局 天津300310；2. 天津市津南區(qū)氣象局 天津300350)

0 引 言

能見度是反映大氣透明度的一種指標(biāo)，指視力正常的人在當(dāng)時(shí)天氣條件下，從天空背景中看到和辨認(rèn)出目標(biāo)物(黑色，大小適度)輪廓的最大水平距離，夜間是指中等強(qiáng)度的發(fā)光體能被看到和識(shí)別的最大水平距離[1]。能見度的變化一方面會(huì)受到天氣現(xiàn)象的影響，例如降水、霧、沙塵暴、浮塵、揚(yáng)沙等天氣現(xiàn)象；另一方面隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及城市化進(jìn)程不斷加劇，污染物排放日益增多，大氣排放的污染物會(huì)產(chǎn)生遮光效應(yīng)，使空氣變得渾濁，進(jìn)而導(dǎo)致本地能見度不斷惡化。因此，能見度也會(huì)作為反映本地空氣質(zhì)量的指標(biāo)之一，也是空氣污染最顯著的標(biāo)志。低能見度的出現(xiàn)不僅影響到正常社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)，也會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生負(fù)面影響，因此備受重視。有研究表明[2-4]，氣象條件以及空氣污染物排放是造成低能見度出現(xiàn)的最主要原因。姚青等[5]對(duì)天津一次持續(xù)低能見度事件分析認(rèn)為，細(xì)粒子質(zhì)量濃度是影響大氣能見度的主要因素，西南暖濕氣流控制下的靜穩(wěn)天氣有利于污染物聚集。多名專家對(duì)廣州[6]、閩南[7]和河北省[8]等地區(qū)低能見度的年、月、日變化特征進(jìn)行分析。劉兆東等[9]分析認(rèn)為京津冀及周邊地區(qū)PM2.5濃度與環(huán)境濕度是導(dǎo)致出現(xiàn)低能見度最關(guān)鍵的影響因素，平均風(fēng)速較小、平均風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，往往有利于低能見度出現(xiàn)。低能見度與空氣質(zhì)量指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，且與PM2.5濃度的相關(guān)性最大。

目前能見度數(shù)據(jù)的獲取是通過能見度自動(dòng)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量。采用的前向散射能見度儀的最終測(cè)量結(jié)果是通過計(jì)算儀器中發(fā)射器和接收器之間的消光系數(shù)推算出氣象光學(xué)視程，其結(jié)果雖然被認(rèn)定能夠避免人工誤差，更加客觀[10]，但是由于發(fā)射器和接收器距離很近，實(shí)際上測(cè)量的是儀器附近的大氣能見度，其結(jié)果必然會(huì)受到儀器周邊小環(huán)境的影響，會(huì)造成能見度數(shù)據(jù)波動(dòng)，難以達(dá)到短時(shí)間穩(wěn)定，因此短時(shí)間的低能見度下降不能真正代表本地區(qū)出現(xiàn)低能見度現(xiàn)象。本文參考《地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)技術(shù)規(guī)定實(shí)用手冊(cè)》對(duì)于霾日的定義，認(rèn)為本地區(qū)6 h(含)以上時(shí)次能見度低于7 500 m可以作為一次低能見度事件出現(xiàn)。此外，前人有關(guān)氣象要素對(duì)于能見度的影響研究基本是從出現(xiàn)低能見度現(xiàn)象階段與對(duì)應(yīng)氣象要素之間關(guān)系方面進(jìn)行研究，缺少對(duì)于低能見度出現(xiàn)前和結(jié)束階段對(duì)應(yīng)氣象要素變化的分析。因此，研究本地區(qū)低能見度事件的變化特征，了解區(qū)域低能見度事件變化規(guī)律以及氣象要素對(duì)低能見度事件出現(xiàn)前和結(jié)束階段的影響，對(duì)本地區(qū)低能見度的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)有著重要的指示意義，為本地區(qū)環(huán)境保護(hù)和綜合治理提供參考。

1 資料與數(shù)據(jù)

天津市東麗區(qū)2017—2019年逐小時(shí)大氣能見度以及地面氣象要素常規(guī)觀測(cè)資料來自天津市氣象局氣象信息中心。

2 結(jié)果與分析

2.1 低能見度事件變化特征

從圖1可以看出，10月是出現(xiàn)低能見度事件小時(shí)數(shù)最多的月份，共732 h，其次是11月和9月，分別有719 h和673 h，低能見度事件小時(shí)數(shù)較少月份是4～6月。9月份出現(xiàn)低能見度事件頻率最高，共出現(xiàn)48次，其次是7～8月，均出現(xiàn)40次，5月份出現(xiàn)低能見度事件頻率最低，僅出現(xiàn)17次。

2.2 低能見度事件氣象影響因素分析

通過表1可以發(fā)現(xiàn)，低能見度事件中能見度與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速呈正相關(guān)。低能見度出現(xiàn)時(shí)，能見度與相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)明顯大于其與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)，因此相對(duì)濕度對(duì)低能見度的影響更加明顯。

表1 低能見度事件階段能見度與相對(duì)濕度、風(fēng)速的相關(guān)性Tab.1 Correlation of visibility with relative humidity and wind speed during low visibility events

通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，低能見度事件出現(xiàn)前3 h到出現(xiàn)前1 h，對(duì)應(yīng)60%～70%相對(duì)濕度出現(xiàn)頻率最多。低能見度出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)80%～90%相對(duì)濕度頻率最多。低能見度事件出現(xiàn)前3 h到出現(xiàn)時(shí)，隨著低能見度事件的臨近，60%以下的相對(duì)濕度出現(xiàn)頻率逐漸減小，而60%以上的相對(duì)濕度出現(xiàn)頻率則逐漸增多；尤其是80%～90%，事件出現(xiàn)前1 h出現(xiàn)頻率為55次，出現(xiàn)低能見度事件時(shí)出現(xiàn)頻率則上升到72次；90%～100%的相對(duì)濕度在低能見度事件出現(xiàn)前1～3 h僅出現(xiàn)不足20次，而當(dāng)?shù)湍芤姸仁录霈F(xiàn)時(shí)，出現(xiàn)頻率增加到41次。

低能見度事件結(jié)束前3 h至2 h，對(duì)應(yīng)90%～100%相對(duì)濕度出現(xiàn)最多，結(jié)束前1 h出現(xiàn)頻率最多的相對(duì)濕度范圍在80%～100%之間。當(dāng)?shù)湍芤姸仁录Y(jié)束時(shí)，出現(xiàn)頻率最多的相對(duì)濕度下降至70%～80%。80%以下的相對(duì)濕度隨著低能見度事件趨于結(jié)束，出現(xiàn)頻率逐漸增多，而相對(duì)濕度80%以上的出現(xiàn)頻率隨著低能見度事件的結(jié)束而逐漸減少。

低能見度事件出現(xiàn)前3 h到出現(xiàn)時(shí)，1～2 m/s風(fēng)速出現(xiàn)最多(圖3)。隨著低能見度事件臨近，0～1 m/s和1～2 m/s出現(xiàn)頻率逐漸增多。低能見度事件結(jié)束前3 h至結(jié)束時(shí)，出現(xiàn)最多的風(fēng)速均在1～2 m/s之間。隨著低能見度事件的結(jié)束，0～2 m/s的風(fēng)速出現(xiàn)頻率逐漸減少，而2～6 m/s的出現(xiàn)頻率逐漸增多。低能見度事件出現(xiàn)前1～3 h對(duì)應(yīng)的風(fēng)速范圍在0～8 m/s之間，而在低能見度事件出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速范圍縮小到0～6 m/s之間。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)：低能見度事件出現(xiàn)前3 h到出現(xiàn)時(shí)，偏南風(fēng)的出現(xiàn)頻率逐漸增多；在低能見度事件出現(xiàn)時(shí)風(fēng)向集中在南到東南風(fēng)；低能見度事件結(jié)束前3 h到結(jié)束時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)西北風(fēng)的出現(xiàn)頻率逐漸增多。

箱線圖是利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的5個(gè)統(tǒng)計(jì)量：最小值、下四分位數(shù)、中位數(shù)、上四分位數(shù)與最大值來描述數(shù)據(jù)的一種方法，可直觀表達(dá)數(shù)據(jù)的對(duì)稱性及分布特點(diǎn)。十字符號(hào)代表數(shù)據(jù)的異常值。上下四分位數(shù)范圍為主要數(shù)值出現(xiàn)的范圍。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著能見度下降，相對(duì)濕度中位數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并且對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度變化范圍明顯變窄，上下四分位數(shù)明顯增大。能見度在3 000～7 500 m階段相對(duì)濕度主要集中在60%～85%，當(dāng)能見度下降到1 000～3 000 m時(shí)相對(duì)濕度集中在79%～95%，能見度繼續(xù)下降到750～1 000 m時(shí)相對(duì)濕度集中在90%～99%，當(dāng)能見度下降到750 m以下時(shí)，相對(duì)濕度主要集中在99%以上。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著能見度的下降，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速變化范圍逐漸變窄。能見度在3 000～7 500 m階段風(fēng)速主要集中在0.9～2.0 m/s，當(dāng)能見度下降到1 000～3 000 m時(shí)風(fēng)速范圍縮小到0.8～1.7 m/s，能見度下降到750～1 000 m時(shí)風(fēng)速范圍縮小到0.6～1.5 m/s。能見度在750～7 500 m階段，隨著能見度下降中位數(shù)逐漸減小。能見度在500～750 m階段對(duì)應(yīng)風(fēng)速范圍主要集中在0.7～1.3 m/s之間，中位數(shù)相對(duì)增大。能見度繼續(xù)下降到200～500 m階段對(duì)應(yīng)的風(fēng)速主要集中在0.8～1.3 m/s，中位數(shù)略有減小。能見度下降到200 m以下，對(duì)應(yīng)上下四分位數(shù)則明顯增大，主要風(fēng)速范圍上升到1.7～1.9 m/s，中位數(shù)同樣明顯增大。

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，能見度在3 000～7 500 m階段，出現(xiàn)頻率最多的風(fēng)向?yàn)槟系轿髂巷L(fēng)；能見度下降到1 000～3 000 m階段，出現(xiàn)頻率最多的風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)和北風(fēng)，并且隨著能見度范圍不斷降低，出現(xiàn)最多的風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為北到西北風(fēng)。當(dāng)能見度下降到200 m以下時(shí)，出現(xiàn)最多的風(fēng)向再次轉(zhuǎn)為南風(fēng)。

3 結(jié)論與討論

秋季是低能見度事件持續(xù)時(shí)間和出現(xiàn)頻率最多的季節(jié)，春季和夏季低能見度持續(xù)時(shí)間最短，春季出現(xiàn)低能見度事件頻率最少。

低能見度與相對(duì)濕度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，與風(fēng)速呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。相對(duì)濕度對(duì)低能見度事件影響更大。從低能見度事件出現(xiàn)前3 h到低能見度出現(xiàn)時(shí)，60%以上的相對(duì)濕度、0～1 m/s的風(fēng)速以及偏南風(fēng)出現(xiàn)頻率逐漸增多。從低能見度事件結(jié)束前3 h到結(jié)束時(shí)，80%以下相對(duì)濕度、2 m/s以上風(fēng)速以及西北風(fēng)的出現(xiàn)頻率則逐漸增多。

隨著低能見度不斷下降，相對(duì)濕度和風(fēng)速的變化范圍不斷變窄。隨著能見度下降對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度中位數(shù)與上下四分位數(shù)均呈上升趨勢(shì)，當(dāng)能見度下降到750 m以下時(shí)，相對(duì)濕度主要集中在99%以上。能見度在200 m以上階段，對(duì)應(yīng)風(fēng)速上下四分位值隨著能見度下降而減小，主要風(fēng)向頻率從偏南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為北到西北風(fēng)。而當(dāng)能見度下降到200 m以下時(shí)，出現(xiàn)最多的風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)，對(duì)應(yīng)風(fēng)速的上下四分位值和中位數(shù)均明顯增大。這與前人研究能見度與風(fēng)速對(duì)應(yīng)關(guān)系結(jié)論不同[11-12]，這是因?yàn)楫?dāng)相對(duì)濕度基本達(dá)到飽和后，在一定小風(fēng)速內(nèi)，風(fēng)速略有增大，更有利于氣溶膠在小范圍內(nèi)輸送吸濕增長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致能見度下降。由此可見，99%以上的相對(duì)濕度，一定數(shù)值范圍內(nèi)的風(fēng)速增大，以及偏南風(fēng)，有利于本地區(qū)能見度低數(shù)值的出現(xiàn)?！?/p>