民豐縣大氣能見度與氣象條件的關(guān)系分析

李昌明，胡爾西代·再比卜拉，王永強(qiáng)

民豐縣氣象局，新疆民豐 848500

能見度是反映大氣透明度的一個指標(biāo)，通常是指具有正常視力的人在當(dāng)時的天氣條件下能夠看清楚目標(biāo)輪廓的最大距離。能見度受到當(dāng)時天氣狀況的影響較大，當(dāng)出現(xiàn)降雨、霧、霾、沙塵暴等天氣時，大氣透明度較低，能見度較差，即能見度的變化與氣象條件之間的關(guān)系極為密切，降水、相對濕度、風(fēng)速等氣象要素是大氣能見度的重要影響因子[1-4]。因此，通過分析氣象因素與大氣能見度之間的相關(guān)性，不僅能掌握能見度隨著氣象要素的變化而出現(xiàn)的相應(yīng)變化特征，利用對天氣現(xiàn)象發(fā)生強(qiáng)度判斷和把控大氣污染情況，還可以深入了解沙塵、霧霾等天氣事件帶來的能見度危害，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、防御等。

民豐縣位于新疆維吾爾自治區(qū)的西南部，地處昆侖山北麓，塔克拉瑪干大沙漠的南緣，其南部為高山峻嶺，接壤西藏自治區(qū)，而北部則與阿克蘇沙雅縣戈壁相連，整體地貌由山地、沖積扇平原和沙漠構(gòu)成，中高山和低山丘陵為高寒荒漠景觀，表層雜草低矮稀疏，多為厚度不等的風(fēng)積粉砂、細(xì)砂覆蓋，寸草不生的綿延沙漠包圍著民豐縣綠洲平原。

民豐縣距離海洋較遠(yuǎn)，屬于典型的大陸性干旱氣候，降雨稀少、蒸發(fā)量大、多風(fēng)，由于受到特殊地理環(huán)境和氣候的影響，干旱、干熱風(fēng)、沙塵暴是當(dāng)?shù)刂饕獮?zāi)害性天氣，每年4—6月大風(fēng)卷起沙塵引發(fā)沙塵天氣，多以浮塵天氣為主，常年在205 d以上，同時伴有沙塵暴。

隨著經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展，城市規(guī)模擴(kuò)大，人口密度集中，人類活動釋放的各種污染物等污染大氣環(huán)境加劇了大氣能見度的下降。與發(fā)達(dá)的大中城市相比，民豐縣大氣能見度高于城市，且影響大氣能見度的因素主要與地面氣象要素關(guān)系密切。例如：2021年4月連續(xù)出現(xiàn)3次沙塵天氣過程，導(dǎo)致能見度明顯下降，其中，6—8日民豐縣出現(xiàn)沙塵天氣，縣城內(nèi)最小能見度降至749 m，16—19日先后出現(xiàn)了浮塵、揚(yáng)沙和沙塵暴及降雨，縣城最小能見度降至302 m。因此，結(jié)合民豐縣氣象站觀測數(shù)據(jù)，分析大氣能見度與地面氣象要素的相關(guān)性，探討大氣能見度主要影響因子，為今后開展空氣質(zhì)量分析和改善提供參考[5]。

1 資料與方法

選取民豐縣2018—2022年地面氣象觀測站的常規(guī)管理資料，主要包括每日24 h的2 min平均風(fēng)速、10 min平均風(fēng)速、地面氣溫、相對濕度等小時值，以及2020—2022年的水平能見度觀測數(shù)據(jù)。民豐縣氣象觀測站為國家基準(zhǔn)氣候站，屬于三類艱苦氣象站，人類活動和人口密度相對不集中，獲取的地面常規(guī)觀測數(shù)據(jù)基本可以代表民豐縣大氣能見度水平。按照氣候?qū)W上關(guān)于季節(jié)劃分的常用方法，將各季劃分標(biāo)準(zhǔn)定為春季(3—5月)，夏季(6—8月)，秋季(9—11月)，冬季(12月—翌年2月)，作各氣象要素的季節(jié)平均處理。

2 結(jié)果分析

2.1 大氣能見度與氣象要素的月變化特征

分析2020—2022年民豐縣月平均大氣能見度可以看出(圖1)，民豐縣月平均能見度變化趨勢顯著，最高值出現(xiàn)在1、2月，最低值出現(xiàn)在3月。民豐縣能見度較好，進(jìn)入春季后，氣溫回升，土壤解凍，干燥地表裸露的細(xì)砂被大風(fēng)卷起極易形成沙塵天氣，3月平均大氣能見度僅為9.291 km，其中，2022年3月的平均大氣能見度最低，為7.329 km；5月為大氣能見度次低值，平均大氣能見度為10.385 km。

圖1 民豐縣2020—2022年各月份平均大氣能見度

由表1可知，民豐縣不同年份的各季平均能見度變化特征略有不同，其中，2020年大氣能見度最低的為春季，為9.681 km，能見度最高的是冬季，達(dá)到17.675 km；2021年的秋季大氣能見度最低，為12.324 km，冬季最高，為14.947 km；2022年大氣能見度最高的是秋季，達(dá)到14.264 km，最低為春季，平均8.67 km?？傮w來看，民豐縣3年期間以冬季的大氣能見度最高，平均大氣能見度為14.7 km，其次是秋季，平均大氣能見度為14.183 km，春季的平均大氣能見度最低，為10.955 km，夏季平均大氣能見度為11.450 km，略高于春季。

表1 民豐縣2020—2022年四季平均能見度 km

由圖2可知，民豐縣在2020—2022年期間的2 min平均風(fēng)速、10 min平均風(fēng)速的月變化特征可見，2 min平均風(fēng)速與10 min平均風(fēng)速的變化特征基本一致，3—6月平均風(fēng)速較大，為1.8～2.1 m/s，其次是7—8月，平均風(fēng)速為1.6～1.7 m/s，12月和1—2月的平均風(fēng)速較小，為1.2～1.4 m/s。

圖2 民豐縣2020—2022年2 min平均風(fēng)速、10 min平均風(fēng)速的月變化

由圖3可知，民豐縣2020—2022年期間1—7月各月平均氣溫呈現(xiàn)出逐月上升的趨勢，8—12月則呈逐月下降的現(xiàn)象，以7月平均氣溫最高，其次是6、8月，12月為平均氣溫最低的月份，其中，5—9月平均氣溫均在21.0 ℃以上。從民豐縣各月平均相對濕度走勢可以看出，12月的平均相對濕度最高，為47%，其次是1月，平均相對濕度為45%，總體上看，10月—翌年1月的平均相對濕度較高，3—4月平均相對濕度偏低，為27%～28%。

圖3 民豐縣2020—2022年相對濕度、平均氣溫的月變化

結(jié)合民豐縣2020—2022年大氣能見度分析(圖3)，對應(yīng)同期氣溫、相對濕度、風(fēng)速等氣象要素數(shù)據(jù)的變化趨勢，表明大氣能見度的月變化與相對濕度的月變化趨勢基本一致，大氣能見度條件好時相對濕度偏高，能見度差時相對濕度偏低；氣溫與風(fēng)速的月變化趨勢與能見度變化趨勢相反。秋冬季民豐縣氣溫偏低、風(fēng)速小、相對濕度偏高，大氣能見度偏高；春季氣溫逐漸回升，風(fēng)速加大，相對濕度偏低。隨著風(fēng)速的增大，干燥地表極易起沙，使得空氣污染加重，大氣能見度相對偏低。與春季相比，夏季氣溫顯著升高，相對濕度也有所增大，但風(fēng)速下降，大氣能見度在此期間會出現(xiàn)低值。

2.2 大氣能見度與地面氣象要素的關(guān)系分析

Pearson簡單相關(guān)系數(shù)又簡稱為相關(guān)系數(shù)，當(dāng)研究的2個變量服從二元正態(tài)分布時，2個變量的相關(guān)性通?？梢酝ㄟ^Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行描述，顯示出2個變量之間存在直接或間接的影響程度，但這不排除其他變量對其的影響。因此，展開多元相關(guān)性分析時，如果要固定其他變量，僅對其中2個變量的相關(guān)性進(jìn)行分析，需要計算偏相關(guān)系數(shù)。

由上述分析可見，大氣能見度與相對濕度、氣溫、風(fēng)速等氣象要素之間的關(guān)系較為密切。為確定各個氣象要素對大氣能見度的影響，利用SPSS 13.0統(tǒng)計分析軟件進(jìn)一步分析2020—2022年的能見度與同期各個氣象要素之間的相關(guān)關(guān)系。由于民豐縣降水稀少，暫時忽略降水量與能見度的影響，按不同月份計算能見度與地面常規(guī)氣象要素的相關(guān)系數(shù)，分析結(jié)果如表2所示。

表2 民豐縣2020—2022年各氣象要素與大氣能見度的相關(guān)性

通過Pearson相關(guān)系數(shù)分析可以看出，表2中民豐縣大氣能見度與2 min平均風(fēng)速、10 min平均風(fēng)速均呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。2020—2022年，以2020年的相關(guān)系數(shù)最顯著，分別達(dá)到-0.788 7、-0.808 1。與大中城市內(nèi)大氣能見度與平均風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系相悖的是，由于民豐縣人口密度相對較少且不集中，受人類活動影響而引起空氣污染現(xiàn)象不及其他大中發(fā)達(dá)城市明顯，而且民豐縣地表多為干燥的細(xì)砂覆蓋，風(fēng)速增大可揚(yáng)起地面沙土形成沙塵天氣，導(dǎo)致能見度下降。尤其是在干燥多風(fēng)的春季，大風(fēng)引發(fā)浮塵、揚(yáng)沙或沙塵暴天氣，使空氣渾濁，能見度就會明顯下降。

由表2中2020—2022年平均相對濕度與大氣能見度的關(guān)系可以看出，平均相對濕度與大氣能見度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，4組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.795 1、0.515 8、0.190 2、0.495 9。正常情況下，大氣層的水汽較為豐富時，極易發(fā)生凝結(jié)進(jìn)而形成大量小液滴，低層濕度較大時引發(fā)霧天氣，從而導(dǎo)致大氣能見度下降。但民豐縣地處西北干旱區(qū)，年平均降水量為30 mm左右，常年空氣相對濕度偏低，年平均相對濕度僅36%，形成極為干旱的氣候，因此相對濕度越大，大氣能見度越高；反之，相對濕度越小，大氣能見度也隨之下降。

由相關(guān)分析可知，2020—2022年民豐縣大氣能見度與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.749 3、-0.055 2、-0.267 1、-0.582 6，說明民豐縣在寒冷的冬季大氣能見度條件較好，而春季氣溫逐漸回升后，大氣能見度處于一年中最差的時段。3月以后，民豐縣天氣開始出現(xiàn)回暖，凍土和沙源地解凍，加之春季多風(fēng)少雨，難以抑制沙塵，植被稀少的地表細(xì)砂成為形成沙塵的必要物質(zhì)條件。隨著春季氣溫的升高，民豐縣大氣能見度下降。

上述相關(guān)性分析結(jié)果表明，不考慮其他因素的影響，就氣溫、相對濕度和風(fēng)速氣象要素而言，風(fēng)速與大氣能見度呈負(fù)相關(guān)性，相對濕度與大氣能見度表現(xiàn)為正相關(guān)性，氣溫也與大氣能見度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。近3年的風(fēng)速與大氣能見度的相關(guān)系數(shù)最大，表明風(fēng)速能使大氣能見度顯著下降，其中，10 min平均風(fēng)速的影響最大，為-0.708 4，其次是溫度與大氣能見度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.5826，而相對濕度與大氣能見度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.495 9，相比其他要素相關(guān)性小。表明風(fēng)速可作為影響大氣能見度的主要考慮因素。

3 結(jié)論

(1)2020—2022年，民豐縣大氣能見度為12.822 75 km，近3年大氣能見度呈現(xiàn)逐年下降趨勢。一年當(dāng)中，春季的能見度最低，冬季能見度最高，3月的能見度最低，1月能見度最高。

(2)2020—2022年，3—6月民豐縣2 min平均風(fēng)速與10 min平均風(fēng)速均較大，12月和1—2月的平均風(fēng)速較?。?月平均氣溫最高，其次是6月和8月，12月為平均氣溫最低的月份；12月的平均相對濕度最高，其次是1月，3月平均相對濕度最低。

(3)民豐縣2020—2022年期間的大氣能見度與風(fēng)速、氣溫呈現(xiàn)負(fù)的相關(guān)性，與相對濕度表現(xiàn)為正相關(guān)性。近3年的風(fēng)速與大氣能見度的相關(guān)系數(shù)最大，其中，10 min平均風(fēng)速的影響最大，為-0.708 4，其次是溫度，相關(guān)系數(shù)為0.582 6，相對濕度相比其他要素相關(guān)性低。表明風(fēng)速可作為影響大氣能見度的主要考慮因素。