1981～2013年宝鸡地区能见度变化趋势及突变分析

李改萍，周 旗，翟雅倩

(宝鸡文理学院 陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，陕西 宝鸡 721013)



1981～2013年宝鸡地区能见度变化趋势及突变分析

李改萍，周 旗*，翟雅倩

(宝鸡文理学院 陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，陕西 宝鸡 721013)

选取1981～2013年位于宝鸡各县区的11个地面气象台站人工观测的大气水平能见度数据，采用Mann-Kendall趋势突变检验法、滑动t检验法以及小波分析法对能见度进行分析，以了解其变化趋势和突变。结果表明：扶风县、凤翔县、陇县、岐山县和千阳县站点观测能见度整体呈下降趋势，其他站点的整体呈上升趋势；能见度最大和最小变率分别出现在陈仓和凤翔站点，分别为2.46和0.085 km/10年。能见度增加的县区主要集中在南部秦岭、渭河谷地和东北方向的麟游，年均能见度降低的县区形成了东南-西北走向的带状。宝鸡市年均能见度呈上升趋势，变率为5.11 km/10年，2011～2013年该市平均能见度为17.65 km。低能见度(2.0～9.9 km)的比例呈现下降趋势，较好能见度(20.0～39.9 km)的百分比呈现上升趋势。宝鸡市年均能见度存在多时间尺度，其年、四季主中心周期在24～28年范围内波动，且都为两次准周期震荡，各次周期相差较大。Mann-Kendall突变检验和滑动t检验结果表明通过显著性检验的5个站点除陈仓区外，其余各站点均出现突变，且突变类型为多个类型叠加。

能见度；变化趋势；突变；Mann-Kendall方法；滑动t检验；小波分析

0 引言

能见度通常是指视力正常的人在当时的天气条件下能够从天空背景中看到和辨认出黑色和大小适中的目标物的最大水平距离[1-4]。能见度的好坏对人民的健康生活和交通运行安全有着重要影响，是衡量空气质量好坏的重要指标[5-6]。美国环保局(EPA)将能见度的降低视为对所有空气污染所引起的环境影响最有效的解释[7]。

国外对能见度的研究20世纪初期就已经展开了[6]。Holzworth等[8]最先提出利用累积百分率法进行大气能见度趋势分析。Craig等[9]最早应用Ridit方法进行大气能见度分析。Sloane[10-11]对累积百分率和Ridit这两种方法进行了比较，并采用这两种分析方法对美国中东部地区能见度观测资料进行了统计分析[12]。国内利用这些方法对北京、天津等重点城市和地区的能见度进行了趋势分析[13]。

宝鸡地处中纬度地区，位于我国西北内陆，地处关中平原西部，属暖温带半干旱半湿润性的大陆性气候，四季分明。20世纪以来，伴随着全球变化，宝鸡市能见度也发生了变化。能见度变化对生态环境、经济发展和人民生活有一定的影响。目前对宝鸡市能见度变化研究还不太系统，因此本文依据宝鸡市能见度逐日观测数据，利用相关分析方法对其能见度变化特征进行了分析，旨在为减少能见度降低的不利影响提供理论支撑。

1 资料来源与数据处理

本文所用数据来源于宝鸡市1981～2013年11个气象站点(图1)能见度数据。每天3个观测时点08:00、14:00、20:00时。本文选用14:00时能见度观测数据,该时刻观测值更能代表所在区域的大气能见度水平。8:00时能见度受两个因素的影响：分别是早晨出现的辐射雾和夜间形成的接地逆温未被破坏，从而导致大气中颗粒物浓度升高[14-15]，而这些现象到中午就会消散。20:00时观测数据，此刻所选目标物与白天选取目标物不同，而造成昼夜能见度资料的不一致性[16]。

图1 宝鸡市气象站点分布图

2 分析方法

2.1 一元线性趋势分析

利用一元线性趋势分析法[17]对能见度序列的变化趋势进行估计。若xi为样本数量为n的某一能见度变量；ti为xi所对应的时间，建立一元线性回归方程：

xi=a+bti

(1)

2.2 小波分析法

小波分析是在傅立叶变换的基础上引入了窗口函数[18]，把一个时间序列分解为时间和频率的贡献，对获取一个复杂时间序列的调整规律，诊断出能见度变化的内在层次结构，分辨时间序列在不同时间尺度上的分布特征[19-22]。

2.3 Mann-Kendall检验法(下称M-K检验)

利用Mann-Kendall检验法[22-23]对数据进行突变检验。其基本原理：定义统计量UFk和UBk，UFk为标准正态分布曲线，给定一个显著性水平(Uα1)，查表可得(临界值)Uα1。当UFK>Uα1时，序列出现一个显著性增长或减少的趋势；所有UFk将组成一条曲线UF。同时使UFk=-UBk，若UFk或UBk的值大于0，则呈上升趋势，小于0则呈下降趋势。若两条曲线在临界值范围之间出现交点，那么交点对应的时刻就是突变点开始的时刻[24]。

2.4 滑动t检验法

q遵从自由度v=n1+n2-2的t分布。采取滑动的方法，连续设置基准点，可得到统计量序列qi，给定显著性水平(α)，查t分布表得到临界值(qα),若|qi|>qα，则认为在基准点时刻出现突变[28]。

3 结果与讨论

3.1 能见度变化趋势

1981～2013年宝鸡地区11个站点的年均能见度变化如图2所示。由图2可知，渭滨站、陈仓、凤县、麟游、眉县和太白6个站点年均能见度为上升趋势，最大和最小变率分别为2.46/10年(陈仓)和0.03/10年(眉县)。由年际均值来看，渭滨站总体呈现升-降趋势，由21世纪80年代到90年代中期呈现上升趋势，随后出现缓慢的波动，趋势线在2011～2013年呈现明显的上升趋势，其变率为0.48 km/10年，年均能见度在10.59～15.29 km范围内波动；由年际均值看，陈仓站和凤县站呈现持续上升趋势，在21世纪初有小幅度的下降，其变率分别为2.46 km/10年和2.30 km/10年，线性拟合程度较高；年均能见度分别在10.36～21.04 km和18.32～28.73 km范围内波动；由年际均值来看麟游站总体呈升降趋势，20世纪80年代中期到90年代中期年代际均值相近为24.27 km和24.66 km，21世纪初期出现明显的下降趋势，其变率为1.71 km/10年，年均能见度波动范围在18.14～33.95 km之间；由年际均值来看，眉县站总体呈现先降后升，且从20世纪90年代中期到2013年年际均值较为相近，年均能见度波动范围在9.28～14.83 km之间，其变率为0.03 km/10年，在整个时间序列眉县出现能见度最低值9.28 km；太白年际均值80年代到20世纪末持续上升，之后出现交替下降、上升态势，2005年之后年际均值较为相近，年均能见度波动范围在24.65～28.49 km之间，变率为0.73 km/10年。

图2 宝鸡市及县区年均能见度变化

凤翔、陇县、扶风、岐山和千阳5个站点年均能见度为下降趋势，最大和最小变率为0.79 km/10年(千阳)和0.085 km/10年(凤翔)。由年际均值来看，6个站点均有交替上升、下降态势。凤翔站除80年代初期和90年代末有一定波动外，其他年际均值较为相近(13.72、13.93、13.62 km)，波动范围在11.61～15.93 km之间，变率为0.085 km/10年。陇县90年代年际均值相近，年均能见度在14.86～19.97 km范围内波动，变率为0.095 km/10年。由年际均值来看，岐山站80年代和2006～2013年代际均值较为相近(13.30、13.25、12.85、12.74 km)，年均能见度波动范围在11.15～15.63 km之间，变率为0.18 km/10年。从年际均值来看，千阳站能见度波动相对较大，80年代后期和90年代初期年代际均值较为相近，年均能见度均值在14.30～23.31 km之间波动，变率为0.79 km/10年。扶风站年际均值在90年代中后期到21世纪初期较为相近，年均能见度均值波动范围为10.40～14.73 km，变率为0.38 km/10年。

总体来看,除陈仓、眉县和凤县年均能见度在整个研究时段末端出现微弱的下降外，其余8个站点年均能见度均为上升趋势，且扶风、陇县、岐山、渭滨站点上升趋势明显。与宝鸡市地面气象观测站图对比可看出，宝鸡市年均能见度增加的县区主要集中在南部秦岭和渭河谷地地区和东北方向的麟游，年均能见度降低的县区扶风、岐山、凤翔、千阳和陇县形成了东南-西北走向带状。

表1为M-K方法对宝鸡市及各县区11个站点年均和季节的能见度变化趋势检验的统计值，宝鸡年能见度是由11个站数据平均得到。由表1可以看出渭滨区夏季，扶风县的秋、冬季，凤翔秋、冬季，陇县的夏、秋、冬季，眉县的夏季，千阳秋季和岐山的秋季均呈现微弱的下降趋势，但未通过显著性检验。扶风县、凤县春季，麟游夏、秋季，眉县秋冬季，岐山春冬季，千阳春冬季和太白夏季能见度均呈微弱的上升趋势，未通过显著性检测。扶风、凤翔、陇县、岐山和千阳年均能见度呈微弱的下降趋势，且未通过显著性分析，眉县年均能见度呈现微弱的上升趋势，未通过显著性检验；渭滨区、陈仓区、凤县、麟游和太白年均能见度均呈现上升趋势且通过显著性检验。宝鸡春、秋、冬季均呈现上升趋势，且都通过显著性检验；夏季能见度呈现微弱的下降趋势，且未通过显著性检验；年均能见度呈上升趋势且通过99%的显著性检验，变率为5.11 km/10年。

表1 不同季节M-K趋势分析方法的统计检验值

注：*表示通过90%置信度检测；**表示通过95%置信度检测；***表示通过99%置信度检测。

将能见度分为0.1～1.9、2.0～9.9、10.0～19.9、20.0～39.9、40.0～100.0 km 5个区间[29]，对宝鸡地区每10年和近3年(2011～2013年)的能见度日值分布进行统计，结果如表2所示，不同代际低能见度(小于2.0 km)的出现比例逐步下降，较好能见度(20.0～39.9 km)的出现比例逐渐增加，0.1～1.9 km等级范围内为升-降的趋势，变化幅度不大，10.0～19.9 km范围内所占比例为降-升的趋势，大于等于40.0 km范围内所占比例为升-降趋势。

表2 1981～2013年宝鸡地区能见度区间分布 %

3.2 能见度周期变化

本文将宝鸡11个地区年及四季能见度均值整理得出宝鸡市年、四季能见度均值，进行小波周期分析。宝鸡市年均能见度变化存在着多时间尺度特征。图3表明宝鸡市全年能见度均值变化存在着6、13和26年的3类尺度的中心周期变化规律；其中，26年尺度上周期性最强，出现了降-升的准两次震荡，且贯穿整个计算时域；13年的尺度为第二主周期，在1993年后存在降-升准两次震荡；6年尺度上出现了准5次周期震荡，且在1991年之后表现稳定。春季能见度均值中心周期存在着8、14和24年的3类尺度的周期变化规律；其中24年尺度上周期性最强，出现了准两次震荡，且贯穿整个计算时域；14年尺度为第二主周期，且在2001年之后出现1次周期震荡。8年尺度为第三主周期，1993年之后出现了准5次周期震荡。夏季能见度均值中心周期存在着6、9、13和28年不同尺度上的中心周期变化规律；其中，28年尺度为第一主周期，出现了准两次周期震荡，且具有全域性；13年尺度为次主周期且出现3次周期震荡，在整个分析时段表现较为稳定；9年尺度为第三主周期，且在1993年之后存在着准3次震荡周期；6年尺度为第四周期，且在1988年之后存在着准6次周期震荡。秋季能见度均值中心周期变化存在着25、13和8年3类时间尺度上的周期变化规律，其中25年尺度为第一主周期，出现了准两次周期震荡，并贯穿整个计算时域；13年尺度为次主周期，且在1998年之后出现准1次周期震荡；8年尺度为第三周期，在1997年之后出现准两次周期震荡。冬季能见度均值变化中心周期存在6、9和27年3类时间尺度上的中心周期变化规律，其中，27年尺度上的周期变化存在准两次周期震荡且周期性最强；9年时间尺度上存在着准3次周期震荡，周期性次之，均具有全域性；6年时间尺度周期性最弱，在1992年之后存在准5次周期震荡，具有局部性。

小波方差图(图3)表明1981～2013年宝鸡市年均和季均能见度主中心周期在24～28年范围内波动，其次周期相差较大。

图3 1981～2013年宝鸡市及四季小波变化实部图和小波方差图

4 能见度突变分析

采用M-K突变检验和滑动t检验方法对宝鸡地区各个站点的年均能见度数据进行突变分析，图4为M-K突变检验图，滑动t检验图略。符淙斌等[30]给出了突变的普适定义，最基本的突变类型有[31]：均值突变、方差突变、跷跷板突变和转折突变。

通过上述对M-K突变检验方法的描述可知，渭滨区、凤县、麟游和太白站的能见度在上升过程中均出现突变，突变时间分别在1988、1991、1986和1988年前后。渭滨区突变点前后的均值为11.44 km和13.0 km，方差前后变化为0.24和0.85。凤县突变点前后的均值为21.97、27.30 km，方差前后变化为2.61和0.72。麟游县突变点前后均值为19.41和26.06，方差前后变化为3.208和14.2715，其均值突变和方差突变都较为显著。太白突变点前后均值变化为25.41 km和27.24 km，方差前后变化为0.22和0.51。 图4中陈仓区突变点在1995年且交点在阈值范围外，而滑动t检验未在1995年之后检测出突变点，因此该站能见度未出现显著突变。宝鸡市能见度在上升过程中出现突变，突变点在1994年前后，突变点前后的均值分别为16.80 km和18.00 km，方差前后变化为0.27和0.39，其均值突变和方差突变都较为显著。

5 结论

宝鸡地区11个地面气象台站的年均能见度变化趋势不同。宝鸡市、陈仓、凤县、麟游、眉县和太白站呈上升趋势，最大和最小变率分别出现在宝鸡县站和眉县站，分别为2.46、0.30 km/10年。宝鸡市年均能见度增加的县区主要集中在南部秦岭和渭河谷地地区以及东北方向的麟游，年均能见度降低的县区呈东南-西北走向带状。

宝鸡市春、秋和冬季年均能见度呈上升趋势，而夏季呈现微弱的下降趋势，年均能见度呈上升趋势，增加5.11 km/10年。低能见度(2.0～9.9 km)的比例呈现下降趋势，较好能见度(20.0～39.9 km)的百分比呈现上升趋势。宝鸡市年均能见度存在多时间尺度，其年及四季主周期在24～28年范围内波动，且都为两次准周期震荡，各次周期相差较大。

Mann-Kendall突变检验和滑动t检验结果表明渭滨区、凤县、麟游和太白4个站点均出现突变，且突变是几种类型的叠加。

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(责任编辑：许晶晶)

Analysis of Variation Trend and Abrupt Change of Visibility in Baoji Area during 1981～2013

LI Gai-ping, ZHOU Qi*, ZHAI Ya-qian

(Key Laboratory of Disaster Monitoring and Simulating of Shaanxi Province,Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721013, China)

According to the data of air horizontal visibility which were observed manually from 1981 to 2013 at eleven ground meteorological stations of Baoji city, the variation trend and abrupt changes of visibility in Baoji area were analyzed by using the methods of Mann-Kendall tendency abrupt-change test, movingt-test, and wavelet analysis. The annual mean values of visibility generally showed a decreasing trend at Fufeng, Fengxiang, Long county, Qishan and Qianyang stations, and generally revealed a rising trend at the other stations. The maximum and minimum variation rate of the annual mean visibility were 2.46 km/10 a at Chencang station and 0.085 km/10 a at Fengxiang station, respectively. The counties with increasing annual mean visibility were mainly distributed in the southern Qinling, the Wei river valley and the northeastern Linyou. The counties with decreasing annual mean visibility formed a southeast-northwest zonal region. The annual mean visibility of Baoji city showed a rising trend with the variation rate of 5.11 km/10 a, and the mean visibility value of this city from 2011 to 2013 was 17.65 km. The proportion of low visibility value (2.0～9.9 km) revealed a decreasing trend, while the percentage of better visibility value (20.0～39.9 km) revealed a rising trend. The annual average visibility in Baoji had multi-time scales, its annual and seasonal primary center cycles fluctuated from 24 a to 28 a, and they all had two quasi periodic oscillations with largely different minor cycles. The results of Mann-Kendall abrupt-change test and movingt-test indicated that the abrupt changes of annual mean visibility appeared at 5 stations (except for Chencang station) which had passed the significant test, and the abrupt-change type was the overlaying of many types.

Visibility; Variation trend; Abrupt change; Mann-Kendall method; Movingt-test; Wavelet analysis

2016-07-06

国家自然科学基金项目(41071359)。

李改萍(1989─)，女，陕西宝鸡人，硕士研究生，研究方向为自然地理学。*通讯作者：周旗。

P12.17

A

1001-8581(2016)12-0094-06