三峡区域水面能见度变化特征及相关性分析

2019-03-08，,,

水利水电快报 2019年2期

，, ,

(长江水利委员会水文局长江三峡水文水资源勘测局，湖北宜昌 443000)

1 研究背景

“能见”是指在白天能看到和辨认出目标物轮廓和形体，在夜间能清楚看到目标灯的发光点。“能见度”是指视力正常的人，在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认出目标物的最大水平距离[1]。“水面能见度”主要指河流、水库和湖泊上空视野内1/2以上范围内能辨识的参照物最大水平距离。

“大气透明度”是影响能见度的直接因子，空气中所含空气分子和气溶胶粒子能够削弱通过空气层光线的能量，因此大气及其所含杂质对阳光的散射和吸收是决定大气透明度的基本因素，即空气中杂质越多、越浑浊，能见度就越差；反之，能见度就越好。

能见度不仅是衡量一个区域空气质量的重要指标，还对人们出行、工作产生较大影响，因此，分析能见度长期观测资料，对研究空气质量具有重要的现实意义。早在20世纪60年代，国内外就有人开始研究能见度变化，几十年来的研究表明，能见度具有明显的日变化、月变化等特征[2]，同时具有较强的区域性。

三峡水库运行以后，近库区域部分气象因子是否有变化，受到国内外专家学者和社会各界的广泛关注。为了准确了解三峡水库上下游沿程能见度变化，近年开展了连续中长系列能见度观测，以研究、掌握三峡区域水面能见度变化特征及主要影响，为三峡水库调度运行及回应社会关注提供参考依据。

2 数据与方法

2.1 数据来源

2014年底至2018年3月，长江委水文局在宜昌水文站(宜昌市葛洲坝水利枢纽下游约6 km)、虾子沟蒸发站(宜昌市夷陵区冯家湾，葛洲坝坝前黄柏河出口附近左岸)、黄陵庙水文站(宜昌市夷陵区乐天溪镇，三峡水利枢纽下游约12 km)、庙河水文站(秭归县茅坪镇，三峡水库坝上约14 km)以及巴东蒸发试验站(鄂西洲巴东县，三峡水库中段，距离坝前约71 km)等5个代表性观测点开展了能见度观测，测站地理位置范围为北纬30.7°～31.1°，东经111.3°～110.4°。其中，巴东蒸发试验站、庙河水文站位于三峡水库近坝段，人口密集程度一般，测站附近水面变化较大；黄陵庙水文站和虾子沟蒸发站位于三峡和葛洲坝水利枢纽之间，人口较密集，测站附近水面变化较为频繁，但变化幅度不大；而宜昌水文站受葛洲坝水利枢纽调度影响明显，水面变化在中、高水较大，附近人口密集。按照地面气象观测规范要求，观测项目包括水面能见度、相对湿度(RH)、水汽压、水温、降水等，各站位置分布见图1。

图1 三峡区域水面能见度观测站点分布

数据收集方式主要是人工观测和自动气象数据采集，一般人工每天只进行08:00、14:00、20:00这3个段次观测，能见度不记录起止观测时间，只记录现象，而天气现象只记录每日08：00情况。自动气象数据则每天24 h采集。

根据规范要求，每个站都在最初观测时确定固定位置，一般选择通视条件较好的开阔地点进行。白天通过在不同方向、不同距离上选择若干目标物进行观测，晚上观测时应尽可能选择自带光源的目标物作为能见度观测的依据。光源应尽可能独立且不带彩色，不要求成群成带或重叠，但光源强度应尽量固定。为正确判断能见度，还应参照气象要素的变化和其他天气现象综合进行判断。夜间观测时应先在黑暗处停留5～15 min，待眼睛适应观测点周边环境后再进行观测。

观测能见度时，如目标物非常清晰可辨，能见度可定为目标物距离的5倍；若目标物细微部分隐约可见且颜色基本能分清，能见度可定为目标物距离的2.5倍；若目标物很难分辨或颜色难以分清，则目标物能见度的距离不能大于2.5倍。

考虑到资料收集初期不同观测员对人工观测方法掌握不一致和观测者视力差异，消除雨雪、沙尘、雾、大风等视障天气事件对能见度观测的影响，对2015～2017年明显不合理的数据进行剔除。

2.2 统计分析方法

根据已有数据，主要采用数理统计、显著性检验[3]等方法分析比较各站水面能见度特征变化，了解三峡水库上下游沿程能见度变化趋势。

3 结果与分析

3.1 水面能见度变化特征

目前国内没有单独针对内陆水面能见度的定义标准，现参考大气能见度与海面能见度，确定以下水面能见度参照表[4]，见表1。

表1 水面能见度参照

3.1.1 年平均时空变化

统计三峡区域5站2015～2018年各年、季度平均能见度，如图2所示。由图可见，能见度年、季变化趋势基本一致。3 a来，三峡区域宜昌站和庙河站能见度变化略有下降，黄陵庙站次之，虾子沟站和巴东站变化不大。各站年际最大值出现时间不一，经过分析表明，这与数据收集时间较短有关，从长期来看，最大值仍是出现在一个相对稳定的时段内。

图2 各站年、季平均能见度变化过程

能见度年际变化除与气候变化有关外，还与人类活动影响以及污染治理有关。如虾子沟站位于宜昌市夷陵区境内长江支流黄柏河边，人类活动影响较大，特别是观测站附近运煤车来往频繁，导致空气灰尘较大，能见度明显降低。黄陵庙和巴东区域居住人员较少，加上库区沿江两岸退耕还林效果显著，能见度则相对稳定。从表2可知，5个观测站3 a平均能见度均处于基本清晰和不清晰两种状态，虽然三峡大坝附近的观测站也存在能见度大于50 km的时间段，但持续时间不长，说明三峡区域能见度状况一般，且越接近居民点，能见度越差。

表2 各观测站2015～2017年平均能见度统计

各季度日平均能见度具有一定起伏变化规律，夏季能见度的明显要好于冬季，一般年最大能见度均出现在5～7月，最小能见度出现在12月到次年 2月。

3.1.2 月、季变化

夏冬两季日平均能见度变化要大于春秋两季，从表3可知，大部分测站四季能见度具有冬季<秋季<春季<夏季特点，三峡区域各站能见度沿程比较，虾子沟<宜昌<庙河<巴东<黄陵庙，说明两坝间和三峡库区能见度普遍好于宜昌城区。

表3 各站季度平均能见度统计 km

各站月平均能见度变化反映了各季度能见度变化，月内未见能见度的明显规律性变化，各月之间高低变化具有随机性。综合多年情况，4～9月能见度较高，特别是5～7月，各站情况类似。具体来说，巴东、庙河和黄陵庙3个水库观测站水面能见度大于10 km的次数占比分别为55%、62%和 66%，即较清晰的时间段占全年一半以上，而虾子沟较清晰能见度占比只有8%，大部分时间水面能见度在4 km左右，雾日现象明显较多。主要原因是冬季辐射冷却常形成近水面逆温层，大气流动相对较差，特别是宜昌城区，水汽中凝结物增多，导致能见度降低；而夏季则因对流天气和热力层明显，降水增多、太阳辐射增强，水库水面污染物扩散条件趋好，能见度增加，如图3所示。

图3 各站不同水面能见度范围出现次数

3.1.3 日变化

三峡区域水面能见度均采用人工每日3段次观测，虽然测次过程不能完全反映能见度日变化，但中长期连续观测数据可基本上显示日变化规律[3-5]。本次选取2个不同年份的测站数据来分析三峡各区域水面能见度日变化规律，如宜昌站2015年4月和黄陵庙2016年4月(过程见图4)。其中，宜昌站代表宜昌城区，人口密集，人类活动频繁，水面受工程调度频繁，水面范围存在一定变化；黄陵庙站代表两坝间，人口密集程度较低，人类活动较少，受工程调度频繁，水面变化较小。

图4 各站各时段水面能见度过程

数据分析表明：早上08：00出现全天最小能见度的可能性为0.77～0.93，14:00出现最大能见度的可能性为0.70～0.83。能见度特征值区域表现为宜昌城区08:00和14:00出现最小或最大的概率要大于黄陵庙和巴东，巴东和黄陵庙在20:00出现最大或最小能见度的可能性要大于宜昌。这说明两坝间和三峡库区能见度变化受太阳辐射和近地面或水面对流的变化影响，特别是午后水面空气湿度和气温变化大，逆温层逐渐被抬升消失或增强，大气垂直交换加强，导致两坝间和库区能见度在下午至20：00前出现特征值的可能性增大。

3.2 较差能见度变化规律

根据地面气象观测规范定义，低能见度范围为0～0.9 km，较差能见度范围为1.0～3.9 km，当出现低能见度和较差能见度时，对人类生活，特别是车船出行会造成一定影响。

三峡区域5站3 a来观测数据统计见表4，低能见度比较差能见度略好，较差能见度2.0～3.9 km之间出现次数相对其他能见度范围较多。而各站之间，又以两坝间和三峡库区为好，最差为虾子沟站一带。

表4 低能见度和较差能见度平均出现次数占全测次比例

此外，两坝间和三峡库区低能见度和较差能见度出现次数均在10%以内，以每天观测3次计算，即全月出现次数在8次左右(本次统计未考虑复杂气象因素影响)。这种频次的低能见度和较差能见度表明，两坝间和三峡区域水面能见度相对较好，有利于水面作业和船舶航行；而虾子沟站一带则情况相反，全年约一半天气中能见度较差，这与该站位于城区，人为活动影响和附近煤场转运货物有关。

3.3 能见度与气象因子相关性

水面能见度和大气能见度类似，主要受各种气象因素的影响，如风速、降水、气压、相对湿度、温度等，都对能见度变化起到不同作用。相对而言，风速大小对空气中的雾、水汽凝结物等扩散具有较大影响力，相对湿度通过增加吸湿性粒子的散射截面积，间接导致能见度降低。此外，相对湿度的增加易形成雾日天气，导致能见度下降[1]。

利用近年虾子沟站和巴东站收集的相对湿度、水汽压、风速等资料，分析三峡水库区域和两坝间水面能见度与各气象因子间相关性，并进行显著性检验，结果见表5和图5(选取巴东站2017年数据)。

表5 水面能见度与其他气象因子相关性统计

图5 巴东站2017年日平均能见度和相对湿度及水汽压相关比较

由图5可以看出，所选代表站水面能见度与其他气象因子相关度都不高。这与水面能见度观测范围有关，水面能见度大多在河道水面7m以上的空域，而气象观测一般是指较高空域大气能见度。因此，两种能见度与气象因子的相关性存在显著差异。各气象因子与水面能见度的相关度顺序为K相对湿度>K水汽压>K风速，即相对湿度与水面能见度的相关性相对较高，呈负相关，其次是水汽压，而虾子沟站的风速与水面能见度相关性较差，不予统计。

总的来看，相关因子具有类似性，但相关的显著性不同。