天津市东丽区低能见度事件特征分析

史 珺，张嘉霖

(1. 天津市东丽区气象局 天津300310；2. 天津市津南区气象局 天津300350)

0 引 言

能见度是反映大气透明度的一种指标，指视力正常的人在当时天气条件下，从天空背景中看到和辨认出目标物(黑色，大小适度)轮廓的最大水平距离，夜间是指中等强度的发光体能被看到和识别的最大水平距离[1]。能见度的变化一方面会受到天气现象的影响，例如降水、雾、沙尘暴、浮尘、扬沙等天气现象；另一方面随着社会经济发展以及城市化进程不断加剧，污染物排放日益增多，大气排放的污染物会产生遮光效应，使空气变得浑浊，进而导致本地能见度不断恶化。因此，能见度也会作为反映本地空气质量的指标之一，也是空气污染最显著的标志。低能见度的出现不仅影响到正常社会生产活动，也会对人体健康产生负面影响，因此备受重视。有研究表明[2-4]，气象条件以及空气污染物排放是造成低能见度出现的最主要原因。姚青等[5]对天津一次持续低能见度事件分析认为，细粒子质量浓度是影响大气能见度的主要因素，西南暖湿气流控制下的静稳天气有利于污染物聚集。多名专家对广州[6]、闽南[7]和河北省[8]等地区低能见度的年、月、日变化特征进行分析。刘兆东等[9]分析认为京津冀及周边地区PM2.5浓度与环境湿度是导致出现低能见度最关键的影响因素，平均风速较小、平均风向为东南风，往往有利于低能见度出现。低能见度与空气质量指数呈负相关，且与PM2.5浓度的相关性最大。

目前能见度数据的获取是通过能见度自动测量仪器进行测量。采用的前向散射能见度仪的最终测量结果是通过计算仪器中发射器和接收器之间的消光系数推算出气象光学视程，其结果虽然被认定能够避免人工误差，更加客观[10]，但是由于发射器和接收器距离很近，实际上测量的是仪器附近的大气能见度，其结果必然会受到仪器周边小环境的影响，会造成能见度数据波动，难以达到短时间稳定，因此短时间的低能见度下降不能真正代表本地区出现低能见度现象。本文参考《地面气象观测业务技术规定实用手册》对于霾日的定义，认为本地区6 h(含)以上时次能见度低于7 500 m可以作为一次低能见度事件出现。此外，前人有关气象要素对于能见度的影响研究基本是从出现低能见度现象阶段与对应气象要素之间关系方面进行研究，缺少对于低能见度出现前和结束阶段对应气象要素变化的分析。因此，研究本地区低能见度事件的变化特征，了解区域低能见度事件变化规律以及气象要素对低能见度事件出现前和结束阶段的影响，对本地区低能见度的预报预测有着重要的指示意义，为本地区环境保护和综合治理提供参考。

1 资料与数据

天津市东丽区2017—2019年逐小时大气能见度以及地面气象要素常规观测资料来自天津市气象局气象信息中心。

2 结果与分析

2.1 低能见度事件变化特征

从图1可以看出，10月是出现低能见度事件小时数最多的月份，共732 h，其次是11月和9月，分别有719 h和673 h，低能见度事件小时数较少月份是4～6月。9月份出现低能见度事件频率最高，共出现48次，其次是7～8月，均出现40次，5月份出现低能见度事件频率最低，仅出现17次。

2.2 低能见度事件气象影响因素分析

通过表1可以发现，低能见度事件中能见度与相对湿度呈负相关，与风速呈正相关。低能见度出现时，能见度与相对湿度的相关系数明显大于其与风速的相关系数，因此相对湿度对低能见度的影响更加明显。

表1 低能见度事件阶段能见度与相对湿度、风速的相关性Tab.1 Correlation of visibility with relative humidity and wind speed during low visibility events

通过图2可以发现，低能见度事件出现前3 h到出现前1 h，对应60%～70%相对湿度出现频率最多。低能见度出现时对应80%～90%相对湿度频率最多。低能见度事件出现前3 h到出现时，随着低能见度事件的临近，60%以下的相对湿度出现频率逐渐减小，而60%以上的相对湿度出现频率则逐渐增多；尤其是80%～90%，事件出现前1 h出现频率为55次，出现低能见度事件时出现频率则上升到72次；90%～100%的相对湿度在低能见度事件出现前1～3 h仅出现不足20次，而当低能见度事件出现时，出现频率增加到41次。

低能见度事件结束前3 h至2 h，对应90%～100%相对湿度出现最多，结束前1 h出现频率最多的相对湿度范围在80%～100%之间。当低能见度事件结束时，出现频率最多的相对湿度下降至70%～80%。80%以下的相对湿度随着低能见度事件趋于结束，出现频率逐渐增多，而相对湿度80%以上的出现频率随着低能见度事件的结束而逐渐减少。

低能见度事件出现前3 h到出现时，1～2 m/s风速出现最多(图3)。随着低能见度事件临近，0～1 m/s和1～2 m/s出现频率逐渐增多。低能见度事件结束前3 h至结束时，出现最多的风速均在1～2 m/s之间。随着低能见度事件的结束，0～2 m/s的风速出现频率逐渐减少，而2～6 m/s的出现频率逐渐增多。低能见度事件出现前1～3 h对应的风速范围在0～8 m/s之间，而在低能见度事件出现时对应的风速范围缩小到0～6 m/s之间。

从图4可以发现：低能见度事件出现前3 h到出现时，偏南风的出现频率逐渐增多；在低能见度事件出现时风向集中在南到东南风；低能见度事件结束前3 h到结束时，可以发现西北风的出现频率逐渐增多。

箱线图是利用统计数据中的5个统计量：最小值、下四分位数、中位数、上四分位数与最大值来描述数据的一种方法，可直观表达数据的对称性及分布特点。十字符号代表数据的异常值。上下四分位数范围为主要数值出现的范围。从图5可以发现，随着能见度下降，相对湿度中位数呈现上升趋势，并且对应的相对湿度变化范围明显变窄，上下四分位数明显增大。能见度在3 000～7 500 m阶段相对湿度主要集中在60%～85%，当能见度下降到1 000～3 000 m时相对湿度集中在79%～95%，能见度继续下降到750～1 000 m时相对湿度集中在90%～99%，当能见度下降到750 m以下时，相对湿度主要集中在99%以上。

从图6可以发现，随着能见度的下降，对应的风速变化范围逐渐变窄。能见度在3 000～7 500 m阶段风速主要集中在0.9～2.0 m/s，当能见度下降到1 000～3 000 m时风速范围缩小到0.8～1.7 m/s，能见度下降到750～1 000 m时风速范围缩小到0.6～1.5 m/s。能见度在750～7 500 m阶段，随着能见度下降中位数逐渐减小。能见度在500～750 m阶段对应风速范围主要集中在0.7～1.3 m/s之间，中位数相对增大。能见度继续下降到200～500 m阶段对应的风速主要集中在0.8～1.3 m/s，中位数略有减小。能见度下降到200 m以下，对应上下四分位数则明显增大，主要风速范围上升到1.7～1.9 m/s，中位数同样明显增大。

从图7可以发现，能见度在3 000～7 500 m阶段，出现频率最多的风向为南到西南风；能见度下降到1 000～3 000 m阶段，出现频率最多的风向为南风和北风，并且随着能见度范围不断降低，出现最多的风向逐渐转为北到西北风。当能见度下降到200 m以下时，出现最多的风向再次转为南风。

3 结论与讨论

秋季是低能见度事件持续时间和出现频率最多的季节，春季和夏季低能见度持续时间最短，春季出现低能见度事件频率最少。

低能见度与相对湿度呈现负相关关系，与风速呈现正相关关系。相对湿度对低能见度事件影响更大。从低能见度事件出现前3 h到低能见度出现时，60%以上的相对湿度、0～1 m/s的风速以及偏南风出现频率逐渐增多。从低能见度事件结束前3 h到结束时，80%以下相对湿度、2 m/s以上风速以及西北风的出现频率则逐渐增多。

随着低能见度不断下降，相对湿度和风速的变化范围不断变窄。随着能见度下降对应相对湿度中位数与上下四分位数均呈上升趋势，当能见度下降到750 m以下时，相对湿度主要集中在99%以上。能见度在200 m以上阶段，对应风速上下四分位值随着能见度下降而减小，主要风向频率从偏南风逐渐转为北到西北风。而当能见度下降到200 m以下时，出现最多的风向为南风，对应风速的上下四分位值和中位数均明显增大。这与前人研究能见度与风速对应关系结论不同[11-12]，这是因为当相对湿度基本达到饱和后，在一定小风速内，风速略有增大，更有利于气溶胶在小范围内输送吸湿增长，进而导致能见度下降。由此可见，99%以上的相对湿度，一定数值范围内的风速增大，以及偏南风，有利于本地区能见度低数值的出现。■