佛山内部风场特征与能见度的相关性分析

陆杰英，招伟文，郭瑞玲，何敏玲，王伙明

1.广州市增城区气象局，广东增城 528500；2.佛山市顺德区气象局，广东佛山528000；3.佛山市南海区气象局，广东佛山 528200

能见度是衡量大气透明状况的一个重要气象指标，它不仅反映出该地区的大气环境质量，还与人类社会活动密切相关，尤其对航空、航海、铁路、公路等运输部门及空军、海军的活动影响更加明显[1-2]。在交通运输部门，能见度的状况直接影响飞机、汽车和船舶驾驶员的视程，是保证行机、行车、行船安全的一个重要气象要素。恶劣能见度给人们工作、生活带来了诸多不便，常常是诱发重大交通事故和飞机起降重大事故的重要因素，这给国家财产造成损失，威胁着人民群众的生命安全，同时造成了不良的社会影响[3]。

近年来，关于城市能见度的演变规律和影响因子方面的研究，主要是从空气质量和气象条件两大方面进行分析，如苏惟瀚等[4]对北京地区秋冬季大气能见度与大气污染的关系进行了研究。王淑英等[5]分析了1990—2000年能见度的变化特点和影响因子，发现能见度有明显的年际、季节和日变化。气象因子、天气现象和空气污染程度均对能见度有一定的影响，大多数研究表明风速与能见度呈显著的正相关关系[6]。近10年来，除去降水影响，佛山年均出现低能见度事件百余次，因而从多角度研究佛山能见度变化情况，尤其风场、局地环流等因子对佛山能见度的影响，有业务需求，对提高空气质量预报和气象扩散条件预报具有重要意义。

1 资料与方法

1.1 资料处理

选用了佛山市2000—2016年各区域自动站风向风速资料和南海、三水、顺德3个国家观测站资料和南海区、三水区、顺德区3个国家气象观测站2000—2016年能见度、相对湿度和天气现象资料。因本研究重点是大气颗粒物污染对能见度的影响，所以剔除因降水、大雾、大风、沙尘暴、扬沙和高湿（相对湿度≥90%）发生时的能见度资料。为避免早晨辐射雾、接地逆温的影响和夜间能见度观测目标物不一致造成的误差，只选14:00观测资料进行分析。同时，选取美国国家环境预测中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）再分析资料中2000—2016年的数据。

1.2 分析方法

本研究使用累积百分率分析法来区分各个阶段的能见度情况，累积百分率分析法定义第i段区间的能见度累积百分率定义为：某一年或某一段时间内，所有能见度观测值等于或大于区间i能见度值的次数与这一段时间总的能见度观测次数的比值。根据Sloane等的研究，给出能见度的累积频率分布函数公式：

式（1）表示能见度概率密度函数，vi表示第i段的能见度，n表示能见度总的观测次数，ni表示在n次观测中有ni次能见度等于或超过vi的值，ni/n×100%表示第i段能见度的累积百分率。

这一方法常被用于分析能见度这类被低估的或者最低值观测资料的变化趋势。常用50%来表征能见度的平均状态，由于实际的累积百分率曲线并不是线性的，外推的误差也很大，通过佛山本地能见度的实际情况分析得到，由于低值出现概率多,整体呈现出泊松分布的形态,故选取60%能见度累积百分率作为能见度中值（代表平均能见度水平）较为合适，这样既可避免由于外推或资料调整造成的误差，又可获得更高精度，而以90%的累积百分率为能见度低值（代表较差能见度水平）。

本研究采用的方法还有回归等统计方法，分析佛山市内风场的时空分布，分析内部环境对佛山市能见度的影响。

2 能见度年际变化情况

由于能见度分析主要在不同季节有不同的表现，本文选取2—3月为春季、4—10月为夏季、11月至翌年1月为秋冬季进行分析。由图1可知，三站的能见度随着时间的推移呈持续上升的趋势，但是能见度低值与高值的差距越来越大，可以证明近几年由于佛山经济发展处于环保效益期，从粗犷式发展经济过渡到环保型经济，南海和顺德整体能见度有持续上升的趋势，能见度高值和中值上升较明显，三水整体上升不明显；而三站的能见度低值上升的幅度并不大，整体呈现比较平整的发展趋势，很容易积累污染物，从而城市的通风效果对能见度可能存在较大的相关关系，所以下文将从佛山内部风场与三站的能见度中值和低值进行相关分析。

图1 佛山3个代表站能见度中值变化趋势

3 佛山市内部风对能见度作用

佛山内部风对能见度的分析主要从其与风速场的相关关系着手分析，其中从图2可以看出，夏季佛山风场以西风和西南风为主，其中在三水区域以西北风为主导。由于在2000—2016年期间夏季平均风向变化不大，而风速成为主要衡量风场对能见度的主要作用的重要指标，所以可以从风速角度分析两者的相关关系。

图2 夏季平均风场情况图

根据能见度与风速的相关系数，可以看到风速与南海和顺德的夏季能见度整体呈现负相关的状态，而南海与顺德的相关系数空间分布基本保持一致，而且中值能见度和低值能见度的空间分布区别不大，其中在高明、狮山、里水、桂城等地都出现了负值中心，所以整体的西风和西南风风速越大，南海和顺德能见度越差，而西风和西南风的风速越小，南海和顺德的能见度越好，可能是由肇庆附近工业区的污染物输送效应导致的，也可能是本地西南风和西风是由海上暖湿气流而来，从而导致湿润空气进入本地，导致能见度下降；而在三水靠北的区域中出现相关系数为正的区域，意味着在三水区域的西北风与南海和顺德能见度呈正相关关系。当三水出现西北风异常加大时，南海和顺德的能见度为正异常，三水区域中的西北风对污染物具有清除作用。

三水站同样可以看到相关系数的空间分布基本与南海和顺德类似，但是几个负值中心的绝对值偏小，同时靠北的正值区域绝对值变大了，三水的能见度更多与当地的西北风相关关系有关，而可能由于地形的关系与靠南的西南风和西风相关性并不太大。

了解秋冬季平均风场情况可以发现秋冬季节风场比较复杂，其中三水和高明区域主要受西北风的作用，其他区域由于城镇化地形复杂，风场较混乱，其中南海主要受南风和北风交汇影响，而顺德主要受西南风的作用，但是也有北风渗透的作用，总体可以看到城镇化对风场的影响是十分明显的。

从冬季能见度与风速的相关系数中可以看到，南海和顺德能见度与市内的风速基本呈现负相关关系，其中负相关区域主要由北向南延伸，在影响南海和顺德的南北风交汇的风速时，两站的能见度出现了正异常，在秋冬季节，整体控制市内南风，或者在北风整体控制时，能见度才会出现正异常，两者交汇风速上升时，能见度就会出现负异常。

三水能见度中值与风速相关系数在高明区域出现正值中心，其他地区基本以负值为主，而三水的能见度低值与南海和顺德基本呈现反相状态，正值中心出现在三水本地和高明区域。所以，可以知道三水的能见度与本地北风区域有着正相关关系，由于三水本地在秋冬季节基本受北风控制，所以北风对三水本地污染物的清除作用较强。

4 结论

通过讨论能见度的年际变化以及市内风向风速对能见度的影响得出以下结论：

（1）三站的能见度随着时间的推移呈持续上升的趋势，但是能见度低值与高值的差距越来越大，南海和顺德整体能见度呈持续上升的趋势，能见度高值和中值上升较明显，三水整体上升不明显；而三站的能见度低值上升的幅度并不大，整体呈现比较平整的发展趋势。

（2）夏季佛山风场以西风和西南风为主，其中在三水区域以西北风为主导，由于在2000—2016年期间夏季平均风向变化不大。风速与南海和顺德的夏季能见度整体基本呈现负相关的状态，而南海与顺德的相关系数空间分布基本保持一致，整体的西风和西南风的风速越大，南海和顺德能见度越差，而西风和西南风风速越小，南海和顺德的能见度越好；而在三水靠北的区域中出现相关系数为正的区域，意味着在三水区域中的西北风与南海和顺德能见度存在正的相关关系，当三水出现西北风异常时，南海和顺德的能见度为正异常。三水的能见度更多与当地的西北风相关关系有关。

（3）三水和高明区域主要受西北风的作用，其他区域由于地形复杂，风场较混乱，其中南海主要受南风和北风交汇影响，而顺德主要受西南风的作用，但是也有北风渗透的作用。南海和顺德能见度与市内的风速基本呈现负相关关系，其中负相关区域主要从北往南延伸，影响南海和顺德的南北风交汇的风速减弱时，两站的能见度就会出现正异常。在秋冬季节，在市内南风出现整体控制，或者北风整体控制时，能见度才会出现正异常出现，两者交汇风速增强时，能见度就会出现负异常。三水能见度中值与风速相关系数在高明区域出现正值中心，其他地区基本还是以负值为主，正值中心出现在三水本地和高明区域，三水的能见度与本地北风区域呈正相关关系，对三水本地污染物的清除作用较强。

西风效应对南海和顺德夏季能见度呈现负相关关系，可能原因是肇庆附近工业区的污染物输送效应，或者本地西南风和西风是由海上暖湿气流而来的，从而导致湿润空气进入本地，能见度下降。