三峽庫首區低能見度特征分析及影響因素研究*

羅劍琴 范元月 湯 淼 葉 丹

(湖北省宜昌市氣象局 宜昌 443000)

0 引 言

對長江航運而言，最主要的不利天氣是強風和大霧.據文獻[1]給出的我國年平均霧日分布圖可見，長江沿線有兩個多霧區，宜昌以上為一多霧區，有些地方的平均年霧日(能見度<1 000 m)超過50 d.自2003年三峽水庫蓄水以來，三峽庫首區水域大霧天氣發生的頻率大幅增加，霧情程度明顯增大；2008年1—4月，三峽船閘因霧(能見度低于1 000 m)停航達10次，兩線累計停航185.86 h，超過2005—2007年的各年度全年停航時間，當年最長停航時間達到36.83 h.除了大霧頻率增加以外，大霧多發區也發生了明顯變化，歷史上大霧多發區主要集中在三峽壩上仙人橋—太平溪一帶和葛洲壩的廟嘴、南津關一帶，目前三峽—葛洲壩的兩壩間水域發展成為新的多霧區域，主要集中在樂天溪—下引航道和石牌一帶[2].

這一地區大霧的多發在1990年已引起了不少學者的關注[3]，虞俊等[4]通過分析1951—2007年三峽庫區6個站能見度觀測資料表明，三峽庫區在2000年以后霧日明顯減少，相對濕度與霧日之間存在顯著正相關，而相對濕度與氣溫呈明顯的負相關關系.白永清等[5]重點關注了三峽航道不同區域之間能見度的差異，結果表明:三峽航道能見度局地差異大部分源于監測點的海拔高度及可能的水體影響.王林等[6]研究了氣象因子與地理因子對長江三峽庫區霧的影響，結果表明，風速、溫度和濕度是影響秋末和冬季霧情等級的最主要氣象因子，而地理要素對霧的滋生有間接作用.陳正洪等[7-8]也針對此處山區的霧情展開了研究，結果均表明:受復雜地形影響，此處大霧天氣多發、頻發，且山地、平原和河谷霧的發生均不相同.

受觀測資料限制，上述研究均基于定時的人工觀測，時間、空間精度低且有一定的主觀性，無法對能見度空間分布的局地差異和精細的時間變化趨勢作出區分.2014年，三峽庫首區國家氣象站增設了能見度觀測儀器，逐步實現了能見度自動觀測，高精度能見度觀測站的建成使研究三峽庫首區局地能見度水陸差異成為可能.

目前水陸分布對能見度的影響研究集中于海洋對沿海地區大霧形成的影響，許多學者就海霧的發生規律、預報方法進行了研究[9-10].結果表明，水陸差異對中國沿海地區大霧形成有較大影響，且與風向有較大的關系.由于內陸湖、江面遠遠小于海洋且缺乏系統的觀測，目前針對內陸湖、江面對霧的形成影響研究較少.湯天然等[11]用湖面觀測數據分析了太湖與湖岸城市間大氣顆粒物分布特征，表明不同氣象條件下，湖心和離島區域城市顆粒物分布截然不同. 田小毅等[12]對長江江蘇段江面霧研究結果表明，江面霧主要發生于1月、6月和11月，穩定的江面霧形成之前也會形成明顯的“象鼻形”先期振蕩特征.伍勇等[13]研究了三峽區域水面能見度變化特征，結果表明，三峽區域水面能見度相對不高，與相對濕度、水汽壓以外的氣象因子相關性不顯著.以上研究均表明，江面霧與平原、山區霧的形成規律各不相同，為提高三峽庫首區能見度預報水平，有必要利用高精度能見度監測數據開展此地能見度水陸差異研究.

文中分析了三峽庫首區周邊能見度時空分布特點，探索庫首區周邊溫度、濕度、風等氣象要素分布的差異對能見度分布的影響，在此基礎上進一步分析氣象條件對三峽庫首區低能見度天氣的影響.

1 資料和方法

1.1 資料

數據來源于湖北省氣象信息中心和三峽通航管理局通信中心，站點要素見表1.本文使用的能見度資料為2010—2018年三峽庫首15個能見度監測點逐小時能見度數據，其中有庫首區周邊的宜昌、恩施共8個國家氣象站，主要用來對比其他要素的空間分布.根據離水體的距離將站點分為遠水體站點、近水體站點，離巨大水體(中型以上河流，即長江、清江)超過2.0 km以上的站點稱為遠水體站點，2.0 km以下的站點稱為近水體站點.其中，又根據相對于三峽大壩的上下游方向分為壩上和壩下，離清江流域更近則為清江流域組.

表1 三峽庫首能見度監測站點信息 單位：m

1.2 標準

氣象部門根據水平能見度[14]，將霧等級劃分為:輕霧(1～10 km)、霧(<1 000 m)、大霧(200～500 m)、濃霧(50～200 m)、強濃霧(<50 m)；而通航部門根據能見度對航運影響程度,習慣上劃分為:輕霧(1 000～1 500 m)、中霧(500～1 000 m)、大霧(<500 m).

1.3 歸一化處理

由于文中使用的資料來源不同，時長不一致，為了保證分析資料的一致性，需要對單站低能見度天氣頻次進行歸一化處理.在空間分布的頻次分析中，取研究時段內單站有效能見度時次數作為有效時長，單站出現相應級別低能見度的時次數除以單站有效時長作為歸一化后低能見度天氣的頻次，后文均簡稱頻率.

1.4 邊界層高度計算方法

邊界層高度(boundary layer height,BLH)一般不是常規觀測得到，而需要根據溫度、濕度和風等的垂直廓線計算得到.干絕熱法考慮在典型的天氣條件下，夜間由于地面輻射冷卻接近地面空氣形成逆溫、呈穩定狀態，白天由于太陽輻射而呈不穩定狀態，當忽略平流、下沉及機械湍流的影響時，平均混合層高度由08：00探空溫度廓線和地面最高、最低溫度而定.春、夏季大氣為中性層結，則要利用大氣折射率指數的顯著變化來確定邊界層高度[15]，邊界層內大氣混合較均勻，當到邊界層頂時，湍流明顯減弱，大氣折射率指數會出現異常，因而可以利用宜昌站高空探測溫度、濕度計算出大氣折射率指數N.

式中：e為水汽壓；t為溫度;p為氣壓.

從地面到高空折射率指數第一次出現異常值的高度即為邊界層高度.

2 三峽庫首低能見度天氣的特征

2.1 空間分布

以全年逐小時能見度樣本統計三峽航道每組區域的能見度等級頻率分布，見圖1，分析三峽航道能見度區域分布特征.

圖1 三峽航道能見度頻次分布

由圖1可知，整體上看，宜昌、曾家店兩站受局地小氣候影響，各等級低能見度天氣出現的頻次均最高，其中又以500 m以下的大霧出現的頻率最高.除此之外，其他各分組大霧、中霧、輕霧頻次依次增加；近水體組(壩上、壩下、清江流域)出現各級低能見度天氣的頻率均遠大于遠水體組，文獻[5]研究了三峽航道不同區域能見度的基本特征，表明近庫區水體監測點比遠水體霧情嚴重，這與上述統計結果較為一致.在近水體組中，整體來看，清江流域出現低能見度天氣的頻率高于三峽庫首區；僅就三峽庫首區而言，低于1 000 m的中霧和大霧在壩上出現的頻率高于壩下，初步推斷是由于水體對邊界層溫、濕度影響的差異導致：近水體區域由于早晚等特定時間段水體溫度較環境氣溫低，在邊界層低層產生溫差，水汽霧化易形成大霧，且水庫蓄水后，壩上水位更高而水面更寬，水體影響更為明顯，局地水汽條件也較壩下更豐富，使低能見度天氣的出現頻率更高.

2.2 時間分布

圖2為三峽庫首低能見度天氣(<1 000 m)逐月發生頻次.由圖2可知，不同地形地貌下低能見度天氣逐月變化有顯著差異.近水體壩上，春季最多，其次為夏秋季，冬季最少.除新太平溪站外，低能見度天氣高峰期均為4—5月，次高峰為9月；12月和1月幾乎不會出現大霧.太平溪站兩個高峰時間分別為4月和7月，二者頻率差別不大，8月至次年2月幾乎不會出現大霧、中霧.

圖2 三峽庫首低能見度天氣(<1 000 m)逐月發生頻次

近水體壩下，冬季最多，秋季也時有發生，春、夏季發生低能見度天氣的概率非常低；低能見度天氣發生的頻次為單峰型，多發于11月和1月，5—9月基本不出現低能見度天氣.

近水體清江流域組，低能見度天氣發生的頻次為單峰型，峰區較寬，最多發于11月到次年1月，3—10月期間長陽站也時有大霧出現，其中8月出現大霧可能性最低.

遠水體低山組也為單峰型，興山低能見度天氣發生在11月到次年3月期間，發生頻次依次為冬季>春季>秋季>夏季，夏季出現頻率非常小；芝蘭站低能見度天氣集中發生在6—8月期間，其他月份基本不出現大霧、中霧.

遠水體小氣候組，冬春季多于夏秋季，兩站均為雙峰型，峰區較寬，各月均會出現低能見度天氣，月份之間發生頻次差別不大，宜昌站高峰為2月和11月，曾家店高峰為11月和4月.

圖3為三峽庫首低能見度(<1 000 m)頻次日變化

圖3 三峽庫首低能見度(<1 000 m)頻次日變化

由圖3可知，與水體距離不同日變化也有顯著不同.近水體壩上，發生低能見度天氣峰區更寬，多發于03:00—09:00，以05:00最多；而在11：00-19:00期間發生低能見度天氣的概率極低.

近水體壩下，日變化曲線也為單峰型，但多發時段集中在05:00—09:00時，較壩上出現時段晚2 h而時段更集中，13：00—19:00期間發生低能見度天氣的概率也非常低.

近水體清江流域組，僅長陽為單峰型，低能見度天氣集中出現在04:00—08:00時，出現頻率大、時間早、時段集中；另外兩站則無明顯峰值，03:00—09:00間發生低能見度天氣的概率無明顯差別，13：00—19:00間出現低能見度天氣的概率極低.

遠水體組中，發生低能見度天氣的概率日變化較為明顯，均在日出前后為高峰期，午后到傍晚為少發時段.遠水體低山組中，低能見度天氣發生頻率的日變化為單峰型，峰值出現在05:00—08:00時，出現時段集中在01:00—09:00時，10:00—23:00間發生低能見度天氣的概率非常小.遠水體小氣候組，低能見度天氣發生頻率的日變化為單峰型，峰值出現在08:00前后，谷值出現在下午到前半夜，峰、谷頻率差別較大，各時次發生低能見度天氣的概率均在8.0%以上.

另外，通過低能見度天氣持續時間對比發現，除小氣候影響下的山地區域低能見度平均持續時間最長(3.6 h)外，近水體壩下低能見度天氣持續時間較長，平均持續時間為3.1 h,壩上持續時間最短，平均持續時間為2.7 h.三峽庫區長江航道各站點中，壩上低能見度天氣出現時段分散、持續時間較短，壩下低能見度天氣時段集中、持續時間長.

三峽庫首低能見度天氣時空分布特征可見，對于庫首區航道而言，近水體三峽壩上站點出現低能見度天氣的季節、時次與其他站點有明顯差別，由于水體影響，在秋冬季區域性大霧易發時段外，春、夏季也多有發生，日變化上發生低能見度天氣峰區更寬，低能見度天氣的出現與局地氣象條件關系更密切，這是與其它站點最大的不同.分析表明庫區壩上站點低能見天氣發生的季節、時次與其他研究結果有差異，此地對通航影響較大，因而以下重點分析庫區壩上低能見度天氣與局地氣象條件之間關系.

3 低能見度天氣的局地氣象要素環境特征分析

圖4為2015年5月下旬至6月上旬秭歸能見度、氣溫、濕度和風的逐3小時變化，另給出同時段宜昌站一天兩次探空計算得到的BLH分布，可見壩上低能見度天氣發生在低邊界層、暖濕條件下；高能見度天氣出現在高邊界層、相對濕度較低時.

圖4 2015年5月20日-6月10日秭歸站能見度(m)和溫度、地面風速(m/s)和相對濕度(%)、邊界層高度(m)

由圖4可知，5月27日、6月10日能見度較低且相對濕度較高、邊界層高度低(見虛線方框)，5月21日和6月5日能見度較高且相對濕度較低、邊界層高度較高(見實線方框)，利用這4日環流場分析大尺度環流對三峽庫區能見度的影響.

劉騫等[16]研究結果表明，從長期來看，相對濕度、風速和氣溫這三種氣象要素對能見度影響是最主要的，其中長江流域的能見度受相對濕度影響較大，其次是風速，影響最小的是氣溫.為了解不同因子對三峽庫區能見度的影響，圖5中對2 m溫度、相對濕度、10 m風速共3個潛在影響因子的相關性進行分析.結果表明：能見度與2 m相對濕度相關性最強，呈顯著負相關(R=-0.745，p<0.05)，大部時段低能見度天氣均對應了地面的高相對濕度；與2 m溫度相關性其次，為顯著正相關(R=0.565，p=0.01)，1 d中氣溫較低時段能見度也較低；與10 m風速相關性較低，相關系數僅為0.2，這與文獻[17]研究結果明顯不同，這很有可能是由于此地處于山區，風力常年較小[18]，從而與能見度相關性較低.

由文獻[19-20]可知，邊界層高度對能見度影響也較大，利用08：00和20：00宜昌站邊界層高度(BLH)和同時次能見度求相關系數，僅為0.21，相關性較低，這很有可能是由于高空探測密度較低及代表性導致的.前文中能見度日分布特征顯示，壩上站點低能見度天氣多發生在03:00—09:00時，而邊界層高度的探測只有1 d兩次，考慮到邊界層高度是一個連續變量，可將邊界層高度等距插值到逐3 h(與能見度觀測同時次)，相關分析結果顯示，能見度與邊界層高度呈正相關(R=0.36，p<0.05)，大部分時段低的邊界層高度對應了低能見度，當邊界層高度較高時，能見度也較高.

圖6為5月21日、5月27日、6月5日、6月10日925 hPa位勢高度場、水平風場和相對濕度的分布，發現低能見度天氣時，21日受高壓脊影響，秭歸附近為東北風，相對濕度僅30%～40%，6月5日也受高壓脊影響，秭歸附近為西北風，相對濕度為60%～70%；而高能見度天氣時，5月27日秭歸受低壓場中偏西風影響，相對濕度為70～80%，6月10日則位于低壓中冷鋒后部西北氣流影響，相對濕度為60%～70%.

圖6 08：00時925 hPa位勢高度、風場和相對濕度

位勢高度-等值線，位勢什米；風場和相對濕度-陰影；“+”-秭歸站

4 結 論

1) 從低能見度天氣發生頻率上來看，近水體出現的頻率高于遠水體，這是水體影響及局地水汽條件的體現；在近水體組中，三峽庫區低能見度天氣出現在壩上的頻率高于壩下.

2) 從低能見度天氣發生頻率的月份分布來看，近水體站點和遠水體站點出現的時間也有明顯區別，壩上近水體低能見度天氣出現時間有別于季節性大霧天氣多發時段.近水體壩上多出現在春季4-5月，夏季亦會出現，最少出現在冬季12—次年1月；清江流域和壩下最多出現在冬季11—次年1月，最少出現在春夏季5—9月；遠水體低山組，冬多夏少，11月—次年3月較多；遠水體小氣候組，冬春多，夏秋少，遠水體組低能見度天氣與季節性大霧天氣多發時段一致.

3) 日變化來看，壩上多出現在03:00—09:00，05:00最多，起霧早；壩下多發生在05:00—09:00，出現時段較為集中，起霧晚；清江多發生在04:00—08:00時，其中07:00多達15%概率會出現低能見度天氣.遠水體低山組多發生在05:00—08:00時，遠水體小氣候組中，低能見度天氣發生得最多且全天各時次均會出現，宜昌站最多發生在06:00前后，曾家店09:00發生最多.

4) 位于航道上的三峽通航站點，能見度與相對濕度顯著負相關，與溫度、邊界層高度相關性其次，呈顯著正相關；由于山區風力普遍較小，因而此地風力與能見度無明顯相關.

5) 對三峽通航低能見度天氣環流特征分析表明，低能見度天氣出現在925 hPa高壓場中，高能見度天氣出現在低壓場中，能見度天氣與925 hPa相對濕度相關性較小.