佛山內部風場特征與能見度的相關性分析

陸杰英，招偉文，郭瑞玲，何敏玲，王伙明

1.廣州市增城區氣象局，廣東增城 528500；2.佛山市順德區氣象局，廣東佛山528000；3.佛山市南海區氣象局，廣東佛山 528200

能見度是衡量大氣透明狀況的一個重要氣象指標，它不僅反映出該地區的大氣環境質量，還與人類社會活動密切相關，尤其對航空、航海、鐵路、公路等運輸部門及空軍、海軍的活動影響更加明顯[1-2]。在交通運輸部門，能見度的狀況直接影響飛機、汽車和船舶駕駛員的視程，是保證行機、行車、行船安全的一個重要氣象要素。惡劣能見度給人們工作、生活帶來了諸多不便，常常是誘發重大交通事故和飛機起降重大事故的重要因素，這給國家財產造成損失，威脅著人民群眾的生命安全，同時造成了不良的社會影響[3]。

近年來，關于城市能見度的演變規律和影響因子方面的研究，主要是從空氣質量和氣象條件兩大方面進行分析，如蘇惟瀚等[4]對北京地區秋冬季大氣能見度與大氣污染的關系進行了研究。王淑英等[5]分析了1990—2000年能見度的變化特點和影響因子，發現能見度有明顯的年際、季節和日變化。氣象因子、天氣現象和空氣污染程度均對能見度有一定的影響，大多數研究表明風速與能見度呈顯著的正相關關系[6]。近10年來，除去降水影響，佛山年均出現低能見度事件百余次，因而從多角度研究佛山能見度變化情況，尤其風場、局地環流等因子對佛山能見度的影響，有業務需求，對提高空氣質量預報和氣象擴散條件預報具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 資料處理

選用了佛山市2000—2016年各區域自動站風向風速資料和南海、三水、順德3個國家觀測站資料和南海區、三水區、順德區3個國家氣象觀測站2000—2016年能見度、相對濕度和天氣現象資料。因本研究重點是大氣顆粒物污染對能見度的影響，所以剔除因降水、大霧、大風、沙塵暴、揚沙和高濕（相對濕度≥90%）發生時的能見度資料。為避免早晨輻射霧、接地逆溫的影響和夜間能見度觀測目標物不一致造成的誤差，只選14:00觀測資料進行分析。同時，選取美國國家環境預測中心/國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）再分析資料中2000—2016年的數據。

1.2 分析方法

本研究使用累積百分率分析法來區分各個階段的能見度情況，累積百分率分析法定義第i段區間的能見度累積百分率定義為：某一年或某一段時間內，所有能見度觀測值等于或大于區間i能見度值的次數與這一段時間總的能見度觀測次數的比值。根據Sloane等的研究，給出能見度的累積頻率分布函數公式：

式（1）表示能見度概率密度函數，vi表示第i段的能見度，n表示能見度總的觀測次數，ni表示在n次觀測中有ni次能見度等于或超過vi的值，ni/n×100%表示第i段能見度的累積百分率。

這一方法常被用于分析能見度這類被低估的或者最低值觀測資料的變化趨勢。常用50%來表征能見度的平均狀態，由于實際的累積百分率曲線并不是線性的，外推的誤差也很大，通過佛山本地能見度的實際情況分析得到，由于低值出現概率多,整體呈現出泊松分布的形態,故選取60%能見度累積百分率作為能見度中值（代表平均能見度水平）較為合適，這樣既可避免由于外推或資料調整造成的誤差，又可獲得更高精度，而以90%的累積百分率為能見度低值（代表較差能見度水平）。

本研究采用的方法還有回歸等統計方法，分析佛山市內風場的時空分布，分析內部環境對佛山市能見度的影響。

2 能見度年際變化情況

由于能見度分析主要在不同季節有不同的表現，本文選取2—3月為春季、4—10月為夏季、11月至翌年1月為秋冬季進行分析。由圖1可知，三站的能見度隨著時間的推移呈持續上升的趨勢，但是能見度低值與高值的差距越來越大，可以證明近幾年由于佛山經濟發展處于環保效益期，從粗獷式發展經濟過渡到環保型經濟，南海和順德整體能見度有持續上升的趨勢，能見度高值和中值上升較明顯，三水整體上升不明顯；而三站的能見度低值上升的幅度并不大，整體呈現比較平整的發展趨勢，很容易積累污染物，從而城市的通風效果對能見度可能存在較大的相關關系，所以下文將從佛山內部風場與三站的能見度中值和低值進行相關分析。

圖1 佛山3個代表站能見度中值變化趨勢

3 佛山市內部風對能見度作用

佛山內部風對能見度的分析主要從其與風速場的相關關系著手分析，其中從圖2可以看出，夏季佛山風場以西風和西南風為主，其中在三水區域以西北風為主導。由于在2000—2016年期間夏季平均風向變化不大，而風速成為主要衡量風場對能見度的主要作用的重要指標，所以可以從風速角度分析兩者的相關關系。

圖2 夏季平均風場情況圖

根據能見度與風速的相關系數，可以看到風速與南海和順德的夏季能見度整體呈現負相關的狀態，而南海與順德的相關系數空間分布基本保持一致，而且中值能見度和低值能見度的空間分布區別不大，其中在高明、獅山、里水、桂城等地都出現了負值中心，所以整體的西風和西南風風速越大，南海和順德能見度越差，而西風和西南風的風速越小，南海和順德的能見度越好，可能是由肇慶附近工業區的污染物輸送效應導致的，也可能是本地西南風和西風是由海上暖濕氣流而來，從而導致濕潤空氣進入本地，導致能見度下降；而在三水靠北的區域中出現相關系數為正的區域，意味著在三水區域的西北風與南海和順德能見度呈正相關關系。當三水出現西北風異常加大時，南海和順德的能見度為正異常，三水區域中的西北風對污染物具有清除作用。

三水站同樣可以看到相關系數的空間分布基本與南海和順德類似，但是幾個負值中心的絕對值偏小，同時靠北的正值區域絕對值變大了，三水的能見度更多與當地的西北風相關關系有關，而可能由于地形的關系與靠南的西南風和西風相關性并不太大。

了解秋冬季平均風場情況可以發現秋冬季節風場比較復雜，其中三水和高明區域主要受西北風的作用，其他區域由于城鎮化地形復雜，風場較混亂，其中南海主要受南風和北風交匯影響，而順德主要受西南風的作用，但是也有北風滲透的作用，總體可以看到城鎮化對風場的影響是十分明顯的。

從冬季能見度與風速的相關系數中可以看到，南海和順德能見度與市內的風速基本呈現負相關關系，其中負相關區域主要由北向南延伸，在影響南海和順德的南北風交匯的風速時，兩站的能見度出現了正異常，在秋冬季節，整體控制市內南風，或者在北風整體控制時，能見度才會出現正異常，兩者交匯風速上升時，能見度就會出現負異常。

三水能見度中值與風速相關系數在高明區域出現正值中心，其他地區基本以負值為主，而三水的能見度低值與南海和順德基本呈現反相狀態，正值中心出現在三水本地和高明區域。所以，可以知道三水的能見度與本地北風區域有著正相關關系，由于三水本地在秋冬季節基本受北風控制，所以北風對三水本地污染物的清除作用較強。

4 結論

通過討論能見度的年際變化以及市內風向風速對能見度的影響得出以下結論：

（1）三站的能見度隨著時間的推移呈持續上升的趨勢，但是能見度低值與高值的差距越來越大，南海和順德整體能見度呈持續上升的趨勢，能見度高值和中值上升較明顯，三水整體上升不明顯；而三站的能見度低值上升的幅度并不大，整體呈現比較平整的發展趨勢。

（2）夏季佛山風場以西風和西南風為主，其中在三水區域以西北風為主導，由于在2000—2016年期間夏季平均風向變化不大。風速與南海和順德的夏季能見度整體基本呈現負相關的狀態，而南海與順德的相關系數空間分布基本保持一致，整體的西風和西南風的風速越大，南海和順德能見度越差，而西風和西南風風速越小，南海和順德的能見度越好；而在三水靠北的區域中出現相關系數為正的區域，意味著在三水區域中的西北風與南海和順德能見度存在正的相關關系，當三水出現西北風異常時，南海和順德的能見度為正異常。三水的能見度更多與當地的西北風相關關系有關。

（3）三水和高明區域主要受西北風的作用，其他區域由于地形復雜，風場較混亂，其中南海主要受南風和北風交匯影響，而順德主要受西南風的作用，但是也有北風滲透的作用。南海和順德能見度與市內的風速基本呈現負相關關系，其中負相關區域主要從北往南延伸，影響南海和順德的南北風交匯的風速減弱時，兩站的能見度就會出現正異常。在秋冬季節，在市內南風出現整體控制，或者北風整體控制時，能見度才會出現正異常出現，兩者交匯風速增強時，能見度就會出現負異常。三水能見度中值與風速相關系數在高明區域出現正值中心，其他地區基本還是以負值為主，正值中心出現在三水本地和高明區域，三水的能見度與本地北風區域呈正相關關系，對三水本地污染物的清除作用較強。

西風效應對南海和順德夏季能見度呈現負相關關系，可能原因是肇慶附近工業區的污染物輸送效應，或者本地西南風和西風是由海上暖濕氣流而來的，從而導致濕潤空氣進入本地，能見度下降。