魯西南地區(qū)低能見度天氣特征分析及對(duì)農(nóng)業(yè)的影響

狄瑞彤

（濟(jì)寧市氣象局，山東 濟(jì)寧 272000）

引言

低能見度天氣通常是指由自然因素影響產(chǎn)生的天氣現(xiàn)象其水平能見度小于1000米。低能見度會(huì)對(duì)生活的方方面面產(chǎn)生影響，還會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活等活動(dòng)產(chǎn)生不利的影響。

國外相對(duì)較早地展開了對(duì)低能見度的研究工作，Slone和Doyle等使用累計(jì)百分率和Ridit法研究了能見度的變化特征。Naegele等針對(duì)部分美國城市的低能見度的趨勢(shì)變化和天數(shù)進(jìn)行了分析。國內(nèi)眾多學(xué)者也開展了對(duì)低能見度的研究工作。黃楚惠和李景林等分別研究了四川盆地和烏魯木齊低能見度時(shí)間分布特征。

眾多學(xué)者展開了對(duì)大霧和低能見度天氣的研究，但是針對(duì)魯西南地區(qū)低能見度天氣的特征分析以及對(duì)農(nóng)業(yè)的影響仍處于欠缺，因此本文利用2016-2021年魯西南地區(qū)低能見度天氣特征變化及對(duì)農(nóng)業(yè)的影響。

1.數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)采用2016-2021年魯西南地區(qū)具有代表性的三個(gè)國家氣象觀測(cè)站的包括水汽壓、溫度、氣壓、降水量、風(fēng)向、相對(duì)濕度、風(fēng)速、能見度在內(nèi)的逐小時(shí)地面觀測(cè)資料，分別來自濟(jì)寧國家氣象觀測(cè)站（54915），棗莊國家氣象觀測(cè)站（58024）以及菏澤國家氣象觀測(cè)站（54906）。

2.數(shù)據(jù)分析

2.1 低能見度天氣的時(shí)間變化特征

2.1.1 低能見度天氣的季節(jié)變化特征

通過觀察圖1中濟(jì)寧、棗莊、菏澤季節(jié)低能見度小時(shí)頻數(shù)變化曲線，從中可以看出濟(jì)寧、棗莊和菏澤的變化趨勢(shì)相似，低能見度小時(shí)頻數(shù)均為夏季＜春季＜秋季＜冬季。在三個(gè)地區(qū)中極小值低能見度小時(shí)頻數(shù)出現(xiàn)在了棗莊的夏季，為19小時(shí)；極大值低能見度小時(shí)頻數(shù)出現(xiàn)在了菏澤的冬季，為824小時(shí)。從平均低能見度小時(shí)頻數(shù)變化曲線可以看出，魯西南地區(qū)整體呈現(xiàn)出春季-夏季下降趨勢(shì)，在夏季達(dá)到極小值43小時(shí)，夏季-冬季呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在冬季達(dá)到極大值613小時(shí)，且由線性回歸得到的趨勢(shì)系數(shù)為174.2，R2為0.7213，說明這六年魯西南地區(qū)低能見度小時(shí)頻數(shù)呈現(xiàn)較明顯上升趨勢(shì)。這是因?yàn)轸斘髂系貐^(qū)地處溫帶季風(fēng)氣候，夏季降水，強(qiáng)對(duì)流天氣在四季中均較多，且溫度在四季中最高，能加速污染物的擴(kuò)散和降低空氣中PM2.5、PM10等懸浮顆粒物的濃度，導(dǎo)致低能見度頻數(shù)較少；冬季則相反，降水較少，溫度較低，不利于污染物的擴(kuò)散，且魯西南地區(qū)煤炭資源豐富，冬季依靠于此進(jìn)行供暖，造成空氣中PM2.5、PM10等懸浮顆粒物的濃度相比于其他季節(jié)顯著增加，導(dǎo)致低能見度頻數(shù)增加。

圖1 魯西南地區(qū)季節(jié)低能見度小時(shí)頻數(shù)

2.1.2 低能見度天氣的日變化特征

通過觀察圖2中濟(jì)寧、棗莊、菏澤日低能見度小時(shí)頻數(shù)變化曲線，從中可以看出濟(jì)寧、棗莊和菏澤的變化趨勢(shì)相似，低能見度小時(shí)頻數(shù)均大體上呈現(xiàn)出上升，下降，上升的趨勢(shì)。在三個(gè)地區(qū)中極小值低能見度小時(shí)頻數(shù)出現(xiàn)在棗莊的16時(shí)，未出現(xiàn)低能見度天氣；極大值低能見度小時(shí)頻數(shù)出現(xiàn)在菏澤的早上6點(diǎn)，為104小時(shí)。通過平均低能見度小時(shí)頻數(shù)變化曲線可以看出，魯西南地區(qū)整體大致變化趨勢(shì)為上升-下降-上升，極大值出現(xiàn)在早上6點(diǎn)，為79小時(shí)；極小值出現(xiàn)在14-16點(diǎn)，為8小時(shí)，且由線性回歸得到的趨勢(shì)系數(shù)為-2.4757，R2為0.4767，說明這六年魯西南地區(qū)低能見度小時(shí)頻數(shù)呈現(xiàn)較明顯下降趨勢(shì)。這是因?yàn)樵缟?點(diǎn)的溫度較低，具有較弱的邊界層對(duì)流活動(dòng)，造成大氣中的污染物不易擴(kuò)散，且處于早高峰，PM2.5、PM10等懸浮顆粒物聚集，且此時(shí)段相對(duì)濕度在一天中相對(duì)較大，其具有吸濕的特性，散射能力增強(qiáng)，造成低能見度小時(shí)頻數(shù)增加；14-16點(diǎn)則相反，溫度在一天中達(dá)到最高值，相對(duì)濕度相對(duì)較小，水汽已消散，污染物極易擴(kuò)散，所以低能見度小時(shí)頻數(shù)較少。

圖2 魯西南地區(qū)日低能見度小時(shí)頻數(shù)

2.2 不同級(jí)別低能見度天氣的時(shí)間變化特征

本文對(duì)不同級(jí)別低能見度天氣的時(shí)間變化特征分析，通過參考《水平能見度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》將低能見度天氣劃分為三個(gè)等級(jí)，當(dāng)能見度小于50米時(shí)，劃分為極差等級(jí)能見度；當(dāng)能見度大于等于50米，小于500米時(shí)，劃分為差等級(jí)能見度；當(dāng)能見度大于等于500米，小于1000米時(shí)，劃分為差等級(jí)能見度。

2.2.1 不同級(jí)別低能見度天氣的季節(jié)變化特征

通過觀察圖3中魯西南地區(qū)不同級(jí)別季節(jié)低能見度小時(shí)頻數(shù)分布圖，可以看出，極差級(jí)別低能見度天氣只發(fā)生在了春天和冬天，頻數(shù)分別為4和36小時(shí)，分別占比極差級(jí)別低能見度10%和90%；差級(jí)別低能見度天氣和較差級(jí)別低能見度天氣四個(gè)季節(jié)均有發(fā)生，且其均在冬季發(fā)生最多，頻數(shù)分別為624次和1177次，分別占比73.5%和65.6%；均在夏季發(fā)生最少，頻數(shù)分別為24次和105次，分別占比2.8%和5.8%。

圖3 魯西南地區(qū)不同級(jí)別季節(jié)低能見度小時(shí)頻數(shù)分布

2.2.2 不同級(jí)別低能見度天氣的日變化特征

通過觀察圖4中魯西南地區(qū)不同級(jí)別日低能見度小時(shí)頻數(shù)分布圖，可以看出，差級(jí)別和較差級(jí)別低能見度日分布類似，主要集中發(fā)生在22：00-次日10：00，頻數(shù)分別為746小時(shí)和1444小時(shí)，分別占比差級(jí)別低能見度87.9%和較差級(jí)別低能見度80.4%；極差級(jí)別低能見度在10：00-22：00，除了20：00外均沒有發(fā)生，主要集中發(fā)生在3：00-8:00，頻數(shù)為32小時(shí)，占比極差級(jí)別低能見度80%。總體來說，每日0:00-9:00低能見度發(fā)生頻數(shù)較多，發(fā)生的概率會(huì)比較大。

圖4 魯西南地區(qū)不同級(jí)別日低能見度小時(shí)頻數(shù)分布

2.3 氣象要素與低能見度天氣相關(guān)性分析

本文利用Person相關(guān)系數(shù)分析氣象要素與能見度的相關(guān)性，通過分析得到，與相對(duì)濕度的相關(guān)性最大，相關(guān)性系數(shù)為-0.559，且為負(fù)相關(guān)，這表明隨著相對(duì)濕度的增加，能見度將會(huì)逐漸降低。這是因?yàn)楫?dāng)空氣中相對(duì)濕度較高時(shí)，氣溶膠粒子PM10，PM2.5等將會(huì)具有吸濕增長性，其散射可見光的能力、吸收能力以及總質(zhì)量皆會(huì)得到一定的增加，所以當(dāng)空氣中的相對(duì)濕度增加時(shí)，能見度將會(huì)造成減少在一定程度上。

其次與能見度相關(guān)性較大的是風(fēng)速，相關(guān)性系數(shù)為0.317，說明風(fēng)速對(duì)能見度具有較明顯的影響，且為正相關(guān)，這表明隨著風(fēng)速的增加，能見度將會(huì)逐漸升高。風(fēng)速可以當(dāng)作一指標(biāo)用來判斷大氣的穩(wěn)定性，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，可以加速空氣中各種污染物的遷移與擴(kuò)散，所以對(duì)當(dāng)下的能見度可以直接提高。

溫度對(duì)大氣能見度也具有一定的影響，相關(guān)性系數(shù)為0.307，且為正相關(guān)，說明隨著溫度的升高，會(huì)造成能見度一定的上升，這是因?yàn)楫?dāng)?shù)乇頊囟壬仙龝r(shí)，將會(huì)加強(qiáng)對(duì)流運(yùn)動(dòng)，形成污染物向高層擴(kuò)散的條件。

氣壓與能見度之間的相關(guān)系數(shù)為0.162，說明它對(duì)能見度也具有一定程度的影響，且兩者呈負(fù)相關(guān)，說明隨著氣壓的升高，能見度將會(huì)隨著減小。這是因?yàn)楫?dāng)在低壓控制下，具備近地面的空氣上流的條件，此時(shí)對(duì)空氣中的各種污染物具有很好的稀釋作用；當(dāng)在強(qiáng)高壓控制下，大量的下層氣流存在于高空中，氣流下層過程將具有絕熱增溫的作用，將會(huì)發(fā)生不利于空氣中各種污染物遷移與擴(kuò)散的逆溫情況，使得污染物被積聚下來，造成顯著的能見度下降。

風(fēng)向、降水量、水汽壓和能見度之間的相關(guān)性系數(shù)分別為0.058，0.035，0.019，且分別呈負(fù)相關(guān)，正相關(guān)，正相關(guān)，可以看出具有一定的相關(guān)性，但相干性較小。

以上氣象要素與能見度之間的相關(guān)性在α= 0.01均通過了顯著性檢驗(yàn)。

2.4 低能見度天氣對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

低能見度天氣會(huì)對(duì)植物的光合作用產(chǎn)生影響。植物的光合作用是指利用光能、葉綠體將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成生長所需要的氧氣和能量，所以光合作用的強(qiáng)弱直接影響到農(nóng)作物的生長、發(fā)育和產(chǎn)量。低能見度天氣時(shí)，陽光直射會(huì)減少，濕度會(huì)較大，溫度會(huì)較低，風(fēng)速較小，氣壓較高，這會(huì)造成空氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)減弱，PM2.5，PM10等大氣污染物顆粒聚集，且其會(huì)具有吸濕增長性，加強(qiáng)了散射可見光的能力、吸收能力，從而使得光照時(shí)長變短，光照強(qiáng)度也會(huì)大幅度的下降，從而降低農(nóng)作物的光合作用，使其不能得到足夠供自身生長所需的能量，延緩生長、發(fā)育，降低產(chǎn)量。

低能見度天氣會(huì)對(duì)植物的呼吸作用產(chǎn)生影響。低能見度天氣時(shí)，空氣對(duì)流減弱，污染物顆粒堆積，此時(shí)農(nóng)作物進(jìn)行代謝活動(dòng)不斷與外界進(jìn)行氣體交換，這些細(xì)小的污染物顆粒進(jìn)入農(nóng)作物體內(nèi)通過氣孔，使得氣孔阻塞，導(dǎo)致二氧化碳和氧氣比例失衡，另外，這些污染物顆粒也會(huì)沉降到農(nóng)作物的表面，農(nóng)作物表面的絨毛、分泌物等可對(duì)這些污染物顆粒進(jìn)行吸附以及黏附，隨著其表面吸附和黏附物的增多，使其呼吸困難，對(duì)農(nóng)作物光合作用產(chǎn)生影響的同時(shí)也會(huì)造成不利的影響對(duì)呼吸作用，減弱正常代謝，有害物質(zhì)得不到分解，農(nóng)作物抗性降低，導(dǎo)致農(nóng)作物葉黃、萎蔫甚至死亡，從而農(nóng)作物產(chǎn)量降低。

3.結(jié)論

3.1 季節(jié)低能見度小時(shí)頻數(shù)呈現(xiàn)出春季-夏季下降，夏季-秋季-冬季上升趨勢(shì)，夏季出現(xiàn)最小值，冬季出現(xiàn)最大值；日低能見度小時(shí)頻數(shù)最大值出現(xiàn)在6時(shí)，最小值出現(xiàn)在14-16時(shí)，整體大致變化趨勢(shì)為上升-下降-上升。

3.2 極差級(jí)別低能見度天氣只發(fā)生在了春天和冬天，差級(jí)別低能見度天氣和較差級(jí)別低能見度天氣四個(gè)季節(jié)均有發(fā)生；差級(jí)別和較差級(jí)別低能見度，主要集中發(fā)生在22：00-次日10：00，極差級(jí)別低能見度主要集中發(fā)生在3：00-8:00。

3.3 由Person相關(guān)性數(shù)得到，相對(duì)濕度與低能見度相關(guān)性最大，且呈負(fù)相關(guān)，風(fēng)速、溫度、氣壓也與低能見度具有較大的相關(guān)性，且相關(guān)性依次減小，風(fēng)速、溫度與其呈正相關(guān)，氣壓與其呈負(fù)相關(guān)。

3.4 低能見度天氣不利于農(nóng)作物的光合作用和呼吸作用，將會(huì)使其延緩生長、發(fā)育，甚至死亡，造成農(nóng)作物產(chǎn)量降低。