西咸高速公路低能見(jiàn)度特征及影響因子分析

鄧小麗，喬 娟，張 楠，劉敏茹

(1.西安市公共氣象服務(wù)中心，西安 710016；2.西安市氣象臺(tái)，西安 710016)

能見(jiàn)度通常是指視力正常的人, 在當(dāng)時(shí)的天氣條件下, 能從背景中識(shí)別出目標(biāo)物的最大距離。能見(jiàn)度的好壞對(duì)交通安全影響極大, 特別是較低能見(jiàn)度對(duì)高速公路上車(chē)輛安全行駛構(gòu)成的嚴(yán)重威脅不亞于對(duì)航空的影響。能見(jiàn)距離越小, 司機(jī)目測(cè)前方目標(biāo)物就越困難, 并使其精神高度緊張, 在低能見(jiàn)度條件下, 長(zhǎng)時(shí)間駕車(chē)容易疲倦，稍有疏忽便會(huì)釀成交通事故, 帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。近年來(lái), 我國(guó)高速公路建設(shè)發(fā)展迅速, 高速公路的行車(chē)安全已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問(wèn)題。高速公路上因突發(fā)性的濃霧、強(qiáng)降水等造成的低能見(jiàn)度使多車(chē)追尾相撞事故屢有發(fā)生，甚至形成十多輛車(chē)連環(huán)相撞的重大交通事故。能見(jiàn)度的研究對(duì)交通安全具有十分重要的意義。國(guó)內(nèi)對(duì)能見(jiàn)度的研究已有很多的成果，張利等[1]對(duì)中國(guó)能見(jiàn)度變化趨勢(shì)做了分析，范引琪等[2]對(duì)京、津、冀地區(qū)的能見(jiàn)度變化趨勢(shì)做了研究，朱焱等[3]對(duì)蘇州市能見(jiàn)度與影響因子的關(guān)系做了研究，林楊等[4]西安市大氣能見(jiàn)度變化規(guī)律及與空氣污染關(guān)系也做了分析。楊曉丹等[5]總結(jié)了我國(guó)天氣現(xiàn)象影響公路低能見(jiàn)度的特征，高紅燕等[6]對(duì)西安市低能見(jiàn)度特征也做了總結(jié)，針對(duì)能見(jiàn)度的影響因素也有較多研究[7-15]。這些研究取得了有意義的成果，但都是在氣象學(xué)意義上對(duì)能見(jiàn)度的研究，與交通安全的需求還有一定的差別。隨著高速公路網(wǎng)的普及，對(duì)能見(jiàn)度監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)的需求更加精細(xì)，特別是對(duì)交通安全影響重大的低能見(jiàn)度的研究[16-17]更加迫切。西咸高速公路處于大城市的外圍，受到大城市污染物的排放、城市熱島效應(yīng)以及特殊天氣條件的影響，低能見(jiàn)度造成的交通事故時(shí)有發(fā)生。因此運(yùn)用監(jiān)測(cè)站的小時(shí)和分鐘資料分析西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)專(zhuān)用高速公路(簡(jiǎn)稱(chēng)西咸高速公路)低能見(jiàn)度的時(shí)空分布特征和影響因子，對(duì)提高高速公路能見(jiàn)度預(yù)報(bào)預(yù)警的準(zhǔn)確率，減少交通事故，提高公共交通氣象服務(wù)的質(zhì)量具有重要意義。

1 資料來(lái)源及方法

參照《中華人民共和國(guó)公安部關(guān)于加強(qiáng)低能見(jiàn)度氣象條件下高速公路交通管理的通告》中有關(guān)高速公路上車(chē)輛行駛對(duì)能見(jiàn)度的要求，結(jié)合西安地區(qū)的實(shí)際情況，確定水平能見(jiàn)度小于1 000 m為低能見(jiàn)度(用v代表低能見(jiàn)度)?？紤]到不同距離的低能見(jiàn)度對(duì)交通的影響程度不同，西安市氣象局2012年西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)專(zhuān)用高速公路氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)急服務(wù)系統(tǒng)項(xiàng)目組，參考河北省交通氣象災(zāi)害服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，研究得出影響西咸高速公路通行狀態(tài)的低能見(jiàn)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)。資料選取2013年8月至2019年12月，西咸機(jī)場(chǎng)高速公路漢城、渭河橋北和機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站3個(gè)8要素氣象監(jiān)測(cè)站的逐小時(shí)資料、部分時(shí)段的逐分鐘資料和西安市涇河站地面觀測(cè)資料。天氣現(xiàn)象以涇河站的地面觀測(cè)資料為準(zhǔn)，其中霧和霾的劃分以實(shí)際臺(tái)站的天氣現(xiàn)象觀測(cè)記錄為主要依據(jù)，綜合同一時(shí)次的相對(duì)濕度來(lái)劃分?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測(cè)資料選取2014年1月17日至2月17日西安市草灘空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站的逐小時(shí)資料。

表1 西咸高速公路通行狀態(tài)的低能見(jiàn)度等級(jí)劃分

為了方便統(tǒng)計(jì)分析，定義：西咸高速公路3個(gè)觀測(cè)站中，只要有1站24 h內(nèi)出現(xiàn)1 h或者1 h以上的v<1 000 m現(xiàn)象即記為一次低能見(jiàn)度天氣；低能見(jiàn)度現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)長(zhǎng)以小時(shí)為單位統(tǒng)計(jì)，累計(jì)時(shí)間記為低能見(jiàn)度時(shí)數(shù)。各站在24 h內(nèi)的能見(jiàn)度同時(shí)達(dá)到低能見(jiàn)度時(shí)取累計(jì)時(shí)間最長(zhǎng)的記錄。各等級(jí)低能見(jiàn)度的記錄方法同上。

2 低能見(jiàn)度的特征

2.1 影響西咸高速公路低能見(jiàn)度的天氣現(xiàn)象

對(duì)2013年8月到2019年12月間影響西咸高速公路低能見(jiàn)度的天氣現(xiàn)象出現(xiàn)的次數(shù)和影響累計(jì)時(shí)間做了統(tǒng)計(jì)(表2)，發(fā)現(xiàn)造成低能見(jiàn)度的天氣現(xiàn)象有霧、霾、雨和雪，其中影響次數(shù)最多的是霾，其次是霧，雪最少只有1次。從影響程度分析，在500 m≤v<1 000 m時(shí)，霾出現(xiàn)次數(shù)最多，其次是霧，再次是雨，雪最少；在200 m≤v<500 m和50 m≤v<200 m時(shí)，霧出現(xiàn)次數(shù)最多，其次是霾，再次是雨，雪最少；v<50 m的情況出現(xiàn)1次，2018年11月11日07時(shí)的漢城收費(fèi)站小時(shí)能見(jiàn)度為28 m，這是一次大霧過(guò)程。從影響時(shí)間分析，在500 m≤v<1 000 m時(shí)，霾的影響時(shí)間最長(zhǎng)，其次是霧，再次是雨，雪的影響時(shí)間最短；在200 m≤v<500 m時(shí)，霧的影響時(shí)間最長(zhǎng)，約為霾的2倍；在50 m≤v<200 m時(shí)，霧的影響時(shí)間也是最長(zhǎng)，約為霾的6倍多，是雨的11倍。霧是造成西咸高速公路通行處于準(zhǔn)危機(jī)狀態(tài)時(shí)間最長(zhǎng)、次數(shù)最多的天氣現(xiàn)象，西咸高速公路唯一的通行危機(jī)狀態(tài)也是霧造成的。綜上所述，霾造成的低能見(jiàn)度次數(shù)最多且時(shí)間最長(zhǎng)，霧造成的低能見(jiàn)度對(duì)高速公路通行狀態(tài)的影響最大。

表2 2013年8月—2019年12月影響西咸高速公路低能見(jiàn)度的天氣現(xiàn)象出現(xiàn)次數(shù)和影響累計(jì)時(shí)間

2.2 低能見(jiàn)度的時(shí)間變化特征

圖1為2013—2019年各等級(jí)低能見(jiàn)度出現(xiàn)概率的日變化圖。各級(jí)低能見(jiàn)度在凌晨出現(xiàn)的概率最大，下午出現(xiàn)的概率最小。50 m≤v<200 m的情況主要出現(xiàn)在04—10時(shí)之間，其中概率最大為08時(shí)的18.7 %；200 m≤v<500 m的情況主要出現(xiàn)在01—09時(shí)之間，其中概率最大為01—03、07時(shí)的13.6%；500 m≤v<1 000 m的情況在一日中的每個(gè)時(shí)刻均可能出現(xiàn)，主要出現(xiàn)在03—09時(shí)，概率最大為05時(shí)的10.6%。

圖1 2013—2019年西咸高速公路出現(xiàn)各等級(jí)低能見(jiàn)度(單位為m)出現(xiàn)概率的日變化

圖2為2013—2019年各等級(jí)低能見(jiàn)度的月平均時(shí)數(shù)的變化特征。各級(jí)低能見(jiàn)度在全年出現(xiàn)兩個(gè)高峰區(qū)一個(gè)低谷區(qū)，高峰區(qū)一個(gè)在1—4月，一個(gè)在9—12月，低谷區(qū)在5—8月。50 m≤v<200 m的平均時(shí)數(shù)峰值為4.6 h，出現(xiàn)在11月；200 m≤v<500 m的平均時(shí)數(shù)峰值為3.6 h，出現(xiàn)在11月；500 m≤v<1 000 m的平均時(shí)數(shù)峰值為11.3 h，出現(xiàn)在12月。

圖2 2013—2019年西咸高速公路出現(xiàn)各等級(jí)低能見(jiàn)度(單位為m)平均時(shí)數(shù)的月分布

2.3 低能見(jiàn)度的空間分布特征

表3為2013—2019年三站各級(jí)低能見(jiàn)度的年平均時(shí)數(shù)。三站出現(xiàn)各級(jí)低能見(jiàn)度的年平均時(shí)數(shù)不同，漢城站少，機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站最多，渭河橋北站次多。3個(gè)監(jiān)測(cè)站中只有漢城站v<50 m的低能見(jiàn)度過(guò)程累計(jì)時(shí)間達(dá)到了1 h，渭河橋北站和機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站均未達(dá)到1 h；50 m≤v<200 m、200 m≤v<500 m和500 m≤v<1 000 m的年平均時(shí)數(shù)都呈現(xiàn)由南向北有依次增多的趨勢(shì)。資料顯示在同一次低能見(jiàn)度天氣過(guò)程中，3個(gè)站各級(jí)低能見(jiàn)度時(shí)數(shù)也不盡不同，漢城站常少于渭河橋北站和機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站。這可能與漢城監(jiān)測(cè)站離市區(qū)最近有關(guān)。

表3 2013—2019年西咸高速公路三站各級(jí)低能見(jiàn)度的年平均時(shí)數(shù) 單位：h

3 影響低能見(jiàn)度的天氣現(xiàn)象

從上面的分析可知，影響低能見(jiàn)度的天氣現(xiàn)象有霧、霾、雨、雪等，這幾種天氣現(xiàn)象對(duì)低能見(jiàn)度的影響可分為兩類(lèi)。一類(lèi)是影響面積大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，能見(jiàn)度變化不是很劇烈，如霾、霧和大降水。這類(lèi)天氣造成的低能見(jiàn)度持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)高速公路的通行造成很大的危害。另一類(lèi)是短時(shí)間內(nèi)使能見(jiàn)度急劇下降，如濃霧、團(tuán)霧、短時(shí)強(qiáng)降水、大雪等。這類(lèi)天氣易造成能見(jiàn)度瞬間急速下降，常使高速公路通行處于危機(jī)狀態(tài)中。造成低能見(jiàn)度的天氣現(xiàn)象常常較為復(fù)雜，有時(shí)候這些天氣會(huì)結(jié)伴發(fā)生，霾與霧混合出現(xiàn)，降水、降雪常伴有輕霧等。有時(shí)候天氣現(xiàn)象會(huì)因有利因素的發(fā)展而增強(qiáng)，如霧在遇到濕度增加、溫度下降時(shí)易形成濃霧使能見(jiàn)度進(jìn)一步降低等。

3.1 大霧

霧是大量微小水滴或冰晶懸浮近地面空氣中的天氣現(xiàn)象，是近地面層空氣中水汽凝結(jié)(或凝華)的產(chǎn)物。影響霧的因素主要是相對(duì)濕度和溫度。由表2可知，大霧是影響能見(jiàn)度的最主要的天氣現(xiàn)象，西咸高速公路上出現(xiàn)v<200 m的低能見(jiàn)度現(xiàn)象，主要由大霧造成。觀測(cè)資料顯示濃霧造成的能見(jiàn)度下降有時(shí)具有突發(fā)性，其危險(xiǎn)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大范圍的降霧。霧被抬升離開(kāi)地面隨風(fēng)飄動(dòng)，形成的團(tuán)霧，使能見(jiàn)度變化劇烈、頻繁，更容易引發(fā)嚴(yán)重的交通事故。

3.1.1 相對(duì)濕度 圖3為渭河橋北站逐小時(shí)能見(jiàn)度和相對(duì)濕度的散點(diǎn)圖。能見(jiàn)度與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相對(duì)濕度越大能見(jiàn)度越低。

圖3 2013—2019年西咸高速公路渭河橋北站逐時(shí)能見(jiàn)度與相對(duì)濕度的點(diǎn)聚圖(實(shí)線為擬合線)

除降水外，相對(duì)濕度越大，空氣中的水汽越多，當(dāng)空氣中的相對(duì)濕度超過(guò)90%時(shí)，有利于霧的生成。空氣中懸浮的顆粒物附著上水汽形成霧滴，碰撞合并使粒徑增長(zhǎng)，多數(shù)的無(wú)機(jī)鹽具有吸濕性，會(huì)隨大氣中相對(duì)濕度的增加而吸收水汽，造成粒徑的增長(zhǎng)，而使消光系數(shù)增加，降低能見(jiàn)度[7]。因此，相對(duì)濕度對(duì)能見(jiàn)度的影響主要表現(xiàn)在對(duì)大氣消光系數(shù)的影響，相對(duì)濕度越大，對(duì)能見(jiàn)度的影響越大。

3.1.2 近地面溫度 水汽要轉(zhuǎn)化為霧滴需要通過(guò)降低氣溫實(shí)現(xiàn)，這也是大霧形成的原理。在大霧持續(xù)過(guò)程中，在相對(duì)濕度、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度等諸多條件都是相對(duì)穩(wěn)定的，近地面氣溫的變化是霧滴形成重要因素，霧滴濃度對(duì)能見(jiàn)度的影響表現(xiàn)明顯[8]。2015年11月29日—12月1日的大霧過(guò)程中，漢城站觀測(cè)資料顯示有3個(gè)時(shí)間段的能見(jiàn)度低于1 000 m。第一時(shí)間段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(表4)顯示，能見(jiàn)度從2 020 m降到85 m，溫度由2.6 ℃降到-1.8 ℃，能見(jiàn)度上升到2 843 m時(shí)溫度也上升到5.9 ℃。其他兩個(gè)時(shí)間段的低能見(jiàn)度過(guò)程重復(fù)了類(lèi)似的變化。

表4 2015年11月28日21時(shí)—29日15時(shí)西咸高速公路漢城監(jiān)測(cè)站小時(shí)資料

降溫是達(dá)到飽和形成霧滴的最主要、最重要的物理過(guò)程[9]。當(dāng)濕度達(dá)到一定飽和度后，近地面溫度降低時(shí)，能見(jiàn)度將隨之降低，溫度回升后能見(jiàn)度隨著增高。在大霧存續(xù)過(guò)程中，近地面小時(shí)溫度的連續(xù)降低對(duì)能見(jiàn)度的下降有一定的指示意義。

3.2 霾

霾是指大量極細(xì)微塵粒，均勻浮游于空中，使空氣普遍渾濁，水平能見(jiàn)度小于1 km的現(xiàn)象。形成霾的天氣條件一般是氣團(tuán)穩(wěn)定、較干燥，在一天之中任何時(shí)候均可出現(xiàn)。霾對(duì)能見(jiàn)度的影響是均勻的，沒(méi)有明顯邊界[10]。由表2分析可見(jiàn)，霾造成的低能見(jiàn)度天氣累計(jì)時(shí)數(shù)最多，這與霾天氣的相對(duì)穩(wěn)定有一定的關(guān)系。

相關(guān)研究表明，大氣顆粒物PM2.5質(zhì)量濃度與霾的形成直接相關(guān)[11]。西安市草灘空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站與西咸高速公路段毗鄰，是這一區(qū)域空氣質(zhì)量的代表站，圖4是2014年1月17日—2月17日逐時(shí)草灘空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站PM2.5質(zhì)量濃度和渭河橋北站能見(jiàn)度的散點(diǎn)圖。能見(jiàn)度與PM2.5質(zhì)量濃度呈反相關(guān)關(guān)系，PM2.5質(zhì)量濃度升高時(shí)能見(jiàn)度降低，PM2.5質(zhì)量濃度降低時(shí)能見(jiàn)度增大。

圖4 2014年1月17日—2月17日西咸高速公路能見(jiàn)度與PM2.5質(zhì)量濃度的散點(diǎn)圖(實(shí)線為擬合線)

大氣顆粒物消光是降低能見(jiàn)度的主要因素，其中散射消光占總體消光(包括散射消光和吸收消光)的80%[12]。PM2.5粒子是大氣中對(duì)可見(jiàn)光散射能力很強(qiáng)的粒子，當(dāng)大氣中PM2.5粒子的質(zhì)量濃度較高時(shí),大氣能見(jiàn)度降低[10，13]。在霾天氣中，PM2.5質(zhì)量濃度的高低對(duì)能見(jiàn)度有重要影響。

3.3 強(qiáng)降水

強(qiáng)降水可導(dǎo)致能見(jiàn)度下降，當(dāng)雨強(qiáng)發(fā)生驟變時(shí)，能見(jiàn)度也隨之發(fā)生驟變，對(duì)高速公路交通安全造成危害。依據(jù)2013年8月—2019年12月強(qiáng)降水造成的低能見(jiàn)度過(guò)程的分鐘資料，得到雨強(qiáng)(mm/min)與能見(jiàn)度(m)的對(duì)應(yīng)關(guān)系(表5)。降雨強(qiáng)度與能見(jiàn)度的下降密切相關(guān)，這是因?yàn)橛甑螌?duì)光有一定的散射作用，當(dāng)雨滴足夠密集時(shí)，其散射作用會(huì)大大提高，能見(jiàn)度也快速下降，對(duì)高速公路通行狀態(tài)造成很大的影響。

表5 2013年8月—2019年12月強(qiáng)降水過(guò)程中雨強(qiáng)與低能見(jiàn)度對(duì)應(yīng)關(guān)系

2014年7月22日強(qiáng)降水過(guò)程的監(jiān)測(cè)資料顯示，西咸高速公路3個(gè)監(jiān)測(cè)站的雨強(qiáng)變化與能見(jiàn)度的變化密切相關(guān)，其中渭河橋北站因降雨造成的能見(jiàn)度下降最明顯。圖5為2014年7月22日22：20—23：59渭河橋北站能見(jiàn)度與雨強(qiáng)的散點(diǎn)圖。能見(jiàn)度與雨強(qiáng)呈明顯的反相關(guān)，即雨強(qiáng)增大時(shí)能見(jiàn)度降低，雨強(qiáng)減小時(shí)能見(jiàn)度增大，隨著雨強(qiáng)的逐漸增大能見(jiàn)度逐漸降低。從降水過(guò)程的時(shí)間序列來(lái)看，在雨強(qiáng)增大階段的23:07—23:21，雨強(qiáng)由0.9 mm/min增強(qiáng)到1.8 mm/min，能見(jiàn)度由263 m下降到151 m，出現(xiàn)最低能見(jiàn)度的時(shí)刻并不是雨強(qiáng)最強(qiáng)時(shí)，而是滯后于雨強(qiáng)最強(qiáng)時(shí)，隨著雨強(qiáng)減弱能見(jiàn)度逐漸增大。綜上可知，當(dāng)雨強(qiáng)大于1.3 mm/min時(shí)能見(jiàn)度可降至200 m以下(表5)，所以降水強(qiáng)度的預(yù)報(bào)對(duì)低能見(jiàn)度的預(yù)報(bào)預(yù)警有重要意義。

圖5 2014-07-22T22：20—23：59渭河橋北站能見(jiàn)度與雨強(qiáng)散點(diǎn)圖(實(shí)線為擬合線)

4 結(jié)論

(1)造成西咸高速公路低能見(jiàn)度的主要天氣為大霧、霾和強(qiáng)降水。霾造成的低能見(jiàn)度次數(shù)最多且時(shí)間最長(zhǎng)，霧造成的低能見(jiàn)度對(duì)高速公路的通行狀態(tài)影響最大。一日之中，低能見(jiàn)度現(xiàn)象出現(xiàn)的概率在凌晨最大，下午最小。其中50 m≤v<200 m出現(xiàn)概率最高，為08時(shí)的18.6%。低能見(jiàn)度的月平均時(shí)數(shù)在年內(nèi)呈兩高一低的分布趨勢(shì)， 1—4月、9—12月為高峰區(qū)，5—8為低谷區(qū)，其中500 m≤v<1 000 m的平均時(shí)數(shù)最多為11.3 h，出現(xiàn)在12月。3個(gè)監(jiān)測(cè)站的低能見(jiàn)度年平均時(shí)數(shù)呈現(xiàn)由南向北依次增多的趨勢(shì)。

(2)除天氣形勢(shì)外，影響霧的因素主要是相對(duì)濕度和溫度。能見(jiàn)度與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相對(duì)濕度越大能見(jiàn)度越低。霧發(fā)生時(shí)，濕度達(dá)到一定飽和度，近地面溫度的連續(xù)降低對(duì)未來(lái)能見(jiàn)度的下降有一定的指示意義。

(3)大氣顆粒物PM2.5質(zhì)量濃度與霾的形成直接相關(guān)。能見(jiàn)度與PM2.5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)反相關(guān)。在霾天氣中，PM2.5質(zhì)量濃度的高低對(duì)能見(jiàn)度有重要影響。

(4)強(qiáng)降水可導(dǎo)致能見(jiàn)度下降，當(dāng)雨強(qiáng)大于1.3 mm/min時(shí)能見(jiàn)度可降至200 m以下，所以降水強(qiáng)度的預(yù)報(bào)對(duì)低能見(jiàn)度的預(yù)報(bào)預(yù)警有重要意義。