商丘市視程障礙天氣現(xiàn)象特征及其影響分析

張?jiān)葡迹?史桂芬， 檀艷靜

（1.商丘市氣象局，河南商丘 476000； 2.河南省氣候中心，鄭州 450003； 3.周口市氣象局，河南周口 466000）

視程障礙現(xiàn)象包括輕霧、霧、霾、沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵、雪暴、吹雪會造成空氣能見度下降的天氣現(xiàn)象，也叫低能見度天氣現(xiàn)象［1-3］. 低能見度是影響公路交通安全的氣象災(zāi)害之一，通常由霧、沙塵暴、強(qiáng)降水等引起［4］.段瑋等［5］研究表明，云南最主要的視程障礙天氣是霧與輕霧；黃曉龍等［6］對四川9種視程障礙天氣現(xiàn)象發(fā)生天數(shù)和分布特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)輕霧和霧的發(fā)生概率遠(yuǎn)大于其他幾種天氣現(xiàn)象. 有學(xué)者［7-9］對低能見度氣候特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)霧是影響公路低能見度的主要因素. 有關(guān)低能見度天氣的研究多為霧和霾［10-12］，而關(guān)于綜合、長時間序列的視程障礙現(xiàn)象研究開展較少. 李藹恂等［13］研究表明，我國中西部公路大部地區(qū)處在能見度災(zāi)害風(fēng)險的低風(fēng)險區(qū). 張婉瑩等［14］、田華和王亞偉［15］研究遼寧沿海高速公路濃霧氣候特征發(fā)現(xiàn)秋季濃霧日數(shù)占全年的比率最高，蒲金涌等［16］對影響寶天高速公路視程障礙的天氣現(xiàn)象分布和趨勢等進(jìn)行分析，提出沙塵暴屬小概率事件，浮塵及揚(yáng)沙主要出現(xiàn)在3—5 月. 有關(guān)河南和商丘的視程障礙天氣現(xiàn)象研究較少，李兆陽［17］研究發(fā)現(xiàn)，河南中部為空氣能見度低值中心，華北地區(qū)冬季空氣能見度存在周期為12 年的波動. 田力對河南［18］、脫宇峰等［19］對濟(jì)源市能見度研究均發(fā)現(xiàn)日出前后能見度最低，15時—17時最高. 春季能見度最好，主要受風(fēng)場影響. 李俊忠和龐昕［20］在2004 年對商丘能見度做了簡要分析. 本文利用商丘市8 個氣象站1961—2020年輕霧、霧、揚(yáng)沙、沙塵暴、霾、浮塵這6種視程障礙天氣現(xiàn)象觀測資料，分析商丘市視程障礙天氣現(xiàn)象特征及其對交通的影響，為科學(xué)認(rèn)識視程天氣現(xiàn)象特征提供參考，對氣象服務(wù)高速公路防災(zāi)減災(zāi)有一定指導(dǎo)作用.

1 資料和方法

1.1 資料來源

1961—2020年的輕霧、霧、揚(yáng)沙、沙塵暴、霾、浮塵視程障礙天氣現(xiàn)象數(shù)據(jù)資料來自商丘市所轄睢縣、民權(quán)、商丘、虞城、柘城、寧陵、夏邑、永城8個國家氣象觀測站，并根據(jù)文獻(xiàn)［1］中的觀測規(guī)范要求觀測；商丘市的視程障礙數(shù)據(jù)系以上8個站點(diǎn)相應(yīng)數(shù)據(jù)的平均值；常年視程障礙值為1981—2010年的平均值；歷年視程障礙平均值使用1961—2020年的平均值. 空氣能見度取一天當(dāng)中的02時、08時、14時、20時4個時次的觀測數(shù)據(jù).

1.2 研究方法

1）天氣現(xiàn)象日數(shù)的年際變化趨勢采用氣候傾向率方法［21-22］，通過顯著性統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)進(jìn)行判斷：

式中：y為天氣現(xiàn)象要素的擬合值；t為研究時間范圍（1961—2020年）；a0為常數(shù)項(xiàng)；a1為線性趨勢項(xiàng)，把a(bǔ)1x10年稱為每10 a的變化趨勢.

2）某種天氣現(xiàn)象發(fā)生概率的計(jì)算：

式中：F為某種天氣現(xiàn)象的發(fā)生概率；D為某種天氣現(xiàn)象出現(xiàn)的天數(shù)；t為時間.t代表年份時其值為365；代表季節(jié)時，冬、春、夏、秋各為90、92、92、91；代表月份時，按當(dāng)月天數(shù)選該值（31、30、28或29）.

3）利用SPSS進(jìn)行氣候統(tǒng)計(jì)、氣候傾向率、回歸分析、趨勢分析、對比分析和相關(guān)分析；利用Matelab繪制相關(guān)要素的時間序列圖和M-K突變檢驗(yàn).

2 結(jié)果與分析

2.1 視程障礙天氣現(xiàn)象天數(shù)變化

2.1.1 輕霧、霧、霾 商丘市1961—2020年（60 a）年平均輕霧、霧、霾天氣均呈增加趨勢，氣候傾向率分別為18.0、2.9、4.9 d/10 a（圖1）；年平均天數(shù)分別為201.2、25.9、15.0 d；日出現(xiàn)概率分別為55.1%、7.1%、4.1%；年平均輕霧、霧、霾天氣最多266.1（2003 年）、48.5（1992 年）、91.9 d（2016 年）；最少97.3（1966 年）、4.9（1967 年）、2.0 d（1964年）；霾天氣2013—2020年以來進(jìn)入特別偏多階段，平均58.3 d/a.

圖1 商丘市1961—2020年年平均輕霧、霧、霾時間變化Fig.1 Changes in the average number of light fog，fog and haze days in Shangqiu from 1961 to 2020

年平均輕霧天氣20世紀(jì)60年代最少（122.5 d），2001—2010年最多（238.1 d）；1991—2020年輕霧天氣平均值226.3 d（日出現(xiàn)概率62.0%），較1961—1990年平均值176.1 d偏多50.2 d（圖2）.

圖2 商丘市1961—2020年平均輕霧、霧、霾時間的年代變化Fig.2 The chronological variation of the average number of light fog，fog and haze days in Shangqiu from 1961 to 2020

年平均霧天氣年代大致呈“少—多—少—多”趨勢，即20世紀(jì)60年代13.9 d（最少），逐年代增加到90 年代39.8 d（最多），至2001—2010年減少到25.6 d（少）、2011—2020年又增加到28.3 d（多），年代最多與最少相差25.9 d；1991—2020年霧天氣平均值30.7 d（日出現(xiàn)概率8.4%）較1961—1990年平均值21.0 d多9.7 d.

霾天氣年代變化大致呈“少—多—少—多”走向，由20 世紀(jì)60 年代10.0 d（少），增加到70年代15.9 d（多），80年代5.7 d（少），2011—2020 年46.8 d（多）.1991—2020年霾天氣平均值21.1 d（日出現(xiàn)概率5.8%）較1961—1990 年平均值10.5 d偏多10.6 d.

商丘市1961—2020年平均輕霧天氣主要集中在秋、冬季，秋季最多，為59.2 d，占年總數(shù)的29.4%，日出現(xiàn)概率65.1%；冬季次多，為52.2 d，占年總數(shù)25.9%，日出現(xiàn)概率58.0%；夏季次少，為45.9 d，占年總數(shù)22.8%，日出現(xiàn)概率51.0%；春季最少，為43.9 d，占年總數(shù)21.8%，日出現(xiàn)概率47.7%. 60.0%輕霧天氣集中在7—12 月（圖3），10 月最多，為21.1 d，占年總數(shù)的10.5%，日出現(xiàn)概率68.1%；2 月最少，為13.6 d，占年總數(shù)的6.8%，日出現(xiàn)概率48.6%.

平均霧天氣以冬、秋季較多，為17.1 d，占年總數(shù)的66%，日出現(xiàn)概率9.4%；春、夏季較少，為8.8 d，占年總數(shù)的34.0%，日出現(xiàn)概率4.8%. 51.2%霧天氣集中在10月—翌年1月（圖3）；12月最多，為3.8 d，占年總數(shù)的14.7%，日出現(xiàn)概率12.3%；5—7月出現(xiàn)較少，占年總數(shù)的13.3%；6月最少，為0.8 d，占年總數(shù)的2.9%，日出現(xiàn)概率3.1%.

圖3 商丘市1961—2020年平均輕霧、霧、霾時間的月分布Fig.3 Monthly distribution of the average number of light fog，fog and haze days in Shangqiu during 1961-2020

平均霾天氣冬季最多（7.1 d）；春秋次之（各3.8 d）；夏季最少（1.2 d）；分別占年總數(shù)的44.8%、23.9%和7.4%，日出現(xiàn)概率分別為7.9%、4.2%和1.3%. 86.7%霾天氣集中在10月—翌年4月，12月最多（2.6 d），占年總數(shù)的16.4%，日出現(xiàn)概率8.4%；5—8 月出現(xiàn)較少，占年總數(shù)的13.3%；8月最少（0.1 d），占年總數(shù)0.6%，日出現(xiàn)概率0.3%.

對商丘市1961—2020 年年平均輕霧、霧、霾日數(shù)變化時間序列進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)：年輕霧和霧天氣均在1975 年前后發(fā)生由少到多的突變，1975 年前平均值分別為15.4、141.2 d，之后平均值分別為29.4、219.9 d，分別相差14.0和78.7 d；年霾天氣在1981年前后發(fā)生由少到多的突變，1981年前平均值12.3 d，之后16.6 d，平均值相差4.3 d（圖4）.

圖4 商丘市1961—2020年年平均輕霧、霧、霾時間序列M-K檢驗(yàn)Fig.4 M-K test of the time series of annual average light fog，fog and haze days in Shangqiu from 1961 to 2020

2.1.2 揚(yáng)沙、沙塵暴、浮塵 商丘市1961—2020年平均揚(yáng)沙、沙塵暴天氣呈顯著減少趨勢，但浮塵天氣減少趨勢不顯著（圖5）. 揚(yáng)沙、沙塵暴、浮塵的氣候傾向率分別為-3.41、-1.0、-0.2 d/10 a，年平均分別為7.5、1.5、2.0 d，日出現(xiàn)概率分別為2.0%、0.4%、0.5%. 年平均最多揚(yáng)沙天氣25.5 d（1968年），2003、2011、2019年未出現(xiàn)揚(yáng)沙天氣；年平均最多沙塵暴天氣11.5 d、浮塵天氣10.5 d（1988年）；有25 a未出現(xiàn)沙塵暴，9 a未出現(xiàn)浮塵.

圖5 商丘市1961—2020年平均揚(yáng)沙、沙塵暴、浮塵天氣變化Fig.5 Variation of annual average blowing sand，sandstorm and floating dust days from 1961 to 2020 in Shangqiu

2004年以后揚(yáng)沙天氣進(jìn)入偏少期（0.4 d/a），1999年以后沙塵暴天氣進(jìn)入偏少期. 浮塵天氣1961—1979年和2003年以后為偏少階段（0.3 d/a）. 2011—2020年揚(yáng)沙、沙塵暴、浮塵天氣最少（0.3、0.0、0.1 d/a），揚(yáng)沙、沙塵暴天氣在20世紀(jì)60年代最多（16.4、6.0 d/a），浮塵天氣在20世紀(jì)80年代最多（5.3 d/a）（圖6）. 1991—2020年揚(yáng)沙、沙塵暴、浮塵天氣平均值分別為1.9、0.0、1.4 d（出現(xiàn)概率0.5%、0.0%、0.4%），與1961—1990 年平均值（12.7、2.7、2.5 d）相比，分別減少10.8、2.7、1.1 d.

圖6 商丘市1961—2020年揚(yáng)沙、沙塵暴、浮塵平均年代變化Fig.6 The mean chronological variation of blowing sand，sandstorm and floating dust days in Shangqiu from 1961 to 2020

縱觀1961—2020 年的視程障礙天氣，揚(yáng)沙天氣在春季最多（3.3 d），冬季次之（2.1 d），夏、秋季最少（各0.9 d），分別占年總數(shù)的46.3%、29.6%和12.0%，日出現(xiàn)概率為3.6%、2.3%和1.0%. 85.4%揚(yáng)沙天氣集中在12 月—翌年6 月，3、4 月最多（各1.3 d），占年總數(shù)的18.1%；7—11 月出現(xiàn)較少，占年總數(shù)的14.5%；8 月最少（0.1 d），占年總數(shù)的1.4%. 沙塵暴天氣在春季最多（0.7 d），冬、夏次之（各0.3 d），秋季僅出現(xiàn)5 d；春季沙塵暴天氣占年總數(shù)的53.8%、冬、夏季各占23.1%. 92.1%的沙塵暴天氣集中在12月—翌年6月，4月最多（0.3 d），占年總數(shù)的23.7%；7—11月較少，占年總數(shù)的7.9%，9月最少（僅柘城和夏邑各出現(xiàn)1 d）. 浮塵天氣在春季最多（1.1 d），冬季和秋季次之（0.6、0.3 d），夏季僅出現(xiàn)過1 d；春季、冬季和秋季浮塵天氣占年總數(shù)的55.0%、30.0%、15.0%. 88.3%揚(yáng)沙天氣集中在11月—翌年4月，4月最多（0.5 d），占年總數(shù)的25.8%，5—10 月出現(xiàn)較少，占年總數(shù)11.7%；7月和8月沒有出現(xiàn)過（圖7）.

圖7 商丘市1961—2020年平均揚(yáng)沙、沙塵暴、浮塵月分布Fig.7 Monthly distribution of the average number of blowing sand，sandstorm and floating dust days in Shangqiu from 1961 to 2020

從1961—2020 年商丘市年平均揚(yáng)沙、沙塵暴、浮塵天氣變化時間序列M-K 突變檢驗(yàn)（圖8）. 圖中UF為按某一視程障礙要素樣本順序列出的統(tǒng)計(jì)量變化曲線，UB為其逆序列計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量變化曲線. 從圖中可以看出：揚(yáng)沙天氣在1995 年前后發(fā)生由多到少的突變，1961—1995 年平均值11.7 d，1996—2020 年平均值1.2 d，二者相差10.5 d；沙塵暴天氣在2000年前后發(fā)生由多到少的突變，1961—2000年平均值2.2 d，2001—2020年間僅2006年出現(xiàn)過1 d；浮塵天氣無明顯的突變點(diǎn).

圖8 商丘市1961—2020年年平均視程障礙天氣時間序列M-K檢驗(yàn)Fig.8 M-K test of the time series of annual average blowing sand，sandstorm and floating dust days in Shangqiu from 1961 to 2020

2.2 天氣現(xiàn)象的相關(guān)性及對交通的影響

商丘市1961—2020年年輕霧與霧、揚(yáng)沙與沙塵暴天氣呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.60、0.747，年浮塵與霾呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.404，通過99%的信度檢驗(yàn). 其余視程障礙天氣現(xiàn)象之間相關(guān)性不明顯.

空氣能見度在2 km以下即對高速公路的正常行車速度構(gòu)成影響. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，高速公路上因濃霧影響造成的交通事故是平時的10倍［16］. 商丘市內(nèi)有連霍高速和京廣澳國家高速公路，影響商丘市高速公路行車速度的視程障礙天氣現(xiàn)象主要有霧、輕霧和霾，揚(yáng)沙、沙塵暴和浮塵出現(xiàn)概率較小，沙塵暴2007—2020年未出現(xiàn).

商丘市1961—2020年空氣能見度＜1.0 km和1.0～2.0 km年出現(xiàn)總次數(shù)分別為5.5和8.2次/10 a，呈顯著增加趨勢（圖9）. 能見度＜1.0 km平均24.7次/a，年最多為73.5次（2017年），86.3%集中在08時和02時，08時出現(xiàn)次數(shù)最多（13.7 次/a），占總次數(shù)的55.5%；14 時和20 時出現(xiàn)次數(shù)較少，14 時最少（1.3 次/a），占總次數(shù)的5.3%. 能見度1.0～2.0 km出現(xiàn)總次數(shù)23.4次/a，年最多134.5次（2016年），70.9%集中在02時和08時，08時出現(xiàn)次數(shù)最多（11.1 次/a），占總次數(shù)的47.4%；14 時和20 時出現(xiàn)次數(shù)較少，14 時最少（2.7 次/a），占總次數(shù)的11.5%. 空氣能見度＜2.0 km主要出現(xiàn)在02時和08時（表1）.

表1 商丘市1961—2020年定時能見度＜1.0 km和1.0～2.0 km出現(xiàn)次數(shù)Tab.1 The occurrence times of regular visibility ＜1.0 km and 1.0～2.0 km in Shangqiu City from 1961 to 2020

圖9 商丘市1961—2020年年空氣能見度＜1.0 km和1.0～2.0 km出現(xiàn)次數(shù)Fig.9 The total number of visibility ＜1.0 km and 1.0～2.0 km in Shangqiu from 1961 to 2020

3 結(jié)論和討論

1）商丘市1961—2020年年平均輕霧、霧、霾天氣分別以18.0、2.9、4.9 d/10 a呈顯著增加趨勢，輕霧和霧的天數(shù)在1975年發(fā)生突變，霾的天數(shù)在1981年發(fā)生突變；揚(yáng)沙和沙塵暴天氣以-3.4、-1.0 d/10 a呈顯著減少趨勢，并分別在2000年和1995年發(fā)生突變.

2）年平均輕霧、霧、霾、揚(yáng)沙、沙塵暴、浮塵天數(shù)分別為201.2、25.9、15.0、7.5、1.5、2.0 d，日出現(xiàn)概率分別為55.1%、7.1%、4.1%、2.1%、0.4%、0.5%. 出現(xiàn)霾的天氣以2011—2020年最多，尤其是2013年以后；揚(yáng)沙、沙塵暴、浮塵日數(shù)2011—2020年均最少，2007—2020年商丘市未出現(xiàn)沙塵暴天氣.

3）輕霧和霧天氣以秋冬季最多，霾天氣在冬季最多. 10月輕霧最多，日出現(xiàn)概率68.1%；51.1%霧天氣集中在10月—翌年1月，12月最多，日出現(xiàn)概率12.3%；86.7%霾天氣集中在10月—翌年4月，12月最多，日出現(xiàn)概率8.4%. 揚(yáng)沙、沙塵暴和浮塵天氣均在春季最多，12月—翌年6月集中了85%揚(yáng)沙天氣、92%沙塵暴天氣；88%揚(yáng)沙天氣集中在11月—翌年4月.

年平均輕霧與霧、揚(yáng)沙與沙塵暴天氣呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.60和0.747；年浮塵與霾呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.404.

4）商丘市影響高速公路行車速度的視程障礙天氣現(xiàn)象主要是霧、輕霧和霾，揚(yáng)沙、沙塵暴和浮塵為小概率事件. 能見度＜1.0 km 的天氣平均24.7 次/a，以5.5 次/10 a 呈顯著增加趨勢，86.3%集中在08 時和02 時；1.0～2.0 km的平均23.4次/a，以8.2次/10 a呈顯著增加趨勢，70.9%集中在08時和02時. 能見度＜2.0 km的時間主要出現(xiàn)在02時和08時.