气象因子对连霍高速公路（河南段）能见度影响特征分析

摘 要：根据2014—2015年连霍高速郑州至三门峡段的交通气象站和周边8个国家站资料，分析其能见度的分布特征与影响因子。研究结果表明：连霍高速郑州至三门峡段能见度日变化随季节不同，春季日最低能见度主要发生在06：00—08：00，夏季日最低能见度时段主要发生在04：00—07：00，秋季日最低能见度时段主要发生在05：00—07：00，冬季日最低能见度主要发生在09：00—10：00。整体变化具有日出前后最低，15：00—16：00最高的日变化规律。能见度相关性最好的气象要素主要是相对湿度，其次是气温和气温地温差。能见度低于1 000m时主要为偏南风、西南风、偏西风和东北风，风速主要为1～3m/s的微风，其中风速以东北风最大。能见度大于1 000m时，主要为西风、偏南风和东风，尤其是东风风频明显增大偏北风占比非常少，主要风向与交通气象站所处的东西向山脉的地理位置相一致。

关键词：连霍高速公路;能见度特征;气象要素

中图分类号：P427.2文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）29-0148-07

Abstract： According to the traffic weather station of Zhengzhou to Sanmenxia section of Lianhuo Expressway from 2014 to 2015 and the surrounding eight national stations， the distribution characteristics and impact factors of visibility were analyzed. The results show that： the diurnal variation of visibility in the Zhengzhou-Sanmenxia section of Lianhuo Expressway varies with seasons. The minimum visibility in spring is mainly from 06：00 to 08：00， and the minimum visibility period in summer is mainly from 04：00 to 07：00， the minimum visibility period in autumn is mainly from 05：00 to 07：00， and the minimum visibility in winter is mainly from 09：00 to 10：00. The overall change has the lowest before and after sunrise， and the highest daily variation from 15：00 to 16：00. The meteorological elements with the best correlation of visibility are mainly relative humidity， followed by the temperature difference between temperature and temperature. When the visibility is less than 1000m， it is mainly southerly， southwesterly， westerly and northeasterly. The wind speed is mainly 1～3m/s breeze， and the wind speed is the largest in the northeast. When the visibility is greater than 1 000m， it is mainly west wind， southerly wind and easterly wind. Especially the easterly wind frequency increases obviously. The proportion of northerly wind is very small. The main wind direction is consistent with the geographical position of the east-west mountain where the traffic weather station is located.

Keywords： Lian-Huo Expressway;visibility characteristics;meteorological element

近年來，随着社会的发展，高速公路建设里程逐年增长。由于高速公路具有技术等级高、设施完善、出入受限、车辆行驶速度快等特点，一旦由于低能见度而引发高速公路交通事故，往往都具有严重后果[1，2]。大量研究表明，当雾天能见度降低到0.5km以下时，会对公路交通产生影响;能见度降低到0.2km以下时，会对公路交通产生显著影响;能见度降低到0.05km以下时，会对公路交通产生十分严重的影响[3]。为满足交通气象工作服务的需要，全国多个省份的气象部门在高速公路上沿途布设自动监测站，并配备了自动能见度仪，有效地实现了对高速公路能见度的实时监测[4-6]。其中，江苏、安徽、广东和河北等地区已开展了许多研究工作，对高速公路低能见度实时监测特征、能见度演变规律以及局地性团雾等进行了详细研究。河南省高速公路路网建设里程数位居全国第一位，对交通气象方面的服务需求潜力巨大。本文根据高速公路交通自动站监测提供的气温、地温、相对湿度、风速以及能见度数据，研究了高速公路自动站数据的质量控制方法，分析了河南省境内高速路段能见度变化规律及气象因子影响情况，为高速公路能见度预报工作提供统计依据[7-9]。

1 资料与方法

本文所用的数据资料，主要由2014—2015年连霍高速郑州至三门峡段建设的10个交通气象站和临近的8个国家站所提供，研究要素选用气温、地面温度、相对湿度、露点温度、风速、风向以及降水量等。模式预报资料为EC细网格预报产品的气温、露点温度、UV风场等要素。由于交通气象自动站安装在道路旁边，无人实时值守，数据质量不可避免地会存在一些误差，因此在进行数据处理之前需要先进行质量控制。本文主要采用了四分位法、拉依达准则法和人工剔除三种方法进行数据质量控制。通过对数据质量进行控制，可以有效剔除数据的异常值，提高数据可用性。

2 连霍高速能见度气候特诊分析变化特征

为了获得连霍高速交通站能见度的整体分布特征，分别研究了连霍高速10个交通气象站的日变化、月变化和季节变化情况。

2.1 日变化特征

2014—2015年河南省连霍高速交通站能见度日变化如图1所示。从图1可以看出，能见度日变化随季节不同，春季日最低能见度时段主要发生在06：00—08：00，夏季日最低能见度时段主要发生在04：00—07：00，秋季日最低能见度时段主要发生在05：00—07：00，冬季日最低能见度主要发生在09：00—10：00。整体具有日出前后最低，15：00—16：00最高的日变化规律。

2.2 月变化和季节变化特征

2014—2015年河南省连霍高速交通站低能见度日数月变化如图2、图3所示。分析图2和图3可以发现，5—7月无低能见度日数发生，9—11月的秋季是低能见度的多发时期，同时秋季平均能见度全年最低。

3 连霍高速能见度影响因子分析

3.1 气象要素与能见度相关性分析

本文研究的气象要素主要为连霍高速交通气象站观测的地面要素，首先对能见度与各气象要素进行相关性分析，分别计算了有降水和无降水时各气象要素与能见度的相关系数。

有降水时各气象要素与能见度的相关系数如表1所示。从表1可以看出，相关性最好的是相对湿度，相关系数达到0.68以上;相关性较差的是气温、气温地温差和风速，相关系数在0.1左右;相关性最差的是地面温度和降水量，相关系数低于0.05。从无降水时各气象要素与能见度的相关系数可以看出，相关性最好的是相对湿度，相关系数高于0.6;相关性较好的地面温度、气温地温差和风速，相关系数大于0.2;相关性较差的是气温，相关系数在0.1左右。对比分析表1有降水时和无降水时可以看出，与能见度相关性最好的气象要素主要是相对湿度，即水汽条件，相关系数达到0.6以上;降水条件会明显影响地面温度和风速与能见度的相关关系。

为了细致分析不同能见度与气象要素的相关性，依照交通氣象能见度指数预报等级将能见度分级别进行研究，具体结果如表2所示。这里需要注意，由于目前的资料中，降水条件下的低能见度数据较少，不利于研究相关性，同时降水会影响其他气象要素对能见度的影响，故而对剔除降水的数据进行重点分析。

从表2中可以看出，当能见度大于1 000m时，各气象要素与能见度的相关性与不分级情况下各气象要素与能见度的相关性趋于一致，具有一定的规律性，即与相对湿度的相关性最大，其次是地面温度和气温地温差。而在能见度小于1 000m的情况下，各气象要素与能见度的相关性在不同的级别下，具有不同的相关特征。其中，能见度为500～1 000m时，各气象要素与能见度的相关性都不太高，只有相对湿度接近0.3，其他的都在0.1左右;能见度在小于50、50～200m和200～500m这三个区间段中，各气象要素与能见度的相关性都不好，但能见度小于500m时各气象要素与能见度的相关性较好，其中与地温和气温的相关性最好。这可能是由于能见度低于500m时，相对湿度一般大于80%，空气中水汽趋于饱和，在这种情况下，温度的变化对水汽的凝结起主要作用，进而影响能见度的变化。以上结果表明，能见度大于1 000m或小于500m时，可预报条件较好;能见度为500～1 000m时，可预报条件较差;能见度低于500m时，更精细级别的预报条件暂时并不具备。

3.2 不同级别能见度下气象要素的分布

3.2.1 相对湿度的分布。相对湿度是影响能见度的重要因子，形成低能见度时大气一般是饱和的或接近饱和的，但是当有大量的凝结核存在时，相对湿度不一定达到100%就可能达到饱和而形成低能见度，不同级别能见度的相对湿度分布如图4所示。从图4可以看出，随着相对湿度数值的增大，其占比随之增大。相对湿度越大，越容易出现低能见度情况。能见度为1～10km时，相对湿度90%以上所占比例低于5%，其他相对湿度的占比主要是随着相对湿度的降低而递减;能见度为500～1 000m时，相对湿度主要分布在70%以上，其中相对湿度70%的占比较小，主要还是集中在80%以上;能见度在低于500m时，相对湿度主要分布在80%以上，其中能见度为200～500m时，相对湿度在80%以上的占比超过90%;能见度为50～200m时，相对湿度在80%的占比达到100%;能见度小于50m时，相对湿度的分布主要集中在80%～90%之间，且与其他区间有所不同，并非湿度越高占比越大。说明在低能见度时其水汽几乎都是近于饱和的，同时只要有足够的凝结核，相对湿度为80%～100%都可形成低能见度。上述对相对湿度分布情况的分析表明，由于低能见度时相对湿度主要分布在80%以上，在进行预报时，可以将相对湿度80%作为阈值，对数据进行分别处理。

3.2.2 气温的分布。饱和水汽压与气温变化密切相关，其随着气温下降而降低，可见，气温对低能见度的形成也具有重要的影响。当气温下降时，近地面的空气相当潮湿，那么在气温下降到一定程度达到或接近饱和时，空气中的部分水汽就会凝结成小水滴，悬浮在近低层空气中从而形成强的效果作用，具体结果如图5所示。能见度低于50m时，气温主要为19～24℃，呈单峰变化;能见度高于50m时，气温为-5～25℃，呈双峰变化，一个波峰在-5～5℃，另一个波峰在15～25℃。结合前面能见度的季节分布特征分析可知，低能见度日数主要分布在秋季和冬季，与气温的分布相对应。

3.2.3 地温的分布。地面温度能直接反映出地面辐射热量情况，辐射冷却地面，然后通过传导、冷却近地面的空气，地面的强辐射冷却到露点会形成低能见度，不同级别能见度的地温分布如图6所示。从图6可以看出，能见度低于50m时，地温分布在0℃以上，主要集中在25～30℃;能见度大于50m时，地温为16℃时占有较高比例，其他地温分布也呈现双峰变化，一个波峰分布在0～10℃，另一个波峰分布在20～30℃，与气温变化较为一致，温度相差5℃。

3.2.4 气温地温差的分布。气温和地温差能够反映出地面辐射与气温的变化关系，不同级别能见度的气温地温差分布如图7所示。从图7可以看出，能见度低于50m时，差值分布在-9～-1℃，表明气温都是低于地温的;能见度在50～200m以及200～500m时，差值为-15～10℃，除了在-15℃有少量分布外，主要呈一高一低双峰分布。高峰分布在-4～0℃，峰值为-3℃左右;低峰分布在1～10℃，峰值为4℃左右，温度表现出和地面温度类似的季节特征;能见度高于1 000m，气温地温差的分布就比较接近于正态分布特征。

3.2.5 风速的分布。适当的风速是低能见度发生的一个重要因素，不同级别能见度下风速分布如图8所示。从图8可以看出，能见度低于500m时，风速主要为0～3m/s;随着能见度的降低，所占的比率随着增加，静风所占的比例都比较小。在能见度降为50m之前，风速在2m/s的占比高于静风;当能见度低于50m时，风速主要集中在1m/s左右，占比在60%以上;静风占比10%，表明微风更有利于低能见度的形成。

3.2.6 风向的分布。对研究时段内的风向进行统计，不同级别能见度下风向分布如图9所示。从图9可以看出，能见度低于500m时，主要为偏南风、西南风、偏西风和东北风，风速主要为1～3m/s，其中风速以东北风最大。能见度低于50m时，主要为偏南风、西南风和西风，风速主要为1m/s，同时也存在少量2～3m/s的东北东风。能见度在500～1 000m时，风向分布特征与能见度低于500m时的分布特征相一致。而能见度大于1 000m时，主要为西风、偏南风和东风，尤其是东风风频明显增大，偏北风占比非常少，主要风向与交通气象站所处的东西向山脉的地理位置相一致。

4 结论

本文利用2014—2015年连霍高速郑州至三门峡段建设的10个交通气象站和临近的8个国家站提供的资料，研究不同能见度的气象分布特征与影响因子，结论如下。

①通过四分位法和依达准则相结合的方法，可以有效剔除高速公路交通气象站数据中的异常值，提高数据的可用性。

②能见度日变化随季节不同，春季日最低能见度时段主要发生在06：00—08：00，夏季日最低能见度时段主要发生在04：00—07：00，秋季日最低能见度时段主要发生在05：00—07：00，冬季日最低能见度主要发生在09：00—10：00。整体具有日出前后最低，15：00—16：00最高的日变化规律。

③气象要素影响因子中与能见度相关性最好的气象要素主要是相对湿度，其次是气温和气温地温差。能见度低于1 000m时主要为偏南风、西南风、偏西风和东北风，风速主要为1～3m/s，其中风速以东北风最大。能见度大于1 000m时，主要为西风、偏南风和东风，尤其是东风风频明显增大偏北风占比非常少，主要风向与交通气象站所处的东西向山脉的地理位置相一致。

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