三峡库首区低能见度特征分析及影响因素研究*

罗剑琴 范元月 汤 淼 叶 丹

(湖北省宜昌市气象局 宜昌 443000)

0 引 言

对长江航运而言，最主要的不利天气是强风和大雾.据文献[1]给出的我国年平均雾日分布图可见，长江沿线有两个多雾区，宜昌以上为一多雾区，有些地方的平均年雾日(能见度<1 000 m)超过50 d.自2003年三峡水库蓄水以来，三峡库首区水域大雾天气发生的频率大幅增加，雾情程度明显增大；2008年1—4月，三峡船闸因雾(能见度低于1 000 m)停航达10次，两线累计停航185.86 h，超过2005—2007年的各年度全年停航时间，当年最长停航时间达到36.83 h.除了大雾频率增加以外，大雾多发区也发生了明显变化，历史上大雾多发区主要集中在三峡坝上仙人桥—太平溪一带和葛洲坝的庙嘴、南津关一带，目前三峡—葛洲坝的两坝间水域发展成为新的多雾区域，主要集中在乐天溪—下引航道和石牌一带[2].

这一地区大雾的多发在1990年已引起了不少学者的关注[3]，虞俊等[4]通过分析1951—2007年三峡库区6个站能见度观测资料表明，三峡库区在2000年以后雾日明显减少，相对湿度与雾日之间存在显著正相关，而相对湿度与气温呈明显的负相关关系.白永清等[5]重点关注了三峡航道不同区域之间能见度的差异，结果表明:三峡航道能见度局地差异大部分源于监测点的海拔高度及可能的水体影响.王林等[6]研究了气象因子与地理因子对长江三峡库区雾的影响，结果表明，风速、温度和湿度是影响秋末和冬季雾情等级的最主要气象因子，而地理要素对雾的滋生有间接作用.陈正洪等[7-8]也针对此处山区的雾情展开了研究，结果均表明:受复杂地形影响，此处大雾天气多发、频发，且山地、平原和河谷雾的发生均不相同.

受观测资料限制，上述研究均基于定时的人工观测，时间、空间精度低且有一定的主观性，无法对能见度空间分布的局地差异和精细的时间变化趋势作出区分.2014年，三峡库首区国家气象站增设了能见度观测仪器，逐步实现了能见度自动观测，高精度能见度观测站的建成使研究三峡库首区局地能见度水陆差异成为可能.

目前水陆分布对能见度的影响研究集中于海洋对沿海地区大雾形成的影响，许多学者就海雾的发生规律、预报方法进行了研究[9-10].结果表明，水陆差异对中国沿海地区大雾形成有较大影响，且与风向有较大的关系.由于内陆湖、江面远远小于海洋且缺乏系统的观测，目前针对内陆湖、江面对雾的形成影响研究较少.汤天然等[11]用湖面观测数据分析了太湖与湖岸城市间大气颗粒物分布特征，表明不同气象条件下，湖心和离岛区域城市颗粒物分布截然不同. 田小毅等[12]对长江江苏段江面雾研究结果表明，江面雾主要发生于1月、6月和11月，稳定的江面雾形成之前也会形成明显的“象鼻形”先期振荡特征.伍勇等[13]研究了三峡区域水面能见度变化特征，结果表明，三峡区域水面能见度相对不高，与相对湿度、水汽压以外的气象因子相关性不显著.以上研究均表明，江面雾与平原、山区雾的形成规律各不相同，为提高三峡库首区能见度预报水平，有必要利用高精度能见度监测数据开展此地能见度水陆差异研究.

文中分析了三峡库首区周边能见度时空分布特点，探索库首区周边温度、湿度、风等气象要素分布的差异对能见度分布的影响，在此基础上进一步分析气象条件对三峡库首区低能见度天气的影响.

1 资料和方法

1.1 资料

数据来源于湖北省气象信息中心和三峡通航管理局通信中心，站点要素见表1.本文使用的能见度资料为2010—2018年三峡库首15个能见度监测点逐小时能见度数据，其中有库首区周边的宜昌、恩施共8个国家气象站，主要用来对比其他要素的空间分布.根据离水体的距离将站点分为远水体站点、近水体站点，离巨大水体(中型以上河流，即长江、清江)超过2.0 km以上的站点称为远水体站点，2.0 km以下的站点称为近水体站点.其中，又根据相对于三峡大坝的上下游方向分为坝上和坝下，离清江流域更近则为清江流域组.

表1 三峡库首能见度监测站点信息 单位：m

1.2 标准

气象部门根据水平能见度[14]，将雾等级划分为:轻雾(1～10 km)、雾(<1 000 m)、大雾(200～500 m)、浓雾(50～200 m)、强浓雾(<50 m)；而通航部门根据能见度对航运影响程度,习惯上划分为:轻雾(1 000～1 500 m)、中雾(500～1 000 m)、大雾(<500 m).

1.3 归一化处理

由于文中使用的资料来源不同，时长不一致，为了保证分析资料的一致性，需要对单站低能见度天气频次进行归一化处理.在空间分布的频次分析中，取研究时段内单站有效能见度时次数作为有效时长，单站出现相应级别低能见度的时次数除以单站有效时长作为归一化后低能见度天气的频次，后文均简称频率.

1.4 边界层高度计算方法

边界层高度(boundary layer height,BLH)一般不是常规观测得到，而需要根据温度、湿度和风等的垂直廓线计算得到.干绝热法考虑在典型的天气条件下，夜间由于地面辐射冷却接近地面空气形成逆温、呈稳定状态，白天由于太阳辐射而呈不稳定状态，当忽略平流、下沉及机械湍流的影响时，平均混合层高度由08：00探空温度廓线和地面最高、最低温度而定.春、夏季大气为中性层结，则要利用大气折射率指数的显著变化来确定边界层高度[15]，边界层内大气混合较均匀，当到边界层顶时，湍流明显减弱，大气折射率指数会出现异常，因而可以利用宜昌站高空探测温度、湿度计算出大气折射率指数N.

式中：e为水汽压；t为温度;p为气压.

从地面到高空折射率指数第一次出现异常值的高度即为边界层高度.

2 三峡库首低能见度天气的特征

2.1 空间分布

以全年逐小时能见度样本统计三峡航道每组区域的能见度等级频率分布，见图1，分析三峡航道能见度区域分布特征.

图1 三峡航道能见度频次分布

由图1可知，整体上看，宜昌、曾家店两站受局地小气候影响，各等级低能见度天气出现的频次均最高，其中又以500 m以下的大雾出现的频率最高.除此之外，其他各分组大雾、中雾、轻雾频次依次增加；近水体组(坝上、坝下、清江流域)出现各级低能见度天气的频率均远大于远水体组，文献[5]研究了三峡航道不同区域能见度的基本特征，表明近库区水体监测点比远水体雾情严重，这与上述统计结果较为一致.在近水体组中，整体来看，清江流域出现低能见度天气的频率高于三峡库首区；仅就三峡库首区而言，低于1 000 m的中雾和大雾在坝上出现的频率高于坝下，初步推断是由于水体对边界层温、湿度影响的差异导致：近水体区域由于早晚等特定时间段水体温度较环境气温低，在边界层低层产生温差，水汽雾化易形成大雾，且水库蓄水后，坝上水位更高而水面更宽，水体影响更为明显，局地水汽条件也较坝下更丰富，使低能见度天气的出现频率更高.

2.2 时间分布

图2为三峡库首低能见度天气(<1 000 m)逐月发生频次.由图2可知，不同地形地貌下低能见度天气逐月变化有显著差异.近水体坝上，春季最多，其次为夏秋季，冬季最少.除新太平溪站外，低能见度天气高峰期均为4—5月，次高峰为9月；12月和1月几乎不会出现大雾.太平溪站两个高峰时间分别为4月和7月，二者频率差别不大，8月至次年2月几乎不会出现大雾、中雾.

图2 三峡库首低能见度天气(<1 000 m)逐月发生频次

近水体坝下，冬季最多，秋季也时有发生，春、夏季发生低能见度天气的概率非常低；低能见度天气发生的频次为单峰型，多发于11月和1月，5—9月基本不出现低能见度天气.

近水体清江流域组，低能见度天气发生的频次为单峰型，峰区较宽，最多发于11月到次年1月，3—10月期间长阳站也时有大雾出现，其中8月出现大雾可能性最低.

远水体低山组也为单峰型，兴山低能见度天气发生在11月到次年3月期间，发生频次依次为冬季>春季>秋季>夏季，夏季出现频率非常小；芝兰站低能见度天气集中发生在6—8月期间，其他月份基本不出现大雾、中雾.

远水体小气候组，冬春季多于夏秋季，两站均为双峰型，峰区较宽，各月均会出现低能见度天气，月份之间发生频次差别不大，宜昌站高峰为2月和11月，曾家店高峰为11月和4月.

图3为三峡库首低能见度(<1 000 m)频次日变化

图3 三峡库首低能见度(<1 000 m)频次日变化

由图3可知，与水体距离不同日变化也有显著不同.近水体坝上，发生低能见度天气峰区更宽，多发于03:00—09:00，以05:00最多；而在11：00-19:00期间发生低能见度天气的概率极低.

近水体坝下，日变化曲线也为单峰型，但多发时段集中在05:00—09:00时，较坝上出现时段晚2 h而时段更集中，13：00—19:00期间发生低能见度天气的概率也非常低.

近水体清江流域组，仅长阳为单峰型，低能见度天气集中出现在04:00—08:00时，出现频率大、时间早、时段集中；另外两站则无明显峰值，03:00—09:00间发生低能见度天气的概率无明显差别，13：00—19:00间出现低能见度天气的概率极低.

远水体组中，发生低能见度天气的概率日变化较为明显，均在日出前后为高峰期，午后到傍晚为少发时段.远水体低山组中，低能见度天气发生频率的日变化为单峰型，峰值出现在05:00—08:00时，出现时段集中在01:00—09:00时，10:00—23:00间发生低能见度天气的概率非常小.远水体小气候组，低能见度天气发生频率的日变化为单峰型，峰值出现在08:00前后，谷值出现在下午到前半夜，峰、谷频率差别较大，各时次发生低能见度天气的概率均在8.0%以上.

另外，通过低能见度天气持续时间对比发现，除小气候影响下的山地区域低能见度平均持续时间最长(3.6 h)外，近水体坝下低能见度天气持续时间较长，平均持续时间为3.1 h,坝上持续时间最短，平均持续时间为2.7 h.三峡库区长江航道各站点中，坝上低能见度天气出现时段分散、持续时间较短，坝下低能见度天气时段集中、持续时间长.

三峡库首低能见度天气时空分布特征可见，对于库首区航道而言，近水体三峡坝上站点出现低能见度天气的季节、时次与其他站点有明显差别，由于水体影响，在秋冬季区域性大雾易发时段外，春、夏季也多有发生，日变化上发生低能见度天气峰区更宽，低能见度天气的出现与局地气象条件关系更密切，这是与其它站点最大的不同.分析表明库区坝上站点低能见天气发生的季节、时次与其他研究结果有差异，此地对通航影响较大，因而以下重点分析库区坝上低能见度天气与局地气象条件之间关系.

3 低能见度天气的局地气象要素环境特征分析

图4为2015年5月下旬至6月上旬秭归能见度、气温、湿度和风的逐3小时变化，另给出同时段宜昌站一天两次探空计算得到的BLH分布，可见坝上低能见度天气发生在低边界层、暖湿条件下；高能见度天气出现在高边界层、相对湿度较低时.

图4 2015年5月20日-6月10日秭归站能见度(m)和温度、地面风速(m/s)和相对湿度(%)、边界层高度(m)

由图4可知，5月27日、6月10日能见度较低且相对湿度较高、边界层高度低(见虚线方框)，5月21日和6月5日能见度较高且相对湿度较低、边界层高度较高(见实线方框)，利用这4日环流场分析大尺度环流对三峡库区能见度的影响.

刘骞等[16]研究结果表明，从长期来看，相对湿度、风速和气温这三种气象要素对能见度影响是最主要的，其中长江流域的能见度受相对湿度影响较大，其次是风速，影响最小的是气温.为了解不同因子对三峡库区能见度的影响，图5中对2 m温度、相对湿度、10 m风速共3个潜在影响因子的相关性进行分析.结果表明：能见度与2 m相对湿度相关性最强，呈显著负相关(R=-0.745，p<0.05)，大部时段低能见度天气均对应了地面的高相对湿度；与2 m温度相关性其次，为显著正相关(R=0.565，p=0.01)，1 d中气温较低时段能见度也较低；与10 m风速相关性较低，相关系数仅为0.2，这与文献[17]研究结果明显不同，这很有可能是由于此地处于山区，风力常年较小[18]，从而与能见度相关性较低.

由文献[19-20]可知，边界层高度对能见度影响也较大，利用08：00和20：00宜昌站边界层高度(BLH)和同时次能见度求相关系数，仅为0.21，相关性较低，这很有可能是由于高空探测密度较低及代表性导致的.前文中能见度日分布特征显示，坝上站点低能见度天气多发生在03:00—09:00时，而边界层高度的探测只有1 d两次，考虑到边界层高度是一个连续变量，可将边界层高度等距插值到逐3 h(与能见度观测同时次)，相关分析结果显示，能见度与边界层高度呈正相关(R=0.36，p<0.05)，大部分时段低的边界层高度对应了低能见度，当边界层高度较高时，能见度也较高.

图6为5月21日、5月27日、6月5日、6月10日925 hPa位势高度场、水平风场和相对湿度的分布，发现低能见度天气时，21日受高压脊影响，秭归附近为东北风，相对湿度仅30%～40%，6月5日也受高压脊影响，秭归附近为西北风，相对湿度为60%～70%；而高能见度天气时，5月27日秭归受低压场中偏西风影响，相对湿度为70～80%，6月10日则位于低压中冷锋后部西北气流影响，相对湿度为60%～70%.

图6 08：00时925 hPa位势高度、风场和相对湿度

位势高度-等值线，位势什米；风场和相对湿度-阴影；“+”-秭归站

4 结 论

1) 从低能见度天气发生频率上来看，近水体出现的频率高于远水体，这是水体影响及局地水汽条件的体现；在近水体组中，三峡库区低能见度天气出现在坝上的频率高于坝下.

2) 从低能见度天气发生频率的月份分布来看，近水体站点和远水体站点出现的时间也有明显区别，坝上近水体低能见度天气出现时间有别于季节性大雾天气多发时段.近水体坝上多出现在春季4-5月，夏季亦会出现，最少出现在冬季12—次年1月；清江流域和坝下最多出现在冬季11—次年1月，最少出现在春夏季5—9月；远水体低山组，冬多夏少，11月—次年3月较多；远水体小气候组，冬春多，夏秋少，远水体组低能见度天气与季节性大雾天气多发时段一致.

3) 日变化来看，坝上多出现在03:00—09:00，05:00最多，起雾早；坝下多发生在05:00—09:00，出现时段较为集中，起雾晚；清江多发生在04:00—08:00时，其中07:00多达15%概率会出现低能见度天气.远水体低山组多发生在05:00—08:00时，远水体小气候组中，低能见度天气发生得最多且全天各时次均会出现，宜昌站最多发生在06:00前后，曾家店09:00发生最多.

4) 位于航道上的三峡通航站点，能见度与相对湿度显著负相关，与温度、边界层高度相关性其次，呈显著正相关；由于山区风力普遍较小，因而此地风力与能见度无明显相关.

5) 对三峡通航低能见度天气环流特征分析表明，低能见度天气出现在925 hPa高压场中，高能见度天气出现在低压场中，能见度天气与925 hPa相对湿度相关性较小.