商丘市视程障碍天气现象特征及其影响分析

张云霞， 史桂芬， 檀艳静

（1.商丘市气象局，河南商丘 476000； 2.河南省气候中心，郑州 450003； 3.周口市气象局，河南周口 466000）

视程障碍现象包括轻雾、雾、霾、沙尘暴、扬沙、浮尘、雪暴、吹雪会造成空气能见度下降的天气现象，也叫低能见度天气现象［1-3］. 低能见度是影响公路交通安全的气象灾害之一，通常由雾、沙尘暴、强降水等引起［4］.段玮等［5］研究表明，云南最主要的视程障碍天气是雾与轻雾；黄晓龙等［6］对四川9种视程障碍天气现象发生天数和分布特征进行分析，发现轻雾和雾的发生概率远大于其他几种天气现象. 有学者［7-9］对低能见度气候特征进行了分析，发现雾是影响公路低能见度的主要因素. 有关低能见度天气的研究多为雾和霾［10-12］，而关于综合、长时间序列的视程障碍现象研究开展较少. 李蔼恂等［13］研究表明，我国中西部公路大部地区处在能见度灾害风险的低风险区. 张婉莹等［14］、田华和王亚伟［15］研究辽宁沿海高速公路浓雾气候特征发现秋季浓雾日数占全年的比率最高，蒲金涌等［16］对影响宝天高速公路视程障碍的天气现象分布和趋势等进行分析，提出沙尘暴属小概率事件，浮尘及扬沙主要出现在3—5 月. 有关河南和商丘的视程障碍天气现象研究较少，李兆阳［17］研究发现，河南中部为空气能见度低值中心，华北地区冬季空气能见度存在周期为12 年的波动. 田力对河南［18］、脱宇峰等［19］对济源市能见度研究均发现日出前后能见度最低，15时—17时最高. 春季能见度最好，主要受风场影响. 李俊忠和庞昕［20］在2004 年对商丘能见度做了简要分析. 本文利用商丘市8 个气象站1961—2020年轻雾、雾、扬沙、沙尘暴、霾、浮尘这6种视程障碍天气现象观测资料，分析商丘市视程障碍天气现象特征及其对交通的影响，为科学认识视程天气现象特征提供参考，对气象服务高速公路防灾减灾有一定指导作用.

1 资料和方法

1.1 资料来源

1961—2020年的轻雾、雾、扬沙、沙尘暴、霾、浮尘视程障碍天气现象数据资料来自商丘市所辖睢县、民权、商丘、虞城、柘城、宁陵、夏邑、永城8个国家气象观测站，并根据文献［1］中的观测规范要求观测；商丘市的视程障碍数据系以上8个站点相应数据的平均值；常年视程障碍值为1981—2010年的平均值；历年视程障碍平均值使用1961—2020年的平均值. 空气能见度取一天当中的02时、08时、14时、20时4个时次的观测数据.

1.2 研究方法

1）天气现象日数的年际变化趋势采用气候倾向率方法［21-22］，通过显著性统计检验进行判断：

式中：y为天气现象要素的拟合值；t为研究时间范围（1961—2020年）；a0为常数项；a1为线性趋势项，把a1x10年称为每10 a的变化趋势.

2）某种天气现象发生概率的计算：

式中：F为某种天气现象的发生概率；D为某种天气现象出现的天数；t为时间.t代表年份时其值为365；代表季节时，冬、春、夏、秋各为90、92、92、91；代表月份时，按当月天数选该值（31、30、28或29）.

3）利用SPSS进行气候统计、气候倾向率、回归分析、趋势分析、对比分析和相关分析；利用Matelab绘制相关要素的时间序列图和M-K突变检验.

2 结果与分析

2.1 视程障碍天气现象天数变化

2.1.1 轻雾、雾、霾 商丘市1961—2020年（60 a）年平均轻雾、雾、霾天气均呈增加趋势，气候倾向率分别为18.0、2.9、4.9 d/10 a（图1）；年平均天数分别为201.2、25.9、15.0 d；日出现概率分别为55.1%、7.1%、4.1%；年平均轻雾、雾、霾天气最多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）；霾天气2013—2020年以来进入特别偏多阶段，平均58.3 d/a.

图1 商丘市1961—2020年年平均轻雾、雾、霾时间变化Fig.1 Changes in the average number of light fog，fog and haze days in Shangqiu from 1961 to 2020

年平均轻雾天气20世纪60年代最少（122.5 d），2001—2010年最多（238.1 d）；1991—2020年轻雾天气平均值226.3 d（日出现概率62.0%），较1961—1990年平均值176.1 d偏多50.2 d（图2）.

图2 商丘市1961—2020年平均轻雾、雾、霾时间的年代变化Fig.2 The chronological variation of the average number of light fog，fog and haze days in Shangqiu from 1961 to 2020

年平均雾天气年代大致呈“少—多—少—多”趋势，即20世纪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年减少到25.6 d（少）、2011—2020年又增加到28.3 d（多），年代最多与最少相差25.9 d；1991—2020年雾天气平均值30.7 d（日出现概率8.4%）较1961—1990年平均值21.0 d多9.7 d.

霾天气年代变化大致呈“少—多—少—多”走向，由20 世纪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年霾天气平均值21.1 d（日出现概率5.8%）较1961—1990 年平均值10.5 d偏多10.6 d.

商丘市1961—2020年平均轻雾天气主要集中在秋、冬季，秋季最多，为59.2 d，占年总数的29.4%，日出现概率65.1%；冬季次多，为52.2 d，占年总数25.9%，日出现概率58.0%；夏季次少，为45.9 d，占年总数22.8%，日出现概率51.0%；春季最少，为43.9 d，占年总数21.8%，日出现概率47.7%. 60.0%轻雾天气集中在7—12 月（图3），10 月最多，为21.1 d，占年总数的10.5%，日出现概率68.1%；2 月最少，为13.6 d，占年总数的6.8%，日出现概率48.6%.

平均雾天气以冬、秋季较多，为17.1 d，占年总数的66%，日出现概率9.4%；春、夏季较少，为8.8 d，占年总数的34.0%，日出现概率4.8%. 51.2%雾天气集中在10月—翌年1月（图3）；12月最多，为3.8 d，占年总数的14.7%，日出现概率12.3%；5—7月出现较少，占年总数的13.3%；6月最少，为0.8 d，占年总数的2.9%，日出现概率3.1%.

图3 商丘市1961—2020年平均轻雾、雾、霾时间的月分布Fig.3 Monthly distribution of the average number of light fog，fog and haze days in Shangqiu during 1961-2020

平均霾天气冬季最多（7.1 d）；春秋次之（各3.8 d）；夏季最少（1.2 d）；分别占年总数的44.8%、23.9%和7.4%，日出现概率分别为7.9%、4.2%和1.3%. 86.7%霾天气集中在10月—翌年4月，12月最多（2.6 d），占年总数的16.4%，日出现概率8.4%；5—8 月出现较少，占年总数的13.3%；8月最少（0.1 d），占年总数0.6%，日出现概率0.3%.

对商丘市1961—2020 年年平均轻雾、雾、霾日数变化时间序列进行M-K突变检验：年轻雾和雾天气均在1975 年前后发生由少到多的突变，1975 年前平均值分别为15.4、141.2 d，之后平均值分别为29.4、219.9 d，分别相差14.0和78.7 d；年霾天气在1981年前后发生由少到多的突变，1981年前平均值12.3 d，之后16.6 d，平均值相差4.3 d（图4）.

图4 商丘市1961—2020年年平均轻雾、雾、霾时间序列M-K检验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 扬沙、沙尘暴、浮尘 商丘市1961—2020年平均扬沙、沙尘暴天气呈显著减少趋势，但浮尘天气减少趋势不显著（图5）. 扬沙、沙尘暴、浮尘的气候倾向率分别为-3.41、-1.0、-0.2 d/10 a，年平均分别为7.5、1.5、2.0 d，日出现概率分别为2.0%、0.4%、0.5%. 年平均最多扬沙天气25.5 d（1968年），2003、2011、2019年未出现扬沙天气；年平均最多沙尘暴天气11.5 d、浮尘天气10.5 d（1988年）；有25 a未出现沙尘暴，9 a未出现浮尘.

图5 商丘市1961—2020年平均扬沙、沙尘暴、浮尘天气变化Fig.5 Variation of annual average blowing sand，sandstorm and floating dust days from 1961 to 2020 in Shangqiu

2004年以后扬沙天气进入偏少期（0.4 d/a），1999年以后沙尘暴天气进入偏少期. 浮尘天气1961—1979年和2003年以后为偏少阶段（0.3 d/a）. 2011—2020年扬沙、沙尘暴、浮尘天气最少（0.3、0.0、0.1 d/a），扬沙、沙尘暴天气在20世纪60年代最多（16.4、6.0 d/a），浮尘天气在20世纪80年代最多（5.3 d/a）（图6）. 1991—2020年扬沙、沙尘暴、浮尘天气平均值分别为1.9、0.0、1.4 d（出现概率0.5%、0.0%、0.4%），与1961—1990 年平均值（12.7、2.7、2.5 d）相比，分别减少10.8、2.7、1.1 d.

图6 商丘市1961—2020年扬沙、沙尘暴、浮尘平均年代变化Fig.6 The mean chronological variation of blowing sand，sandstorm and floating dust days in Shangqiu from 1961 to 2020

纵观1961—2020 年的视程障碍天气，扬沙天气在春季最多（3.3 d），冬季次之（2.1 d），夏、秋季最少（各0.9 d），分别占年总数的46.3%、29.6%和12.0%，日出现概率为3.6%、2.3%和1.0%. 85.4%扬沙天气集中在12 月—翌年6 月，3、4 月最多（各1.3 d），占年总数的18.1%；7—11 月出现较少，占年总数的14.5%；8 月最少（0.1 d），占年总数的1.4%. 沙尘暴天气在春季最多（0.7 d），冬、夏次之（各0.3 d），秋季仅出现5 d；春季沙尘暴天气占年总数的53.8%、冬、夏季各占23.1%. 92.1%的沙尘暴天气集中在12月—翌年6月，4月最多（0.3 d），占年总数的23.7%；7—11月较少，占年总数的7.9%，9月最少（仅柘城和夏邑各出现1 d）. 浮尘天气在春季最多（1.1 d），冬季和秋季次之（0.6、0.3 d），夏季仅出现过1 d；春季、冬季和秋季浮尘天气占年总数的55.0%、30.0%、15.0%. 88.3%扬沙天气集中在11月—翌年4月，4月最多（0.5 d），占年总数的25.8%，5—10 月出现较少，占年总数11.7%；7月和8月没有出现过（图7）.

图7 商丘市1961—2020年平均扬沙、沙尘暴、浮尘月分布Fig.7 Monthly distribution of the average number of blowing sand，sandstorm and floating dust days in Shangqiu from 1961 to 2020

从1961—2020 年商丘市年平均扬沙、沙尘暴、浮尘天气变化时间序列M-K 突变检验（图8）. 图中UF为按某一视程障碍要素样本顺序列出的统计量变化曲线，UB为其逆序列计算出的统计量变化曲线. 从图中可以看出：扬沙天气在1995 年前后发生由多到少的突变，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；沙尘暴天气在2000年前后发生由多到少的突变，1961—2000年平均值2.2 d，2001—2020年间仅2006年出现过1 d；浮尘天气无明显的突变点.

图8 商丘市1961—2020年年平均视程障碍天气时间序列M-K检验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 天气现象的相关性及对交通的影响

商丘市1961—2020年年轻雾与雾、扬沙与沙尘暴天气呈显著正相关，相关系数分别为0.60、0.747，年浮尘与霾呈显著正相关，相关系数0.404，通过99%的信度检验. 其余视程障碍天气现象之间相关性不明显.

空气能见度在2 km以下即对高速公路的正常行车速度构成影响. 据统计，高速公路上因浓雾影响造成的交通事故是平时的10倍［16］. 商丘市内有连霍高速和京广澳国家高速公路，影响商丘市高速公路行车速度的视程障碍天气现象主要有雾、轻雾和霾，扬沙、沙尘暴和浮尘出现概率较小，沙尘暴2007—2020年未出现.

商丘市1961—2020年空气能见度＜1.0 km和1.0～2.0 km年出现总次数分别为5.5和8.2次/10 a，呈显著增加趋势（图9）. 能见度＜1.0 km平均24.7次/a，年最多为73.5次（2017年），86.3%集中在08时和02时，08时出现次数最多（13.7 次/a），占总次数的55.5%；14 时和20 时出现次数较少，14 时最少（1.3 次/a），占总次数的5.3%. 能见度1.0～2.0 km出现总次数23.4次/a，年最多134.5次（2016年），70.9%集中在02时和08时，08时出现次数最多（11.1 次/a），占总次数的47.4%；14 时和20 时出现次数较少，14 时最少（2.7 次/a），占总次数的11.5%. 空气能见度＜2.0 km主要出现在02时和08时（表1）.

表1 商丘市1961—2020年定时能见度＜1.0 km和1.0～2.0 km出现次数Tab.1 The occurrence times of regular visibility ＜1.0 km and 1.0～2.0 km in Shangqiu City from 1961 to 2020

图9 商丘市1961—2020年年空气能见度＜1.0 km和1.0～2.0 km出现次数Fig.9 The total number of visibility ＜1.0 km and 1.0～2.0 km in Shangqiu from 1961 to 2020

3 结论和讨论

1）商丘市1961—2020年年平均轻雾、雾、霾天气分别以18.0、2.9、4.9 d/10 a呈显著增加趋势，轻雾和雾的天数在1975年发生突变，霾的天数在1981年发生突变；扬沙和沙尘暴天气以-3.4、-1.0 d/10 a呈显著减少趋势，并分别在2000年和1995年发生突变.

2）年平均轻雾、雾、霾、扬沙、沙尘暴、浮尘天数分别为201.2、25.9、15.0、7.5、1.5、2.0 d，日出现概率分别为55.1%、7.1%、4.1%、2.1%、0.4%、0.5%. 出现霾的天气以2011—2020年最多，尤其是2013年以后；扬沙、沙尘暴、浮尘日数2011—2020年均最少，2007—2020年商丘市未出现沙尘暴天气.

3）轻雾和雾天气以秋冬季最多，霾天气在冬季最多. 10月轻雾最多，日出现概率68.1%；51.1%雾天气集中在10月—翌年1月，12月最多，日出现概率12.3%；86.7%霾天气集中在10月—翌年4月，12月最多，日出现概率8.4%. 扬沙、沙尘暴和浮尘天气均在春季最多，12月—翌年6月集中了85%扬沙天气、92%沙尘暴天气；88%扬沙天气集中在11月—翌年4月.

年平均轻雾与雾、扬沙与沙尘暴天气呈显著正相关，相关系数分别为0.60和0.747；年浮尘与霾呈显著正相关，相关系数0.404.

4）商丘市影响高速公路行车速度的视程障碍天气现象主要是雾、轻雾和霾，扬沙、沙尘暴和浮尘为小概率事件. 能见度＜1.0 km 的天气平均24.7 次/a，以5.5 次/10 a 呈显著增加趋势，86.3%集中在08 时和02 时；1.0～2.0 km的平均23.4次/a，以8.2次/10 a呈显著增加趋势，70.9%集中在08时和02时. 能见度＜2.0 km的时间主要出现在02时和08时.