氣象因子對連霍高速公路（河南段）能見度影響特征分析

摘 要：根據(jù)2014—2015年連霍高速鄭州至三門峽段的交通氣象站和周邊8個國家站資料，分析其能見度的分布特征與影響因子。研究結(jié)果表明：連霍高速鄭州至三門峽段能見度日變化隨季節(jié)不同，春季日最低能見度主要發(fā)生在06：00—08：00，夏季日最低能見度時段主要發(fā)生在04：00—07：00，秋季日最低能見度時段主要發(fā)生在05：00—07：00，冬季日最低能見度主要發(fā)生在09：00—10：00。整體變化具有日出前后最低，15：00—16：00最高的日變化規(guī)律。能見度相關(guān)性最好的氣象要素主要是相對濕度，其次是氣溫和氣溫地溫差。能見度低于1 000m時主要為偏南風(fēng)、西南風(fēng)、偏西風(fēng)和東北風(fēng)，風(fēng)速主要為1～3m/s的微風(fēng)，其中風(fēng)速以東北風(fēng)最大。能見度大于1 000m時，主要為西風(fēng)、偏南風(fēng)和東風(fēng)，尤其是東風(fēng)風(fēng)頻明顯增大偏北風(fēng)占比非常少，主要風(fēng)向與交通氣象站所處的東西向山脈的地理位置相一致。

關(guān)鍵詞：連霍高速公路;能見度特征;氣象要素

中圖分類號：P427.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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，隨著社會的發(fā)展，高速公路建設(shè)里程逐年增長。由于高速公路具有技術(shù)等級高、設(shè)施完善、出入受限、車輛行駛速度快等特點，一旦由于低能見度而引發(fā)高速公路交通事故，往往都具有嚴(yán)重后果[1，2]。大量研究表明，當(dāng)霧天能見度降低到0.5km以下時，會對公路交通產(chǎn)生影響;能見度降低到0.2km以下時，會對公路交通產(chǎn)生顯著影響;能見度降低到0.05km以下時，會對公路交通產(chǎn)生十分嚴(yán)重的影響[3]。為滿足交通氣象工作服務(wù)的需要，全國多個省份的氣象部門在高速公路上沿途布設(shè)自動監(jiān)測站，并配備了自動能見度儀，有效地實現(xiàn)了對高速公路能見度的實時監(jiān)測[4-6]。其中，江蘇、安徽、廣東和河北等地區(qū)已開展了許多研究工作，對高速公路低能見度實時監(jiān)測特征、能見度演變規(guī)律以及局地性團(tuán)霧等進(jìn)行了詳細(xì)研究。河南省高速公路路網(wǎng)建設(shè)里程數(shù)位居全國第一位，對交通氣象方面的服務(wù)需求潛力巨大。本文根據(jù)高速公路交通自動站監(jiān)測提供的氣溫、地溫、相對濕度、風(fēng)速以及能見度數(shù)據(jù)，研究了高速公路自動站數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制方法，分析了河南省境內(nèi)高速路段能見度變化規(guī)律及氣象因子影響情況，為高速公路能見度預(yù)報工作提供統(tǒng)計依據(jù)[7-9]。

1 資料與方法

本文所用的數(shù)據(jù)資料，主要由2014—2015年連霍高速鄭州至三門峽段建設(shè)的10個交通氣象站和臨近的8個國家站所提供，研究要素選用氣溫、地面溫度、相對濕度、露點溫度、風(fēng)速、風(fēng)向以及降水量等。模式預(yù)報資料為EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品的氣溫、露點溫度、UV風(fēng)場等要素。由于交通氣象自動站安裝在道路旁邊，無人實時值守，數(shù)據(jù)質(zhì)量不可避免地會存在一些誤差，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前需要先進(jìn)行質(zhì)量控制。本文主要采用了四分位法、拉依達(dá)準(zhǔn)則法和人工剔除三種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。通過對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行控制，可以有效剔除數(shù)據(jù)的異常值，提高數(shù)據(jù)可用性。

2 連霍高速能見度氣候特診分析變化特征

為了獲得連霍高速交通站能見度的整體分布特征，分別研究了連霍高速10個交通氣象站的日變化、月變化和季節(jié)變化情況。

2.1 日變化特征

2014—2015年河南省連霍高速交通站能見度日變化如圖1所示。從圖1可以看出，能見度日變化隨季節(jié)不同，春季日最低能見度時段主要發(fā)生在06：00—08：00，夏季日最低能見度時段主要發(fā)生在04：00—07：00，秋季日最低能見度時段主要發(fā)生在05：00—07：00，冬季日最低能見度主要發(fā)生在09：00—10：00。整體具有日出前后最低，15：00—16：00最高的日變化規(guī)律。

2.2 月變化和季節(jié)變化特征

2014—2015年河南省連霍高速交通站低能見度日數(shù)月變化如圖2、圖3所示。分析圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，5—7月無低能見度日數(shù)發(fā)生，9—11月的秋季是低能見度的多發(fā)時期，同時秋季平均能見度全年最低。

3 連霍高速能見度影響因子分析

3.1 氣象要素與能見度相關(guān)性分析

本文研究的氣象要素主要為連霍高速交通氣象站觀測的地面要素，首先對能見度與各氣象要素進(jìn)行相關(guān)性分析，分別計算了有降水和無降水時各氣象要素與能見度的相關(guān)系數(shù)。

有降水時各氣象要素與能見度的相關(guān)系數(shù)如表1所示。從表1可以看出，相關(guān)性最好的是相對濕度，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.68以上;相關(guān)性較差的是氣溫、氣溫地溫差和風(fēng)速，相關(guān)系數(shù)在0.1左右;相關(guān)性最差的是地面溫度和降水量，相關(guān)系數(shù)低于0.05。從無降水時各氣象要素與能見度的相關(guān)系數(shù)可以看出，相關(guān)性最好的是相對濕度，相關(guān)系數(shù)高于0.6;相關(guān)性較好的地面溫度、氣溫地溫差和風(fēng)速，相關(guān)系數(shù)大于0.2;相關(guān)性較差的是氣溫，相關(guān)系數(shù)在0.1左右。對比分析表1有降水時和無降水時可以看出，與能見度相關(guān)性最好的氣象要素主要是相對濕度，即水汽條件，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.6以上;降水條件會明顯影響地面溫度和風(fēng)速與能見度的相關(guān)關(guān)系。

為了細(xì)致分析不同能見度與氣象要素的相關(guān)性，依照交通氣象能見度指數(shù)預(yù)報等級將能見度分級別進(jìn)行研究，具體結(jié)果如表2所示。這里需要注意，由于目前的資料中，降水條件下的低能見度數(shù)據(jù)較少，不利于研究相關(guān)性，同時降水會影響其他氣象要素對能見度的影響，故而對剔除降水的數(shù)據(jù)進(jìn)行重點分析。

從表2中可以看出，當(dāng)能見度大于1 000m時，各氣象要素與能見度的相關(guān)性與不分級情況下各氣象要素與能見度的相關(guān)性趨于一致，具有一定的規(guī)律性，即與相對濕度的相關(guān)性最大，其次是地面溫度和氣溫地溫差。而在能見度小于1 000m的情況下，各氣象要素與能見度的相關(guān)性在不同的級別下，具有不同的相關(guān)特征。其中，能見度為500～1 000m時，各氣象要素與能見度的相關(guān)性都不太高，只有相對濕度接近0.3，其他的都在0.1左右;能見度在小于50、50～200m和200～500m這三個區(qū)間段中，各氣象要素與能見度的相關(guān)性都不好，但能見度小于500m時各氣象要素與能見度的相關(guān)性較好，其中與地溫和氣溫的相關(guān)性最好。這可能是由于能見度低于500m時，相對濕度一般大于80%，空氣中水汽趨于飽和，在這種情況下，溫度的變化對水汽的凝結(jié)起主要作用，進(jìn)而影響能見度的變化。以上結(jié)果表明，能見度大于1 000m或小于500m時，可預(yù)報條件較好;能見度為500～1 000m時，可預(yù)報條件較差;能見度低于500m時，更精細(xì)級別的預(yù)報條件暫時并不具備。

3.2 不同級別能見度下氣象要素的分布

3.2.1 相對濕度的分布。相對濕度是影響能見度的重要因子，形成低能見度時大氣一般是飽和的或接近飽和的，但是當(dāng)有大量的凝結(jié)核存在時，相對濕度不一定達(dá)到100%就可能達(dá)到飽和而形成低能見度，不同級別能見度的相對濕度分布如圖4所示。從圖4可以看出，隨著相對濕度數(shù)值的增大，其占比隨之增大。相對濕度越大，越容易出現(xiàn)低能見度情況。能見度為1～10km時，相對濕度90%以上所占比例低于5%，其他相對濕度的占比主要是隨著相對濕度的降低而遞減;能見度為500～1 000m時，相對濕度主要分布在70%以上，其中相對濕度70%的占比較小，主要還是集中在80%以上;能見度在低于500m時，相對濕度主要分布在80%以上，其中能見度為200～500m時，相對濕度在80%以上的占比超過90%;能見度為50～200m時，相對濕度在80%的占比達(dá)到100%;能見度小于50m時，相對濕度的分布主要集中在80%～90%之間，且與其他區(qū)間有所不同，并非濕度越高占比越大。說明在低能見度時其水汽幾乎都是近于飽和的，同時只要有足夠的凝結(jié)核，相對濕度為80%～100%都可形成低能見度。上述對相對濕度分布情況的分析表明，由于低能見度時相對濕度主要分布在80%以上，在進(jìn)行預(yù)報時，可以將相對濕度80%作為閾值，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分別處理。

3.2.2 氣溫的分布。飽和水汽壓與氣溫變化密切相關(guān)，其隨著氣溫下降而降低，可見，氣溫對低能見度的形成也具有重要的影響。當(dāng)氣溫下降時，近地面的空氣相當(dāng)潮濕，那么在氣溫下降到一定程度達(dá)到或接近飽和時，空氣中的部分水汽就會凝結(jié)成小水滴，懸浮在近低層空氣中從而形成強(qiáng)的效果作用，具體結(jié)果如圖5所示。能見度低于50m時，氣溫主要為19～24℃，呈單峰變化;能見度高于50m時，氣溫為-5～25℃，呈雙峰變化，一個波峰在-5～5℃，另一個波峰在15～25℃。結(jié)合前面能見度的季節(jié)分布特征分析可知，低能見度日數(shù)主要分布在秋季和冬季，與氣溫的分布相對應(yīng)。

3.2.3 地溫的分布。地面溫度能直接反映出地面輻射熱量情況，輻射冷卻地面，然后通過傳導(dǎo)、冷卻近地面的空氣，地面的強(qiáng)輻射冷卻到露點會形成低能見度，不同級別能見度的地溫分布如圖6所示。從圖6可以看出，能見度低于50m時，地溫分布在0℃以上，主要集中在25～30℃;能見度大于50m時，地溫為16℃時占有較高比例，其他地溫分布也呈現(xiàn)雙峰變化，一個波峰分布在0～10℃，另一個波峰分布在20～30℃，與氣溫變化較為一致，溫度相差5℃。

3.2.4 氣溫地溫差的分布。氣溫和地溫差能夠反映出地面輻射與氣溫的變化關(guān)系，不同級別能見度的氣溫地溫差分布如圖7所示。從圖7可以看出，能見度低于50m時，差值分布在-9～-1℃，表明氣溫都是低于地溫的;能見度在50～200m以及200～500m時，差值為-15～10℃，除了在-15℃有少量分布外，主要呈一高一低雙峰分布。高峰分布在-4～0℃，峰值為-3℃左右;低峰分布在1～10℃，峰值為4℃左右，溫度表現(xiàn)出和地面溫度類似的季節(jié)特征;能見度高于1 000m，氣溫地溫差的分布就比較接近于正態(tài)分布特征。

3.2.5 風(fēng)速的分布。適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速是低能見度發(fā)生的一個重要因素，不同級別能見度下風(fēng)速分布如圖8所示。從圖8可以看出，能見度低于500m時，風(fēng)速主要為0～3m/s;隨著能見度的降低，所占的比率隨著增加，靜風(fēng)所占的比例都比較小。在能見度降為50m之前，風(fēng)速在2m/s的占比高于靜風(fēng);當(dāng)能見度低于50m時，風(fēng)速主要集中在1m/s左右，占比在60%以上;靜風(fēng)占比10%，表明微風(fēng)更有利于低能見度的形成。

3.2.6 風(fēng)向的分布。對研究時段內(nèi)的風(fēng)向進(jìn)行統(tǒng)計，不同級別能見度下風(fēng)向分布如圖9所示。從圖9可以看出，能見度低于500m時，主要為偏南風(fēng)、西南風(fēng)、偏西風(fēng)和東北風(fēng)，風(fēng)速主要為1～3m/s，其中風(fēng)速以東北風(fēng)最大。能見度低于50m時，主要為偏南風(fēng)、西南風(fēng)和西風(fēng)，風(fēng)速主要為1m/s，同時也存在少量2～3m/s的東北東風(fēng)。能見度在500～1 000m時，風(fēng)向分布特征與能見度低于500m時的分布特征相一致。而能見度大于1 000m時，主要為西風(fēng)、偏南風(fēng)和東風(fēng)，尤其是東風(fēng)風(fēng)頻明顯增大，偏北風(fēng)占比非常少，主要風(fēng)向與交通氣象站所處的東西向山脈的地理位置相一致。

4 結(jié)論

本文利用2014—2015年連霍高速鄭州至三門峽段建設(shè)的10個交通氣象站和臨近的8個國家站提供的資料，研究不同能見度的氣象分布特征與影響因子，結(jié)論如下。

①通過四分位法和依達(dá)準(zhǔn)則相結(jié)合的方法，可以有效剔除高速公路交通氣象站數(shù)據(jù)中的異常值，提高數(shù)據(jù)的可用性。

②能見度日變化隨季節(jié)不同，春季日最低能見度時段主要發(fā)生在06：00—08：00，夏季日最低能見度時段主要發(fā)生在04：00—07：00，秋季日最低能見度時段主要發(fā)生在05：00—07：00，冬季日最低能見度主要發(fā)生在09：00—10：00。整體具有日出前后最低，15：00—16：00最高的日變化規(guī)律。

③氣象要素影響因子中與能見度相關(guān)性最好的氣象要素主要是相對濕度，其次是氣溫和氣溫地溫差。能見度低于1 000m時主要為偏南風(fēng)、西南風(fēng)、偏西風(fēng)和東北風(fēng)，風(fēng)速主要為1～3m/s，其中風(fēng)速以東北風(fēng)最大。能見度大于1 000m時，主要為西風(fēng)、偏南風(fēng)和東風(fēng)，尤其是東風(fēng)風(fēng)頻明顯增大偏北風(fēng)占比非常少，主要風(fēng)向與交通氣象站所處的東西向山脈的地理位置相一致。

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