北京机场高速公路能见度与大气动力和热力因子的诊断及物理分析

根据首都国际机场高速公路专业气象自动监测站网所提供的高时间分辨率资料,结合大尺度背景场对大气能见度演变的动力热力条件和各级能见度条件下对应的主要气象要素特征进行分析。结论如下：1）在低频时间尺度,大气能见度的低频变化有如下的规律：850hPa垂直速度与能见度呈现同位相关系,并通过垂直速度影响水汽变化,进而通过水汽的Rayleigh散射与水粒子的Mie散射来影响大气能见度的变化,反映出大尺度动力因子与水汽共同作用影响了大气能见度变化。500-850hPa之间的位温差与能见度的反位相关系,反映出大气稳定度控制了大气边界层的分子扩散和湍流扩散,即通过热力因子影响大气能见度。但要注意,能见度的变化并不是由某一个单因子所决定的,必须综合考虑动力、热力和水汽等多个因子的相互制约。2）造成2005年1月和2006年1月能见度差异的主要原因是垂直速度和水汽的差异,即垂直下沉运动时,水汽易于燥,比湿较小,能见度较高,故2005年1月能见度比2006年1月高。3）能见度的等级分布与大气湿度、温度以及风速有重要的物理联系,尤其是温度在0℃以下,冰面饱和水汽压低于水面饱和水汽压时,有利于雾的形成,从而使得能见度较低。4）200-1000m的低能见度出现频数的日变化呈现以午时为低中心的U型分布,并且1000m以下的低能见度一定对应了低温、高湿和微风,但这只是必要条件,并不是其发生的充分条件,尤其对于200m以下的浓雾。而对大于4000m的较高能见度,其出现频数的日变化呈以午时为高中心的拱形分布。     

北京地区大气能见度变化规律及影响因子统计分析

1990～ 2 0 0 0年北京地区大气能见度的统计分析表明 ,大气能见度有明显的年际变化、季节变化和日变化特征。冬、春、秋三季及全年日平均年际变化表现为 2 0世纪 90年代中期能见度较好 ,前期和末期能见度较差 ,2 0 0 0年能见度迅速好转 ;夏季能见度年际变化在 1997年以前与其他季节相反 ,1995年能见度最差。大气能见度与同期地面气象条件和主要污染物浓度的相关性比较表明 ,春、夏、秋三季以空气湿度、PM10 和风速为主要影响因子 ,冬季以PM10 、SO2 、空气湿度和风速为主要影响因子。能见度与相对湿度和空气污染物浓度呈反相关 ,与风速的相关性较为复杂 (有时呈正相关 ,有时呈反相关 ) ;高湿度 (相对湿度 f≥ 80 % )、小风速 (地面风速u≤ 2m·s-1)和雾是造成低能见度的主要气象条件 ;污染物浓度对能见度的影响以冬季最为明显 ,秋季次之 ,夏季最差     

北京高速公路大气能见度与气象条件的相关分析

从能见度与气象要素的日变化、逐月变化、季节变化特征以及不同等级能见度与对应气象要素平均值的依赖关系等不同角度,统计分析了北京首都机场和八达岭高速公路大气能见度与地面气象要素的相关性,并进行了高速公路大气能见度与地面气象要素相关性普查。结果表明,北京高速公路大气能见度与相对湿度呈明显负相关,与风速和气压呈正相关,高湿和小风是出现低能见度的主要气象条件。     

武汉大气能见度与PM2.5浓度及相对湿度关系的非线性分析及能见度预报

武汉作为中部地区高湿度代表城市,大气污染严重,霾天气多发,但有关该地区大气能见度与PM2.5浓度及相对湿度(RH)的定量关系尚不明确。利用2014年9月—2015年3月武汉地区逐时能见度、相对湿度及颗粒物质量浓度观测数据,研究分析了武汉大气能见度与PM2.5浓度及相对湿度的关系,并进行能见度非线性预报初探,得到以下结论:武汉霾时数发生比例高,霾的发生和加重是能见度降低的主要原因;能见度降低伴随大量细粒子产生和累积,这是武汉大气能见度恶化的重要诱因。细颗粒物浓度与相对湿度共同影响和制约大气能见度变化,高湿高浓度时能见度显著下降,湿情景下(RH≥40%),能见度恶化主要是由湿度增高诱使细颗粒物粒径吸湿增长导致其散射效率增大造成的。当RH >90%时,能见度随湿度升高成线性递减,相对湿度每升高1%,武汉平均能见度降低0.568 km。而干情景下(RH2.5质量浓度升高。在城市大气细粒子污染背景下,能见度与相对湿度成非线性关系,这主要与PM2.5对能见度的影响及吸湿性颗粒物的散射效率变化有关。PM2.5浓度与能见度成幂函数非线性关系,80%≤RH2.5浓度对能见度的影响敏感阈值是随着湿度升高而减小的,干情景下能见度10 km对应的PM2.5浓度阈值为70 μg/m3,湿情景下该阈值为18—55 μg/m3。当PM2.5质量浓度低于约40 μg/m3时,继续降低PM2.5可显著提高武汉大气能见度。预报试验表明,基于神经网络方法建立大气能见度非线性预报模型是可行的,预报能见度相关系数为0.86,均方根误差为1.9 km,能见度≤10 km的TS评分为0.92。网络模型具有较高预报性能,对霾的判别有较高准确性,为衔接区域环境气象数值预报模式,建立大气能见度精细化动力统计模型提供参考依据。      

南阳市大气能见度变化趋势及影响因子分析

利用南阳市1995-2005年大气能见度和地面气象要素的观测资料及南阳市环境检测站提供的近3 a空气污染物监测数据,统计分析了近10 a南阳市大气能见度变化特征及其与气象要素和空气污染物的关系,结果表明:南阳市能见度年际变化呈缓慢波动上升趋势,夏秋季节2001年之后呈波动下降趋势;冬季能见度最低,春季最高;能见度月变化呈双峰型,第一个峰值在5月份,第二个峰值在9月份;一日之中,08时能见度最差,14时最好.能见度与同期气象要素及污染物浓度的相关分析表明,能见度与相对湿度、空气污染物PM10浓度呈显著性负相关,与NO2、SO2浓度负相关性较弱,与风速和气压呈弱的正相关,与温度的相关性较为复杂,雾是影响能见度的主要天气现象之一.     

南岭山地高速公路雾区恶劣能见度研究

使用2003年10月-2005年3月南岭山地京珠高速公路粤北段云岩雾区路段5套能见度仪的每分钟能见度资料和3套自动气象站的每分钟温度、湿度、风向、风速等气象要素资料, 分析研究了南岭山地高速公路雾区浓雾的能见度特征.结果表明, 南岭山地高速公路雾区各月雾日频率以1月最多, 近一半的天数都有雾; 3月次之, 7月最少.11月到次年5月雾日占全年雾日的80%以上, 形成明显的"雾季".南岭山地高速公路雾区浓雾存在日变化, 雾的频率在一天内凌晨最高, 午后最低, 明显比辐射雾的日变化小, 说明夜间辐射降温虽然不是南岭山地高速公路雾区起雾的主要原因, 但还是起到了一定的加强作用.虽然南岭山地雾区大气中含有丰富的凝结核, 南岭山地形成浓雾还是需要较高的相对湿度, 相对湿度至少要达到91%以上才能形成雾.在雾区出现5.2 m/s的大风时仍然有雾, 有雾时90%以上的风速在3 m/s以下, 有几乎一半的浓雾出现时风速在2 m/s左右, 这与辐射雾形成时大都是静小风的情况形成了鲜明对照.南岭山地高速公路雾区浓雾受地形影响比较大, 迎风坡出现雾的频率比背风坡高.     

厦门能见度的准周期性变化

利用厦门机场2000～2002三年白天（08～20时）逐时能见度及相应的相对湿度、风资料，通过统计方法和小波分析，发现厦门能见度有显著的日变化、季节变化、季节内和准两周等不同尺度的变化，并且分析了这几种变化的基本特征。在每天有记录的时刻08～20时，能见度日变化明显，在清晨、傍晚最低，午后最高；能见度存在季节变化，在一年中3～5月能见度最低，这正对应着厦门的雾季，厦门地区的能见度与当地的雾关系密切；能见度还存在显著的季节内（30～60d）变化和准双周（10～20d）变化，这与东亚季风区内的大气振荡有关。     

基于AWOS数据的南京禄口机场低能见度特征统计研究

利用南京禄口机场2011 2016年分钟级地面观测数据对禄口机场低能见度现象进行分析,统计低能见度天气发生的时间分布特征;分析其他气象要素与能见度的关系,归纳低能见度天气下各气象要素的阈值,建立低能见度天气的预警指标。结果发现,禄口机场发生低于2 000 m能见度现象时,逐月平均相对湿度均超过90%,表明禄口机场低能见度主要是由雾造成的。禄口机场能见度表现出明显的季节、次季节变化特征,呈现双峰双谷结构,4月及7、8月为两个峰值,6月及12月和次年1月为两个谷值。这种特征的形成与近地层大气的温度、湿度、层结有密切关系。能见度分布具有较为明显的日变化特征,凌晨至早晨能见度最低,午后能见度达到最高,秋季能见度的日变化幅度较大,冬季低能见度可能出现的时间分布范围广。通过分析发现能见度与气象要素之间的关系复杂,并不呈现某种线性关系。分析不同等级低能见度天气对应的气温、温度露点差、水平风速范围,发现气温在不同月份有较大差异,温度露点差及水平风速的范围较稳定。     

南岭山地浓雾的宏微观物理特征综合分析

通过对南岭山地进行的雾野外观测资料以及数值试验的综合分析,得到了南岭山地浓雾和能见度的季节分布特征、雾滴谱微观特征与浓雾形成的物理概念图像。在秋末和冬春季节,南岭山地恶劣能见度出现的频率很高,能见度≤200 m浓雾过程的出现频率平均为24.7%,最高可达41.8%;冬春季节南岭山地出现的雾是复杂的微物理过程、局地地形、水汽输送与影响天气系统等宏微观相互作用的结果,属于平流雾、爬坡雾类型,与辐射雾明显不同,局地山地抬升冷却凝结对雾的形成起重要的作用,迎风坡对雾的形成有利,在海拔较低的迎风坡也可能出现浓雾,从而导致低能见度;南岭山地的雾以小滴谱为主,数密度比城市雾小,小粒子段谱型基本呈下降趋势;在多个微观变量中,含水量与能见度的反相关性最好;雾含水量等微结构特征量的起伏变化,与雾体本身的微物理过程有关外,雾体随环境风的平移过程中,不规则的爬坡、翻越山坡的运动是造成雾体微结构不均匀、振荡起伏变化的重要原因。     

西咸高速公路低能见度特征及影响因子分析

利用西安咸阳国际机场高速公路（简称西咸高速公路）3个8要素气象监测站2013年8月至2019年12月逐小时资料、部分时段的逐分钟资料,对能见度＜1 000 m的低能见度（用v代表低能见度）统计分析,结果发现,造成西咸高速公路低能见度现象的主要天气为大雾、霾和强降水。霾造成的低能见度出现次数最多且时间最长,雾造成的低能见度对高速公路的通行状态影响最大;一日中,低能见度出现的概率凌晨最大,下午最小,其中50 m≤v＜200 m出现概率最高,是08时的186%;月平均低能见度时数在年内呈两高一低分布,1—4月、9—12月为高峰区,5—8为低谷区;3个监测站的年平均低能见度时数呈现由南向北依次增多的趋势。雾的影响因素主要是相对湿度和温度,当湿度达到一定饱和度后,近地面温度的连续降低对能见度的下降有一定的指示意义。在霾天气中,PM25质量浓度的高低对能见度有重要影响。强降水使能见度快速下降,当雨强大于13 mm/min时能见度可降至200 m以下,降水强度的预报对低能见度的预报预警有重要意义。     

2007—2010年北京自动站浓雾特征分析与临近预报初探

为探索北京地区浓雾天气特征和临近预报方法,分析了北京2007-2010年18个道面自动站能见度1000 m以下的天气资料.结果表明:①浓雾具有明显的日变化和年变化.05:00-09:00是高发时段,12:00-18:00是低发时段.全年浓雾主要集中在9-12月,6、7月最少.②空间分布上,呈现“东南多,城区少”的特征,统计80％以上的浓雾都发生在大兴和通州.③浓雾变化具有突发性和象鼻形先期振荡的特征.④浓雾能见度变化与气象要素变化关系密切.偏南风和偏东风最有利于浓雾生成发展,西北风最有利于浓雾的消散.风速减小,气温下降,湿度增大,能见度降低,浓雾生成和发展;风速增大,气温升高,湿度减小,能见度上升,浓雾减弱消散,但湿度的减小滞后于能见度的上升.浓雾维持阶段,要素变化都很小.     

2014年初冬湖北省一次大雾成因分析和数值模拟

利用湖北省高速公路交通气象站观测数据及NCEP的1°×1°格点再分析资料,分析了2014年1月29—30日发生在湖北省内的大雾天气过程的气象要素变化特征及大雾形成机理,并利用优化参数化方案的数值模式对本次大雾过程进行了模拟。结果表明,大雾过程能见度基本与相对湿度变化趋势相反,气温与能见度变化趋势基本一致,风速都较之前有所下降。本次大雾是暖平流影响后,经夜间辐射冷却降温后形成,属平流辐射雾。利用WRF模式对本次大雾过程的模拟结果表明,除对海拔较高、受局地地形影响较大区域的模拟效果不理想外,模拟的大雾范围、强度、生消时间等与实况基本相符,可为以后大雾预报提供一定的参考。     

江苏不同强度降雨对能见度影响分析

利用江苏70个基本站多年逐时雨量、相对湿度、风向、风速以及同时段内最低能见度等观测资料,分析不同强度降雨对能见度的影响,并对比分析两种不同强度降雨造成的低能见度事件统计特征。结果表明:降雨是除雾以外,江苏低能见度的主要影响天气(14. 7%),其中稳定性弱降雨和短时强降雨影响最大。与低能见度雾事件不同,降雨造成的低能见度事件全天各时段均可能出现,发生时可伴随较强的风速(2 m/s),短强低能见度多见风速4 m/s(26. 6%)。江苏冬春两季为雨雾高发季,主要受降雨持续时间影响,对应的低能见度区间为500~1 000 m,有明显日变化。短强低能见度主要受雨强影响,多发生于6—9月,对应的低能见度区间为小于200 m,无明显日变化。两种降雨产生的低能见度事件有明显的空间分布差异,且雨雾低能见度发生时偏北风占主导,短强低能见度发生时则偏东风占主导。     

辽宁沿海高速公路浓雾气候特征及气象影响因子

利用2005—2018年辽宁沿海高速公路沿线气象站点观测资料和NCEP再分析资料,对辽宁沿海高速公路浓雾气候特征及其与各相关气象要素的关系进行分析,并探讨了利于浓雾发生的环流特征和影响因子。结果表明：辽宁沿海高速公路年均浓雾日数由西至东呈现高—低—高的分布特点,同时,辽东沿海高速公路沿线各站年均浓雾日数差异较小,且存在明显的自东向西的下降趋势;辽西沿线高速公路各站差异最大,受到局地的影响最强。沿海高速公路年均浓雾日数具有明显的月变化与季节变化特征,全年有两个浓雾出现的集中时段,分别为2—3月和10—11月;秋季浓雾日数占全年的比率最高。秋季沿海高速公路浓雾以0—200 m的强浓雾为主;温度为10—15℃,相对湿度大于98%,风速为0—3 m·s^-1,风向为偏东北风时,浓雾出现的概率最大。辽宁秋季沿海地区受副热带高压影响较小,受东亚大槽等中高纬度纬向环流和极涡的影响较大,纬向环流和极涡越强（弱）,辽宁沿海地区浓雾日数越多（少）;辽宁沿海地区浓雾的水汽一部分来源于辽宁东部山区,一部分来源于渤海、黄海北部。辽宁沿海地区秋季浓雾并非以海雾为主,而以辐射雾、锋面雾居多,同时辽东沿海地区有来自辽东山区的平流雾。     

高速公路团雾分级预警研究

团雾和高速公路团雾的定义内涵外延尚未统一,没有标准定义。为有效预防高速公路团雾天气灾害,减少因高速公路团雾所造成的交通事故,有必要规范高速公路团雾分级预警标准。基于高速公路团雾的水平能见度和水平尺度等监测数据,借鉴部分学者专家的意见和建议,确定团雾和高速公路团雾的定义。分析高速公路团雾的特征、成因、时空分布及团雾的危害,统计分析高速公路团雾多发路段的交通事故数据资料与AWMS气象监测数据资料,确立高速公路团雾与车辆交通安全性关系。依据同车道前后车辆的相对停车视距和安全停车距离等分析,评估车辆在不同水平能见度数值条件下,行驶在团雾区域内外车辆发生交通事故的危险性大小,遵照相关法律、条例、标准及其规范,按水平能见度数值范围和覆盖路面长度划分高速公路团雾预警等级。研究结果表明:(1)高速公路团雾的水平尺度一般小于5 km,水平能见度通常小于200 m。(2)高速公路团雾具有多发性,时空分布不均,多发生于当日22时次日08时。(3)高速公路团雾的事故率高,造成的交通事故比较严重。(4)可以根据团雾特征和潜在危害性确定团雾和高速公路团雾定义的内涵外延,给出术语定义。(5)可根据高速公路团雾的水平能见度、交通事故、停车视距等分析,划分预警级别,规范监测和预报预警服务,减少交通事故的发生。     

上合组织青岛峰会期间海雾维持和消散阶段的环境场特征

利用常规观测、地面加密自动站及NCEP再分析资料,针对上合组织青岛峰会的气象服务过程,对海雾维持和消散两个阶段的气象要素特征进行了分析。结果表明：1）当能见度低于1 000 m时,相对湿度为99%,能见度介于1 000～2 000 m之间时,相对湿度为95%～99%。2）近地面层30°N以北黄海海域持续吹东南风,并在青岛形成水汽辐合中心,有利于青岛形成海雾;当东南风转为东北风,水汽辐合中心减弱或消失时,海雾趋于消散。3）在海雾维持阶段,逆温层最低高度稳定在980 hPa以下,总逆温差逐渐增强,逆温梯度跃升与海雾强度增强同步;最大逆温层厚度和逆温层总厚度下降12 h后海雾逐渐减弱,逆温层最低高度上升时能见度也随之上升。4）白天逆温层之上为下沉运动,之下为上升运动,夜间700 hPa之下均为上升运动,且上升运动中心位于逆温层之下,这种垂直结构有利于逆温层和海雾的维持;当逆温强度减弱,垂直运动穿越逆温层贯穿700 hPa以下对流层时,海雾趋于消散。     

DNQ1与FD12型能见度仪观测比对及影响因子研究

DNQ1型前向散射能见度仪是目前我国气象站应用最多的能见度仪之一,但对其观测能力的评估及与国际上同类能见度仪间的比对研究较少。本文利用2015年1—3月北京上甸子国家大气本底站DNQ1和FD12型能见度仪观测资料开展比对研究,分析两种能见度仪的观测差异特征及与关键气象要素和大气成分的关系。结果表明：两种仪器观测的小时平均能见度的变化趋势较为一致,二者相关系数为0.98。除降雨外,DNQ1与FD12型仪器观测的能见度差值受不同天气状况（包括晴天、沙尘、雾、霾、降雨和降雪）的影响较小,但随能见度等级的增加,差值范围和离散程度均有所增大。能见度差值随相对湿度的增加呈指数递减关系,与气温呈线性正相关关系,与气压、风速和风向关系不明显。两种器测能见度与相对湿度呈明显负相关关系,与其他气象要素的关系不明显。DNQ1能见度相对FD12能见度在每日不同时刻的相对偏差平均低于±10%,满足观测需求;二者在夜间的相关性优于白天,可能与相对湿度和气温的日变化有关。     

首都机场雾过程的气候特征分析

利用首都机场1998-2005年每小时观测数据和NCEP／NCAR每日4次的再分析资料,分析了首都机场雾发生的日变化、季节变化和年际变化特点;合成分析了首都机场大雾形成、持续和消散阶段天气形势的气候特征。结果表明：首都机场1998-2005年雾的季节变化特征显著。夏季、秋季出现轻雾天气过程多;秋冬季节是首都机场大雾的高发期。首都机场轻雾与大雾的日变化特征有明显差异。轻雾过程的日变化特征明显,在13时（北京时间,下同）达极大值,从20时至次日9时能见度较差。能见度的变化与温度的变化有很好的正相关,而与相对湿度的变化有很好的负相关。大雾过程中各要素日变化不明显。对1998-2005年大雾天气过程合成分析的结果表明,大雾形成、持续和消散阶段的850hPa形势场均是“一槽一脊”型。大雾形成和持续阶段的地面形势场是鞍形场或均压场,大雾消散阶段的地面形势场是完整的高压前部。在形成阶段,北京受弱暖脊控制,无明显冷暖平流,大气层结稳定,有利于辐射降温作用和水汽在近地面层的积聚;在持续阶段,北京区域地面辐合,冷空气在上游堆积,随着850hPa槽脊位置的东移南压,南方暖湿空气输送受阻,高层逐渐转干;在消散阶段,850hPa高空槽过境,完整的高压控制北京区域,强冷空气随北风南下,大雾过程逐渐结束。     

北京地区低能见度区域分布初探

选用了水平能见度小于1000m的低能见度作为影响城市交通运输的一个指标，并研究了低能见度在北京地区时空分布特征。按水平能见度小于1000m的出现频率，多年日均变化曲线及全年日均、月均、季均变化特征，将北京地区划分为3个区，即东南部平原地区、西北部山区及东北－西南部过渡区。同时讨论了雾、浮尘等天气现象对北京地区低能见度的影响，得出影响北京地区低能见度的主要因子是雾。     

北京大气能见度的主要影响因子

利用北京市道面自动气象站、国家级自动气象站等多种观测数据分析北京地区2007—2015年能见度及其主要影响因子, 并挑选两次典型低能见度事件过程进行详细分析。从空间分布看, 北京西北地区能见度明显高于中心城区和东南大部地区。从时间分布看, 北京地区平均能见度最大值出现在5月, 最小值出现在7月; 日间的最低值多出现在06:00(北京时, 下同)左右, 冬季略向后推迟; 最高值多出现在16:00前后, 冬季略有提前。整体而言, 2007—2015年北京地区发生低能见度事件的概率为62.14%, 且发生低能见度的事件集中于1~5 km, 霾事件中干霾、湿霾的发生频率分别为86.13%和13.87%。能见度的主要影响因子为相对湿度、风速和PM_2.5浓度。其中, 能见度与风速呈正相关, 与相对湿度和PM_2.5浓度呈反相关。需要指出的是, 当相对湿度增加至80%, 能见度受PM_2.5浓度的影响程度在下降, 而主要受相对湿度的影响。基于所选个例, 当北京地区出现湿霾事件时, 能见度的恶化程度远高于干霾事件, 且PM_2.5浓度需比干霾事件时下降得更低才能有效改善能见度。