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能見(jiàn)度儀自動(dòng)觀測(cè)霧的結(jié)果分析
——以石河子地區(qū)為例

2018-04-12 02:19:56楊明鳳
新疆農(nóng)墾科技 2018年10期
關(guān)鍵詞:霧天烏蘭石河子

張 玲,劉 勇,張 明,楊明鳳

(新疆石河子烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站,新疆 石河子 832000)

隨著我國(guó)城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快,在我國(guó)有部分城市霧和霾天氣明顯增多,并且開(kāi)始影響和危及到人們的生活和健康。陰?kù)F天氣對(duì)交通安全有著很大的影響,造成航班延誤、車輛擁堵、高速公路封閉等情況,帶來(lái)了惡劣的社會(huì)影響,霧天的觀測(cè)已成為社會(huì)關(guān)注度較高的氣象要素之一。我國(guó)政府和環(huán)境部門對(duì)此高度重視,中國(guó)氣象局為此組織開(kāi)展了環(huán)境氣象業(yè)務(wù)改革工作,加快推進(jìn)我國(guó)綜合觀測(cè)業(yè)務(wù)調(diào)整和觀測(cè)自動(dòng)化進(jìn)程,提高環(huán)境氣象的觀測(cè)和預(yù)報(bào)服務(wù)能力[1]。

從2014年起,全國(guó)地面氣象觀測(cè)的霧、輕霧等視程障礙現(xiàn)象陸續(xù)由人工觀測(cè)轉(zhuǎn)為自動(dòng)能見(jiàn)度觀測(cè)儀采集,開(kāi)啟了能見(jiàn)度觀測(cè)自動(dòng)化模式。由于自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)的原理不同,造成了自動(dòng)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的差異。視程障礙類天氣現(xiàn)象自動(dòng)觀測(cè)判別,是由SMO 軟件根據(jù)能見(jiàn)度儀、溫濕度傳感器等相關(guān)地面氣象自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值分析。而在人工觀測(cè)中,霾與輕霧、浮塵和煙塵等這些視程障礙現(xiàn)象比較難判識(shí),在實(shí)測(cè)中往往會(huì)引起一些爭(zhēng)議,在人工觀測(cè)記錄中,觀測(cè)員難免將個(gè)人主觀判識(shí)偏差帶入這些視程障礙天氣記錄中。

近幾年,國(guó)內(nèi)學(xué)者姚作新[2]等開(kāi)發(fā)了新疆霧霾天氣自動(dòng)判識(shí)軟件業(yè)務(wù)系統(tǒng),已經(jīng)對(duì)2000年前后逐步建設(shè)的地面自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)資料開(kāi)展了大量的研究。對(duì)霧和霾等各類視程障礙天氣現(xiàn)象的研究逐漸增多,這些研究主要針對(duì)儀器的測(cè)量原理與觀測(cè)方法、觀測(cè)時(shí)間和空間、采樣方式與算法等方面。司鵬[3]等對(duì)天津2014年2月的霧霾自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比評(píng)估。宋明明[4]等分析了攀枝花國(guó)家基本站2014年一季度自動(dòng)觀測(cè)霾的結(jié)果。但對(duì)這些天氣現(xiàn)象觀測(cè)資料,特別是自動(dòng)與人工觀測(cè)資料的對(duì)比分析時(shí)段較短,數(shù)據(jù)量小。為此,本文利用石河子墾區(qū)4個(gè)氣象站2015―2016年能見(jiàn)度儀觀測(cè)資料與1964―2014年人工觀測(cè)霧的日數(shù)進(jìn)行對(duì)比,分析能見(jiàn)度儀觀測(cè)霧的結(jié)果。尋找人工和自動(dòng)觀測(cè)氣候資料的相關(guān)性,確定前后觀測(cè)數(shù)據(jù)的訂正思路和方法,對(duì)提高氣象要素觀測(cè)數(shù)據(jù)序列連續(xù)性以及氣候統(tǒng)計(jì)的可靠性有著重要的作用。

1 資料與方法

文中所用資料由新疆石河子氣象局提供,為新疆石河子炮臺(tái)站(51352)、莫索灣站(51353)、石河子站(51356)和烏蘭烏蘇站(51358)4個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站1964―2014年歷年人工觀測(cè)數(shù)據(jù)和2015―2016年能見(jiàn)度儀自動(dòng)觀測(cè)霧的數(shù)據(jù)。霧天日數(shù)的統(tǒng)計(jì),以20時(shí)為日界,一日內(nèi)只要出現(xiàn)1 次或者以上霧的記錄就統(tǒng)計(jì)為1個(gè)霧天日數(shù),如果有霧是從20時(shí)前延續(xù)至次日的,則按2 d 記錄。霧的自動(dòng)觀測(cè)采用的是華云升達(dá)公司HY-W35 前向散射式能見(jiàn)度儀,其測(cè)量的是一定空氣體積對(duì)光的前向散射,通過(guò)消光系數(shù)計(jì)算得到氣象光學(xué)視程。

2 結(jié)果與分析

2.1 霧天年日數(shù)變化趨勢(shì)

圖1 石河子墾區(qū)1964―2016年歷年霧日數(shù)

由圖1 可見(jiàn),1964―2014年人工觀測(cè)階段,霧天出現(xiàn)日數(shù)略有上升,2015―2016年采用自動(dòng)觀測(cè)后,出現(xiàn)霧天日數(shù)急劇增加的情況。石河子墾區(qū)1964―2016年平均出現(xiàn)霧天日數(shù)為16.1 d,呈現(xiàn)弱的增加趨勢(shì),遞增率為2.1 d/10 a。在人工觀測(cè)階段1964―1977年、2005―2011年為偏少時(shí)期,1978―1987年和1997―2004年為偏多期,其中1979年出現(xiàn)霧天日數(shù)最多,為28.0 d,高出歷年平均值73.9%;最少霧天日數(shù)出現(xiàn)在1968年,為5.7 d,僅達(dá)到歷年平均日數(shù)的三分之一;最多和最少日數(shù)年份差值為22.3 d,極比為4.9(>4.0),說(shuō)明霧天出現(xiàn)日數(shù)年際波動(dòng)大,不穩(wěn)定。2015―2016年自動(dòng)觀測(cè)階段,霧天日數(shù)分別為35.7 d 和52.7 d,均大于人工觀測(cè)最大值,2016年出現(xiàn)日數(shù)比歷年最大多了88.2%,說(shuō)明與人工觀測(cè)霧天日數(shù)差異較大。在人工觀測(cè)階段,在夜間不守班期間,容易漏測(cè)短時(shí)的霧,并且受到觀測(cè)人員主觀判斷的影響,自動(dòng)觀測(cè)可以24 h 不間斷觀測(cè),可以監(jiān)測(cè)到短時(shí)的霧,因此在一定程度上導(dǎo)致了石河子墾區(qū)自動(dòng)觀測(cè)霧天日數(shù)明顯增加。

2.2 霧天年代際變化

石河子墾區(qū)4個(gè)氣象站1964―2016年霧天日數(shù)年代際變化見(jiàn)圖2,自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)為2015―2016年2年的霧天日數(shù)的平均,20 世紀(jì)60年代是指1964―1970年、70年代指1971―1980年,80、90、00年代依次類推,21 世紀(jì)10年代是指2011―2014年,平均為1964―2014年的霧天日數(shù)平均值。石河子墾區(qū)1964―2014年人工觀測(cè)期間,霧天多年平均日數(shù)為15.7 d,炮臺(tái)、莫索灣、石河子和烏蘭烏蘇站歷年平均霧天日數(shù)分別為25.3 d、16.2 d、9.6 d 和11.8 d,年平均霧天日數(shù)最多的是炮臺(tái)站,莫索灣站次之,最少的是石河子站,烏蘭烏蘇站與石河子站差異不大。4個(gè)臺(tái)站20 世紀(jì)60年代至21 世紀(jì)10年代霧天日數(shù)的年代際變化存在兩兩相似的趨勢(shì),分別是炮臺(tái)與莫索灣站和石河子與烏蘭烏蘇站比較接近。炮臺(tái)與莫索灣站在20 世紀(jì)80年代出現(xiàn)霧天的日數(shù)最多,并且霧天日數(shù)呈波形振蕩增加的趨勢(shì),炮臺(tái)站年平均霧天日數(shù)最高為34.1 d,20 世紀(jì)60年代最少,莫索灣站年平均霧天日數(shù)僅為4.7 d,也是4個(gè)臺(tái)站年代際中出現(xiàn)最少的時(shí)期。2015―2016年自動(dòng)觀測(cè)期間出現(xiàn)的霧天日數(shù)僅次于最高的20 世紀(jì)80年代,比人工觀測(cè)的多年平均值高了5 d 以上,莫索灣和炮臺(tái)站自動(dòng)觀測(cè)霧天日數(shù)比同一時(shí)期的21 世紀(jì)10年代分別多了6.2 d 和2.2 d。石河子和烏蘭烏蘇2個(gè)臺(tái)站20 世紀(jì)60年代至21 世紀(jì)10年代霧天日數(shù)年際間變化較小,呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì),在2015―2016年自動(dòng)觀測(cè)期間的年平均霧天日數(shù)最多,分別達(dá)到了21.5 d 和21.7 d;21 世紀(jì)10年代是人工觀測(cè)階段的峰值期,比多年平均值增加了2.2 d,比臨近的2000年增加了2.5~3.6 d,說(shuō)明自2010年以來(lái)靠近城市附近的臺(tái)站霧天日數(shù)是略有增加的;20 世紀(jì)80年代是最低時(shí)期,分別為8.1 d 和9.3 d。

圖2 石河子墾區(qū)1964―2016年霧天日數(shù)年代變化

2.3 霧天月日數(shù)差異分析

石河子墾區(qū)1964―2016年人工和自動(dòng)觀測(cè)霧天月平均日數(shù)如圖3所示,霧天月變化呈單峰型,霧天主要出現(xiàn)在11月至次年的3月,占全年總霧天日數(shù)的95%以上,在5月和6月4個(gè)臺(tái)站都沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)霧天。人工觀測(cè)期間,2月霧天出現(xiàn)最多,為3.9 d;自動(dòng)觀測(cè)期間,霧天峰值出現(xiàn)在12月,平均霧天日數(shù)為13.4 d,比人工觀測(cè)的最多月多了9.5 d。人工和自動(dòng)觀測(cè)霧天月平均日數(shù)的前三名均為12月至次年2月,但是人工觀測(cè)到的霧天日數(shù)明顯少于自動(dòng)觀測(cè),分別偏少了29.0 d、19.4 d 和24.8 d,其它月份人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)的天數(shù)比較接近,沒(méi)有顯著的差異。

圖3 石河子墾區(qū)1964―2016年霧天日數(shù)月變化

在新型自動(dòng)氣象視程障礙天氣現(xiàn)象的自動(dòng)判識(shí)過(guò)程中,自動(dòng)能見(jiàn)度和相對(duì)濕度是決定因素,表1選取了烏蘭烏蘇站人工和自動(dòng)觀測(cè)的1月數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,人工、自動(dòng)觀測(cè)的霧天日數(shù)分別為5.0 d 和10.5 d,自動(dòng)觀測(cè)的霧天日數(shù)是人工的2 倍,人工觀測(cè)到的霧出現(xiàn)在夜晚和白天的概率分別是45.9%和54.1%,夜間和白天出現(xiàn)的概率相差不大;自動(dòng)觀測(cè)夜間和白天出現(xiàn)的霧的概率分別為63.4%和36.6%,出現(xiàn)霧的概率夜間明顯大于白天。霧出現(xiàn)期間的最小能見(jiàn)度平均值人工觀測(cè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自動(dòng)觀測(cè),人工觀測(cè)到的霧出現(xiàn)期間的最小能見(jiàn)度夜間大于白天,最小值為300 m,分別出現(xiàn)在2012年的白天和2013年夜晚;自動(dòng)觀測(cè)到的霧出現(xiàn)期間的最小能見(jiàn)度夜晚小于白天,最小值為68 m,出現(xiàn)在2016年的夜晚。

3 結(jié)論與討論

52年來(lái),石河子墾區(qū)霧天日數(shù)略呈增長(zhǎng)趨勢(shì),石河子墾區(qū)2000年以來(lái)霧天的增加與石河子市人口和工業(yè)的快速增加有著密切的關(guān)系。自動(dòng)觀測(cè)年平均霧天日數(shù)比50年人工觀測(cè)平均值明顯偏多,比人工觀測(cè)最多年份多1 倍以上,這主要是由于霧的自動(dòng)觀測(cè)是24 h 連續(xù)觀測(cè)且儀器靈敏度較高,能夠消除人的視力、觀測(cè)角度、觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)等主觀習(xí)慣的影響。

石河子墾區(qū)4個(gè)氣象站霧天日數(shù)的年代際呈現(xiàn)少- 多- 少- 多的變化趨勢(shì),位于墾區(qū)北部的炮臺(tái)站和莫索灣站的霧天日數(shù),明顯比位于南部的石河子站和烏蘭烏蘇站多,并且年代際變化趨勢(shì)也兩兩接近。莫索灣和炮臺(tái)站人工觀測(cè)霧日天數(shù)的峰值出現(xiàn)在20 世紀(jì)80年代,自動(dòng)觀測(cè)平均霧日數(shù)與20 世紀(jì)80年代平均值接近,但是明顯高于20 世紀(jì)50年的人工平均值。石河子和烏蘭烏蘇兩站在人工觀測(cè)階段的霧天日數(shù)在年代際變化上沒(méi)有明顯的峰值,自動(dòng)觀測(cè)平均霧天日數(shù)明顯高于各年代平均值。由此可以看出,位于石河子市附近的石河子站和烏蘭烏蘇站,霧天日數(shù)受到城市建設(shè)和環(huán)境變化的影響較大,自動(dòng)觀測(cè)的霧天日數(shù)明顯高于人工觀測(cè)。

自動(dòng)觀測(cè)到的霧的時(shí)間較短,其結(jié)果與人工觀測(cè)相比有著明顯的差異,這主要是由于人工和自動(dòng)觀測(cè)工作原理不同而造成的,人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)的對(duì)比視感閾分別為0.02 和0.05,當(dāng)大氣消光系數(shù)相同時(shí),人工能見(jiàn)距離約為自動(dòng)光學(xué)視程的1.3 倍,自動(dòng)觀測(cè)的能見(jiàn)度儀測(cè)量只是通過(guò)發(fā)射器和接收機(jī)之間的一小塊空氣的散射光強(qiáng)度,僅以這一段空氣的結(jié)果代表此站的能見(jiàn)度,而人工觀測(cè)的是四周視野中1/2 以上的有效水平能見(jiàn)度,因而自動(dòng)觀測(cè)霧天出現(xiàn)的日數(shù)比真實(shí)情況偏多。

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