2005—2017年白云機(jī)場能見度變化特征及其與影響因子關(guān)系研究

郭智亮1 高聰暉2 謝文鋒1 陳淑敏 黎偉標(biāo)

（1 中國民用航空中南地區(qū)空中交通管理局氣象中心，廣州 510406；2 福建省氣象臺(tái)，福州 350001；3 中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，廣州 510275）

0 引言

大氣能見度是指正常視力的人在白天無云天空背景條件下，辨認(rèn)出視角大于0.5°的地面黑色目標(biāo)物的形體或輪廓的最大水平距離。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)[1]，1951—1998年我國發(fā)生的飛行事故中有245次與氣象因子有關(guān)，其中19.2%由低能見度造成。研究機(jī)場近地面能見度變化特征及其影響因素，對于飛機(jī)的安全起降具有重要意義[2-3]。Naegele等[4]通過分析美國西部和西南部18個(gè)城市的機(jī)場能見度資料，總結(jié)了影響能見度的4個(gè)因素：硫酸鹽、人口增長、測量標(biāo)準(zhǔn)和天氣要素（如高壓、逆溫、靜風(fēng)等）。朱蕾等[5]發(fā)現(xiàn)烏魯木齊機(jī)場近30年低能見度日數(shù)增長趨勢明顯，霧、濃煙和沙塵暴是造成機(jī)場低能見度的主要天氣。沈俊等[6]、周斌斌等[7]發(fā)現(xiàn)，低云和低能見度造成航空事故占最大的比例，每年霧造成的航運(yùn)經(jīng)濟(jì)損失比龍卷還要大。目前，白云機(jī)場日均起降航班1300架次左右，能見度對機(jī)場影響日益加大。1998年馮彥華等[8]，發(fā)現(xiàn)霧和降水是造成白云機(jī)場低能見度的主要天氣現(xiàn)象。張美平等[9]統(tǒng)計(jì)了搬遷前的舊白云機(jī)場低能見度氣候特征，發(fā)現(xiàn)低能見度小于1 km的日數(shù)有逐年上升的趨勢。區(qū)志中等[10]對比新舊白云機(jī)場天氣的差異性及成因時(shí)，發(fā)現(xiàn)新機(jī)場搬遷后出現(xiàn)大霧的頻率多一倍。

目前，對白云機(jī)場低能見度個(gè)例的研究較多[11-15]，自2003年搬遷、2004年投入使用后，白云機(jī)場能見度的氣候統(tǒng)計(jì)方面的研究工作比較缺乏。本文利用白云機(jī)場2005年1月至2017年12月的逐時(shí)觀測資料，對白云機(jī)場搬遷后能見度的年、月、日變化特征以及影響能見度的氣象因子進(jìn)行相關(guān)分析，研究能見度和影響因子之間的關(guān)系，填補(bǔ)了白云機(jī)場在這方面的研究空白。

1 數(shù)據(jù)來源

廣州白云國際機(jī)場跑道上安裝VAISALA公司的MIDAS IV氣象自動(dòng)系統(tǒng)，對常規(guī)氣象要素進(jìn)行觀測。民航中南空管局氣象觀測席位半小時(shí)一次進(jìn)行常規(guī)觀測并發(fā)布航空例行天氣報(bào)告，例行天氣報(bào)告中能見度是觀測員根據(jù)氣象自動(dòng)觀測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)加以人工修訂后發(fā)布，相對濕度、風(fēng)速及氣溫的數(shù)據(jù)為自動(dòng)觀測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)。本文選取時(shí)段為2005—2017年的逐時(shí)例行天氣報(bào)告中觀測數(shù)據(jù)，另外將能見度小于1 km出現(xiàn)的次數(shù)作為低能見度次數(shù)。

新白云機(jī)場地處廣州市區(qū)北部白云和花都交界處，花都區(qū)花東自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測站位于白云機(jī)場正北面6 km，是距離白云機(jī)場最近的一個(gè)自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)，本文選取廣州環(huán)境保護(hù)局提供花都區(qū)花東自動(dòng)環(huán)境觀測站的PM2.5的逐時(shí)觀測數(shù)據(jù)代表新白云機(jī)場的PM2.5數(shù)值，目前環(huán)保局僅提供2012—2017年逐時(shí)PM2.5觀測資料供研究使用。

2 能見度變化特征

利用2005年1月—2017年12月白云機(jī)場的能見度逐時(shí)觀測資料，對能見度和低能見度次數(shù)的年、月和日變化趨勢進(jìn)行了分析。從逐年變化趨勢來看（圖1），近13年來機(jī)場能見度呈逐年增長趨勢，平均每年增大約190 m；低能見度次數(shù)總體是減少的趨勢，2005年低能見度出現(xiàn)次數(shù)最多，之后大幅度減少，2017年低能見度僅出現(xiàn)1次。從月變化特征曲線來看（圖2），機(jī)場能見度呈現(xiàn)明顯的峰、谷變化曲線，3—4月是低能見度時(shí)期，之后能見度不斷增大，至7月份達(dá)到最高值，隨后再逐漸降低，季節(jié)變化特征顯著；低能見度次數(shù)的月變化也表現(xiàn)出類似的特征，2—4月低能見度出現(xiàn)次數(shù)最多，都在100次以上，隨后低能見度出現(xiàn)次數(shù)迅速減少，7—10月低能見度出現(xiàn)次數(shù)基本在10次以下。

圖1 白云機(jī)場能見度和低能見度次數(shù)的年變化特征Fig. 1 Annual variation of visibility and low visibility in Baiyun Airport

圖2 白云機(jī)場能見度和低能見度次數(shù)的月變化特征Fig. 2 Monthly variation of visibility and low visibility in Baiyun Airport

圖3 白云機(jī)場能見度和低能見度次數(shù)的日變化特征Fig. 3 Diurnal variation of visibility and low visibility in Baiyun Airport

圖3給出了白云機(jī)場能見度和低能見度次數(shù)的日變化特征，07時(shí)機(jī)場能見度最低、低能見度出現(xiàn)次數(shù)最多，之后能見度持續(xù)增大、低能見度出現(xiàn)次數(shù)迅速減少，15—16時(shí)能見度達(dá)到最大值，而低能見度出現(xiàn)次數(shù)是在22時(shí)最少。朱焱等[16]在蘇州市的能見度研究中得出了類似的日變化特征，但是其年、月變化特征與白云機(jī)場相去甚遠(yuǎn)，由此說明各地能見度變化的局地特征非常顯著。

3 影響能見度的主要要素及相關(guān)關(guān)系分析

大氣污染物和氣象條件是影響大氣能見度的主要因素[17-18]。本文采用相關(guān)系數(shù)法量化了2012—2017年白云機(jī)場風(fēng)速、相對濕度、氣溫和PM2.5對能見度的影響，得到逐時(shí)能見度與各氣象要素、PM2.5濃度的相關(guān)系數(shù)（表略）。對比相關(guān)系數(shù)可知，PM2.5對能見度的影響作用最強(qiáng)，相對濕度、風(fēng)速對能見度的影響作用次之，氣溫對其影響最小。

3.1 能見度與相對濕度的關(guān)系

大氣中的水汽含量是影響能見度的一個(gè)重要因素[19]。為了更好地分析相對濕度（RH ）對能見度的影響，利用2012—2017年逐時(shí)觀測資料，以1%相對濕度為間隔，得到各區(qū)間相對濕度與平均能見度的散點(diǎn)分布（圖4）。可以看出，能見度與相對濕度呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。不同區(qū)間的相對濕度，平均能見度的下降趨勢不盡相同。當(dāng)RH＜40%時(shí)，平均能見度基本在9000 m以上，相對濕度每增加1%，平均能見度降低37.8 m；當(dāng)40%≤RH＜80%時(shí)，平均能見度在8000～9000 m，相對濕度每增加1%，平均能見度降低26.5 m；而當(dāng)RH≥80%時(shí)，平均能見度在8000 m以下，并且隨著相對濕度的增加，平均能見度迅速降低，每增加1%的相對濕度，平均能見度降低216.3 m。由此可見，環(huán)境相對濕度小于80%時(shí)，能見度下降得較為緩慢；當(dāng)環(huán)境相對濕度超過80%時(shí)，能見度才會(huì)急劇降低。

圖4 能見度與相對濕度的關(guān)系Fig. 4 Relationship between visibility and relative humidity

3.2 能見度與PM2.5濃度的關(guān)系

大氣能見度的降低與空氣中氣溶膠粒子的消光率有密切聯(lián)系[20-21]。不同相對濕度下，大氣顆粒物的組成成分不同，其形成的氣溶膠吸濕增長因子也不同[22]。因此，根據(jù)前文的研究將相對濕度分為RH＜40%、40%≤RH＜80%、RH≥80%三個(gè)區(qū)段，得到不同區(qū)段相對濕度下PM2.5濃度與能見度的散點(diǎn)分布（圖5）。總體上，隨著PM2.5濃度的增加，能見度呈下降趨勢，但不同相對濕度下PM2.5濃度對能見度的影響程度不同。環(huán)境相對濕度越小，出現(xiàn)低能見度所需的PM2.5濃度值就越大；反之，環(huán)境相對濕度較高時(shí)，較小的PM2.5濃度值就可以導(dǎo)致低能見度的出現(xiàn)。此外根據(jù)擬合曲線，在PM2.5濃度為50 μg/m3時(shí)，當(dāng)RH＜40%能見度在9 km左右，而當(dāng)RH≥80%能見度不足5 km。由此說明，在一定的PM2.5濃度下，環(huán)境相對濕度越大，能見度越低。這是因?yàn)榭諝庵邢鄬穸容^高時(shí)會(huì)促進(jìn)大氣顆粒物的吸濕增長，造成顆粒物粒徑的增長，使得消光系數(shù)增加，從而導(dǎo)致大氣能見度降低[23]。

3.3 能見度與風(fēng)速的關(guān)系

地面風(fēng)場一般是通過稀釋大氣污染物和改變大氣的穩(wěn)定度來影響大氣能見度的。利用2012—2017年逐時(shí)觀測資料，得到不同級別風(fēng)速和平均能見度的曲線圖（圖6）。總體上，能見度隨著地面風(fēng)速的增大而增大。地面風(fēng)速不超過4 m·s-1時(shí)，能見度隨風(fēng)速的增長趨勢較為顯著，地面風(fēng)速越大，越有利于大氣污染物的稀釋擴(kuò)散。地面風(fēng)速大于4 m·s-1，能見度隨風(fēng)速的增長趨勢較為平緩，能見度基本維持在9 km左右。地面風(fēng)速大于9 m·s-1，平均能見度有所降低，但此時(shí)樣本數(shù)較少，沒有太大參考價(jià)值。圖7進(jìn)一步給出了不同相對濕度下能見度與風(fēng)速的關(guān)系，可以看出，地面風(fēng)速在0～4 m·s-1時(shí)，相對濕度越大，能見度隨風(fēng)速的增長趨勢越顯著。風(fēng)速大于4 m·s-1，能見度隨風(fēng)速的增長趨勢都趨于平緩，此時(shí)風(fēng)速對能見度的影響不大，但相對濕度越大能見度越低。

4 結(jié)論

1）2005—2017年白云機(jī)場能見度呈逐年增大趨勢，低能見度出現(xiàn)次數(shù)總體呈減少趨勢。其季節(jié)變化特征顯著，2—4月是低能見度時(shí)期，之后能見度不斷增大，至7月達(dá)到最高值，隨后再逐漸降低。從日變化來看，最低能見度通常出現(xiàn)在清晨，午后明顯好轉(zhuǎn)，之后又逐漸降低。

圖5 能見度與PM2.5濃度的關(guān)系Fig. 5 Relationship between visibility and PM2.5

圖6 能見度與地面風(fēng)速的關(guān)系Fig. 6 Relationship between visibility and ground wind speed

2）白云機(jī)場能見度與相對濕度、PM2.5濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與風(fēng)速、氣溫成正相關(guān)關(guān)系，其中PM2.5濃度對能見度的影響最明顯。

3）當(dāng)相對濕度小于80%時(shí)，能見度下降得較為緩慢；而當(dāng)相對濕度超過80%時(shí)，能見度急劇降低。不同相對濕度下PM2.5濃度對能見度的影響程度不同，相對濕度越大，出現(xiàn)低能見度所需的PM2.5濃度值就越小。地面風(fēng)速在0～4 m·s-1時(shí)，相對濕度越大，能見度隨風(fēng)速的增長趨勢越顯著。

圖7 不同相對濕度下能見度與風(fēng)速的關(guān)系Fig. 7 Relationship between visibility and ground wind speed for different relative humidity conditions