高雄市能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)與預(yù)報(bào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

李敬通 海軍飛行學(xué)院教研部,遼寧葫蘆島125001

高雄市能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)與預(yù)報(bào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

李敬通 海軍飛行學(xué)院教研部,遼寧葫蘆島125001

簡(jiǎn)要介紹了高雄市能見(jiàn)度概況、能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)使用的主要設(shè)備、采用的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，并概括了能見(jiàn)度預(yù)報(bào)系統(tǒng)所采用的預(yù)報(bào)模式、流程和預(yù)報(bào)效果。

高雄；能見(jiàn)度；自動(dòng)觀測(cè)；預(yù)報(bào)系統(tǒng)

高雄市是一個(gè)商業(yè)及工業(yè)都市，市區(qū)內(nèi)交通運(yùn)輸繁忙，附近地區(qū)則有煉油、石化、鋼鐵、水泥及火力發(fā)電等工廠，再加上半屏山及壽山露天開(kāi)采水泥礦、裸露地表及營(yíng)建工程等污染源，造成大量污染物排放至空氣中。在特殊的天氣狀況下，極可能因擴(kuò)散不良而造成污染物的持續(xù)累積，進(jìn)而導(dǎo)致空氣污染，造成空氣質(zhì)量的惡化和能見(jiàn)度的降低。據(jù)臺(tái)灣環(huán)境部門(mén)公布的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，“高屏空品區(qū)”(涵蓋高雄市、高雄縣及屏東縣)為臺(tái)灣省空氣污染最嚴(yán)重的地區(qū)。了解高雄市能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)與預(yù)報(bào)系統(tǒng)的主要設(shè)備、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和預(yù)報(bào)模式與流程，對(duì)于大陸地區(qū)空氣污染較重的城市進(jìn)行能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)與預(yù)報(bào)具有重要的借鑒意義。

1 高雄市能見(jiàn)度概況

高雄都會(huì)區(qū)的能見(jiàn)度呈現(xiàn)季節(jié)性變化，一年四季中以冬季期間最差，而以夏季期間最佳。冬季能見(jiàn)度不佳主要因?yàn)闁|北季風(fēng)期間，籠罩在大陸性高氣壓下，污染物不易擴(kuò)散，所以在冬季期間平均能見(jiàn)度降至3.8Km。尤其在冬季的清晨，常因濕度過(guò)高而形成濃霧，使得能見(jiàn)度甚至低于1Km以下。夏季期間則主要因?yàn)槲绾罂諝鈱?duì)流旺盛，使得污染物容易擴(kuò)散，而且午后雷陣雨次數(shù)較多，容易將空氣中之懸浮微粒洗刷下來(lái)，因此能見(jiàn)度較為良好，所以夏季平均能見(jiàn)度約為10.6Km。

就一天中能見(jiàn)度變化情形來(lái)說(shuō)，清晨溫度較低、濕度較高，而且接近地面有氣溫上高下低的逆溫現(xiàn)象，是一天中能見(jiàn)度最低的時(shí)段。然而隨著太陽(yáng)上升，陽(yáng)光照射，使得地面空氣溫度回升、相對(duì)濕度降低，而有利于污染物的擴(kuò)散，使得能見(jiàn)度逐漸好轉(zhuǎn)，所以下午常為一天中能見(jiàn)度最高的時(shí)段。然而黃昏時(shí)段因太陽(yáng)下山，使得光線減弱，所以能見(jiàn)度轉(zhuǎn)為較差。

直接影響高雄能見(jiàn)度的主要空氣污染物為懸浮微粒與二氧化氮，其中又以懸浮微粒對(duì)能見(jiàn)度的影響程度最大。在高雄市內(nèi)，主要污染源為交通污染源及二次污染物中的硫酸鹽及硝酸鹽。除了空氣污染物的影響外，天氣的影響也是影響能見(jiàn)度的主要原因。如前所述，清晨時(shí)段因?yàn)樗畾舛a(chǎn)生濃霧，使得能見(jiàn)度降低，而當(dāng)接近中午時(shí)段，溫度回升，才與空氣污染物有關(guān)。然而，有時(shí)候污染物排放較少時(shí)，卻因?yàn)榭諝鈹U(kuò)散不容易，導(dǎo)致污染物累積，而使得能見(jiàn)度降低。

以“國(guó)立中山大學(xué)環(huán)境工程研究所”進(jìn)行的能見(jiàn)度觀測(cè)與民眾意見(jiàn)為參考，將能見(jiàn)度區(qū)分為三個(gè)等級(jí)，分別為“好”(8Km以上)，“普通”(2～8Km)和“不好”(2Km以下)。由1998年11月至2000年11月的高雄市能見(jiàn)度觀測(cè)結(jié)果得知，能見(jiàn)度空氣質(zhì)量指針為好、普通和不好分別占總觀測(cè)日數(shù)的20.7%、61.4%與17.9%，結(jié)果表明高雄市的能見(jiàn)度主要集中在“普通”范圍內(nèi)。

2 能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)

高雄市政府環(huán)境保護(hù)局為了解轄區(qū)內(nèi)能見(jiàn)度的情況，在霖園大飯店頂樓設(shè)置能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)站，分別朝東帝士大樓、中區(qū)資源回收廠及大林火力發(fā)電廠等三個(gè)方向觀測(cè)能見(jiàn)度，并利用因特網(wǎng)將能見(jiàn)度觀測(cè)照片呈現(xiàn)在環(huán)保局能見(jiàn)度網(wǎng)站上供民眾查閱。能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)站目前設(shè)置于霖園大飯店頂樓（高雄市苓雅區(qū)四維三路三十三號(hào)），設(shè)置高度約離海平面175米，位于高雄市政府斜對(duì)面。

圖1 能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備

圖2 能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)控制管理系統(tǒng)示意圖

自動(dòng)觀測(cè)站能見(jiàn)度觀測(cè)站的控制箱體以不銹鋼材質(zhì)制作，頂部具有隔熱設(shè)計(jì)，以散熱風(fēng)扇抽取過(guò)濾后的空氣強(qiáng)制散熱，并以高強(qiáng)度鋼索固定。能見(jiàn)度觀測(cè)數(shù)碼相機(jī)共3臺(tái)，置于相機(jī)觀測(cè)平臺(tái)上，且相機(jī)觀測(cè)平臺(tái)具有升降功能，并可依天候自動(dòng)升降，且系統(tǒng)中之下雨感知警報(bào)如遇特殊天候，則可將信息立即傳回，并停止拍照與降下觀測(cè)平臺(tái)，以保護(hù)相機(jī)及機(jī)具。同時(shí)，能見(jiàn)度觀測(cè)設(shè)備具有防風(fēng)、防塵、防雨、散熱、防曬及防震等功能。

能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)控制管理系統(tǒng)（圖2）分為現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，并利用因特網(wǎng)的傳輸進(jìn)行聯(lián)機(jī)控制。由系統(tǒng)控制主機(jī)（位于霖園大飯店頂樓）及數(shù)據(jù)處理工作站（位于高雄市政府環(huán)境保護(hù)局內(nèi)的計(jì)算機(jī)室）的主機(jī)分別進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程控制數(shù)字相機(jī)拍攝與數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。同時(shí)可針對(duì)不同月份設(shè)定開(kāi)始及結(jié)束的拍照時(shí)間，并且自動(dòng)分類儲(chǔ)存為數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)可以圖形化控制接口表示，可從控制管理系統(tǒng)窗口（圖3）手動(dòng)遙控點(diǎn)選各拍攝點(diǎn)區(qū)域畫(huà)面，并顯示目前該相機(jī)所拍攝的照片及下載圖片，甚至可按照使用者需求，在任何地點(diǎn)、時(shí)間、日期查詢單張或多張能見(jiàn)度照片及數(shù)據(jù)。

圖3 能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)控制管理系統(tǒng)窗口

能見(jiàn)度觀測(cè)方向的選擇在考慮觀測(cè)位置與觀測(cè)目標(biāo)物的距離及相關(guān)性之后，再配合高雄市的地理環(huán)境，分別向東帝士大樓（距觀測(cè)站1.4Km）、中區(qū)資源回收廠（距觀測(cè)站5.6Km）及臺(tái)電大林發(fā)電廠（距觀測(cè)站10.0Km）進(jìn)行自動(dòng)拍攝，拍攝時(shí)間為每天早上7:00至下午5:30，拍攝頻率為每30分鐘拍攝一次，同時(shí)利用因特網(wǎng)將能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)照片呈現(xiàn)在網(wǎng)站上供民眾查閱。

表 1數(shù)碼影像處理步驟及原理

利用影像處理技術(shù)（見(jiàn)表1）分析氣溶膠微粒狀態(tài)及輻射傳輸現(xiàn)象，可作為判斷大氣能見(jiàn)度狀況的一種有效處理方式，應(yīng)用此處理技術(shù)對(duì)數(shù)碼照片的分析，對(duì)于目標(biāo)物與背景間之差異具有辨識(shí)能力，使得此技術(shù)可作為研究者、決策者及一般民眾的重要參考，也是未來(lái)值得進(jìn)一步發(fā)展的處理技術(shù)之一。

能見(jiàn)度灰階標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序（圖4）是將能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)所拍攝的彩色數(shù)碼照片，利用數(shù)字影像處理技術(shù) (含影像獲取、前處理程序、分割截選及分析比較等四個(gè)影像處理原則)將彩色照片轉(zhuǎn)換為灰階照片后，并求得照片的灰階數(shù)值，進(jìn)而算出目標(biāo)物與背景間之亮度特征值，再與能見(jiàn)度觀測(cè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以得到能見(jiàn)度標(biāo)準(zhǔn)曲線，最后利用能見(jiàn)度亮度特征曲線得到照片的相對(duì)能見(jiàn)度值。

圖4 能見(jiàn)度灰階標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序

采用亮度特征值描述大氣能見(jiàn)度的情況，由于能見(jiàn)度的觀測(cè)是在日-天進(jìn)行，所以天空背景之亮度灰階值應(yīng)超過(guò)目標(biāo)物之亮度灰階值，因此目標(biāo)物與背景間亮度灰階值的差異（Δg）則可以下式表示:Δ g=gb-g0而亮度特征值(Bg) 之定義如下：

其中g(shù)b：背景之亮度灰階值；g0：目標(biāo)物之亮度灰階值

數(shù)碼照片經(jīng)過(guò)灰階數(shù)值化后，目標(biāo)物與背景間亮度灰階值的變化情況。由目標(biāo)物與背景間的灰階值變化圖（圖5）可知，觀測(cè)全黑或暗色的目標(biāo)物，無(wú)論在何種能見(jiàn)度下，背景及目標(biāo)物的灰階值并無(wú)顯著變化，然而背景與目標(biāo)物間的邊界（boundary），則隨能見(jiàn)度的降低而逐漸模糊。

圖5 目標(biāo)物與背景之間灰階值變化圖

3 能見(jiàn)度預(yù)報(bào)系統(tǒng)

3.1 能見(jiàn)度預(yù)報(bào)模式的建立

空氣質(zhì)量現(xiàn)況與當(dāng)時(shí)大氣中污染物濃度（如：懸浮微粒、二氧化氮、光化學(xué)產(chǎn)物、臭氧等）、局部地區(qū)的氣象條件（如：風(fēng)向、風(fēng)速、濕度、大氣穩(wěn)定度等），直接或間接反映在視程的遠(yuǎn)近、天空背景之顏色及目標(biāo)物的清晰度等。能見(jiàn)度預(yù)報(bào)模式是在不考慮污染源排放及氣候變化的影響下，以能見(jiàn)度對(duì)數(shù)值(Log(Lv))為應(yīng)變數(shù)(dependent variable)，懸浮微粒(PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)、相對(duì)濕度(RH)、風(fēng)速(WS)、風(fēng)向(WD)為自變量(independent variables)進(jìn)行逐步回歸法建立多項(xiàng)式回歸模式，再考慮各種主客觀因素，并參考國(guó)外執(zhí)行能見(jiàn)度預(yù)報(bào)的經(jīng)驗(yàn)，建立能見(jiàn)度預(yù)報(bào)模式(圖6)。所建立的能見(jiàn)度預(yù)報(bào)模式包括下列天氣類型：

（1）鋒面類型預(yù)報(bào)模式

（2）東北季風(fēng)類型預(yù)報(bào)模式

（3）大陸性高壓類型預(yù)報(bào)模式

（4）太平洋高壓類型預(yù)報(bào)模式

（5）熱帶性低氣壓類型預(yù)報(bào)模式

（6）其他天氣類型預(yù)報(bào)模式(含西南氣流、偏南氣流)

圖6 能見(jiàn)度預(yù)報(bào)模式

3.2 能見(jiàn)度預(yù)報(bào)模式的驗(yàn)證流程

建立完成各天氣類型之預(yù)報(bào)模式之后，將依據(jù)氣象局及環(huán)保署過(guò)去的天氣及空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)代入預(yù)報(bào)模式中以得出各天氣類型的能見(jiàn)度預(yù)報(bào)值，配合過(guò)去能見(jiàn)度的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以驗(yàn)證預(yù)報(bào)模式的正確性(圖7)。

圖7 能見(jiàn)度預(yù)報(bào)模式的驗(yàn)證流程

圖8 能見(jiàn)度預(yù)報(bào)流程

3.3 能見(jiàn)度預(yù)報(bào)流程

驗(yàn)證并修正相關(guān)預(yù)報(bào)模式后，即進(jìn)行能見(jiàn)度的預(yù)報(bào)(圖8)。預(yù)報(bào)時(shí)間為每日17：00，以“好”、“普通”及“不好”三個(gè)等級(jí)，進(jìn)行翌日中午盛行能見(jiàn)度預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度達(dá)七成以上。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.186