環(huán)境因素對(duì)前向散射能見(jiàn)度儀測(cè)定精度的影響研究

吳世美，吳有恒，饒鵬程

(1.貴州省貴陽(yáng)市氣象局，貴州 貴陽(yáng) 550001；2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽(yáng) 550002)

環(huán)境因素對(duì)前向散射能見(jiàn)度儀測(cè)定精度的影響研究

吳世美1，2，吳有恒1，饒鵬程1

(1.貴州省貴陽(yáng)市氣象局，貴州 貴陽(yáng) 550001；2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽(yáng) 550002)

研究了環(huán)境反射面以及儀器清潔度對(duì)前向散射能見(jiàn)度儀測(cè)定精度的影響。結(jié)果表明，能見(jiàn)度儀周邊存在反射面，其觀測(cè)值與真值的偏差約為12%；未清潔處理則可能造成觀測(cè)值與真值偏差達(dá)70%。由此可見(jiàn)，排除環(huán)境因素及人為因素的干擾，可有效提高向前散射能見(jiàn)度儀的測(cè)量精度。研究結(jié)果為散射型能見(jiàn)度儀的準(zhǔn)確觀測(cè)提供了實(shí)踐參考。

能見(jiàn)度；發(fā)射面；清潔度；向前散射能見(jiàn)度儀

1 引言

自動(dòng)氣象站中一般使用前向散射能見(jiàn)度傳感器對(duì)能見(jiàn)度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)定的是一定基線范圍內(nèi)的能見(jiàn)度，該能見(jiàn)度用氣象光學(xué)視程表示，即白熾燈發(fā)出色溫為2 700 K的平行光速的光通量在大氣中削弱至初始值的5%所通過(guò)的路途長(zhǎng)度。

能見(jiàn)度是重要的氣象要素之一，它對(duì)航空、航海、鐵路、公路運(yùn)輸、電力、氣象等部門(mén)的業(yè)務(wù)運(yùn)行有著十分重要的作用[1]。早期，氣象臺(tái)站對(duì)能見(jiàn)度的側(cè)定通常采取目測(cè)估計(jì)，與定義標(biāo)準(zhǔn)存在較大差距，具有較大的隨愈性、片面性與主觀性[2]。

20世紀(jì)60年代，散射型能見(jiàn)度儀觀測(cè)設(shè)備開(kāi)始出現(xiàn)。它根據(jù)粒子對(duì)光的散射特性確定能見(jiàn)距離，其方法研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)， 2008，17(1)：151-156.

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因其具有成本低，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)際、國(guó)內(nèi)氣象觀測(cè)中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。值得提出的是，因其光學(xué)敏感度較高，環(huán)境中廣泛存在各種類(lèi)型的反射表面以及設(shè)備自身的清潔度等環(huán)境因素可能對(duì)觀測(cè)結(jié)果產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，然而，在實(shí)踐過(guò)程中這些因素往往被人們忽視。本文選取貴陽(yáng)國(guó)家氣候觀測(cè)站為試驗(yàn)點(diǎn)，圍繞環(huán)境因素對(duì)散射型能見(jiàn)度儀觀測(cè)精度的影響進(jìn)行了系統(tǒng)性的試驗(yàn)研究，旨在為利用散射型能見(jiàn)度儀開(kāi)展大氣能見(jiàn)度的準(zhǔn)確觀測(cè)提供實(shí)踐參考。

2 材料與方法

本研究采用的前向散射能見(jiàn)度儀型號(hào)為DNQ1/V35，生產(chǎn)廠家：華云升達(dá)氣象科技有限責(zé)任公司，該設(shè)備測(cè)量性能應(yīng)見(jiàn)表1。本研究使用的儀器設(shè)備放置于貴州省貴陽(yáng)市氣象觀測(cè)站。貴陽(yáng)市處于費(fèi)德?tīng)柇h(huán)流圈，常年受西風(fēng)帶控制，屬于亞熱帶濕潤(rùn)溫和型氣候，年平均氣溫為15.3℃，年平均風(fēng)速2.1 m/s，年平均相對(duì)濕度為77%。因重工業(yè)遠(yuǎn)離市區(qū)，大氣顆粒物濃度較低，空氣質(zhì)年良好。

表1 前向散射能見(jiàn)度儀測(cè)量性能要求

2.1 環(huán)境反射面試驗(yàn)

在DNQ1/V35型前向散射能見(jiàn)度儀4m范圍內(nèi)放置一個(gè)百葉箱作為反射表面，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)射端的角度，首先使其朝向百葉箱開(kāi)始連續(xù)觀測(cè)，直至信號(hào)穩(wěn)定。然后繼續(xù)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)射端的角度，使其朝向草地，開(kāi)始進(jìn)行正常觀測(cè)至信號(hào)穩(wěn)定。為確保觀測(cè)結(jié)果的客觀性，重復(fù)上述操作一次，全程記錄能見(jiàn)度儀的觀測(cè)結(jié)果以待分析。

2.2 儀器清潔度試驗(yàn)

為科學(xué)評(píng)估前向散射能見(jiàn)度儀自身清潔度對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響，在儀器設(shè)備安裝后的1 a時(shí)間內(nèi)不對(duì)設(shè)備自身(主要是信號(hào)發(fā)射端、信號(hào)接收端的光學(xué)鏡頭)進(jìn)行清潔處理。打開(kāi)能見(jiàn)度儀，連續(xù)觀測(cè)10 min后關(guān)閉。取下鏡頭，進(jìn)行清潔后裝回原處，重新開(kāi)機(jī)觀測(cè)一段時(shí)間。為了保證觀測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性，同步采用另一臺(tái)同型號(hào)的清潔的能見(jiàn)度儀開(kāi)展對(duì)比觀測(cè)。

3 結(jié)果

3.1 周邊有無(wú)反射面的能見(jiàn)度對(duì)比

以百葉箱為反射面，當(dāng)能見(jiàn)度儀信號(hào)發(fā)射端朝向百葉箱時(shí)，大氣能見(jiàn)度的觀測(cè)值從8 251 m迅速升高至9 140 m，之后趨于穩(wěn)定(9 154±10 m，n=5)。調(diào)整能見(jiàn)度儀信號(hào)發(fā)射端，使其朝向草地，大氣能見(jiàn)度的觀測(cè)值從9 163 m開(kāi)始迅速降低，至8 220 m后逐漸穩(wěn)定(8 199±26 m，n=5)。調(diào)整能見(jiàn)度儀信號(hào)發(fā)射端，使其再次朝向百葉箱，其大氣能見(jiàn)度的觀測(cè)值又迅速升高并逐漸穩(wěn)定(8 946±11 m，n=5)(圖1)。能見(jiàn)度儀周邊存在反射面，其觀測(cè)值與正常觀測(cè)真值存在偏差，差值約為956 m，偏差約為12%。

圖1 周邊發(fā)射表面對(duì)能見(jiàn)度測(cè)定結(jié)果的影響A時(shí)段與C時(shí)段，信號(hào)發(fā)射端朝向百葉箱；B時(shí)段，信號(hào)發(fā)射端朝向草地

3.2 儀器是否清潔的能見(jiàn)度對(duì)比

在對(duì)比觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，參照設(shè)備對(duì)比觀測(cè)的大氣能見(jiàn)度為5 594±121 m(n=20)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.2%(圖2)。相同時(shí)段，在未清潔情況下，使用設(shè)備的能見(jiàn)度觀測(cè)結(jié)果為9 491±196 m(n=10)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.1%；清潔后，使用設(shè)備的能見(jiàn)度觀測(cè)結(jié)果為5 572±103 m(n=10)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.8%。清潔后的設(shè)備觀測(cè)值與參照設(shè)備的對(duì)比觀測(cè)值接近，而未清潔處理前的觀測(cè)值與參照設(shè)備的對(duì)比觀測(cè)值顯示出了很大偏差，差值約為3900 m，偏差高達(dá)近70%。

圖2 觀測(cè)設(shè)備鏡頭清潔前后能見(jiàn)度對(duì)比觀測(cè)記錄

4 討論

4.1 反射表面對(duì)觀測(cè)精度的影響

前向散射能見(jiàn)度儀的發(fā)射端發(fā)出斜向下(一般為45度角)的光束，當(dāng)光束遇到光滑表面時(shí)會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，造成信號(hào)光束的能量損失，進(jìn)而導(dǎo)致接收端信號(hào)失真；類(lèi)似地，當(dāng)光束遇到粗糙表面時(shí)，則發(fā)生漫反射，同樣造成不同程度的信號(hào)光束的能量損失，引起接收端信號(hào)失真。與此同時(shí)，出現(xiàn)在前向散射能見(jiàn)度儀的光路中的反射表面會(huì)引入周?chē)h(huán)境中的光線，造成光路的光強(qiáng)增加或者降低，干擾能見(jiàn)度儀的正常監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。

莫月琴等[1]研究表明，復(fù)雜的背景光線、多次的散射輻射等造成背景噪聲相對(duì)較大，致使散射信號(hào)被淹沒(méi)在噪聲中難以分離出來(lái)，影響信號(hào)測(cè)量。本研究中人為的反射面干擾了儀器的光路測(cè)量，導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差(12%)，這一現(xiàn)象提示了在向前散射能見(jiàn)度儀的安裝過(guò)程中應(yīng)該充分評(píng)估周?chē)h(huán)境反射面對(duì)設(shè)備監(jiān)測(cè)精度的影響，以免造成監(jiān)測(cè)工作中人為的數(shù)據(jù)偏差。

4.1 環(huán)境顆粒物對(duì)觀測(cè)精度的影響

大氣能見(jiàn)度的因素主要包括空氣濕度、風(fēng)速和顆粒物濃度。顆粒物主要通過(guò)散射影響能見(jiàn)度，顆粒物的散射作用大約占其對(duì)大氣消光系數(shù)的70%，顆粒物的消光貢獻(xiàn)可以達(dá)到總大氣消光的90%[3]。邊海等[4]研究表明，顆粒物質(zhì)量濃度與能見(jiàn)度變化總體呈負(fù)相關(guān)，小粒徑顆粒對(duì)能見(jiàn)度的影響作用明顯。陳義珍等[5]對(duì)廣州市與北京市大氣能見(jiàn)度與顆粒物質(zhì)量濃度的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)能見(jiàn)度與PM2.5的關(guān)系在約50 μg/m3處是一個(gè)分界：當(dāng)PM2.5>50 μg/m3時(shí)，隨著PM2.5降低，能見(jiàn)度變化不明顯：當(dāng)PM2.5<50 μg/m3時(shí)，隨著PM2.5降低，能見(jiàn)度迅速改善。因此，在顆粒物治理的起始階段，PM2.5下降對(duì)能見(jiàn)度的改善效果不很明顯；但當(dāng)PM2.5降低到一定程度后，能見(jiàn)度的改善效果非常顯著。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，2014年度貴陽(yáng)市不同粒徑大氣顆粒物質(zhì)量濃度年均值分別為PM1.0～40.5 μg/m3)，PM2.5～34.6 μg/m3， PM10～31.8 μg/m3(表2)。因此，在此低顆粒物濃度的環(huán)境背景下，附著在信號(hào)發(fā)射端和接收端的顆粒物對(duì)能見(jiàn)度觀測(cè)結(jié)果的影響將十分顯著。及時(shí)清潔儀器可有效減小監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的失真，進(jìn)而提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。

表2 貴陽(yáng)市2014年大氣顆粒物質(zhì)量濃度的月均值變化(單位：μg/m3)

數(shù)據(jù)來(lái)源：貴陽(yáng)市氣象局觀測(cè)站提供。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)環(huán)境因素與散射型能見(jiàn)度儀觀測(cè)精度的相互關(guān)系的試驗(yàn)觀測(cè)與對(duì)比觀測(cè)研究，得到以下結(jié)論：

①人為的反射面(百葉箱、雨量筒、不銹鋼圍欄等)干擾了儀器的光路測(cè)量，導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差(約12%)。在前向散射能見(jiàn)度儀的安裝過(guò)程中應(yīng)該充分評(píng)估周?chē)h(huán)境反射面對(duì)設(shè)備監(jiān)測(cè)精度的影響，以免造成監(jiān)測(cè)工作中人為的數(shù)據(jù)偏差。

②對(duì)比觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，清潔的儀器觀測(cè)值與參照設(shè)備的對(duì)比觀測(cè)值接近，而未清潔處理前的觀測(cè)值與真值存在很大偏差(約70%)。及時(shí)清潔儀器可有效減小監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的失真，進(jìn)而提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。

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2015-03-24

吳世美(1972—)，女，工程師，主要從事綜合業(yè)務(wù)管理工作。

黔氣科合KF[205]07號(hào)、黔科合重大專(zhuān)項(xiàng)字[2011]6003號(hào)，貴州省氣象科技開(kāi)放研究基金KF[2015]07號(hào)共同資助。

P412.17

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