海上能見度觀測研究進展

李志乾 張志偉 成 文 漆隨平 王東明

(山東省科學院海洋儀器儀表研究所1，山東 青島 266001；山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室2，山東 青島 266001)

海上能見度觀測研究進展

李志乾1，2張志偉1，2成 文1，2漆隨平1，2王東明1，2

(山東省科學院海洋儀器儀表研究所1，山東 青島 266001；山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室2，山東 青島 266001)

海上能見度的觀測對航海安全日益重要。從能見度影響因素和測量原理出發(fā)，介紹了大氣能見度觀測方法，對海上能見度觀測研究現(xiàn)狀進行了匯總，提出了海上能見度觀測中存在的問題和難點，認為能見度定義的準確性、光學系統(tǒng)污染會對能見度觀測結(jié)果產(chǎn)生重要影響。由于搭載平臺空間有限及自身的特殊性，海上能見度通常采用"以點代面"的方式進行觀測，而搭載平臺的自身發(fā)熱和運動是測量不準的主要原因。最后對海上能見度觀測的趨勢和方向進行了展望。

海上能見度 消光系數(shù) 能見度影響因素 能見度測量方法 能見度儀 安裝平臺

0 引言

海上能見度是指在人的正常視力下，能看清海上最遠目標物輪廓和形狀的最大距離，它是海上天氣觀測的一項重要內(nèi)容。當海上能見度低時，由于肉眼看不清遠距離的障礙物，海上尤其是在近岸或狹水道航行的船舶容易發(fā)生碰撞、擱淺或觸礁等事故，對海上航行安全造成嚴重威脅。當能見度低時，無法保證艦載機安全起降，將會影響軍事訓練與海上救援行動。我國海域面積遼闊，海上能見度的監(jiān)測對維護我國海洋權(quán)益有重要的意義，因此，加強海上能見度的觀測至關(guān)重要。

1 能見度觀測原理

空氣中存在的大量顆粒物，會對通過的光線產(chǎn)生散射作用和選擇性吸收，即消光作用，從而影響人眼視程。

1.1 能見度解算原理

Koschmieder[1]于1924年提出了Koschmieder定律，以水平天空為背景的黑體目標物，正常人眼的視覺對比度與目標物距離(即能見度)的變化規(guī)律為：

(1)

式中：σ為消光系數(shù)。

可見，在視覺對比度ε為常數(shù)的情況下，只要求得大氣的消光系數(shù)σ，就能計算出能見度V，通常取ε=0.02[2]。式(1)通常用來計算白天能見度。

夜間能見度是指能看清楚的中等強度目標光源的水平距離。夜間能見度可采用Allard于1986年提出的Allard定律[3]計算：

(2)

式中：EB為背景亮度；V為能見度；σ為消光系數(shù)。

從白天和夜間的能見度計算公式可以看出，能見度V是消光系數(shù)σ的函數(shù)，只要測定σ即能計算出能見度V。能見度的影響因子主要是通過調(diào)節(jié)消光系數(shù)σ來影響能見度V，如Roberto Nebuloni[4]研究了消光系數(shù)和能見度的經(jīng)驗關(guān)系。

在可見光和近紅外波段，大氣對光的吸收作用可忽略不計[ 5]。在干潔大氣下，認為大氣中只存在分子散射對消光的貢獻，所以分子的散射作用也通常忽略。由此可見，在可見光和近紅外波段，氣溶膠粒子的散射是大氣消光的主要因素[6]。

以上是基于陸地大氣能見度的推理過程。目前海上能見度也沿用陸上模式，但這一模式?jīng)]有充分考慮海陸下墊面的差異性，若不加修正地直接套用陸地模式，勢必會出現(xiàn)新問題。

1.2 能見度影響因子研究

李學彬等[7]分析了氣溶膠粒子，特別是細粒子(PM2.5)對能見度的影響。陳義珍等[8]研究了相對濕度和顆粒物對能見度的影響。姚劍等[9]比較了不同粒徑大氣顆粒物質(zhì)量濃度與空氣水平能見度和顆粒物消光系數(shù)的相關(guān)性。馬志強等[10]分析了霧和霾對北京地區(qū)大氣能見度的影響。林盛群等[11]采用多元回歸法，分析了香港地區(qū)大氣能見度與大氣污染物變化的關(guān)系。程敘耕等[12]分析了中國區(qū)域低能見度下風速的空間分布、能見度與風速之間的關(guān)系、風速變化對能見度變化的影響，討論了城市化效應和近海位置對其影響程度。劉西川等[13]研究了降水現(xiàn)象對大氣消光系數(shù)和能見度的影響。

2 能見度觀測方法

大氣能見度在天氣監(jiān)測和氣候分析中有著重要的作用，其主要觀測方法有人工目測法、數(shù)字攝像法、視頻檢測法、遙感反演法、儀器自動觀測法。

2.1 目測法

能見度的測量目前還是以人工目測為主，很多氣象觀測站仍沿用這一傳統(tǒng)觀測方法，但人工觀測易受人眼感官疲勞影響。尹淑嫻等[14]分析了東莞市能見度人工觀測資料。

2.2 數(shù)字攝像法

數(shù)字攝像法主要是通過亮度對比度來計算能見度。李屹等[15]研究了一種基于數(shù)字攝像技術(shù)的能見度檢測方法。常峰等[16]設(shè)計了數(shù)字攝像能見度儀算法，能測量白天和夜間能見度。王京麗等[17]采用數(shù)字攝像技術(shù)，根據(jù)人工能見度觀測原理，研制了新型的數(shù)字能見度儀。

2.3 視頻檢測法

郭尚書等[18]對基于暗通道先驗的視頻能見度測量方法進行了研究，根據(jù)暗通道先驗知識估算出透過率，進而算出消光系數(shù)，最終求得能見度。安明偉等[19]在分析能見度值的計算模型的基礎(chǔ)上，提出了利用圖像對比度進行視頻能見度檢測的算法。陳釗正等[20]提出了基于攝像機自標定的視頻能見度檢測方法，并構(gòu)建了能見度檢測系統(tǒng)。

2.4 遙感反演法

錢俊屏等[21]基于MODIS資料得到了海上能見度反演的經(jīng)驗模型。李旭文等[22]利用Landsat-7 ETM影像反演了能見度，并與地面空氣質(zhì)量自動監(jiān)測結(jié)果取得了很好的一致性。王驥鵬等[23]利用MODTRAN輻射傳輸模式模擬不同能見度等級下的MODIS水汽通道輻射值，進行不同能見度等級條件下MODIS水汽通道的光譜特征及其與能見度的相關(guān)特性分析研究，初步得出水汽通道光譜特征與海上能見度的相關(guān)性。

2.5 儀器自動觀測法

光線在傳播中遇到粒子會發(fā)生散射現(xiàn)象，如圖1所示，儀器接收透射光(如箭頭1)或散射光(如箭頭2、3)，通過計算透過率或散射光強，得到消光系數(shù)，進而可求得能見度。在能見度測量儀研制方面，芬蘭、美國、日本和德國等走在世界前列。

圖1 粒子散射示意圖

2.5.1 大氣透射儀

如圖1所示，若接收箭頭1所示的透射光，通過測量大氣透明度來計算能見度，這種工作方式的儀器稱為大氣透射儀，可分為單端式和雙端式兩種。兩者的探測原理相同，均為通過測量光的透過率來求得消光系數(shù)，從而確定能見度值；其區(qū)別在于發(fā)射器和接收器之間是否需要基線。單端式透射儀由于結(jié)構(gòu)龐大且安置復雜，實際使用較少；雙端式透射儀測量精度高，但需要較長的基線且占地面積大。大氣透射儀一般用在機場或高速公路上，也用來進行其他類型的能見度儀標定。具有代表性的產(chǎn)品如芬蘭Vaisala公司生產(chǎn)的LT31型透射式能見度儀。

2.5.2 后向散射儀

如圖1所示，若接收箭頭2所示的后向散射光，可通過測量后向散射光強來計算消光系數(shù)，進而得到能見度。這種工作方式的儀器稱為后向散射儀，一般激光雷達采用這種工作方式。由于激光雷達后散射儀設(shè)備存在體積龐大、成本昂貴、維護費用高等特點，限制了其在氣象能見度測量中的廣泛應用。

2.5.3 側(cè)向散射儀

側(cè)向散射儀[24]原理示意圖如圖2所示。圖中，在光源L前置一乳白玻璃，產(chǎn)生漫射光，漫射光照射到采樣體(陰影部分)上被散射，R為接收器，V為一光阱。由發(fā)射光強和散射光強得到散射系數(shù)，進而求得能見度。側(cè)向散射儀測量散射光范圍大、理論精度高，在實際使用中精度差、靈敏度低，已很少使用。

圖2 側(cè)向散射儀原理示意圖

2.5.4 前向散射儀

如圖1所示，若接收如箭頭3所示的前向散射光，通過測量前向散射光強來計算消光系數(shù)，進而得到能見度。這種工作方式的儀器稱為前向散射儀，其可分為單光路和雙光路兩種[25]，如芬蘭Vaisala公司生產(chǎn)的FD12P型單光路式前向散射儀(如圖3所示)，美國Qualim itrics公司生產(chǎn)的VS8364型雙光路式前向散射儀如圖4所示。

圖3 FD12P型單光路式原理圖

圖4 VS8364型雙光路式原理圖

前向散射儀具有體積小、安置簡單、便于維護等特點，一般用于碼頭、航空、高速公路等系統(tǒng)。

2.5.5 總散射儀

嚴格來說，沒有真正意義上的總散射儀，只是其測量的角度范圍很寬，但因其測量精度差、反應不靈敏，已經(jīng)很少在實際中應用[26]。

3 海上能見度觀測平臺

前文所述的能見度觀測方法或儀器一般用于陸地上，到了海上則儀器的安置較為困難，因此一般可考慮在下列載體上安置能見度儀，進行氣象觀測。

3.1 海島(岸)站

陶偉[27]分析了廣西海島站能見度儀PWD20常見故障的原因，并提出了具體的處理方法。

3.2 浮標、海洋臺站

山東省科學院海洋儀器儀表研究所研制的大型海洋資料浮標、海上臺站都可根據(jù)需要加裝能見度傳感器。

3.3 海上平臺站

對于海上鉆井平臺、石油平臺、燈塔等，都可根據(jù)需要安置自動氣象觀測站，提供能見度觀測參數(shù)。

3.4 船舶站

山東省科學院海洋儀器儀表研究所研制的氣象要素觀測設(shè)備也提供能見度自動觀測功能，為船舶航行等提供能見度保障服務。

4 海上能見度觀測存在的問題

海上觀測平臺空間有限，不宜安置體積龐大或需要很長基線的能見度觀測設(shè)備。前向散射型能見度儀具有體積小、維護方便等特點，海上觀測平臺適宜安裝采用這種工作方式的能見度觀測設(shè)備。能見度儀一般都在陸基使用，由于海上環(huán)境與陸地的差異性，把能見度儀直接安置到海上平臺觀測，將不可避免地出現(xiàn)一些問題。由于船舶平臺的特殊性，下面以船舶為例討論海上能見度觀測的局限性。

4.1 準確性問題

由于能見度定義的主觀性，以及能見度本身是一個受諸多因素影響的物理量，使得目前世界上對能見度這一量值尚無溯源，對能見度測量儀器也缺乏相應的校準規(guī)范和檢定規(guī)程。能見度儀器所謂的標定也是通過嚴格的人工觀測來進行的，雖然人工觀測的主觀性較強，但能見度測量領(lǐng)域依然離不開人工觀測。

4.2 光學污染問題

保持能見度儀的光學系統(tǒng)干凈、清潔對能見度測量至關(guān)重要。由于船舶煙囪出煙、海上鹽霧等污染物容易附著在發(fā)射端與接收端的鏡筒上，因此能見度儀的光學系統(tǒng)需要經(jīng)常維護，目前還不能真正做到無人值守。

4.3 平臺發(fā)熱問題

相比海平面而言，船舶是個巨大熱源，海上航/泊的船舶由于受太陽輻射散熱及自身發(fā)熱，會比周圍海域環(huán)境溫度高，形成一個孤立的“熱島”。發(fā)熱體會對周圍的空氣粒子或細微顆粒物的分布產(chǎn)生擾動影響，從而使空氣的光學散射特性發(fā)生改變，影響消光系數(shù)，進而影響能見度值。散射型能見度儀是基于“一定范圍內(nèi)，大氣均質(zhì)穩(wěn)定”這一假設(shè)[25]而研制的一種以點代面式的能見度測量儀，考慮到船體熱因素的影響，這一假設(shè)將不再成立。散射式能見度儀采樣空間有限，若直接把陸上散射式能見度儀安置到船上，相當于能見度儀處在“熱島”中觀測能見度，其測量值與海上環(huán)境實際值勢必會存在較大的偏差。

4.4 平臺運動問題

風速大小對能見度也有影響[12]，主要影響大氣中粒子的擴散速度。粒子擴散越快，通過能見度儀采樣的空間內(nèi)的空氣越“純凈”，能見度就越好，反之則差。船舶航行會與空氣產(chǎn)生相對運動。通常而言，相對風(或航行風與真風的合成風)比真風大很多，安裝在船上的能見度儀測得的是在相對風環(huán)境下的能見度值，而實際需要的是海上能見度(即海上真風下的能見度觀測值)，兩者必然存在偏差。

5 結(jié)束語

本文簡要概述了能見度的測量原理、影響因素、測量方法及測量儀器，對海上能見度觀測存在的問題進行了探討?？傮w而言，海上能見度觀測誤差受數(shù)學模型誤差、光敏元器件污染、制造工藝誤差、天氣因素帶來的誤差等諸多因素的影響。

隨著制造工藝的不斷進步和能見度理論的不斷完善，能見度測量儀器日趨成熟。未來海上能見度觀測的研究重點應放在平臺發(fā)熱(非均質(zhì)大氣能見度模型)和平臺運動的問題上，將考慮如何修正采樣空間內(nèi)的消光系數(shù)，使之適用于大范圍的海上能見度。

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Research Progress of Observation of Visibility at Sea

Observation of visibility a sea has become increasingly important to the safety of navigation. From the influence factors and measuring principle of visibility, the observation method for atmospheric visibility is introduced, and the present situations of research on visibility at sea are summarized, the problems and difficulties existing in observation of visibility at sea are pointed out. it’s considered that the accuracy and the pollution of the optical system will have an important influence on the results, due to the limited space of the platform and its own particularity, the visibility is usually “consider point as plane”, so the heating and movement of the platform is the main reason for the measurement. Finally the trend and direction about observation of visibility a sea are looked ahead.

Visibility at sea Extinction coefficient Influencing factors of visibility Measuring method of visibility Visibility meter Installation platform

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃基金資助項目(863計劃)(編號：2012AA091801)；

山東省自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化專項基金資助項目(編號：2014CGZH1203);

青島市科技計劃基礎(chǔ)基金資助項目(編號：12-1-4-10-(1)-jch)。

李志乾(1983-)，男，2012年畢業(yè)于中科院上海技術(shù)物理研究所電磁場與微波技術(shù)專業(yè)，獲博士學位，助理研究員；主要從事船舶氣象技術(shù)方面的研究。

TH766

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510008

修改稿收到日期：2015-03-03。