浙江省人工觀測與儀器觀測能見度對比分析

任 律 樊高峰 黃立丹

(1.浙江省氣候中心，浙江 杭州 310017; 2.杭州市氣象局，浙江 杭州 310051)

浙江省人工觀測與儀器觀測能見度對比分析

任 律1樊高峰1黃立丹2

(1.浙江省氣候中心，浙江 杭州 310017; 2.杭州市氣象局，浙江 杭州 310051)

隨著自動能見度儀的使用越來越多，它所受關(guān)注和重視的程度也越來越高，利用2011年全省人工觀測與儀器觀測能見度資料，對全年能見度空間分布做了分析，能見度高值區(qū)位于西南山區(qū)和東部沿海地區(qū)，低值區(qū)位于杭州地區(qū)、金衢盆地及湖州部分地區(qū)。以杭州為例分析兩種能見度資料在不同能見度水平和天氣現(xiàn)象下的一致性，當能見度小于1 km時，兩種能見度資料誤差較小，能見度在1～10 km之間，誤差有所增加，當能見度在10 km以上時，誤差較大，儀器觀測能見度只有一定的參考性。在考察天氣對能見度的影響時發(fā)現(xiàn)，人工觀測能見度波動較大，降水的分布不均勻?qū)τ谀芤姸葴y量有較大影響，因此在測量霾天氣能見度時應(yīng)排除降水對能見度的干擾。

能見度；人工觀測；儀器觀測；對比分析

0 引 言

氣象能見度反映了大氣渾濁度。能見度不僅反映一個城市的大氣環(huán)境質(zhì)量，而且與城市發(fā)展、社會經(jīng)濟活動密切相關(guān)，特別是交通運輸?shù)刃袠I(yè)受其影響更為明顯。大氣能見度是指視力正常的人在當時的天氣條件下所能看到目標物的最大水平距離。能見度與大氣的清潔程度有密切關(guān)系。大氣能見度是氣象站地面常規(guī)觀測項目，資料記錄年代較長。浙江省能見度觀測一直采用地面觀測，在能見度觀測上，人工觀測存在主觀性強，頻次低，夜間觀測難等情況[1-2]。浙江省自2011年起在全省已全面啟用能見度自動觀測儀，且有用自動觀測能見度逐步取代人工觀測能見度的趨勢。對于兩種觀測方法，已有不少對比分析[3-8]，研究表明，在不同天氣條件影響下，兩種觀測方法存在一定的差異，當能見度較低時，二者結(jié)果較為接近，當能見度較高時，二者存在明顯的誤差。本文利用浙江省2011年在全省安置的前向散射能見度儀，通過對比人工觀測與儀器觀測能見度數(shù)據(jù)的一致性，檢驗儀器觀測能見度儀的準確率，為人工觀測能見度向儀器觀測能見度過度提供有利依據(jù)，同時也為利用能見度儀監(jiān)測低能見度事件打下基礎(chǔ)。

1 資料及主要分析方法

浙江省自2011年起全面啟用自動能見度儀。浙江省使用的自動能見度觀測儀器是向前散射能見度儀，向前散射能見度儀是連續(xù)測量能見度的全自動儀器，它由發(fā)射機、控制接受機、處理器構(gòu)成光學儀器，原理如圖1。散射儀通過一個小空氣內(nèi)測量大氣對入射光的散射情況確定散射系數(shù)，當不考慮大氣及其中的雜質(zhì)的吸收作用時，認為散射系數(shù)與消光系數(shù)相等，計算出大氣光學距離。它是在3個假設(shè)的基礎(chǔ)上通過散射光強來有效地計算消光系數(shù)。3個假設(shè)是：1)假定大氣是均質(zhì)的；2)假定分子的吸收、散射或分子內(nèi)部交互光學效應(yīng)為零；3)假定散射儀測量的散射光強正比與散射系數(shù)。能見度儀的測量值的范圍為10～20000 m。在10～10000 m時，誤差為±10%；在10～20 km時，誤差為±15%。

圖1 向前散射能見度儀結(jié)構(gòu)與工作示意圖

經(jīng)檢查，全省資料起始日期為2011年1月5日，為使各站點資料起始時間統(tǒng)一，因此從2011年1月6日開始使用自動觀測能見度資料。本文重點分析杭州站數(shù)據(jù)，其他站數(shù)據(jù)作為輔助。主要分析能見度儀和人工觀測資料之間的相關(guān)性，在不同能見度水平下和不同天氣現(xiàn)象時資料的一致性。由于數(shù)據(jù)容量較大，故在研究不同內(nèi)容時選取不同時間段的資料進行分析。

2 兩種能見度資料的空間分布

將各站人工觀測08、14、20時能見度資料的算術(shù)平均值作為目測日能見度資料，將儀器觀測能見度前一天21時到當天20時能見度資料的算術(shù)平均值作為器測日能見度資料。分別計算出全年平均值，做出全省能見度分布圖(圖2)。

(a.人工觀測；b.自動觀測)圖2 2011年全省能見度分布(單位：km)

可以看出，人工觀測能見度的數(shù)值普遍比自動觀測能見度高，從分布上來看，相同的分布是能見度高值區(qū)位于西南山區(qū)和東部沿海地區(qū)，低值區(qū)位于杭州地區(qū)、金衢盆地及湖州部分地區(qū)；能見度分布差別較大的地區(qū)為溫州地區(qū)，人工觀測中僅瑞安和溫州兩站處于能見度低值區(qū)，而自動觀測資料中溫州地區(qū)均處于能見度低值區(qū)。

3 4個定點時次逐日數(shù)據(jù)走勢及相關(guān)性分析

由于自動能見度數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中存儲的格式為逐月存放的連續(xù)時次資料，因此挑選杭州站2011-07-01—2011-11-30的02:00、08:00、14:00、20:00這4個時次觀測數(shù)據(jù)進行對比。從這4個時次數(shù)據(jù)的對比曲線來看，能見度觀測數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致，但是當能見度超過10 km時，人工觀測能見度往往大于自動觀測能見度，而當能見度低于5 km時，自動觀測能見度小于人工觀測能見度的情況也很多見(圖3)。

利用該時間段4個時次的能見度儀觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)作相關(guān)，得到相關(guān)系數(shù)，見表1?？梢钥吹剑瑑山M能見度數(shù)據(jù)的相關(guān)度非常高，相關(guān)系數(shù)均在0.8以上。從各時次來看，08時的相關(guān)系數(shù)最大，02時次之，20時的相關(guān)系數(shù)最小。

表1 能見度觀測數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)表

利用杭州站(基準站)2011年1月6日—12月31日一日24 h人工觀測能見度資料與儀器觀測能見度求日平均值(前一日21時至當日20時的平均值記為該日的日平均值)并做散點圖(圖4)，可以看出大多數(shù)的點集中在Y=X這條線附近，二者存在高度相關(guān)，且越靠近原點散點越密集，這意味著當能見度較小時，二者差值可能也較小，當能見度較大時，由于儀器的系統(tǒng)誤差以及人工觀測的主觀性，散點的離散度增大，二者差值也增大。為了研究這一問題，須對兩種資料的一致性做對比分析。

圖3 02、08、14、20時能見度觀測值對比圖

圖4 日平均人工觀測能見度與儀器觀測能見度散點分布圖

4 兩種能見度資料一致性對比分析

4.1 不同能見度水平下能見度資料一致性對比分析

由于人工觀測與儀器自動觀測屬于不同觀測方式，因此必須分析不同的能見度條件下，人工觀測數(shù)據(jù)與儀器觀測數(shù)據(jù)的差異。統(tǒng)計杭州站2011年4、7、10月以及2012年1月02、08、14、20時的定時能見度值，共492個時次，除去人工觀測缺測1次及自動觀測缺測57次，剩余有效時次為434次。按人工觀測到的能見度的大小把數(shù)據(jù)分為5類，即V<1.0 km，1.0 km≤V<5 km，5 km≤V<10 km，10 km≤V<15 km，V≥15 km，分別統(tǒng)計每個等級內(nèi)觀測次數(shù)以及平均差值，結(jié)果如表2所示。

所采用的樣本中，1 km以下的能見度樣本相對較少，只有3個，1.0 km≤V<5 km，5 km≤V<10 km范圍內(nèi)樣本數(shù)超過100個。從能見度重合率來看，僅當V≥15 km時有14.5%的能見度數(shù)值相同，其余分類中儀器觀測數(shù)值都偏大或者偏小，且各分類中，均是儀器值偏小的概率較大，且都在偏小概率均在60%以上，當1.0 km≤V<5 km時儀器值偏小率最高，達到82.4%。兩種能見度數(shù)據(jù)的樣本平均差值采用差值的絕對值，平均差值隨著觀測范圍的擴大而增大，差值最大的范圍是10 km≤V<15 km，達到3.384 km，在該能見度區(qū)間里，相對誤差也最大，達30.2%。

由此可見，當V<1.0 km時，人工與能見度儀測得的能見度差值很?。划?.0 km≤V<10 km時，兩組能見度資料差距有所增加，但是能見度儀觀測資料可用性仍然較高；當V≥10 km時，兩組能見度資料平均差值達到3 km以上，存在較大誤差，能見度儀觀測資料有一定的可取性。

表2 人工觀測與儀器觀測能見度一致性對比

4.2 不同天氣現(xiàn)象時能見度資料一致性對比分析

在造成視程障礙的天氣現(xiàn)象中取3類來分析兩種能見度資料，分別是雨、大霧、霾。在2011年中分別選取了3種天氣現(xiàn)象的樣本，由于各種天氣現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率不同，因此樣本數(shù)量上差距較大，其中雨日樣本120個，霾的樣本128個，霧的樣本僅為9個。將該日出現(xiàn)某種天氣現(xiàn)象的能見度數(shù)據(jù)做日平均處理，然后進行比較。結(jié)果見表3。在有雨和有霾時，兩種能見度數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)分別為0.904和0.813，都存在很好的相關(guān)，由于霧的樣本較少，因此沒有做相關(guān)分析。從數(shù)據(jù)差值上來看，儀器觀測能見度偏大率較小，有雨時為22.7%，有霾時為20%，有霧時僅有一站儀器值偏大。3種天氣的平均差值都在2 km以下，最小為雨天1.685 km。分別計算出現(xiàn)雨和霾天氣時兩列能見度數(shù)據(jù)的均方差，不管是何種天氣，人工觀測序列的均方差都大于儀器觀測，這表明人工觀測數(shù)據(jù)起伏較大。有雨時的能見度序列均方差高于有霾時的能見度序列，即有雨時觀測所得能見度數(shù)據(jù)波動較大，這種結(jié)果可能和天氣現(xiàn)象本身有關(guān)，因為雨的疏密直接會影響到能見度的觀測結(jié)果，而不管是人工觀測能見度還是儀器觀測能見度，記錄的都是在定時瞬間的能見度情況，因此受雨勢變化影響較大，而霾天氣則是相對均勻而持續(xù)的天氣現(xiàn)象，能見度變化較為緩和。

表3 雨、霧、霾天氣現(xiàn)象的能見度一致性對比

4.3 人工觀測和儀器觀測產(chǎn)生差異的原因分析

分析兩種觀測方式各自的優(yōu)缺點。人工觀測的能見度屬于每日定時觀測，觀測次數(shù)一般為3個時次(或4個時次，基準站24 h觀測)，資料的連續(xù)性較差，且觀測是在整點之前的15 min之內(nèi)完成；從觀測方式來看，人工觀測的能見度資料存在一定的主觀性，白天和夜間的參照物不同，觀測員的視力也會對觀測結(jié)果有較大影響；但是，人工觀測方式關(guān)注的是觀測員面對的整個大氣對視覺的影響程度，觀測的是一個面，范圍較廣。儀器觀測能見度的觀測數(shù)據(jù)有小時間隔數(shù)據(jù)，也有10 min間隔數(shù)據(jù)，每次數(shù)據(jù)采集是在定時時次15 s更新完成，因此觀測次數(shù)大大增加，數(shù)據(jù)的連續(xù)性較好，且儀器觀測不受光線影響；但是能見度儀的觀測前提是假定整個大氣是均勻的，儀器采樣的空間很小，以點帶面，當大氣均勻時代表性好，反之較差，因此，在能見度好的天氣下，兩者的差值更大，并且儀器觀測更容易受到天氣現(xiàn)象的影響。

除了上述原因之外，對于儀器的熟悉程度以及對于儀器的維護都成為影響儀器觀測數(shù)據(jù)準確度的原因。從浙江省現(xiàn)有的儀器觀測能見度數(shù)據(jù)來看，仍然有不少的缺測情況存在，且有不少錯誤數(shù)據(jù)存在。對于自動能見度儀的維護，要定期檢查儀器上的灰塵、蛛網(wǎng)或其他阻擋物。建議每6個月清潔一次，或者根據(jù)實際情況增加次數(shù)，例如秋冬季節(jié)為霧霾多發(fā)時期，建議增加清潔次數(shù)。清潔時應(yīng)使用專業(yè)的軟布和清潔劑擦拭。當有元件故障需更換元件時必須在斷電的情況下由專業(yè)人員進行，要注意元件的位置是否正確，電纜是否正確接在光學元件上。

5 結(jié) 語

1)從2011年全省能見度分布情況來看，人工觀測能見度的數(shù)值普遍比自動觀測能見度高，能見度高值區(qū)位于西南山區(qū)和東部沿海地區(qū)，低值區(qū)位于杭州地區(qū)、金衢盆地及湖州部分地區(qū)。

2)在不同能見度水平下對資料做一致性對比分析，不同能見度水平下，儀器偏小值概率較大，當能見度小于1 km時，能見度誤差在儀器規(guī)定誤差范圍之內(nèi)，由于儀器觀測能見度時間連續(xù)度高，故在能見度很低時，采用自動能見度更有利于氣象服務(wù)的開展；當能見度大于等于1 km小于10 km時，誤差有所增加，但是資料可信度仍然較高；當能見度大于等于10 km時，誤差繼續(xù)增加，資料有一定的可用性。

3)對比不同天氣現(xiàn)象時能見度資料的一致性，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)雨時兩個能見度資料相關(guān)系數(shù)較高，出現(xiàn)雨天的能見度資料平均差值小于霾天氣，但是雨天能見度資料的均方差大于霾天氣，且人工觀測能見度資料的均方差大于儀器觀測能見度，這和雨和霾這兩種天氣現(xiàn)象本身的特性有關(guān)，也和兩種能見度觀測方式有關(guān)。由于降水是不均勻的，而霾是較均勻的，因此在測量霾天氣能見度時應(yīng)排除降水對能見度的干擾。

4)在浙江省已經(jīng)全面啟動自動能見度觀測儀的情況下，施行人工觀測和儀器觀測能見度并行觀測時期就顯得尤為重要，儀器觀測能見度在10 km以上觀測誤差較大，在實際應(yīng)用中我們更關(guān)注的是10 km以下時的天氣情況。在文中，對于1 km以下的的天氣現(xiàn)象，特別是大霧的樣本較少，未來應(yīng)該繼續(xù)收集樣本，對霧天氣下的兩種能見度資料做進一步分析。此外，目前儀器在全省啟用時間尚短，有不少觀測員對于儀器不夠熟悉，對儀器的維護和操作還需要進一步掌握，所以有一些站點的資料存在可信度較低或者缺測率高的情況，導致資料無法使用。所以，儀器觀測能見度資料擁有較長時間序列且資料質(zhì)量較穩(wěn)定會更有助于人工觀測能見度向儀器觀測能見度過渡。

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2013-05-12