明 虎 陳麗杰 高聯(lián)輝 王 奇
1)(中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,烏魯木齊 830002)2)(中國(guó)民用航空西北地區(qū)空中交通管理局氣象中心,西安 710082)
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機(jī)場(chǎng)低能見度自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比
明 虎1)2)*陳麗杰2)高聯(lián)輝2)王 奇2)
1)(中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,烏魯木齊 830002)2)(中國(guó)民用航空西北地區(qū)空中交通管理局氣象中心,西安 710082)
基于民航機(jī)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用,對(duì)比安裝在陜西省西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)跑道一端的大氣透射儀和前向散射儀2013年1月—2014年8月測(cè)量的跑道視程數(shù)據(jù),結(jié)果表明:整體上,當(dāng)跑道視程R>400 m時(shí),前向散射儀測(cè)量數(shù)據(jù)大于大氣透射儀數(shù)據(jù)的比例高;當(dāng)跑道視程R≤400 m時(shí),大氣透射儀測(cè)量數(shù)據(jù)大于等于前向散射儀數(shù)據(jù)的比例更高。當(dāng)跑道視程R≤600 m時(shí),兩種設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)具有很好的相互替代性;當(dāng)跑道視程R>1000 m時(shí),兩種設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)差距較大。在霧、凍霧、霾和暴雨天氣時(shí),兩種設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)在時(shí)間上具有很好的一致性,且在跑道視程R≤1000 m時(shí),兩種設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)具有很好的相互替代性,而在雪、煙和揚(yáng)沙天氣時(shí)兩種設(shè)備測(cè)量的數(shù)據(jù)差距較大。
大氣透射儀;前向散射儀;跑道視程;天氣現(xiàn)象
低能見度直接影響航空器的起飛和降落,準(zhǔn)確觀測(cè)低能見度對(duì)保障航空飛行具有重要的意義。當(dāng)?shù)湍芤姸劝l(fā)生時(shí),航空管制員以跑道視程(RVR)的大小對(duì)飛機(jī)進(jìn)行指揮。跑道視程[1]指在跑道中線的航空器上的飛行員能看到跑道面上的標(biāo)志或跑道邊界燈或中線燈的距離。跑道視程主要由氣象光學(xué)能見度(MOR)、背景光亮度和跑道燈光強(qiáng)度決定。
我國(guó)民航用來(lái)觀測(cè)跑道視程的設(shè)備[2]主要有大氣透射儀和前向散射儀兩種,針對(duì)兩種設(shè)備測(cè)量效果的比較,世界氣象組織于1989年在美國(guó)進(jìn)行了透射儀與人工目測(cè)能見度的對(duì)比試驗(yàn)[3];法國(guó)氣象研究所在1994年也進(jìn)行了一次較大規(guī)模的對(duì)比試驗(yàn)[4-5]。20世紀(jì)90年代國(guó)內(nèi)開始了對(duì)能見度和兩種觀測(cè)跑道視程的設(shè)備的研究:劉西川等[6]分析了降水對(duì)消光系數(shù)和能見度的影響,呂偉濤等[7]、馬舒慶等[8]、杜傳耀等[9]分析研究了雙亮度能見度測(cè)量?jī)x的原理和參數(shù),曾書兒等[10]在理論上比較了兩種設(shè)備;濮江平等[11-12]在1998年對(duì)5套分別由Vaisala公司和Presentey公司生產(chǎn)的大氣透射儀和前向散射儀進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),得到當(dāng)能見度在4000 m以上時(shí),前向散射儀測(cè)量值明顯偏高,且測(cè)量結(jié)果比較好,當(dāng)能見度在4000 m以下,兩種設(shè)備測(cè)量結(jié)果差距較??;2009年田麗[13]對(duì)比了兩種設(shè)備在霧、雨和雪3種天氣現(xiàn)象的觀測(cè)結(jié)果,整體上前向散射儀測(cè)量值要大于大氣透射儀。這些研究存在取樣時(shí)間短、對(duì)比樣本量少的不足,且沒(méi)有具體分析對(duì)航空飛行有直接影響的1500 m以下兩種設(shè)備的觀測(cè)效果。
本文利用陜西省西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)的跑道同一端大氣透射儀和前向散射儀,對(duì)2013年1月1日—2014年8月31日連續(xù)觀測(cè)的跑道視程數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
大氣透射儀和前向散射儀是機(jī)場(chǎng)常用的測(cè)量跑道視程的設(shè)備,均通過(guò)計(jì)算消光系數(shù)得到光學(xué)能見度(MOR),再利用當(dāng)時(shí)機(jī)場(chǎng)跑道的背景光強(qiáng)度和跑道燈級(jí)數(shù)計(jì)算得到跑道視程。
1.1 大氣透射儀測(cè)量原理
大氣透射儀通過(guò)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的大氣透射率計(jì)算能見度。當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)射一束強(qiáng)度為I0的光后,通過(guò)一定基線長(zhǎng)度b(不同地點(diǎn)可能不同,本研究中設(shè)備基線長(zhǎng)度為30 m)到接收機(jī),接收機(jī)接收的光強(qiáng)I[14]可表示為
I=I0exp(-σb),
(1)
式(1)中,σ為消光系數(shù),通過(guò)將式(1)變形, 可表示為
σ=-(1/b)ln(I/I0),
(2)
再根據(jù)Koschmic原理,光學(xué)能見度L可以通過(guò)式(3)計(jì)算得到,
L=-ln(0.05/σ)。
(3)
1.2 前向散射儀測(cè)量原理
利用前向散射儀測(cè)量[15]時(shí)需3個(gè)假設(shè):①假定大氣是均質(zhì)的,即大氣分布均勻;②假定分子的吸收、散射或分子內(nèi)部交互光學(xué)效應(yīng)為零,且假定大氣消光系數(shù)等于大氣中霧、霾、雨和雪的散射;③假定散射儀測(cè)量的散射光強(qiáng)正比于散射系數(shù),一般情況下,選擇合適的角度,散射信號(hào)近似正比于散射系數(shù)。測(cè)量來(lái)自一個(gè)小的采樣容積的散射光強(qiáng),利用測(cè)得的散射光強(qiáng)計(jì)算消光系數(shù)σ,最后根據(jù)Koschmic原理,通過(guò)式(3)得到光學(xué)能見度。
由于前向散射儀測(cè)量的是散射系數(shù),而不是直接測(cè)量消光系數(shù),因此,在進(jìn)行計(jì)算光學(xué)能見度時(shí)要根據(jù)不同的天氣現(xiàn)象進(jìn)行修正。
1.3 設(shè)備比較
1.3.1 測(cè)量原理比較
大氣透射儀取樣空間大且可以直接計(jì)算得到消光系數(shù),而前向散射儀需要假設(shè)大氣是均勻分布和粒子吸收為零,大氣透射儀在原理上優(yōu)于前向散射儀,但經(jīng)過(guò)前向散射儀不斷的修正改良,測(cè)量精度得到很大提高。
1.3.2 成本和維護(hù)比較
前向散射儀體積小,安裝方便,設(shè)備成本遠(yuǎn)低于大氣透射儀;前向散射儀克服了光學(xué)污染和光源老化等問(wèn)題,運(yùn)行穩(wěn)定度更高,維護(hù)維修更方便。
在實(shí)際民航應(yīng)用中,由于有時(shí)空間尺度比較小以及跑道燈光強(qiáng)度和背景光的不一致性,不同位置的跑道視程數(shù)據(jù)不能相互替代,對(duì)比設(shè)備必須選擇跑道同一端。根據(jù)中國(guó)民航局統(tǒng)計(jì),我國(guó)中型和大型民航機(jī)場(chǎng)應(yīng)用Vaisala公司生產(chǎn)設(shè)備在80%以上,選用西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)南跑道05R端Vaisala公司生產(chǎn)的大氣透射儀(LT31)和前向散射儀(FS11P)具有很好的代表性(具體位置如圖1所示,圖中05L,23R和05R,23L分別是北跑道和南跑道兩端的命名,MITRAS是大氣透射儀,F(xiàn)D12P是前向散射儀)。
圖1 西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)大氣透射儀和前向散射儀位置示意圖Fig.1 Location of atmospheric transmission meters and forward scatter meters at Xi’an Xianyang international airport
由于兩套設(shè)備在跑道同一端,設(shè)備的水平直線距離小于20 m,滿足大氣均勻分布。利用2013年1月1日—2014年8月31日連續(xù)測(cè)量的跑道視程R,設(shè)備每分鐘生成1組數(shù)據(jù),總有效樣本量為872800,R≤1600 m的樣本量為51243。對(duì)R≤1600 m的數(shù)據(jù)進(jìn)行整體計(jì)算分析,并對(duì)7種天氣現(xiàn)象下兩種設(shè)備測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
數(shù)據(jù)處理以大氣透射儀測(cè)量的跑道視程為參考標(biāo)準(zhǔn),將對(duì)應(yīng)時(shí)刻的大氣透射儀和前向散射儀測(cè)量數(shù)據(jù)以不同的距離間隔、按照時(shí)間前后順序生成兩組數(shù)據(jù),再對(duì)兩組數(shù)據(jù)處理分析。
3.1 差值區(qū)間分布
差值區(qū)間分布可以描述兩組數(shù)據(jù)差值的分布情況。將R≤1600 m數(shù)據(jù)以200 m的間距分別將大氣透射儀和前向散射儀數(shù)據(jù)形成數(shù)組,利用前向散射儀數(shù)據(jù)減去對(duì)應(yīng)時(shí)刻大氣透射儀數(shù)據(jù),按照差值大小在不同差值范圍內(nèi),分別進(jìn)行數(shù)據(jù)樣本量的累加再除以總樣本量得到相應(yīng)的占空比(如圖2所示)。
圖2 R≤1600 m差值區(qū)間分布Fig.2 Difference intervals of R≤1600 m
由圖2可知,在0 3.2 平均差值 100(n-1) (4) 由圖3可見,整體上隨著跑道視程的增大,平均差值也逐漸增大。當(dāng)R≤200 m時(shí),平均差值小于20 m;當(dāng)200 m 圖3 R≤1500 m平均差值分布Fig.3 The average difference of R≤1500 m 3.3 相關(guān)系數(shù) 相關(guān)系數(shù)是表示兩組數(shù)據(jù)線性變化相關(guān)程度的指標(biāo)[16]。為了保證足夠的樣本量,使相關(guān)系數(shù)更能真實(shí)地反映兩種設(shè)備的相關(guān)程度,分別將大氣透射儀和前向散射儀測(cè)量的R≤1800 m數(shù)據(jù)以300 m間隔生成數(shù)組,按式(5)計(jì)算得到表1。 (5) 式(5)中,r(n)表示兩個(gè)設(shè)備第n個(gè)距離段300(n-1) 由表1可知,整體上,隨著跑道視程的增大,相關(guān)系數(shù)逐漸變小。當(dāng)R≤600 m時(shí),相關(guān)系數(shù)大于0.85,大氣透射儀和前向散射儀數(shù)據(jù)極高相關(guān);當(dāng)600 m 3.4 應(yīng)用分析 《民用航空氣象地面觀測(cè)技術(shù)手冊(cè)》[17]中觀測(cè)或測(cè)量的精度要求跑道視程小于或等于150 m,誤差為±25 m;大于150 m且小于等于500 m,誤差為±50 m;大于500 m且小于等于2000 m,誤差為±10%。 表1 大氣透射儀和前向散射儀的相關(guān)情況Table 1 the coefficient of atmospheric transmisson meter and forward scatter meter 以大氣透射儀觀測(cè)數(shù)據(jù)為參考標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)R≤200 m 時(shí),兩種設(shè)備平均差值小于20 m,差值為 [-25 m,25 m]的比例為97%,當(dāng)200 m 由于不同粒子的透射率和散射率不同,所以在不同天氣現(xiàn)象下大氣透射儀和前向散射儀的測(cè)量結(jié)果有一定差距[18]。統(tǒng)計(jì)西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)2013年1月—2014年8月R≤1500 m各種天氣現(xiàn)象發(fā)生次數(shù)如圖4所示。 圖4 2013年1月—2014年8月R≤1500 m時(shí)西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)各種天氣現(xiàn)象發(fā)生次數(shù)Fig.4 The frequency of all kinds of weather at Xi’an Xianyang international airport from Jan 2013 to Aug 2014 由圖4可知,影響西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)能見度的主要天氣現(xiàn)象是霧(包括輕霧、大霧和凍霧)、霾和煙,其他天氣現(xiàn)象影響相對(duì)較小。以下對(duì)霧、凍霧、暴雨、雪、霾、煙和揚(yáng)沙7種天氣典型個(gè)例按照時(shí)間順序?qū)Ρ却髿馔干鋬x和前向散射儀數(shù)據(jù)。 4.1 霧和凍霧 選擇2013年5月17日18:30—21:00(北京時(shí),下同)大霧天氣和2013年1月20日00:00—06:00凍霧天氣,分析大氣透射儀(LT31)和前向散射儀(FS11P)測(cè)量數(shù)據(jù),并利用前向散射儀測(cè)量數(shù)據(jù)減去大氣透射儀測(cè)量數(shù)據(jù),得到相應(yīng)的差值分布(圖5)。 由圖5可知,在霧天氣下,當(dāng)R>1500 m時(shí),前向散射儀測(cè)量數(shù)據(jù)大于大氣透射儀測(cè)量數(shù)據(jù),差值較大;當(dāng)1000 m 圖5 2013年5月17日霧、2013年1月20日凍霧天氣LT31和FS11P數(shù)據(jù)及相應(yīng)差值隨時(shí)間變化Fig.5 Variations of measurements from LT31 and FS11P with their difference under fog on 17 May 2013 and freezing fog on 20 Jan 2013 4.2 雨和雪 西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)在2013年1月—2014年8月共出現(xiàn)93次降雨(圖4),而影響跑道視程低于1500 m的次數(shù)僅兩次,且兩次日降水量均超過(guò)50 mm, 達(dá)到暴雨量級(jí)。因此,當(dāng)小雨或中雨時(shí),對(duì)能見度影響不大,而當(dāng)大雨和暴雨時(shí),會(huì)產(chǎn)生比較大的影響。連續(xù)性降雪會(huì)造成空氣比較潮濕,特別容易產(chǎn)生凍霧造成能見度快速下降,此時(shí)凍霧就成為影響能見度的主要天氣。 選擇2014年7月14:20—15:20(降水量為56 mm)暴雨天氣和2014年2月18日16:00—21:00(該時(shí)段沒(méi)有霧)雪天氣,分析大氣透射儀和前向散射儀測(cè)量數(shù)據(jù)和前向散射儀減去大氣透射儀數(shù)據(jù)差值(圖6)。由圖6可知,下雨時(shí)大氣透射儀測(cè)量數(shù)據(jù)基本上大于前向散射儀數(shù)據(jù),且差值多在200 m以內(nèi),隨時(shí)間的連續(xù)變化也比較一致,兩種設(shè)備的相互替代性較好。由圖6可知,下雪時(shí)前向散射儀測(cè)量數(shù)據(jù)大于大氣透射儀測(cè)量數(shù)據(jù),且差值偏大多在300 m以上。 4.3 霾、煙和揚(yáng)沙 選擇2013年3月25日18:40—26日03:40霾天氣、2013年1月30日00:00—09:00煙天氣和2013年3月31日22:10—4月1日01:00揚(yáng)沙天氣,分析大氣透射儀和前向散射儀測(cè)量數(shù)據(jù)和前向散射儀減去大氣透射儀數(shù)據(jù)差值(圖7)。 圖6 2014年7月22日暴雨、2014年2月18日雪 LT31和FS11P數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化和相應(yīng)差值隨時(shí)間變化Fig.6 Variations of measurements from LT31 and FS11P with their difference under heavy rain on 22 Jul 2014 and snow on 18 Feb 2014 圖7 2013年3月25日霾、2013年1月30日煙和2013年3月31日揚(yáng)沙LT31和FS11P數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化和相應(yīng)差值隨時(shí)間變化Fig.7 Variations of measurements from LT31 and FS11P with their difference under haze on 25 May 2013,smoke on 30 Jan 2013 and blowing sand on 31 May 2013 續(xù)圖7 由圖7可知,在霾天氣下整體上兩種設(shè)備數(shù)據(jù)一致性較好,當(dāng)R>1500 m時(shí),前向散射儀觀測(cè)數(shù)據(jù)大于大氣透射儀數(shù)據(jù),且差值均大于300 m,兩種設(shè)備觀測(cè)差距較大。當(dāng)R≤1000 m時(shí),大氣透射儀測(cè)量數(shù)據(jù)大于前向散射儀數(shù)據(jù),差值均小于50 m,兩種設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)具有很好的相互替代性。由圖7可知,在煙天氣下,整體上數(shù)據(jù)均大于600 m,前向散射儀測(cè)量數(shù)據(jù)大于大氣透射儀數(shù)據(jù),差值多在500 m以上,兩種設(shè)備測(cè)量差距很大。由圖7可知,在揚(yáng)沙天氣下跑道視程一般在1000 m以上,前向散射儀測(cè)量數(shù)據(jù)大于大氣透射儀數(shù)據(jù),且差值為500 m 左右,兩種設(shè)備的測(cè)量差距很大。 4.4 對(duì)比結(jié)果原理分析 前向散射儀測(cè)量數(shù)據(jù)與氣象粒子的散射波強(qiáng)度成反比,大氣透射儀測(cè)量數(shù)據(jù)與透射波強(qiáng)度成正比。散射波強(qiáng)度大小主要由氣象粒子的介電常數(shù)和粒子的濃度決定,介電常數(shù)[19]越大,散射波強(qiáng)度越大,測(cè)量結(jié)果越小,粒子濃度越大時(shí),散射波強(qiáng)度越大,相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果就越小。透射波強(qiáng)度主要由粒子濃度決定,粒子濃度越大,透射波強(qiáng)度越小,測(cè)量結(jié)果越小,散射波強(qiáng)度隨粒子濃度的變化梯度比透射波強(qiáng)度的變化梯度大,即當(dāng)粒子濃度變小時(shí),前向散射儀測(cè)量數(shù)據(jù)與大氣透射儀數(shù)據(jù)差值變大。 本文通過(guò)分析安裝在西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)跑道同一端的大氣透射儀和前向散射儀2013年1月—2014年8月連續(xù)測(cè)量的跑道視程,得到以下主要結(jié)果: 1) 當(dāng)R≤400 m時(shí),大氣透射儀測(cè)量數(shù)據(jù)大于等于前向散射儀測(cè)量數(shù)據(jù)的比例在90%以上;當(dāng)R>400 m時(shí),前向散射儀測(cè)量數(shù)據(jù)大于等于大氣透射儀測(cè)量數(shù)據(jù)的比例更大。 2) 當(dāng)R≤600 m時(shí),兩種設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù)相互替代性較好;當(dāng)600 m 3) 在霧、凍霧、霾和暴雨天氣時(shí),大氣透射儀和前向散射儀測(cè)量數(shù)據(jù)在時(shí)間上具有很好的一致性,且當(dāng)R≤1000 m時(shí),兩種設(shè)備的測(cè)量結(jié)果相互替代性好;在雪、煙和揚(yáng)沙天氣下,大氣透射儀和前向散射儀測(cè)量數(shù)據(jù)差距較大。 4) 在雪、煙和揚(yáng)沙天氣時(shí),前向散射儀測(cè)量數(shù)據(jù)大于大氣透射儀數(shù)據(jù);在大雨天氣下,大氣透射儀測(cè)量數(shù)據(jù)大于前向散射儀數(shù)據(jù)。 5) 在霧和霾天氣,當(dāng)R≤1000 m時(shí),大氣透射儀測(cè)量數(shù)據(jù)大于前向散射儀數(shù)據(jù);當(dāng)R>1000 m時(shí),前向散射儀數(shù)據(jù)大于大氣透射儀數(shù)據(jù)。 本文對(duì)比數(shù)據(jù)雖然具有取樣時(shí)間長(zhǎng)、樣本量大的特點(diǎn),但由于只取樣于西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng),有一定地區(qū)局限性,在不同地區(qū)各種天氣現(xiàn)象下,兩種設(shè)備測(cè)量結(jié)果與本文存在差異。 [1] 國(guó)際民航組織.跑道視程觀測(cè)和報(bào)告實(shí)踐手冊(cè)(第二版).北京:中國(guó)氣象局監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)司,2000:28-32. 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Comparison on Measurements by Airport Visibility Automatic Observation Instruments in Low Visiblity Weather Ming Hu1)2)Chen Lijie2)Gao Lianhui2)Wang Qi2) 1)(InstituteofDesertMeteorology,CMA,Urumqi830002)2)(NorthwestRegionalAirTrafficManagementBureauofCAAC,Xi’an710082) The runway visual range measurements form January 2013 to August 2014 by atmospheric transmission meter and forward scattering meter installed on the same end of Xi’an Xianyang international airport south runway are compared. Conclusions are as follows: When the visual range is greater than 400 m, measurements by forward scattering meter are likely to be greater than those by atmospheric transmission meter, while when the runway visual range is less than or equal to 400 m, measurements by atmospheric transmission meter are likely to be greater. Overall, when the runway visual range is less than or equal to 600 m, both two sets of equipment can be replaced by each other as their bias is accord with requirements of Civil Aviation Observation and Measurement. However, when the runway visual range is between 600 m and 1000 m, whether observations from two sets of equipment can be replaced mainly depends on weather conditions. When the runway visual range is greater than 1000 m, differences between two sets of equipment exceeds requirements of Civil Aviation Observation and Measurement. In fog, freezing fog, haze or big rain weather, observations show very good consistency and can be replaced with each other when runway visual range is less than or equal to 1000 m. In snow, smoke or floating sand weathers, measurements by forward scattering meter are much greater; while in big rain weather, it is found that measurements by atmospheric transmission meter are greater than that by forward scattering meter. In fog weather and haze weathers, it is found that measurements by atmospheric transmission meter are greater when the runway visual range is less than or equal to 1000 m, but less than data measured by forward scattering meter when visual range is greater than 1000 m. atmospheric transmission meter; forward scattering meter; runway visual range; the weather phenomenon 10.11898/1001-7313.20150612 中國(guó)沙漠氣象科學(xué)研究基金項(xiàng)目(Sqj2014003), 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41475029) 明虎,陳麗杰,高聯(lián)輝,等. 機(jī)場(chǎng)低能見度自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2015,26(6):750-758. 2015-03-21收到,2015-09-21收到再改稿。 * email: minghu0538@126.com4 不同天氣現(xiàn)象數(shù)據(jù)分析
5 小 結(jié)