人工與自動(dòng)大氣能見度觀測(cè)的對(duì)比分析

吳世美，吳有恒

(貴陽(yáng)市氣象局，貴州 貴陽(yáng) 550001)

?

人工與自動(dòng)大氣能見度觀測(cè)的對(duì)比分析

吳世美，吳有恒

(貴陽(yáng)市氣象局，貴州 貴陽(yáng) 550001)

大氣能見度是最重要的氣象學(xué)指標(biāo)之一，其準(zhǔn)確觀測(cè)對(duì)氣象及相關(guān)領(lǐng)域具有重要意義。在實(shí)際觀測(cè)中經(jīng)常存在器測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)差異明顯的現(xiàn)象，用對(duì)比觀測(cè)期貴陽(yáng)國(guó)家基準(zhǔn)氣候站的大氣能見度儀器觀測(cè)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明：人工與自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)還是有較好的一致性、相關(guān)性。大氣無霧、污染環(huán)境下，人工觀測(cè)存在主觀差異，能見度觀測(cè)值偏大，前向散射能見度儀自動(dòng)觀測(cè)結(jié)果穩(wěn)定，觀測(cè)數(shù)據(jù)接近大氣能見度的真實(shí)值。在局部霧帶、大氣受污染環(huán)境下，人工觀測(cè)能見度平均誤差低于自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)平均誤差。在大氣受污染環(huán)境下，前向散射能見度儀自動(dòng)觀測(cè)的能見度偏小。前向散射能見度儀自身的清潔度等因素對(duì)觀測(cè)值起到了至關(guān)重要的影響，在儀器使用過程中應(yīng)引起足夠重視。

能見度；主觀誤差；局部霧帶；前向散射能見度儀

1 引言

能見度在氣象學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，一方面因?yàn)樗潜碚鳉鈭F(tuán)特性的要素之一，以能見度表示的大氣光學(xué)狀態(tài)，可滿足天氣學(xué)和氣候?qū)W的需要；另一方面，因?yàn)樗桥c特定判據(jù)或特殊應(yīng)用相對(duì)應(yīng)的一種業(yè)務(wù)性參量，在航空、航海及其他交通運(yùn)輸領(lǐng)域里，它是關(guān)系到安全保障的重要?dú)庀笠刂弧Ｔ诃h(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域里，它是體現(xiàn)大氣污染程度的重要特征量。

能見度的測(cè)量通常有兩種方式，即人工觀測(cè)和能見度儀觀測(cè)。由于人工觀測(cè)有主觀性差異，目前國(guó)內(nèi)氣象臺(tái)站已普遍采用能見度儀開展大氣能見度的測(cè)量。然而，近年來的工作實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，能見度儀在使用過程中出現(xiàn)器測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)有明顯差異的現(xiàn)象，因此，有必要研究?jī)煞N數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性、穩(wěn)定性和客觀性。

2 觀測(cè)原理

能見度的人工觀測(cè)是一個(gè)復(fù)雜的心理物理現(xiàn)象，其估計(jì)值依賴于個(gè)人的視覺和對(duì)“可見”的理解水平。實(shí)際工作中，在氣象臺(tái)站周圍各方向選擇距離不同的若干黑色目標(biāo)物作為能見度觀測(cè)目標(biāo)物，測(cè)出距離和方位，繪制出能見度目標(biāo)物分布圖，作為觀測(cè)時(shí)的參考。由于測(cè)站周圍各方向、各距離能見度目標(biāo)物數(shù)量有限，不能滿足實(shí)際工作的需求，因此，地面氣象觀測(cè)規(guī)范規(guī)定，觀測(cè)方向有目標(biāo)物時(shí)，若某一距離的目標(biāo)物剛好能見，則該目標(biāo)物的距離即為該方向的能見度。若在該方向上能清晰地看到某一距離上的目標(biāo)物，但無更遠(yuǎn)或看不到更遠(yuǎn)的目標(biāo)物輪廓，則可根據(jù)其顏色和較細(xì)小部分的清晰程度，參考下列經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判定：

①當(dāng)目標(biāo)物的顏色和較細(xì)小部分(例如遠(yuǎn)處房屋的窗框、村莊中的單個(gè)樹木等)都能清楚分辨時(shí)，能見度通常可定為該目標(biāo)物距離的5倍以上。

②當(dāng)目標(biāo)物的顏色和較細(xì)小部分隱約可辨時(shí)，能見度通?？啥樵撃繕?biāo)物距離的2.5～5倍。

③當(dāng)目標(biāo)物的顏色和較細(xì)小部分很難分辨時(shí)，能見度通?？啥樵撃繕?biāo)物的距離，但不應(yīng)該超過2.5倍。

前向散射能見度儀工作原理及光學(xué)原理：大氣中光的衰減是由散射和吸收引起的，在一般情況下，吸收因子可以忽略，而經(jīng)由水滴反射、折射或衍射產(chǎn)生的散射現(xiàn)象是影響能見度的主要因素，測(cè)量散射系數(shù)的儀器可用于估計(jì)氣象光學(xué)視程(MOR)。前向散射能見度儀正是通過測(cè)量散射光強(qiáng)度得出散射系數(shù)，從而估算出消光系數(shù)。根據(jù)柯西米德定律計(jì)算氣象光學(xué)視程(MOR)

式中：MOR氣象光學(xué)視程，ε為對(duì)比閾值，σ為消光系數(shù)。

當(dāng) ε=0.05 時(shí)，有

從而可以得出氣象光學(xué)視程。

圖1 前向散射能見度儀光學(xué)原理圖Fig.1 Optical principle of the forward scattering visibility meter

3 資料與對(duì)比分析

3.1 資料來源

數(shù)據(jù)來源于貴陽(yáng)國(guó)家基準(zhǔn)氣候站2015年1月

9日—5月26日(分時(shí)段)、白云國(guó)家一般氣象站、烏當(dāng)國(guó)家一般氣象站2015年5月27日質(zhì)量控制后的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

3.2 對(duì)比觀測(cè)分析

由圖2可知，在無雨霧天氣的對(duì)比觀測(cè)期間，人工與自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)之間存在一定差異，但人工與自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)還是有較好的一致性、相關(guān)性，兩者之間的差異隨目標(biāo)物能見距離增大而增大，5 km以內(nèi)差異較小，5 km以上差異較大。不同觀測(cè)員能見度觀測(cè)數(shù)值之間存在均值1.4 km的差別，最大值超過3.0 km，不同能見度儀的能見度觀測(cè)數(shù)值則幾乎無差別(差別均值<0.3 km)；兩位觀測(cè)員能見度觀測(cè)值的平均值明顯高于客觀值(最遠(yuǎn)能見目標(biāo)物距離)，平均高出3.9 km，最大高出9.5 km，而兩臺(tái)能見度儀的能見度觀測(cè)數(shù)值的平均值與客觀值(最遠(yuǎn)能見目標(biāo)物距離)非常接近(兩者差別<0.4 km)。由此可見，在無雨霧天氣時(shí)，與人工觀測(cè)相比，能見度儀觀測(cè)結(jié)果穩(wěn)定，接近大氣能見度的真實(shí)值；而人工觀測(cè)則通常存在一定的主觀差異。

圖2 大氣能見度的能見度儀觀測(cè)值與人工觀測(cè)值的對(duì)比(觀測(cè)數(shù)據(jù)按照“最遠(yuǎn)能見目標(biāo)物距離”由小到大排列)Fig.2 Comparison between the instrumental observations and the artificial observations(The data of distances of visible object was in ascending order)

4 局部霧帶對(duì)能見度觀測(cè)的影響

為了研究局部霧帶對(duì)人工與自動(dòng)大氣能見度觀測(cè)的影響，我們于2015年3月19日—5月13日(分時(shí)段)，在貴陽(yáng)國(guó)家基準(zhǔn)氣候站觀測(cè)場(chǎng)，開展詳細(xì)地對(duì)比研究，共計(jì)獲得對(duì)比觀測(cè)記錄16組，如圖3所示。對(duì)比觀測(cè)分為：①兩位觀測(cè)員的大氣能見度對(duì)比觀測(cè)；②兩臺(tái)同一型號(hào)的前向散射能見度儀的對(duì)比觀測(cè)；③東、西兩個(gè)方向最遠(yuǎn)目標(biāo)物距離。同期，對(duì)大氣顆粒物濃度(PM1.0，PM2.5，PM10)、濕度，風(fēng)速，風(fēng)向等氣象參數(shù)進(jìn)行了觀測(cè)(見表1)。

如圖3所示，在局部霧帶和大氣環(huán)境受污染的時(shí)候，兩位觀測(cè)員能見度觀測(cè)數(shù)值在目標(biāo)物能見距離較大時(shí)，其觀測(cè)值存在較大的差別，觀測(cè)員1觀測(cè)數(shù)值偏大，平均誤差1.2 km，觀測(cè)員2觀測(cè)數(shù)值偏小，平均誤差-0.2 km。能見度儀的觀測(cè)數(shù)值偏小，在用能見度儀觀測(cè)值平均誤差-2.2 km，對(duì)比觀測(cè)能見度儀觀測(cè)值平均誤差-2.5 km。這表明在大氣環(huán)境受污染時(shí)，大氣能見度的人工觀測(cè)值要優(yōu)于能見度儀觀測(cè)值。結(jié)合大氣顆粒物濃度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，大氣顆粒物濃度與大氣能見度呈現(xiàn)較好的反相關(guān)。隨著大氣顆粒物濃度的升高，人工觀測(cè)的大氣能見度就越接近大氣能見度真實(shí)值，而能見度儀觀測(cè)的能見度就越小于大氣能見度真實(shí)值。

圖3 局部霧帶時(shí)期的大氣能見度對(duì)比觀測(cè)及大氣顆粒物濃度(對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)共16組,按照“能見度儀觀測(cè)的能見度”由小到大排列)Fig.3 contrast observation of atmospheric visibility and atmospheric particulate matter concentration during the local fog period(6 groups of observation data, arranged in accordance with the visibility observed by the instrument)

數(shù)據(jù)組觀測(cè)時(shí)間濕度/%風(fēng)向風(fēng)速(m/s)備注12015年3月19日12∶20531812.4西面城區(qū)霧和霾的混合霧22015年5月26日16∶5074313.7東面長(zhǎng)時(shí)間雨后局部霧帶32015年5月26日16∶2869952.4東面長(zhǎng)時(shí)間雨后局部霧帶42015年5月26日16∶1867811.7東面長(zhǎng)時(shí)間雨后局部霧帶52015年4月29日14∶55941093.5西面城區(qū)霧和霾的混合霧62015年5月13日9∶40891933.1西面城區(qū)霧和霾的混合霧72015年5月13日10∶02871594.0西面城區(qū)霧和霾的混合霧82015年5月13日10∶20861873.7西面城區(qū)霧和霾的混合霧92015年3月19日12∶30472074.4西面城區(qū)霧和霾的混合霧102015年4月21日11∶32613212.3西面城區(qū)霧和霾的混合霧112015年4月21日8∶5582462.8西面城區(qū)霧和霾的混合霧122015年4月21日10∶52631073.5西面城區(qū)霧和霾的混合霧132015年4月29日15∶05871052.6西面城區(qū)霧和霾的混合霧142015年4月29日15∶1582872.1西面城區(qū)霧和霾的混合霧152015年4月21日10∶00731212.2西面城區(qū)霧和霾的混合霧162015年4月29日15∶39721102.6西面城區(qū)霧和霾的混合霧

5 儀器清潔等因素對(duì)能見度觀測(cè)的影響

能見度儀觀測(cè)設(shè)備自身的清潔度往往對(duì)觀測(cè)結(jié)果產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，然而，在實(shí)踐過程中這一因素往往被人們忽視。為科學(xué)評(píng)估前向散射能見度儀自身清潔度對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響，我們于2015年5月27日在白云國(guó)家一般氣象站、烏當(dāng)國(guó)家一般氣象站開展了儀器清洗前、后的對(duì)比觀測(cè)研究，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)的清潔的能見度儀開展對(duì)比觀測(cè)(表2)。

由表2可知，在用能見度儀清潔前、后的能見度觀測(cè)值存在很大差異，清潔后與對(duì)比設(shè)備的大氣能見度觀測(cè)值非常吻合。以白云站對(duì)比觀測(cè)為例，在用能見度儀清潔之前，其大氣能見度觀測(cè)值為17 011±792 m(n=21)，而對(duì)比設(shè)備的大氣能見度觀測(cè)值為6 655±480 m(n=21)，兩者之差高達(dá)10 356 m。在用能見度儀清潔之后，其大氣能見度觀測(cè)值為6 800±193 m(n=19)，而對(duì)比設(shè)備的大氣能見度觀測(cè)值為6 307±174 m(n=19)，兩者之差僅為493 m。烏當(dāng)站的對(duì)比觀測(cè)結(jié)果與之類似。由此可見，能見度儀自身的清潔度對(duì)設(shè)備觀測(cè)值起到了至關(guān)重要的影響，在能見度儀使用過程中應(yīng)引起足夠重視。

表2 貴陽(yáng)市白云氣象站、烏當(dāng)氣象站儀器清洗前后的對(duì)比觀測(cè)

6 結(jié)論與討論

①人工與自動(dòng)大氣能見度觀測(cè)數(shù)據(jù)之間存在一定差異，大氣能見度在5 km以內(nèi)，兩者差異較小，5 km以上差異較大，在反映能見度大小數(shù)值上，兩者觀測(cè)值有較好的一致性。

②與人工觀測(cè)相比，無污染天氣背景下，能見度儀觀測(cè)結(jié)果比較接近大氣能見度的真實(shí)值，人工觀測(cè)偏大，存在一定的主觀差異。

③有霧帶或大氣受污染時(shí)，能見度自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與霧的粒子核大小有關(guān)，大粒子核時(shí)，其觀測(cè)數(shù)據(jù)多不能客觀反映大氣真實(shí)能見度，數(shù)值偏小，具體原因有待進(jìn)一步對(duì)比分析論證。由于有目標(biāo)物作參照，人工觀測(cè)比較接近大氣真實(shí)能見度。

④儀器自身的清潔度對(duì)觀測(cè)值可起到至關(guān)重要的影響，在儀器使用過程中應(yīng)引起足夠重視。

⑤人工與自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)之間存在差異的原因可能來源于“清晰地看到某一距離上的目標(biāo)物”時(shí)，人工放大了能見度數(shù)值。

[1] 張雪芬, 雷勇, 李崇志, 等. 前向散射能見度儀觀測(cè)規(guī)范.中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)司，2011.09.

[2] 孫學(xué)金, 王曉蕾, 李浩, 等. 大氣探測(cè)學(xué).北京：氣象出版社，2009.08.

Contrast study on the observation of artificial and automatic measurements of the atmospheric visibility

WU Shimei,WU Youheng

(Meteorological Bureau of Guiyang City, Guiyang 550001, China)

Atmospheric visibility is one of the most important indexes of meteorology. Its accurate observation is of great significance to meteorology and the related fields. The difference between the instrumental observation and the artificial observation often occurs. In this study, comparative observations were investigated at the national baseline climate station in Guiyang. The results show that: there is a good consistency and correlation between artificial and automatic observation data; in the air pollution-free environment, the artificial observation has subjective difference, which often leads to a larger visibility observation value, and the results of the automatic measurements are stable, close to the true value; under the environment of fog and air pollution, the average error of the artificial observation is lower than that of the automatic observation; in polluted atmospheric environment, the visibility of the automatic observations are often lower that the true values; instrument cleanliness has a critical impact on the observed values, and should be paid more attention in the use of the instrument.

visibility; subjective error; local fog; forward scattering visibility meter

1003-6598(2016)04-0081-05

2015-12-29

吳世美(1972—)，女，工程師，主要從事縣級(jí)綜合業(yè)務(wù)管理工作，E-mail:2682268362@qq.com。

黔氣科合KF07號(hào)“前向散射能見度儀應(yīng)用分析及界定修訂閥值研究”。

P413

B