能見度自動觀測與人工觀測數據比較分析

劉萱榮，劉 琥，洪竹芳，覃 毅

(湖南省武岡市氣象局，湖南 邵陽 422400)

1 引言

能見度是地面氣象觀測的要素之一，它可以反映氣團的某些特性，以滿足天氣學和氣候學的需要，更為直觀的是，它不僅可用來表征氣象變化，還可以用來體現一地空氣環(huán)境的好壞，尤其是在我們國家對環(huán)境保護極為重視的當下，做好能見度觀測方法的比較研究，為以后能見度資料的應用提供理論上的參考依據，是很有意義的，也是必要的。能見度自動觀測與人工觀測的比較研究，國內已然做了許多[1]-[6]，就其成果而言，只能借鑒，不能推廣應用?？梢哉f，每個臺站在一定的時間序列里，用自動觀測與人工觀測兩種不同方法，所采集到的能見度數據，將其比較都會有差異，這些差異因人而異，因站而異，要想連續(xù)應用它都應該作比較分析研究。武岡站從2014年12月停止人工觀測能見度，同時啟用自動觀測能見度取代了人工觀測能見度，而在這之前的能見度是人工觀測的，由此積累的資料也是人工觀測得來的，這樣因為觀測方法的不同而得來的資料，如果用來研究本地區(qū)的氣候狀況，或者空氣質量狀況，要是事先不對它們進行比較分析，一定會對研究結果帶來偏差。故此，本文試圖通過對自動觀測能見度與人工觀測能見度資料進行比較，找出它們之間的差異，分析差異產生的原因，從中找出規(guī)律，為本站以后能見度資料的連續(xù)應用提供理論上的參考依據。當然，這對其它站而言只能起到借鑒的作用。

2 資料來源與數據處理

本文采用的是武岡國家基本氣象站2015年4月—2016年3月(含4月，下同)的人工觀測與自動觀測能見度資料，每天開展5次(北京時間08、11、11、14、17、20時)一共有1 830組數據，考慮到這期間因為自動站的能見度儀器發(fā)生故障有數據缺測的情況，所以將其中缺測的93組數據去掉，還剩下1 737組有效數據可供分析研究。去掉的缺測資料如下：4月7日20時，6月18—30日(含18日)08時、11時、14時、17時和20時，7月1—5日(含1日)08時、11時、14時、17時和20時以及6日08時、11時。另外考慮到自動能見度觀測的最大值為30.0 km，而人工觀測能見度有大于30.0 km的情況，故將人工觀測能見度大于30.0 km的均按30.0 km處理，它們是7月28日17時和20時，8月11日的17時。另外，人工觀測能見度是以千米為單位，保留一位小數，而自動觀測能見度則是以米為單位取整數，為了便于比較，自動觀測能見度舍去個位和十位數，保留的百位數前取小數。

3 數據分析

3.1 定時數據比較

采用本站2015年4月—2016年3月08時、11時、14時、17時和20時5次定時觀測的自動與人工能見度數據，制作成比較趨勢圖1，從中可以看出人工觀測數據基本上要大于自動觀測數據。下圖中的能見度數值擴大了10倍。

圖1 2015年4月—2016年3月自動與人工觀測能見度定時數據比較趨勢圖Fig.1 Visibility Timing Data Comparison between Automatic and Manual Observation from April,2015 - March,2016

3.2 平均值比較

將本站2015年4月—2016年3月08時、11時、14時、17時和20時定時自動與人工觀測能見度的平均值制成圖2，從中可以清楚的看出：一是人工能見度要大于自動能見度，這與上面定時趨勢圖分析的結果相一致。二是它們的平均日變化規(guī)律基本一致，且08時能見度小，然后逐漸加大到午后，并持續(xù)至下午，再下降至20時。三是它們的平均能見度的最小出現時間一致，最大出現時間相近，平均差11時最小為0.5 km，20時最大為1.1 km，總的趨勢是正午前后能見度較好，早晚較差。

3.3 相關性分析

計算本站2015年4月—2016年3月自動與人工觀測能見度各定時觀測的相關系數如表1，從中可得14時相關性最好，17時的相關性次之，20時的相關性最差，它們的相關系數都在0.9以上，表明本站自動觀測與人工觀測的相關性較好。

圖2 2015年4月—2016年3月自動與人工觀測能見度定時變化均值圖Fig.2 Visibility Time-Varying Mean Map of Automatic and Manual Observation from April,2015 - March,2016

表1 2015年4月—2016年3月各定時相關系數表Tab.1 The Timing correlation Coefficient Table from April,2015-March,2016

3.4 能見度一致性比較分析

將本站2015年4月—2016年3月08時、11時、14時、17時和20時定時自動與人工觀測能見度資料分為vv<1.0、1.0≤vv<5.0、5.0≤vv<10.0、10.0≤vv<20.0和20.0≤vv<30.0等5段，分別計算出它們的平均對比差值如表2，從中可以看出：一方面能見度小于1.0 km時平均誤差最小，隨著能見度的增大其平均誤差也逐漸加大，變化幅度無規(guī)律性。另一方面自動與人工觀測能見度在0.0～10.0 km一致性較好，大于10.0 km開始一致性變差，也就是說低能見度一致性較好，高能見度一致性較差。

3.5 能見度出現頻率分析

沿襲上一節(jié)的自動與人工觀測能見度資料分段，制成2015年4月—2016年3月能見度出現頻率比較圖3，從中可以看出，本站自動觀測能見度與人工觀測能見度一樣，大多集中在1.0～20.0 km之間，但是它們在1.0～20.0 km之間內的小區(qū)間里，各自出現的頻率有差異，自動能見度1.0≤vv<5.0 km區(qū)間最多為764次，其次是5.0≤vv<10.0 km區(qū)間為567次，然后是10.0≤vv<20.0 km區(qū)間為294次，這三者占總觀測次數的93.6%；人工能見度5.0≤vv<10.0 km區(qū)間最多為680次，其次是1.0≤vv<5.0 km區(qū)間為468次，然后是10.0≤vv<20.0 km區(qū)間為451次，這三者占總觀測次數的92.1%。

表2 2015年4月—2016年3月自動與人工觀測能見度平均對比差值Tab.2 Average Contrast Differences of Visibility of Automatic and Manual Observation from April,2015 - March,2016

圖3 2015年4月—2016年3月能見度出現頻率比較Fig.3 Visibility Occurring frequency Comparisons from April,2015-March,2016

4 產生差異的原因分析

能見度自動觀測與人工觀測因為觀測方法的不同所采集的數據，將其比較都會有差異。產生差異的原因主要是，①觀測原理不同：人工觀測能見度，是觀測員參照能見度目標物的能見與否，依據觀測經驗對距離作出的估算值，而自動觀測能見度，則是通過儀器測量光在大氣中的散射系數，估算氣象光學視程經換算后的值。②觀測時間不同:人工觀測能見度在定時觀測時段內只有1～2 min的時間，而自動觀測能見度則是正點10 min的滑動平均值。③觀測范圍不同:人工觀測能見度是指四周視野中1/2以上的范圍能看到的目標物的最大水平距離，而自動觀測能見度是發(fā)射器與接收器之間相當小范圍的大氣取樣測量的結果。④主客觀因素：人工觀測能見度，受觀測員視力條件和觀測經驗的影響，主觀色彩較濃，隨意性較大。自動觀測能見度，因為儀器受客觀環(huán)境的影響，比如觀測場周邊燒草，產生的煙幕，造成采樣區(qū)大氣懸浮粒子的改變，或者儀器光學鏡片前的蜘蛛網等遮擋物，影響測量光的接收，諸如此類客觀因素，如果不加以及時排除，則容易造成數據失真。因為上述原因，使得本站能見度人工觀測數據一般要大于自動觀測數據。本站能見度自動與人工觀測的一致性，當能見度小于10.0 km時一致性較好，尤其是小于1.0 km時最好，而當能見度大于10.0 km時一致性逐漸變差，究其原因大抵在于低能見度觀測目標物設置多，觀測員重視程度高且觀測次數多熟練程度也高，而高能見度觀測目標物設置小，觀測員觀測時隨意性大。

5 結語

通過對本站能見度自動與人工觀測數據的比較分析，可以得出結論如下：

①就平均值而言，人工觀測能見度大于自動觀測能見度，且它們的趨向性一致；平均能見度的最小出現時間一致，最大出現時間相近。

②自動與人工觀測能見度，一日當中正午前后偏差相對要小，而早晨、下午至傍晚偏差相對要大；平均日變化規(guī)律基本一致，且表現為早晨至午后由差逐漸變好，并持續(xù)至下午，再逐漸變差至傍晚，總的趨勢是正午前后能見度較好，早晚較差。

③自動與人工觀測能見度，在0.0～10.0 km一致性較好，這區(qū)間內尤以0.0 ～1.0 km一致性最好，當能見度大于10.0 km時一致性逐漸變差，20.0～30.0 km時一致性最差，這與20.0 km以上能見度目標物沒有設置不無關系，這表明了低能見度一致性較好，高能見度一致性較差。

④無論是自動觀測能見度，還是人工觀測能見

度，它們大多集中在1.0～20.0 km之間，其間1.0～10.0 km尤為居多。

總體而言，自動與人工觀測能見度相關性好，資料的可信度高，對資料的應用是沒有問題的，但是，為了能見度資料應用的連續(xù)性，在使用過去的人工觀測能見度資料時，需要了解它與現在的自動觀測能見度資料存在的差異，這是我們今后應用它時應當注意的地方。

龍亞星，李成偉.能見度自動觀測與人工觀測數據對比分析[J].陜西氣象，2015(2)：32-35.

[2] 朱補全，梅士龍.能見度自動儀與人工觀測資料對比分析[J].淅江氣象，2009，31(2)：25-28.

[3] 周林，鞏在武.能見度自動觀測和人工目測的對比分析[J].安徽農業(yè)科學，2015，43(11)：182，234.

[4] 楊召瓊，陳慧嫻.能見度人工觀測與能見度儀遙測資料的差異[J].廣東氣象，2008，12(30)：增刊.

[5] 尹淑嫻，羅鵾.人工目測與儀器測量的能見度數據資料分析[J].氣象水文海洋儀器，2009，9(3)：66-69.

[6] 趙靜，孟小絨，趙榮.自動觀測能見度與人工觀測能見度對比分析[J] .現代農業(yè)科技，2014(11)：257-258.

[7] 中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2003：17-20.