各類能見度儀的觀測值之間差異淺析和儀器維護

阮順賢 王京麗

摘 要：根據(jù)日常工作中，總結(jié)各能見度儀器之間人為或客觀原因形成的誤差，分析發(fā)生差異的原因。從而盡量減少誤差，確保能見度數(shù)據(jù)正確有效，從而各能見度儀長期處于正常工作狀態(tài)，更好地服務于科研和業(yè)務工作。

關鍵詞：能見度；原理；儀器維護

中圖分類號：TH765 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）20-0056-02

能見度是3大基本氣象觀測的要素之一，是一個對航空、航海、陸上交通以及軍事活動等都有重要影響的氣象要素。[1]能見度的準確測量在電力供應、通訊工程、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等眾多領域有著極其重要的意義，能見度是關系到人員和設備安全的重要氣象要素；在環(huán)保方面的研究、水利部門和霧霾監(jiān)測治理等部門，能見度也是重要的氣象指標。能見度與每個人的生活息息相關，最近幾年由于霧霾天氣經(jīng)常困擾北京，大家也越來越關心環(huán)境問題和能見度的相關問題。

由于數(shù)字攝像能見度項目的需要，透射能見度儀、前散能見度儀、數(shù)字能見度儀在北京市觀象臺已經(jīng)運行的6年多的時間。目前運行良好。但在透射能見度儀、前散能見度儀、數(shù)字能見度儀對比分析中發(fā)現(xiàn)存在一些差異。本人對各能見度儀器的維護和參與數(shù)字能見度儀的開發(fā)工作有8年多了。通過對各能見度儀的觀測值之間差異分析，以及根據(jù)以往的對各能見度儀維護的經(jīng)驗，進行歸納總結(jié)。以便平時觀測時更好的避免誤差的產(chǎn)生，更準確的獲取數(shù)據(jù)。

1 各能見度儀的基本原理及性能的差異

目前國內(nèi)用于氣象探測的能見度儀器主要有前散能見度儀、透射能見度儀、數(shù)字能見度儀。

首先，VAISALA公司生產(chǎn)的前散能見度儀是一款適用于自動氣象站系統(tǒng)的智能多變量傳感器（例如型號為：PW D20，PWD22）。儀器測量方法是光變送器通過45度發(fā)出散射光，由光接受器來測量與發(fā)射光束成45度的散射光束，利用該光束推算出相關消光系數(shù)，再利用Koschmieder能見度的公式，就可以得出大氣水平能見度值。

R為能見度值；σ表示消光系數(shù)；ε表示對比感閾，通常取0.02。

其次，VAISALA公司生產(chǎn)的透射能見度儀（例如型號為：LT31），該儀器直接測量光發(fā)射機和光接收機之間的大氣透射率，代入公式中計算得到能見度值。

其中：

V表示能見度值；

ε表示對比感閾值，仍然只能由觀察者感知，通常取0.02；

T表示透射比；

B表示基線距離。

最后，數(shù)字攝像能見度儀采用先進的數(shù)字攝像技術，研制數(shù)字攝像能見度自動監(jiān)測儀，即基于數(shù)字攝像機，根據(jù)能見度定義結(jié)合圖像處理技術探測大氣能見度，這是一種新的能見度觀測方法。本方法用數(shù)字攝像機模擬人眼，直接攝取選定目標物的圖像。計算機再對所獲取的圖像信息進行分析處理，并代入能見度定義公式進行計算，從而自動獲取能見度觀測值。[2]其測量方法非常類似于人眼觀測和人對能見度的真實感受，因此數(shù)字能見度儀無疑是最科學的能見度探測儀器，更是取代人工觀測能見度的最佳儀器。數(shù)字攝像能見度儀所采用觀測的方法是由中國科學院院士、著名大氣物理學家周秀驥先生提出的；該儀器是由中國氣象局北京城市氣象研究所的王京麗研究員研制發(fā)明的。通過圖片處理來測量能見度值，這項核心技術在國內(nèi)外屬于首創(chuàng)。數(shù)字攝像機的工作原理是先建立2個黑體和2個光源，通過數(shù)字攝像機拍照，然后通過相關公式計算出能見度值。

各儀器安裝的區(qū)別：數(shù)字攝像能見度儀安裝時要注意，南北朝向安裝，因為如果東西朝向安裝的話會受到太陽光線的影響，從而引起數(shù)據(jù)的偏差；攝像機距離第一個目標的距離是15米，距離第二個目標的距離是50米。前散能見度PWD22安裝的位置應沒有會干擾光學的障礙物或反射面，不然會引起數(shù)據(jù)的偏差。透射能見度儀LT31發(fā)射機和接收機之間的距離建議是30米，安裝的位置不應有干擾光學測量的障礙物。

2 各種儀器觀測差異

觀測采集時間的區(qū)別：前散能見度儀（如PWD22）每分鐘采集生成一個數(shù)據(jù)；透射能見度儀（如LT31）每十秒采集生成一個數(shù)據(jù)；而數(shù)字能見度儀（dpvs）則是每分鐘采集生成一個數(shù)據(jù)，并且每分鐘采集一張圖片。

根據(jù)2018年觀象臺的透射能見度儀、前散能見度儀、數(shù)字能見度儀的一些數(shù)據(jù)進行對比分析，通過分析發(fā)現(xiàn)，3種能見度儀存在著一些差異。當處于低能見度時，各儀器的觀測數(shù)據(jù)趨于一致，如圖1，圖2所示。

當處于中能見度時，各儀器的觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)一些差異，如圖3所示。

當處于高能見度時，各儀器的觀測數(shù)據(jù)也趨于一致，因為在高能見度時（能見度值超過15000m）通常取15000m，如圖4所示。

3 儀器故障維護

3.1 數(shù)據(jù)誤差引起的常規(guī)原因

3.1.1 前散能見度儀PWD22

能見度數(shù)據(jù)連續(xù)出現(xiàn)過高的異常情況，常見的問題原因有：光變送器或光接受器的鏡頭過臟；護罩中是否有冰、雪、樹葉、樹枝等贓物。

能見度數(shù)據(jù)連續(xù)出現(xiàn)過低的異常情況，常見的問題原因有：光變送器或光接受器的的發(fā)射和接收光的區(qū)域是否有蜘蛛網(wǎng)、障礙物、反光的區(qū)域、變送器或接受器的電子器件出現(xiàn)故障。

能見度數(shù)據(jù)缺測時，常見的問題原因有：變送器或接受器的電子器件出現(xiàn)故障、出現(xiàn)停電狀況或者是傳輸數(shù)據(jù)的信號線出現(xiàn)故障，比如雷擊引起的故障等情況。

3.1.2 透射能見度儀LT31

能見度數(shù)據(jù)連續(xù)出現(xiàn)過高的異常情況，常見的問題原因有：光變送器或光接受器的鏡頭過臟。還有可能突然斷電引起的，因為斷電后重新來電時，透射儀系統(tǒng)會通過自檢來糾正斷電引起的錯誤。

能見度數(shù)據(jù)連續(xù)出現(xiàn)過低的異常情況，常見的問題原因有：光變送器或光接受器的的發(fā)射和接收光的區(qū)域是否有障礙物、反光的區(qū)域、變送器或接受器的電子器件出現(xiàn)故障，比如雷擊引起的故障等情況。

能見度數(shù)據(jù)缺測時，常見的問題原因有：是否出現(xiàn)停電狀況或者是傳輸數(shù)據(jù)的信號線出現(xiàn)故障的情況，比如雷擊引起的故障等情況。

3.1.3 數(shù)字攝像能見度儀

能見度數(shù)據(jù)連續(xù)出現(xiàn)過高的異常情況，常見的問題原因有：

夜間光源處于飽和狀態(tài)；暴光量出現(xiàn)飽和狀態(tài)；相機罩前出現(xiàn)水汽、結(jié)冰、贓物。

能見度數(shù)據(jù)連續(xù)出現(xiàn)過低的異常情況，常見的問題原因有：夜間光源系統(tǒng)出現(xiàn)故障，造成光源不亮，目標定標的位置發(fā)生偏移。

能見度數(shù)據(jù)缺測時，常見的問題原因有：出現(xiàn)停電情況；傳輸數(shù)據(jù)的信號線出現(xiàn)故障；相機系統(tǒng)的電子元器件出現(xiàn)故障，比如雷擊引起的故障等情況。

3.2 減少儀器故障的辦法

為了避免各能見度儀出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常和缺測情況的出現(xiàn)，觀測員平時應該至少一個月對儀器進行一次維護（包括標校，清潔等工作）；對儀器配備UPS，定期檢查電源設備，確保電源的穩(wěn)定輸入，減少斷電情況的出現(xiàn)；如遇到儀器電子元器件故障，盡快找到原因處理恢復。

4 結(jié)語

綜上所述，引起各能見度儀的觀測值差異的原因有很多，比如：儀器的原理和性能的差異，數(shù)據(jù)采集頻率的區(qū)別，空氣污染的不均勻，儀器維護人員的操作不當和其它原因引起的數(shù)據(jù)采集偏差。所以，在我們?nèi)粘９ぷ髦幸獓栏癜凑找?guī)定維護儀器，避免出現(xiàn)人為的失誤引起的數(shù)據(jù)偏差，唯有這樣才能更好的把觀測數(shù)據(jù)服務于科研和業(yè)務工作中去。

參考文獻

[1]王京麗，劉旭林，雷鳴，阮順賢，繆宇鵬，聶凱.新型能見度自動觀測系統(tǒng)研究[J].電子測量與儀器學報，2013，27（7）：597-603.

[2]王京麗，雷鳴，阮順賢，繆宇鵬，聶凱.霧霾及能見度自動觀測系統(tǒng)問世[J].世界環(huán)境，2013，（03）：58-59.