機場氣象站能見度自動觀測和人工觀測的對比分析

何 飛，袁業(yè)暢

(湖北省氣象服務(wù)中心，湖北 武漢 430000)

1 引言

能見度是氣象學(xué)中反映大氣渾濁度的一個指標(biāo)，不僅能指示一個地區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量，而且與交通運輸行業(yè)關(guān)系密切。隨著航空事業(yè)的迅速發(fā)展，國際民航組織要求降低機場最低運行標(biāo)準(zhǔn)，對機場能見度的觀測提出了更高要求[1]。

能見度通常用氣象光學(xué)視程表示，氣象光學(xué)視程是指白熾燈發(fā)出色溫為2700 K的平行光束的光通量在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路途長度，也指白天視力正常(對比感閾為0.05)的人，在當(dāng)時天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨認(rèn)的目標(biāo)物(黑色、大小適度)的最大距離，通常人工目測距離為一束光的強度衰減至原始強度的0.6%～8.0%，取值2.0%。能見度可以通過人工和自動兩種方式進(jìn)行觀測，人工觀測能見度觀測次數(shù)較少(國家一般氣象站一天觀測3次，國家基準(zhǔn)氣象站一天觀測24次)，主觀性強，為估測值，而儀器觀測一般采用透射能見度儀、散射能見度儀進(jìn)行連續(xù)、實時的觀測，可比性強。對于能見度兩種不同的觀測方法，有不少的對比分析[2～7]，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(dāng)能見度較低時，二者結(jié)果較為接近，當(dāng)能見度較高時，二者存在明顯的誤差。

本研究對比鄂州國際物流核心樞紐機場的臨時氣象站的前向散射能見度儀與同期人工觀測數(shù)據(jù)，以期探求兩種觀測數(shù)據(jù)的一致性及差異，為人工觀測能見度向儀器觀測能見度過度提供依據(jù)。

2 資料說明

鄂州國際物流核心樞紐機場為順豐集團預(yù)在鄂州建立4E級全貨機機場，目標(biāo)是建成全球第四、亞洲第一的航空物流樞紐。從選址開始，在擬定機場跑道的北端建立起臨時的氣象觀測站。能見度觀測資料為2016年4月至2017年3月一整個觀測年，人工能見度觀測僅在白天時段(北京時的08時至20時)進(jìn)行，觀測頻率為每小時一次；自動能見度觀測選用華云升達(dá)(北京)氣象科技公司生產(chǎn)的DNQ1/V35型號的前散射能見度傳感器，進(jìn)行24 h觀測，通過民用機場地面系統(tǒng)每小時讀取一個數(shù)據(jù)。本文結(jié)合機場臨時氣象站天氣現(xiàn)象觀測記錄，分析在不同視程障礙下兩種能見度數(shù)據(jù)的差異。

由于人工觀測能見度只有觀測年白天時段(08時至20時)的數(shù)據(jù)，因此自動站也選取同時段的小時數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。人工觀測與自動觀測應(yīng)測數(shù)據(jù)4745個，其中人工觀測缺測23個時次，自動觀測完整，采用4722組有效數(shù)據(jù)對比人工觀測和自動觀測結(jié)果。

3 兩種觀測方法的理論差異

3.1 人工觀測能見度

人工觀測的能見度分白天和夜間兩類條件，本研究僅涉及白天能見度。白天能見度是指視力正常(對比感閾為0.05)的人，在當(dāng)時天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨認(rèn)的目標(biāo)物(黑色、大小適度)的最大距離。人工觀測能見度，通過指的是有效水平能見度，即四周視野中1/2以上范圍內(nèi)能看到的目標(biāo)物的最大水平距離。觀測員在一天中的特定時刻進(jìn)行觀測，通過目測不同距離目標(biāo)物的清晰程度對能見度進(jìn)行判別。

3.2 自動觀測能見度

本研究自動觀測能見度是由前向散射能見度儀獲取。散射儀的原理是通過測量小體積空氣對光的散射系數(shù)，從而估算出消光系數(shù)，再根據(jù)柯西米德定律計算氣象光學(xué)視程[8]。前向散射能見度儀主要是利用光在大氣中傳播會發(fā)生衰減和各種散射吸收，其中空氣中的水滴是造成散射的主要因素，也是影響能見度的主要因素[9]。散射儀對大氣光學(xué)距離的觀測和計算基于3點假設(shè)：①假定大氣是均質(zhì)的；②假定散射系數(shù)與消化系數(shù)相等；③假定散射儀測量的散射光強正比與散射系數(shù)。

3.3 人工觀測值與儀器觀測值的理論計算

根據(jù)比爾-朗伯定律F=Fo.exp(-σx)計算自動化觀測數(shù)據(jù)(MOR)，由WMO定義的MOR為：F/Fo=5%=0.05,由消化系數(shù)計算得出MOR如下：

(1)

人工觀測值的計算方法，同樣利用比爾-朗伯定律，人工觀測值定義F/Fo=2%=0.02,由此消光系數(shù)計算得到如下：

(2)

式(2)中X表示距離，F(xiàn)代表X距離處的光通量，F(xiàn)o代表X=0時的原始光通量，s表示消光系數(shù)，將(2)式比(1)式可得，MOR/X=3.9/3=1.3，從理論上人工目測距離是能見度儀測量距離的1.3倍[10]。

4 人工觀測數(shù)據(jù)與儀器觀測數(shù)據(jù)分析

4.1 能見度總體差異

根據(jù)《對比觀測期間監(jiān)測資料評估技術(shù)方法》[11]，一致率(Cr)應(yīng)大于80%，粗差率(Gr)應(yīng)小于3%。一致率表示自動觀測與人工觀測的一致性程度，用對比差絕對值小于等于2倍標(biāo)準(zhǔn)差的樣本數(shù)與有效樣本數(shù)的比值表示,而粗差率表示差值的多寡,其值越大表示存在異常的數(shù)據(jù)越多[12]，用對比差減去對比差平均值的絕對值小于等于3倍標(biāo)準(zhǔn)差的樣本數(shù)與有效樣本數(shù)的比值表示。統(tǒng)計得到觀測年內(nèi)人工觀測與儀器觀測的一致率Cr為88.7%，粗差率Gr為1.3%，由于人工觀測最大值為10 km，因此本研究特地分析了人工觀測能見度<10km的兩種觀測值，得到一致率Cr為91.4%，粗差率Gr為0.9%，兩組數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求，說明人工觀測與自動觀測的結(jié)果較一致，異常值較少。

圖1給出了觀測年內(nèi)人工能見度和儀器觀測能見度的平均值的年變化情況，由各月白天時段的平均能見度可見，儀器觀測能見度與人工觀測能見度有類似的變化規(guī)律，除1月和12月外，儀器觀測的各月能見度平均值均大于人工觀測值。

圖1 人工能見度和儀器觀測能見度的平均值的年變化

所有有效樣本中，能見度的人工觀測與儀器觀測對比的平均差值為-3.1 km，標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.9 km，平均相對誤差為-27.5%，人工觀測能見度<10 km的所有樣本中，人工觀測與儀器觀測的平均差值為1.0 km，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.1 km，相對偏差為19.3%。由此可見，小于10 km人工觀測能見度與儀器觀測能見度的偏差較小，在人工能見度5～10 km相對誤差最小，人工能見度10 km相對誤差最大，因此本研究將人工觀測能見度進(jìn)行分段，表1比較了兩種觀測數(shù)據(jù)的差異。

表1 人工與自動觀測能見度正負(fù)偏差統(tǒng)計

由表1統(tǒng)計結(jié)果可見，在人工觀測能度5～10 km段兩種能見度相等比例最大，為11.3%，其次為人工觀測能見度10 km時，相等比例為8.5%，人工觀測能見度小于1 km內(nèi)兩種能見度無相等，可見人工能見度在5 km之內(nèi)，人工和儀器相等比例較低，5 km以上兩者相等比較有所增加；人工能見度小于10 km時，人工觀測結(jié)果多大于儀器觀測結(jié)果，正偏差比例均在84%以上，由于本氣象站人工觀測最大值為10 km，能見度情況較好時均記為10 km，儀器觀測能見度最大值為45 km，人工觀測能見度為10 km時，人工觀測結(jié)果多小于儀器觀測結(jié)果，正偏差比例均為19.8%。由于人工能見度為10 km的樣本數(shù)最多，為2666個，導(dǎo)致各月白天能見度平均基本表現(xiàn)為人工觀測結(jié)果小于儀器觀測結(jié)果(圖1)。

4.2 能見度相關(guān)性分析

利用觀測年內(nèi)的能見度儀觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)作相關(guān)(圖2)，得到相關(guān)系數(shù)為0.68，由于機場臨時氣象觀測站最大能見度為10 km，對應(yīng)儀器觀測能見度數(shù)據(jù)范圍從2.8～45 km，人工能見度10 km以下的觀測數(shù)據(jù)與儀器觀測能見度相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為0.87，因此本研究選取人工觀測能見度小于10 km的數(shù)據(jù)對兩種能見度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析(圖3)。

表2分析了不同時次人工觀測能見度與自動觀測能見度的相關(guān)性，可見白天時段各個不同時次人工觀測能見度與自動觀測能見度均有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)08時和09時最大，逐漸減小至15時后，有所上升。

4.3 不同天氣現(xiàn)象時能見度一致性比較

本研究在造成視程障礙的天氣現(xiàn)象中選取3類來分析兩種能見度資料，分別是大霧、霾和雨。在機場臨時氣象站觀測年中分別選取這3種天氣現(xiàn)象的時次作為樣本，由于各種天氣現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率不同，因此樣本數(shù)量有較大差別，其中大霧時次樣本為27個，霾的樣本為326個，雨的樣本數(shù)最多為646個。

圖2 人工觀測能見度與自動觀測能見度相關(guān)分析

圖3 人工觀測能見度(<10 km)與自動觀測能見度相關(guān)分析

對不同天氣現(xiàn)象兩種能見度一致性對比得到表3。在3種視程障礙天氣現(xiàn)象下兩種觀測能見度的相關(guān)性均通過了P=0.001的檢驗，大霧時，相關(guān)系數(shù)最大，為0.95，霾和雨的相關(guān)系數(shù)相對較小。

3種天氣現(xiàn)象下人工觀測能見度的正偏差比例均占到一半以上，其中大霧天氣下人工觀測的正偏差比例最大，為88.9%。大霧時兩者的平均差值最小，為0.06 km，霾日兩者的平均差值為1.15 km，僅在雨日平均差值為負(fù)，為-0.42 km。

表2 不同時次人工觀測能見度與自動觀測能見度

分別計算3種天氣現(xiàn)象下，人工觀測能見度和儀器觀測能見度的標(biāo)準(zhǔn)差，人工觀測能見度的標(biāo)準(zhǔn)差均小于儀器觀測能見度，說明儀器觀測的數(shù)據(jù)起伏較大，穩(wěn)定性弱于人工觀測。其中大霧日時，兩種觀測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差最小，霾其次，雨日的標(biāo)準(zhǔn)差最大，同時雨日儀器觀測的標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)大于人工觀測。說明在霧和霾相對均勻而持續(xù)的天氣現(xiàn)象中，人工觀測和儀器觀測的能見度數(shù)據(jù)也較為穩(wěn)定，能見度較易受雨勢變化影響，儀器觀測受影響較大，標(biāo)準(zhǔn)差更大。

表3 不同視程障礙天氣現(xiàn)象的兩種能見度一致性對比

5 結(jié)語

(1)觀測年內(nèi)人工觀測與儀器觀測能見度的一致率Cr為88.7%，粗差率Gr為1.3%，說明人工觀測與自動觀測的結(jié)果較一致，總體來說在機場臨時站白天時段，儀器觀測的能見度能較好的代表人工觀測能見度。

(2)觀測年內(nèi)，除1月和12月外，人工能見度均小于儀器觀測能見度。對人工觀測能見度進(jìn)行分段，能見度<10 km以下的，人工觀測能見度相比儀器觀測能見度的正值偏比例較高，在80%以上，能見度為10 km時，人工觀測能見度相比儀器觀測能見度的正值偏比例較低。

(3)人工能見度10 km以下的觀測數(shù)據(jù)與儀器觀測能見度相關(guān)性較好，各時次相關(guān)性均較好，相關(guān)系數(shù)從08時和09時最大，逐漸減小至15時后，有所上升。

(4)兩種能見度在大霧日的相關(guān)性最好，人工觀測和儀器觀測穩(wěn)定性也最好；在雨日的相關(guān)性最次，穩(wěn)定性最弱。儀器相對人工觀測的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差，特別是在雨日。