DNQ1與FD12型能見度儀觀測比對及影響因子研究

李曉嵐 權維俊 王東東 王迪

(1.上甸子國家大氣本底觀測站，北京 101500； 2.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110166；3.京津冀環(huán)境氣象預報預警中心，北京 100089； 4.遼寧省氣象服務中心，遼寧 沈陽 110166)

引言

大氣能見度是常規(guī)氣象觀測項目之一，可反映大氣的物理光學狀態(tài)、大氣渾濁程度和低層大氣污染狀況，具有重要的氣象和環(huán)境監(jiān)測意義[1-2]。能見度也是識別氣團特性的重要參數之一，可提供當時的大氣光學狀態(tài)，對天氣預報有重要意義[3]。此外，能見度在交通領域也具有廣泛應用，對飛機飛行和著陸安全，以及高速公路行車安全等有重要作用[4]。有學者指出僅由霧引起的惡劣能見度天氣給航空、海陸運輸帶來的損失可與龍卷風，甚至在某些情況下可與冬季風暴和颶風造成的損失相比[5]。隨著世界科技和經濟的發(fā)展，航空航天、海陸交通、環(huán)境監(jiān)測和軍事國防等部門對高時空分辨率和準確性的能見度的觀測和預報提出了越來越高的要求。

以往能見度的觀測主要依靠人工目測，將白天能見度定義為視力正常(對比閾值為0.05)的人在當時天氣條件下能夠從天空背景中看到和辨認出目標物(黑色、大小適度)的最大水平距離；夜間則為假設總體照明增加到正常白天水平，適當大小的黑色目標物能被看到和辨認出的最大水平距離或中等強度的發(fā)光體能被看到和識別的最大水平距離[6]。大氣能見度是反映大氣透明程度的重要物理量[3]，當出現降雨、霧、霾、沙塵暴等天氣過程時，大氣透明度較低，能見度較差。氣象站利用人工目測方法進行了能見度的長期觀測，積累了長序列的能見度觀測數據，然而人工目測能見度不可避免的存在主觀性和時空限制，規(guī)范性和客觀性較差，同時一日4次的低頻人工觀測結果無法滿足精細化的科研和業(yè)務需求[7]。

隨著大氣探測技術的發(fā)展，出現了能見度自動化探測設備，為實現能見度由人工向自動化轉換提供了條件。根據觀測原理可將能見度儀大體分為透射式和散射式兩類，其中芬蘭Vaisala公司生產的FD12型前向散射能見度儀是目前世界上公認測量較為準確且應用最為廣泛的能見度儀之一，可被用于其他能見度儀或系統的觀測效果比對和評估研究[8-9]。目前，我國自動氣象臺站采用的能見度儀為國產DNQ系列的前向散射能見度儀，其中以DNQ1型號應用最為廣泛[10]。雖然DNQ1與FD12型能見度儀的測量原理相同，但二者在儀器性能和觀測指標方面存在差異。目前針對DNQ1型能見度儀觀測能力的評估和校驗研究還較為缺乏。以往研究多將器測能見度觀測結果與目測能見度的結果進行對比[11-12]，然而由于目測能見度存在一定主觀性和低頻特征，且白天和夜間人工能見度觀測原理不同，導致比對結果的可靠性和一致性相對較差，因此開展不同型號能見度儀觀測之間的比對研究十分必要。

本文利用2015年1—3月上甸子國家大氣本底站開展的DNQ1和FD12能見度儀平行觀測試驗的觀測資料，開展兩種能見度儀能見度觀測的比對研究，分析不同天氣狀況和能見度等級條件下的能見度差值特征，研究兩種器測能見度及其差值與不同氣象要素(相對濕度、溫度、氣壓、風速和風向)和大氣成分(尤其是細顆粒物(PM2.5)濃度)之間的關系，確定關鍵影響因子函數及可能原因，為深入了解國內氣象臺站能見度儀觀測性能和數據可靠性提供幫助。

1 資料與方法

1.1 觀測站點和資料

上甸子國家大氣本底站(簡稱上甸子站)位于北京市密云區(qū)東北部(40°39′N、117°07′E，海拔高度為293.3 m)，距離北京市中心約100 km，地處燕山山脈丘陵地帶[13]。該觀測站是中國三個世界氣象組織全球大氣觀測網區(qū)域大氣本底站之一[13]。在該站地面氣象觀測場架設有兩種不同型號(DNQ1型和FD12型)的前向散射能見度儀(圖1)。這兩種儀器的測量原理相同，均是基于大氣中的顆粒物(包括氣溶膠和細小水顆粒等)的前向散射原理而設計的，通過測量小體積空氣對光的散射系數獲取采樣氣體的消光系數，進而計算得到氣象光學能見度。然而在具體觀測指標等方面，二者卻存在一些差異(表1)。如FD12型能見度儀的觀測上限為50 km，散射角為33°[14]，而DNQ1型能見度儀的觀測上限僅為35 km，散射角較大為45°[15]。

圖1 上甸子站FD12型能見度儀(a)和DNQ1型能見度儀(b)架設圖Fig.1 FD12 (a) and DNQ1 (b) visibility meters at the Shangdianzi station

表1 兩種型號能見度儀的主要技術指標Table 1 Major technical data of two visibility meters used in this study

本研究采用的觀測資料為上甸子站提供的2015年1月1日至3月31日兩種能見度儀觀測的小時平均能見度(分別記為VisDNQ1和VisFD12)以及對應的氣象要素觀測，包括小時平均的相對濕度(RH)、氣溫(Ta)、風速(WS)和風向(WD)、氣壓(Pa)、降水量和天氣現象。此外，為分析細顆粒物濃度變化可能對兩種儀器能見度觀測差異產生的影響，使用了上甸子站小時平均PM2.5質量濃度觀測數據。

1.2 數據處理與研究方法

由于兩種能見度儀的觀測上限不同，為保證數據資料的可比性，本文選取兩種器測能見度小于35 km的數據進行分析。隨后，根據天氣現象記錄篩選不同天氣條件下(晴天、沙塵、霧、霾、降雨和降雪天氣)的能見度觀測數據，以分析不同天氣狀況可能對兩種儀器觀測差異造成的影響。此外，為了更好地分析兩種能見度儀在不同能見度狀況下的表現，基于VisFD12觀測數值將能見度劃分為7個等級，即：0—1 km(能見度極差)、1—2 km(能見度很差)、2—3 km(能見度差)、3—5 km(能見度較差)、5—10 km(能見度一般)、10—20 km(能見度較好)和> 20 km(能見度很好)，分別評估不同能見度等級的觀測差異特征。

本文采用的評估指標包括平均絕對偏差(Mean Absolute Difference,MAD)、相對偏差(Relative Deviation,RD)、均方根偏差(Root Mean Square Deviation,RMSD)和相關系數(Correlation Coefficient,r)[16-17]：

(1)

(2)

(3)

(4)

2 結果分析

2.1 兩種器測能見度對比

2.1.1 偏差特征

圖2給出了2015年1—3月期間小時平均VisDNQ1和VisFD12以及二者差值(ΔVisDNQ1-FD12)的時序變化。在不考慮兩種儀器觀測上限差異造成的影響時，VisDNQ1和VisFD12數值的變化趨勢較為一致，二者差值基本位于-5～10 km之間，且多為正值，表明DNQ1型能見度儀的觀測結果通常高于FD12型能見度儀觀測值。結合圖3a發(fā)現，整個觀測時段內VisFD12和VisDNQ1的相關系數達到0.98，能見度較低時二者的相關性較好，隨著能見度的增加，二者的離散度增大。

圖2 2015年1—3月上甸子站FD12和DNQ1能見度儀觀測的小時平均能見度(a)和二者差值(b)的時序變化Fig.2 Variation of (a) hourly mean FD12- and DNQ1-measured visibility and (b) their difference at the Shangdianzi station from January to March of 2015

2.1.2 不同天氣條件的影響

針對不同的天氣條件(包括晴天、沙塵、霧、霾、降雨和降雪天氣)，分析兩種器測能見度的變化特征(圖3)。需要說明的是，由于晴天條件下的散點圖與圖3a非常接近，故圖略。相對其他天氣條件，降雨對兩種器測能見度觀測偏差的影響最大。降雨發(fā)生時VisDNQ1數值普遍高于VisFD12，二者的RMSD(1.76 km)和MAD(1.41 km)數值明顯高于其他天氣條件下的數值(圖3e)。其次，當霾天氣發(fā)生時，VisDNQ1大部分低于VisFD12，二者的RMSD(0.66 km)和MAD(-0.48 km)高于其他天氣條件(除降雨天氣外)數值(圖3d)。當沙塵、霧和降雪天氣發(fā)生時，VisFD12和VisDNQ1之間的相關系數高于0.99，RMSD(0.19—0.37 km)和MAD(0.04—0.13 km)數值較低。以上結果表明，本文中觀測的兩種能見度的差值對降水天氣相對敏感，其他天氣類型的影響較小。由于本研究觀測時段內特殊天氣狀況下(包括沙塵、霧、霾、降雨和降雪天氣)的觀測樣本數量較少，此后將不再針對天氣條件分類討論。未來還需要更多的觀測資料對兩種能見度儀在不同天氣條件下的偏差特征進行分析和驗證。

圖3 2015年1—3月上甸子站所有天氣條件(含晴天)(a)、沙塵(b)、霧(c)、霾(d)、降雨(e)和降雪(f)條件下兩種儀器觀測的小時能見度的散點圖Fig.3 Scatter plots of hourly mean values of VisFD12 versus VisDNQ1 under various weather conditions (including the clear sky) (a),and in the presence of sand-dust (b),fog (c),haze (d),rainfall (e),and snowfall (f) at the Shangdianzi station from January to March of 2015

2.1.3 不同能見度等級的偏差特征

根據上文劃分的能見度等級，將分析不同等級兩種器測能見度差值的變化特征。由圖4可見，當能見度 ≤10 km時，ΔVisDNQ1-FD12數值基本處于±2 km之間。其中，當能見度較差時(0—1 km)，ΔVisDNQ1-FD12數值多為正值；當能見度等級為很差、差和較差時(1—5 km)，ΔVisDNQ1-FD12數值多為負值，且其絕對數值隨著能見度的增加而增加；當能見度一般時(5—10 km)，ΔVisDNQ1-FD12數值逐漸由負值轉為正值。當能見度較好時(10—20 km)，ΔVisDNQ1-FD12數值隨能見度的增加而繼續(xù)增大；當能見度很好時(>20 km)，ΔVisDNQ1-FD12的絕對值和離散程度均明顯增大。表2給出了不同能見度等級下的兩種能見度儀觀測數值的平均絕對偏差MAD、相對偏差RD、均方根偏差RMSD和相關系數r。相比其他等級，兩種器測能見度在能見度極差(0—1 km)等級的觀測一致性最好，二者的相關系數(0.96)最高，MAD(0.03 km)和RMSD(0.07 km)數值最低，RD的絕對值小于7%。在能見度差(2—3 km)和較差(3—5 km)等級的觀測一致性相對較差，RD的絕對值超過13%，相關系數(0.78)小于其他能見度等級數值。此外，隨著能見度等級的增加，兩種器測能見度的MAD絕對值和RMSD數值均有所增大，表明觀測的離散型和偏差有所增大。

圖4 2015年1—3月兩種儀器測能見度小時平均觀測差值隨VisFD12在<35 km(a)和< 5 km(b)范圍內的變化Fig.4 Variation of hourly mean visibility differences with VisFD12 within the ranges of <35 km (a) and <5 km (b) from January to March of 2015

表2 不同能見度等級下兩種器測能見度的平均絕對偏差(MAD)、相對偏差(RD)、均方根偏差(RMSD)和相關系數(r)Table 2 Values of mean absolute deviation (MAD),relative deviation (RD),root mean standard deviation (RMSD),and correlation coefficient (r) between visibility observed using two instruments under various visibility levels

2.2 能見度觀測及偏差與氣象因子的關系

2.2.1 與氣象因子的關系

氣象要素的變化對器測能見度存在影響[18]。為分析不同氣象要素對兩種器測能見度及其差值的可能影響，圖5和表3分別給出了2015年1—3月兩種器測能見度數值及其差值與主要氣象因子(包括相對濕度、氣溫、氣壓、風速和風向)的變化關系和相關系數。可見，兩種器測能見度數值以及ΔVisDNQ1-FD12數值均與RH存在反相關關系，即隨著RH的減小，能見度數值及二者差值均有所增加，整個觀測期間，VisDNQ1與RH的相關性(r=-0.56)高于VisFD12與RH的相關性(r=-0.52)。以往研究表明，隨著相對濕度的增加，氣溶膠的吸濕增長是導致能見度下降的主要原因[19-20]。尤其在高濕(RH>80%)條件下，兩種器測能見度數值減小至5 km以下，二者差值位于±1 km之間，能見度數值與RH為負相關關系，但二者差值與RH轉為正相關關系。這表明不同的相對濕度范圍對兩種儀器觀測偏差的影響存在差異，FD12能見度觀測對高濕條件下的相對濕度變化的響應更加敏感(VisFD12與RH的負相關關系更明顯)。除相對濕度外，本文中兩種器測能見度數值與其他氣象要素的關系均不明顯，但在低溫(Ta<0 ℃)條件下，兩種器測能見度數值與Ta的相關性均有所增強，二者呈負相關關系，VisFD12與氣溫的相關性更好一些。相比而言，ΔVisDNQ1-FD12與氣溫的相關關系更加明顯，二者呈正相關，明顯的負偏差集中出現在Ta< -5 ℃的條件下，而較高正偏差主要出現在Ta>5 ℃的條件下。此外，ΔVisDNQ1-FD12與氣壓呈較弱的負相關，與風速和風向的相關關系不明顯。由此可見，相對濕度是影響能見度數值的主要氣象因子，溫度和相對濕度是影響兩種器測能見度差值的主要氣象因子，這可能是由于兩種能見度儀具有不同的散射角和取樣容積，落在取樣容積內的氣溶膠粒子在不同的溫度和濕度下散射特性會發(fā)生變化[18]，因而對觀測的能見度造成影響。

圖5 2015年1—3月FD12(a)與DNQ1(b)觀測小時平均能見度及二者差值(c)隨相對濕度、氣溫、氣壓、風速和風向的變化Fig.5 Variations of hourly mean FD12-(a) and DNQ1-(b) measured visibility and their difference (c) with relative humidity,air temperature,air pressure,wind speed,and direction from January to March of 2015

表3 兩種小時平均器測能見度及其差值與不同氣象因子間的相關系數Table 3 Correlation coefficients of two kinds of hourly mean visibility and their differences with various meteorological parameters

2.2.2 觀測偏差與關鍵影響因子的函數關系

為定量分析DNQ1能見度觀測與FD12型能見度觀測差值與關鍵氣象影響因子的關系，本文利用最小二乘回歸法分別建立了ΔVisDNQ1-FD12與相對濕度和氣溫之間的函數關系。圖6給出了不同能見度等級的小時能見度觀測差值和相對濕度、氣溫的關系，同時探究了PM2.5濃度是否對觀測差值有顯著影響。雖然以往研究表明PM2.5濃度是影響大氣能見度變化的重要因素[21-24]，但本研究中能見度差值與PM2.5濃度之間并未顯示明顯的變化關系，可能原因是兩種能見度儀的觀測原理相似，PM2.5濃度對兩種觀測儀器具有類似的影響。

由圖6a可見，能見度差值與RH之間的關系可劃分為兩個部分，RH大于80%時(高濕條件)，能見度差值基本維持在零值附近，對應的能見度等級主要為極差、很差和差(≤ 5 km)；RH小于80%時，能見度差值隨著RH的減小而增大，能見度明顯的負偏差和正偏差主要出現在能見度很好(> 20 km)的情況下。基于最小二乘法建立能見度差值和RH之間的指數函數和冪函數關系，分別為：

ΔVisDNQ1-FD12=A×eRH/t-c

(5)

ΔVisDNQ1-FD12=B×RHn-c

(6)

其中，A、B、t、n、c代表擬合系數，通過擬合得到A=-0.39，B=1.63，t=-35.04，n=-1.56，c=1。相比而言，采用冪函數擬合得到的能見度差值數據與實際觀測差值的相關系數(r=0.56)略高于指數函數的結果(r=0.53)。兩種擬合公式得到的結果在RH處于30%—80%之間時較為接近，但在低相對濕度條件下(< 30%)，指數函數計算得到的能見度差值偏低。因此本研究中兩種能見度觀測差值可用相對濕度的冪函數來表示，即ΔVisDNQ1-FD12=1.63RH-1.56-1。

圖6 2015年1—2月不同能見度等級下兩種儀器能見度小時平均差值與相對濕度(a)和氣溫(b)的關系Fig.6 Relationship between hourly mean visibility difference and relative humidity (a) and air temperature (b) under various visibility levels from January to February of 2015

同理，由圖6b可見，能見度差值和氣溫之間存在線性關系，基于最小二乘法得到的二者之間的線性擬合公式為ΔVisDNQ1-FD12=0.14Ta+1.47。

2.2.3 觀測偏差的日變化及氣象要素的影響

進一步評估了兩種器測能見度在不同時刻觀測差異的特征以及受氣象要素日變化的可能影響。圖7a給出了觀測期間不同時刻VisDNQ1和VisFD12比值的平均值和百分位圖?？梢?，各時刻二者比值的平均值均位于1±0.1之間，表明VisDNQ1相對于VisFD12的偏差范圍位于±10%之間，處于兩種能見度儀的觀測精度范圍之內(表1)。此外，二者比值的5%—95%分位的變化范圍位于0.7—1.4之間，該范圍與世界氣象組織對25種不同能見度儀觀測性能評估報告中給出的百分位分布范圍相當甚至更低[25]。

圖7 2015年1—3月DNQ1與FD12觀測小時平均能見度比值的平均值和四分位圖(a)、二者的相關系數(b)以及相對濕度和氣溫(c)的平均日變化Fig.7 Diurnal variations of the mean value and quartile of ratios of VisDNQ1 to VisFD12 (a) and their correlation coefficients (b),and relative humidity and air temperature (c) averaged from January to March of 2015

此外，不同時刻兩種器測能見度之間的相關系數存在日變化，夜間數值高于白天(圖7b)，這可能與氣象要素的日變化有關。白天相對濕度下降導致兩種器測能見度差值增大(圖7c)，二者的相關系數也有所降低。與以往人工能見度與器測能見度對比結果相比發(fā)現，本文中不同器測能見度之間的比對結果更為客觀可靠和具有一致性。本文兩種器測能見度不同時刻相關系數的變化基本位于0.97—0.99之間，明顯高于廣州地區(qū)2008年9月5日至11月30日期間不同時刻器測能見度和人工能見度之間相關系數(0.68—0.90)[11]。此外，廣州地區(qū)的研究結果顯示夜間相關系數較差，這主要由于人工能見度白天和夜間測量的原理有所不同，夜間背景亮度的經驗選擇會導致夜間目測燈光能見度存在很大的誤差和不確定性[11]。本文研究結果則表明夜間的不同器測能見度具有較高的可靠性和一致性。

3 結論

(1) 兩種器測能見度的小時平均數值的變化趨勢一致，二者相關系數達0.98。觀測偏差受降雨影響較大，其他天氣條件的影響相對較弱。二者在不同能見度等級的偏差特征有所不同，其中能見度極差(0—1 km)等級的一致性最好，能見度差(2—3 km)和較差(3—5 km)等級的一致性最差，同時隨能見度等級的增加，差值范圍和離散程度均有所增大。

(2) 兩種器測能見度數值與相對濕度呈明顯負相關，與其他氣象要素的關系不明顯。能見度差值與相對濕度呈明顯的負相關關系(高濕條件除外)，二者近似滿足冪函數關系，與氣溫呈正相關關系，近似滿足線性函數關系，與其他氣象要素的關系則不明顯。能見度差值未明顯受到PM2.5濃度變化的影響。

(3) 每日不同時刻兩種器測能見度的比值均值位于0.9—1.1之間，相對偏差(±10%)處于能見度儀器的觀測精度之內；氣象要素(主要是相對濕度和氣溫)的日變化是導致兩種器測能見度相關性夜間高于白天原因之一。