能見度儀在海陀山的應(yīng)用

韓 微，崔 煒，高 猛，尹佳莉

(1.北京市氣象探測中心，北京 100176；2.延慶區(qū)氣象局，北京 102100)

0 引言

能見度的高低對人們交通運(yùn)輸、生產(chǎn)生活產(chǎn)生很大的影響，近些年隨著霧霾天氣的增多，能見度觀測和預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度越來越受到人們的關(guān)注[1-3]。多年來氣象臺站對能見度的觀測主要通過人工觀測固定目標(biāo)物輪廓的清晰程度進(jìn)行估算，然而這種觀測方式受人為主觀的影響較大，觀測結(jié)果存在一定誤差。近幾年，隨著觀測自動化的發(fā)展，國家氣象臺站能見度觀測已經(jīng)逐漸采用自動觀測儀器測量替代人工目測。

目前氣象臺站的能見度自動觀測儀器主要采用前向散射式能見度儀。前向散射式能見度儀通過測量微小體積顆粒物的散射消光評估能見度值，具有價(jià)格便宜、體積小等優(yōu)勢[4]。一些學(xué)者對比分析儀器測量和人工觀測的能見度觀測數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，前向散射式能見度儀觀測效果較好，具有很好的代替作用，低能見度時(shí)的相關(guān)性和偏差優(yōu)于高能見度，白天優(yōu)于夜晚[5，6]。但是，有學(xué)者研究指出在雨、霧等低能見度天氣，以及大氣痕量氣體變化等情況下，能見度儀讀數(shù)容易出現(xiàn)誤差[7]。因此，對能見度觀測設(shè)備在不同天氣條件下的探測性能進(jìn)行研究非常重要。

海陀山位于北京西北部，主峰海拔2198 m，為北京第2高峰，冬季氣溫較低，且常伴隨有大風(fēng)和較高相對濕度[8]。目前海陀山已安裝的地面自動氣象站可對氣溫、氣壓、相對濕度、風(fēng)向風(fēng)速、降水和能見度等要素進(jìn)行觀測。文章對比分析2020-03-22—2020-03-27北京市延慶區(qū)延慶站、佛爺頂站和海陀山地區(qū)的能見度數(shù)據(jù)；選取其間1次降雪天氣過程，利用海陀山地區(qū)已有的氣象觀測數(shù)據(jù)，分析能見度與氣溫、氣壓、相對濕度、風(fēng)速、降水量的關(guān)系，討論能見度儀在海陀山地區(qū)的探測性能，為能見度觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供依據(jù)。

1 資料與方法

海陀山使用的能見度儀為DNQ1前向散射式能見度儀，該能見度儀運(yùn)行穩(wěn)定，在臺站自動化觀測中應(yīng)用廣泛，測量范圍為10 m～35 km。文章利用2020-03-22—2020-03-27海陀山地區(qū)安裝的氣象觀測站的10 min能見度觀測資料進(jìn)行分析，該值為1 min能見度數(shù)據(jù)在10 min的滑動平均值。同時(shí)，選取北京市延慶區(qū)的延慶站和佛爺頂站的定時(shí)能見度觀測資料，該值為正點(diǎn)前15 min(46—00分)內(nèi)的最小10 min平均值，以千米為單位，保留1位小數(shù)。將海陀山地區(qū)的10 min能見度值計(jì)算處理成定時(shí)能見度觀測資料，與延慶站、佛爺頂站能見度的變化特征進(jìn)行對比分析。此外，針對3月25—26日的降雪天氣過程，利用海陀山地區(qū)的氣溫、氣壓、相對濕度、能見度分鐘資料和兩分鐘平均風(fēng)向風(fēng)速、小時(shí)降水量等觀測資料，統(tǒng)計(jì)分析能見度與其他地面氣象要素的關(guān)系。文章中提到的能見度均為水平能見度。

文章中兩個變量之間的相關(guān)系數(shù)使用的是皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)：

(1)

2 延慶區(qū)代表性氣象站點(diǎn)能見度變化特征

將海陀山22—27日能見度的觀測資料與同期的延慶站和佛爺頂站定時(shí)能見度觀測資料進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)：海陀山的能見度小于延慶站和佛爺頂站，且波動較大(圖1)。22—27日延慶站的平均能見度為23.6 km，佛爺頂站的平均能見度為22.1 km，海陀山的能見度為16.2 km。當(dāng)延慶地區(qū)為晴好天氣時(shí)，延慶站和佛爺頂站能見度均為30 km，但是海陀山地區(qū)的能見度偏低，出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)能見度迅速下降的情況。這主要是因?yàn)楹Ｍ由降貐^(qū)的氣象觀測站無人值守，探測環(huán)境不穩(wěn)定，能見度的觀測會受人為活動影響；而延慶站和佛爺頂站均為有人值守的國家級氣象觀測站，臺站人員定期按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，能見度的觀測值更為客觀準(zhǔn)確。當(dāng)有降雪天氣過程時(shí)，3個站的能見度差異較小，海陀山地區(qū)與延慶站能見度的相關(guān)系數(shù)為0.676，與佛爺頂站能見度的相關(guān)系數(shù)為0.822，不同站點(diǎn)的能見度顯著相關(guān)，在低能見度的相關(guān)性和偏差要優(yōu)于高能見度。海陀山能見度與海拔高度相近的佛爺頂站的能見度變化趨勢一致，這說明該前向散射式能見度儀在海陀山地區(qū)應(yīng)用較好，能夠很好地監(jiān)測到降雪天氣過程時(shí)能見度的變化特征。

圖1 3月22-27日海陀山能見度(紅線)與(a)延慶站能見度；(b)佛爺頂站能見度的變化特征

3 海陀山地區(qū)能見度與地面氣象要素的關(guān)系

選取2020-03-25—2020-03-26的1次降雪天氣事件，分析海陀山能見度的變化特征，發(fā)現(xiàn)在3月25日22：00降雪發(fā)生前，能見度較差，在5 km左右；23：00冷空氣到來，能見度略有好轉(zhuǎn)，達(dá)到10 km左右，但持續(xù)時(shí)間較短；隨著26日00：00左右降雪發(fā)生，能見度迅速下降到5 km以下；隨著降雪增加，能見度下降到1 km以下；26日05：00降雪逐漸停止，能見度逐漸好轉(zhuǎn)，06：00恢復(fù)至20 km以上。

分析能見度與其他地面氣象要素的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：能見度與氣溫和氣壓的關(guān)系較為復(fù)雜；與風(fēng)速呈一定的正相關(guān)；與相對濕度呈顯著的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.866，可以通過99%的顯著性檢驗(yàn)。3月25日夜間至26日凌晨，冷鋒過境，氣溫下降到0 ℃以下，氣壓升高，雖然風(fēng)速迅速增加到5 m/s左右，有利于能見度轉(zhuǎn)好，但是相對濕度有一個短暫降低后，增加到80%以上，降雪現(xiàn)象發(fā)生，使得能見度迅速降低到1 km以下。能見度與相對濕度有顯著的負(fù)相關(guān)，相對濕度越大，能見度越低；相對濕度越小，能見度越高[10]。同時(shí)，能見度受降水的影響較大[11]，降雪發(fā)生時(shí)能見度降到1 km以下。

4 結(jié)束語

文章利用2020-03-22-2020-03-27北京延慶海陀山的能見度觀測數(shù)據(jù)對比分析延慶站和佛爺頂站能見度變化特征，結(jié)論如下：

1)對比分析海陀山地區(qū)與延慶站和佛爺頂站能見度觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：該能見度儀在海陀山地區(qū)應(yīng)用較好，3個站點(diǎn)的能見度顯著相關(guān)，低能見度的相關(guān)性和偏差要優(yōu)于高能見度。特別是在有降雪天氣過程時(shí)，海陀山地區(qū)的能見度與海拔高度相近的佛爺頂站的能見度變化趨勢一致。

2)降雪現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，氣溫下降，氣壓升高，雖然風(fēng)速增加，有利于能見度轉(zhuǎn)好，但是相對濕度增加到80%以上，能見度較低，隨著降雪出現(xiàn)，能見度迅速降低到1 km以下。能見度與相對濕度有顯著的負(fù)相關(guān)，相對濕度越大，能見度越低，且能見度受降水的影響較大，降雪發(fā)生時(shí)能見度可降到1 km以下。

綜上所述，前向散射式能見度儀在該地區(qū)應(yīng)用較好，能夠監(jiān)測能見度的實(shí)時(shí)變化，特別是降雪天氣過程時(shí)能見度的變化特征。但是由于海陀山地區(qū)觀測條件有限，能見度觀測的數(shù)據(jù)樣本偏少，需要收集到更多的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行更詳細(xì)地分析。