前散式和透射式能見(jiàn)度儀的綜合觀測(cè)試驗(yàn)及對(duì)比分析

王惠穎 祖繁 袁成松 包云軒 吳泓 褚進(jìn)華

(1 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；2 中國(guó)氣象局交通氣象重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，南京 210041；3 中國(guó)氣象局上海物資管理處，上海 200050)

引 言

能見(jiàn)度是氣象觀測(cè)的常規(guī)要素之一，是表征大氣透明程度的物理量[1-2]，也是反映大氣污染程度的重要指標(biāo)[3-4]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代交通工具的普及，交通安全對(duì)能見(jiàn)度的依賴(lài)也日益突出，雨、雪、霧、霾等天氣現(xiàn)象引起的視程障礙往往會(huì)使高速公路封閉、船只滯留、航班延誤，造成人員和財(cái)產(chǎn)損失。因此，能見(jiàn)度監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性對(duì)交通運(yùn)輸體系的安全運(yùn)營(yíng)有著重要意義。

影響能見(jiàn)度的因素有很多，相對(duì)濕度、顆粒物濃度及其化學(xué)組分等都會(huì)對(duì)大氣消光產(chǎn)生影響[5-6]。王英等[7]研究表明，顆粒物對(duì)光的吸收和散射與能見(jiàn)度降低密切相關(guān)。顆粒物對(duì)光的吸收效應(yīng)幾乎是由黑碳和含有黑碳的顆粒物造成的[8]，而散射效應(yīng)則與吸濕性顆粒物有關(guān)，吸濕性顆粒物在高濕情況下吸濕增長(zhǎng)，使顆粒物的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，從而影響大氣能見(jiàn)度[9-12]。

根據(jù)測(cè)量原理的不同，交通氣象領(lǐng)域目前常見(jiàn)的能見(jiàn)度監(jiān)測(cè)設(shè)備主要有前向散射式能見(jiàn)度儀和透射式能見(jiàn)度儀兩種類(lèi)型[13]。前向散射式能見(jiàn)度儀通過(guò)測(cè)量一個(gè)小的采樣體積內(nèi)的顆粒物散射系數(shù)代替消光系數(shù)從而推導(dǎo)出能見(jiàn)度[14]，所以在濕度大、吸收物質(zhì)較多的條件下前向散射式能見(jiàn)度儀的測(cè)量值容易出現(xiàn)較大誤差[15]。透射式能見(jiàn)度儀則是根據(jù)消光理論，通過(guò)固定兩點(diǎn)之間的光束直接測(cè)量大氣透射率，產(chǎn)生一個(gè)平均消光系數(shù)，包含散射系數(shù)和吸收系數(shù)[16]。相比之下，大氣透射儀的精確度更高，但是在低能見(jiàn)度天氣下大氣透射儀也會(huì)因?yàn)樗盏葟?fù)雜條件而產(chǎn)生誤差。

雖然目前國(guó)內(nèi)外并未建立能見(jiàn)度量值溯源與量傳體系[17]，但由于透射儀的測(cè)量原理與氣象光學(xué)距離[18]的定義相契合，所以在前向散射式能見(jiàn)度儀測(cè)量性能評(píng)價(jià)方面，多是以透射式能見(jiàn)度為參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析。在實(shí)驗(yàn)室條件下，張世國(guó)等[19]在水霧能見(jiàn)度模擬艙中利用透射式測(cè)量系統(tǒng)對(duì)前向散射能見(jiàn)度儀進(jìn)行定標(biāo)，減少了兩者的相對(duì)誤差。褚進(jìn)華等[20]以透射式能見(jiàn)度儀為標(biāo)準(zhǔn)器，從計(jì)量規(guī)范角度分析了能見(jiàn)度儀校準(zhǔn)系統(tǒng)的測(cè)量不確定度，并由此開(kāi)展前向散射式能見(jiàn)度儀的校準(zhǔn)測(cè)試。自然條件下，濮江平等[13]在北京南苑機(jī)場(chǎng)開(kāi)展多套能見(jiàn)度儀對(duì)比試驗(yàn)表明，能見(jiàn)度在2 000 m以下時(shí)，前向散射能見(jiàn)度儀與透射式能見(jiàn)度儀的測(cè)量值具有良好的一致性；但當(dāng)能見(jiàn)度大于4 000 m時(shí)，前向散射儀的測(cè)量值明顯偏高。明虎等[21]分析了機(jī)場(chǎng)低能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)，當(dāng)跑道視程小于400 m時(shí)，大氣透射儀測(cè)量數(shù)據(jù)大于等于前向散射儀測(cè)量數(shù)據(jù)的比例在90%以上。Chan， et al[22]對(duì)香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)多種能見(jiàn)度儀進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)LT31型大氣透射儀與人眼能見(jiàn)度觀測(cè)值最為接近。

盡管有一些單純的實(shí)驗(yàn)室或單純的自然條件下不同能見(jiàn)度儀的觀測(cè)對(duì)比試驗(yàn)研究，但很少有學(xué)者將兩者結(jié)合起來(lái)，對(duì)同一臺(tái)前散能見(jiàn)度儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢定和自然條件下外場(chǎng)對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)。因此，本研究以全國(guó)交通氣象站定型考核任務(wù)為契機(jī)，將經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)測(cè)試后的前向散能見(jiàn)度儀安裝到觀測(cè)外場(chǎng)，利用動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)與透射能見(jiàn)度儀開(kāi)展比對(duì)，重點(diǎn)探究了不同天氣現(xiàn)象和不同大氣顆粒物濃度下的能見(jiàn)度儀觀測(cè)值差異，旨在為前向散射能見(jiàn)度儀的測(cè)試評(píng)估、檢測(cè)標(biāo)校以及低能見(jiàn)度預(yù)警預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料來(lái)源

前向散射式能見(jiàn)度儀的動(dòng)態(tài)測(cè)試在中國(guó)氣象局金壇交通氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行，時(shí)間范圍是2018年12月1日—2019年2月28日。在試驗(yàn)基地同步觀測(cè)了前向散射能見(jiàn)度測(cè)量值(VISFS)、大氣透射能見(jiàn)度(VIST)、PM2.5質(zhì)量濃度、霧和降水現(xiàn)象及相對(duì)濕度等常規(guī)氣象要素。試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)先剔除缺測(cè)值，然后通過(guò)滑動(dòng)三倍標(biāo)準(zhǔn)差方法進(jìn)行質(zhì)量控制，剔除異常值。能見(jiàn)度和相對(duì)濕度的時(shí)間分辨率為1 min，考慮到PM2.5質(zhì)量濃度的時(shí)間分辨率為1 h，在分析能見(jiàn)度儀測(cè)量值在不同顆粒物濃度下的差異時(shí)，將能見(jiàn)度儀的測(cè)量值進(jìn)行小時(shí)平均。

本研究使用的前向散射式能見(jiàn)度儀是在參加交通氣象站定型考核中主流的Vaisala PWD52型能見(jiàn)度儀，其散射角為45°，測(cè)量范圍為10～10 000 m。

動(dòng)態(tài)測(cè)試中大氣透射能見(jiàn)度示值來(lái)源于LT31型透射式能見(jiàn)度儀；PM2.5質(zhì)量濃度由Met One公司的BAM-1020顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀觀測(cè)，該儀器基于β射線衰減的原理探測(cè)；降水現(xiàn)象由OTT Parsivel2激光雨滴譜儀識(shí)別，它通過(guò)采集降水顆粒粒徑及運(yùn)動(dòng)速度，根據(jù)世界氣象組織(WMO)的天氣分類(lèi)直接輸出天氣代碼；相對(duì)濕度等常規(guī)氣象要素由華云DZZJ3型交通氣象站采集。

前向散射式能見(jiàn)度儀的靜態(tài)測(cè)試在中國(guó)氣象局能見(jiàn)度儀校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室(上海)中進(jìn)行[23]，該實(shí)驗(yàn)室能見(jiàn)度環(huán)境模擬艙長(zhǎng)20 m、寬3.5 m、高3 m，以LT31型透射式能見(jiàn)度儀為標(biāo)準(zhǔn)器，霧模擬裝置產(chǎn)生霧的類(lèi)型為水霧，能見(jiàn)度的模擬范圍為1～10 000 m，前向散射能見(jiàn)度的測(cè)試流程參見(jiàn)褚進(jìn)華等[20]。

1.2 數(shù)據(jù)處理

選取霧、毛毛雨、雨和雪這4種天氣現(xiàn)象，其中，毛毛雨、雨和雪3種降水現(xiàn)象從Parsivel2激光雨滴譜識(shí)別結(jié)果中讀取，霧則是通過(guò)篩選非降水條件下VISFS小于1 000 m且相對(duì)濕度大于90%的樣本得到。

由于前向散射式能見(jiàn)度儀在觀測(cè)業(yè)務(wù)中應(yīng)用廣泛，且國(guó)標(biāo)GBT 33697-2017《公路交通氣象監(jiān)測(cè)設(shè)施技術(shù)要求》[24]中規(guī)定能見(jiàn)度監(jiān)測(cè)范圍的上限為10 000 m，因此，本研究以前向散射式能見(jiàn)度儀測(cè)量值為劃分依據(jù)，在10 000 m以下選取同時(shí)刻的透射能見(jiàn)度進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)，為了更好地量化兩種能見(jiàn)度儀在高、低量程段內(nèi)的差異，以200、500、1 000、2 000、4 000、6 000、8 000 m為界，計(jì)算不同能見(jiàn)度區(qū)間內(nèi)的兩者平均絕對(duì)誤差(Mean Absolute Error， MAE)和平均相對(duì)誤差(Mean Relative Error， MRE)，表達(dá)式如下：

(1)

(2)

式中：MAE(n)和MRE(n)分別為第n個(gè)能見(jiàn)度區(qū)間段內(nèi)的兩種能見(jiàn)度測(cè)量值的平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差；Nn為第n個(gè)能見(jiàn)度區(qū)間段內(nèi)的樣本量；xi、yi分別為前向散射式能見(jiàn)度儀和透射式能見(jiàn)度儀的能見(jiàn)度測(cè)量值。

對(duì)PM2.5濃度的等級(jí)劃分參照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》中PM2.5污染等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[25]，基于PM2.5質(zhì)量濃度，定義6個(gè)空氣質(zhì)量等級(jí)：優(yōu)(0

2 結(jié)果與分析

2.1 能見(jiàn)度儀檢測(cè)的綜合差異性分析

圖1是能見(jiàn)度環(huán)境模擬方艙中前向散射儀與大氣透射儀的對(duì)比測(cè)試結(jié)果，可見(jiàn)，隨著模擬艙內(nèi)水汽的擴(kuò)散沉降，能見(jiàn)度值逐漸升高，在低能見(jiàn)度段，參試的兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量結(jié)果一致性非常好，但隨著自然沉降時(shí)間的增加，能見(jiàn)度逐漸回升，6 h后VISFS也明顯高于VIST。以前向散射式能見(jiàn)度儀測(cè)量值為劃分依據(jù)，從不同能見(jiàn)度區(qū)間內(nèi)兩種能見(jiàn)度儀觀測(cè)值差異的量化統(tǒng)計(jì)(圖2)來(lái)看，隨著能見(jiàn)度增加，VISFS與VIST的平均絕對(duì)誤差增加，但最大平均絕對(duì)誤差小于500 m，最大平均相對(duì)誤差為7.86%，符合中國(guó)氣象局觀測(cè)司《前向散射能見(jiàn)度儀觀測(cè)規(guī)范》中最大允許誤差±10%(≤1.5 km)和±20%(>1.5 km)的測(cè)量性能要求。VISFS與VIST一致的變化曲線及較低的平均相對(duì)誤差表明，在實(shí)驗(yàn)室純水霧的情況下，兩種儀器觀測(cè)值差異較小，數(shù)據(jù)具有良好的相互替代性。

圖1 能見(jiàn)度環(huán)境模擬艙內(nèi)大氣透射儀與前向散射儀的對(duì)比觀測(cè)結(jié)果Fig.1 Comparative observation results of atmospheric transmission meter and forward scattering meter in the visibility simulation cabin

圖2 能見(jiàn)度環(huán)境模擬艙內(nèi)兩種儀器平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差分布Fig.2 Mean absolute error and mean relative error for two instruments in the visibility simulation cabin

圖3是自然條件下兩種能見(jiàn)度儀在野外科學(xué)試驗(yàn)基地的觀測(cè)對(duì)比。與模擬艙內(nèi)的良好一致性不同，實(shí)際大氣中，兩種能見(jiàn)度儀觀測(cè)值并未全部集中分布在1∶1線兩側(cè)。當(dāng)VISFS小于500 m時(shí)，VIST大于VISFS的比例高，當(dāng)VISFS大于500 m時(shí)，VIST小于VISFS的比例增加，且隨著能見(jiàn)度的增加，VIST和VISFS的差異也越大。

以前向散射式能見(jiàn)度儀測(cè)量值為劃分依據(jù)，從不同能見(jiàn)度區(qū)間內(nèi)兩種能見(jiàn)度儀觀測(cè)值的差異(圖4)可以看出，與模擬艙的平均絕對(duì)誤差變化一致，隨著能見(jiàn)度的增大，VIST與VISFS的平均絕對(duì)誤差也逐漸增大，但需要注意的是，外場(chǎng)試驗(yàn)的平均絕對(duì)誤差較模擬艙增大了一個(gè)量級(jí)。當(dāng)VISFS<500 m時(shí)，平均絕對(duì)誤差小于30 m；當(dāng)500≤VISFS<4 000 m時(shí)，平均絕對(duì)誤差不超過(guò)320 m；當(dāng)VISFS>4 000 m時(shí)，平均絕對(duì)誤差增長(zhǎng)梯度明顯變大，當(dāng)能見(jiàn)度在8 000 m以上時(shí)，平均絕對(duì)誤差超過(guò)了2 500 m。平均相對(duì)誤差方面，當(dāng)VISFS<200 m時(shí)，平均相對(duì)誤差為7.16%，但當(dāng)VISFS大于500 m和4 000 m時(shí)，平均相對(duì)誤差分別超過(guò)了10%和20%，并在最后一個(gè)能見(jiàn)度區(qū)間達(dá)到了43.92%，較第一個(gè)能見(jiàn)度區(qū)間增長(zhǎng)了5.13倍。

圖3 試驗(yàn)基地自然環(huán)境中VISFS與VIST的散點(diǎn)Fig.3 Scattered plots of VISFS and VIST in natural environmentof the test base

綜上，在利用水霧制造視程障礙的能見(jiàn)度模擬艙內(nèi)，前向散射能見(jiàn)度儀與透射式能見(jiàn)度儀的觀測(cè)值具有很好的一致性，平均相對(duì)誤差在10%以?xún)?nèi)，但在自然大氣條件下，不同測(cè)量原理的兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值差異隨能見(jiàn)度的增加而快速增大，VISFS大于500 m時(shí)兩種能見(jiàn)度儀的平均相對(duì)誤差大于10%。因此，為了進(jìn)一步探討兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值產(chǎn)生差異的原因，下文從不同天氣現(xiàn)象和不同大氣顆粒物濃度兩個(gè)方面開(kāi)展差異性分析。

圖4 試驗(yàn)基地自然環(huán)境中兩種儀器平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差分布Fig.4 Mean absolute error and mean relative error for two instruments in natural environment of the test base

2.2 不同天氣現(xiàn)象下能見(jiàn)度儀測(cè)量值的差異性分析

霧、雨、雪等天氣現(xiàn)象的出現(xiàn)往往會(huì)導(dǎo)致能見(jiàn)度降低，由于不同粒子對(duì)光的吸收和散射效應(yīng)不同，因此不同天氣現(xiàn)象下前向散射能見(jiàn)度儀與透射式能見(jiàn)度儀的測(cè)量值也會(huì)有所差異。圖5為不同天氣現(xiàn)象下不同能見(jiàn)度區(qū)間段內(nèi)的VISFS/VIST，表1為不同天氣現(xiàn)象下兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

圖5 同天氣現(xiàn)象下的VISFS/VIST:(a)霧; (b)毛毛雨; (c)雨; (d)雪Fig.5 VISFS/VIST of different weather conditions in: (a) fog; (b) drizzle; (c) rain; (d) snow

表1 不同天氣現(xiàn)象下兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值的統(tǒng)計(jì)參數(shù)Table 1 Statistical parameters of observation values of two visibility meters under different weather conditions

在霧天氣下(圖5a)，當(dāng)VISFS低于200 m時(shí)，VISFS/VIST的上四分位數(shù)小于1，大部分前向散射儀測(cè)量值小于大氣透射儀測(cè)量值，且相比于其他能見(jiàn)度區(qū)間，該區(qū)間內(nèi)上、下四分位之間的跨度最小，說(shuō)明大部分的VISFS/VIST波動(dòng)程度小。但隨著能見(jiàn)度的增加，VISFS/VIST的均值和中位數(shù)增大，在500 m≤VISFS<1 000 m時(shí)，兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值接近。

毛毛雨、雨和雪天氣下(圖5b—d)，在VISFS<200 m的能見(jiàn)度區(qū)間，VISFS/VIST的上四分位數(shù)也小于1，但值得注意的是，這3種降水現(xiàn)象在低能見(jiàn)度段的樣本量比較少。動(dòng)態(tài)測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，僅靠大粒徑降水粒子的存在，能見(jiàn)度通常很難降到200 m，能見(jiàn)度降到200 m以下時(shí)，往往會(huì)有數(shù)量較多的小粒徑霧滴相伴。而MA， et al[26]和熊興隆等[27]研究表明，在低能見(jiàn)度且液滴數(shù)密度很大時(shí)，多次散射對(duì)大氣透射儀的影響不可忽視。多次散射會(huì)讓接收機(jī)接收到的總光強(qiáng)大于單次散射情況的光強(qiáng)，導(dǎo)致透過(guò)率大于實(shí)際值，從而得到偏大的VIST。因此，在能見(jiàn)度低于200 m的情況下，大部分的VISFS/VIST均傾向于小于1。

天氣現(xiàn)象為毛毛雨時(shí)(圖5b)，隨著能見(jiàn)度的增加，VISFS/VIST的中位數(shù)也在逐漸增加，VISFS在500 m之上時(shí)，VISFS/VIST的中位數(shù)開(kāi)始大于1，約在1.1～1.2，且上分位與下分位變化不大，兩種能見(jiàn)度儀的測(cè)量值比相對(duì)穩(wěn)定。天氣現(xiàn)象為雨時(shí)(圖5c)，VISFS/VIST隨能見(jiàn)度變化的趨勢(shì)與毛毛雨相似，但從整個(gè)能見(jiàn)度區(qū)間的統(tǒng)計(jì)參數(shù)(表1)來(lái)看，雨天兩種儀器的測(cè)量值差異最大，平均相對(duì)誤差達(dá)到了22.16%。一般來(lái)說(shuō)，雨滴的半徑在0.1～5.0 mm，根據(jù)Mie散射理論，當(dāng)粒子尺度遠(yuǎn)大于入射光波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)有更多的散射光集中到前向較窄的衍射瓣中[28]，而試驗(yàn)所用的前向散射儀接收角為45°，雨天探測(cè)到的散射光強(qiáng)可能會(huì)減少，導(dǎo)致消光系數(shù)偏小、VISFS偏大。

雪天導(dǎo)致能見(jiàn)度集中在200～4 000 m(圖5d)，雖然隨著能見(jiàn)度的增加，VISFS/VIST的整體變化趨勢(shì)與雨天相近，但在相鄰的能見(jiàn)度區(qū)間，無(wú)論是中位數(shù)還是上、下四分位數(shù)都呈現(xiàn)出較大波動(dòng)性。這是因?yàn)榕c雨滴、霧滴近似球形不同，雪花形狀具有多樣性，光學(xué)特性差異大，使得前散小采樣空間和透射長(zhǎng)基線測(cè)量的消光有較大的不同[29]。

總體而言，不論何種天氣現(xiàn)象，在VISFS<200 m的低能見(jiàn)度段，同時(shí)次前向散射儀測(cè)量值小于大氣透射儀測(cè)量值的占比較多；隨能見(jiàn)度上升，VISFS/VIST總體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但不同天氣現(xiàn)象下VISFS/VIST中位數(shù)和均值接近1的轉(zhuǎn)折區(qū)間略有不同，毛毛雨、雨和雪天導(dǎo)致了能見(jiàn)度在200～500 m范圍內(nèi)，霧天導(dǎo)致了能見(jiàn)度在500～1 000 m范圍內(nèi)；雨天兩種能見(jiàn)度儀觀測(cè)值的差異最大，平均相對(duì)誤差達(dá)到了22.16%，霧天兩種能見(jiàn)度儀觀測(cè)值的差異最小，平均相對(duì)誤差為16.65%。

2.3 不同顆粒物濃度下能見(jiàn)度儀測(cè)量值的差異性分析

降水濕清除作用會(huì)影響顆粒物濃度，為探討顆粒物濃度對(duì)兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值差異的影響，本文對(duì)非降水時(shí)次不同PM2.5質(zhì)量濃度下的VISFS與VIST(圖6)進(jìn)行了分析。由圖可見(jiàn)，無(wú)論是在何種空氣質(zhì)量等級(jí)，VISFS的平均值均大于VIST，在整個(gè)非降水天氣條件下，同時(shí)次VISFS大于VIST的比例達(dá)到了83%。隨著PM2.5質(zhì)量濃度的增加，兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值在下降的同時(shí)，測(cè)量值的差異也在逐漸減小，空氣質(zhì)量從良到重度污染，兩者的平均絕對(duì)誤差由655 m降低到175 m。

圖6 非降水天氣條件下不同空氣污染水平的VISFS、VIST箱線圖Fig.6 VISFS and VIST box plots on different airpollution levels under non-precipitation weather conditions

已有的研究表明，在討論大氣顆粒物濃度對(duì)能見(jiàn)度影響的過(guò)程中，不可忽略相對(duì)濕度的作用[30-31]。為進(jìn)一步研究相對(duì)濕度在不同顆粒物濃度下對(duì)兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值的差異性影響，對(duì)非降水天氣條件下的VISFS、VIST與PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行擬合(圖7)，散點(diǎn)顏色代表不同相對(duì)濕度，實(shí)線為VISFS與PM2.5質(zhì)量濃度的擬合曲線，虛線為VIST與PM2.5質(zhì)量濃度的擬合曲線。

在不同的相對(duì)濕度范圍內(nèi)，無(wú)論是前向散射儀還是大氣透射儀，它們的測(cè)量值與PM2.5質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)反相關(guān)關(guān)系，隨著PM2.5質(zhì)量濃度的增加，兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值減小，測(cè)量值之間的差異也呈減小趨勢(shì)。

從擬合曲線之間的距離來(lái)看，對(duì)于相同的PM2.5質(zhì)量濃度，隨著相對(duì)濕度的減少，兩種能見(jiàn)度儀觀測(cè)值之間的差異增大。統(tǒng)計(jì)非降水時(shí)段不同相對(duì)濕度下VISFS與VIST的差異(表2)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)濕度大于80%時(shí)，兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值的平均絕對(duì)誤差為337.82 m，平均相對(duì)誤差為12.04%，而相對(duì)濕度小于40%時(shí)，兩者的平均絕對(duì)誤差為1 953.16 m，平均相對(duì)誤差為37.36%，說(shuō)明兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值在高濕條件下差異小，低濕條件下差異大。

對(duì)于前向散射能見(jiàn)度儀和透射能見(jiàn)度儀而言，測(cè)量能見(jiàn)度的本質(zhì)是測(cè)量消光系數(shù)。大氣總消光系數(shù)是顆粒物的散射系數(shù)和吸收系數(shù)、氣體的散射系數(shù)和吸收系數(shù)之和[32]，在一般大氣狀態(tài)中，氣體分子在對(duì)可見(jiàn)光的消光幾乎可以忽略，能見(jiàn)度主要由氣溶膠的消光決定。而氣溶膠由硫酸鹽、硝酸鹽、有機(jī)物、以及光吸收性碳等化學(xué)組分構(gòu)成，這些組分具有不同的消光特性，會(huì)使不同探測(cè)原理的能見(jiàn)度儀產(chǎn)生測(cè)量值差異。硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽等組分具有吸濕性，在高濕條件下會(huì)吸附水汽而增大，造成體積濃度和粒子尺寸增大，導(dǎo)致氣溶膠的總散射系數(shù)和后向散射系數(shù)增大[33-34]，在相對(duì)濕度(RH)為90%的時(shí)候，單次散射反照率(顆粒物散射與總消光的比值)可達(dá)0.9以上，導(dǎo)致探測(cè)顆粒物散射系數(shù)的前向散射能見(jiàn)度儀與探測(cè)大氣消光的透射能見(jiàn)度儀的測(cè)量值相近。低濕條件下，單次散射反照率減少，黑碳和棕碳等組分引起的氣溶膠吸收系數(shù)不可忽略，但前向散射儀未能考慮氣溶膠顆粒的吸收作用，導(dǎo)致其探測(cè)的能見(jiàn)度值遠(yuǎn)大于透射能見(jiàn)度儀的觀測(cè)值。

圖7 非降水天氣條件下VISFS、VIST與PM2.5質(zhì)量濃度散點(diǎn)及擬合曲線Fig.7 Scatter plot and fitting curve of VISFS， VIST and PM2.5 mass concentration under non-precipitation weather conditions

表2 非降水天氣不同相對(duì)濕度下兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值的統(tǒng)計(jì)參數(shù)Table 2 Statistical parameters of the measured values of two visibility meters under different relative humidity in non-precipitation weather

此外，值得注意的是，進(jìn)行相對(duì)濕度分級(jí)之后，RH小于80%時(shí)，VISFS、VIST與PM2.5質(zhì)量濃度的擬合優(yōu)度R2分別在0.7和0.5之上，而當(dāng)RH大于等于80%時(shí)，擬合優(yōu)度R2分別為0.22和0.23。高濕情況下，兩種能見(jiàn)度儀的測(cè)量值與PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)性減弱，也從側(cè)面說(shuō)明，隨著相對(duì)濕度的變大，顆粒物吸濕增長(zhǎng)導(dǎo)致的散射消光對(duì)大氣能見(jiàn)度下降有更顯著的作用。

為更詳細(xì)地說(shuō)明非降水情況下不同顆粒物濃度對(duì)兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值差異的影響，選取2019年2月的一次污染過(guò)程(圖8)，根據(jù)濕度變化情況，重點(diǎn)分析以下3個(gè)時(shí)間段內(nèi)的兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值差異：

圖8 2019年2月24日16時(shí)—26日16時(shí)兩種能見(jiàn)度儀觀測(cè)值、大氣顆粒物濃度及相對(duì)濕度變化Fig.8 Time series diagram of visibility observation values of two instruments， particulate matter concentration and relative humidity from 16∶00 BST on February 24 to 16∶00 BST on February 26， 2019

(1)階段1為24日21時(shí)—25日09時(shí)，該階段相對(duì)濕度主要在60%～80%，兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值均隨著相對(duì)濕度的快速變化而起伏，兩者的平均值相差較小但是平均絕對(duì)誤差相差較大，為359.43 m。該階段中，顆粒物濃度較高，顆粒物的吸收作用與顆粒物散射共同作用導(dǎo)致兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值波動(dòng)性較大，相關(guān)系數(shù)在3個(gè)階段中最小。

(2)階段2為25日09時(shí)—25日20時(shí)，該階段相對(duì)濕度在60%以下，PM2.5質(zhì)量濃度的平均值在120 μg·m-3以上，兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值相差較大，且VISFS>VIST的占比達(dá)到96%。相對(duì)濕度很低且PM2.5質(zhì)量濃度在一個(gè)較高的水平時(shí)，顆粒物吸收作用對(duì)消光的影響增大，所以大氣透射儀的測(cè)量值在這種情況下會(huì)小于前向散射儀測(cè)量值，導(dǎo)致兩種儀器測(cè)量值產(chǎn)生較大差異。

(3)階段3為25日23時(shí)—26日09時(shí)，該階段相對(duì)濕度在80%之上，能見(jiàn)度在3個(gè)階段中最低，且兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值相關(guān)系數(shù)最大、平均相對(duì)誤差最小，平均絕對(duì)誤差在90 m左右。說(shuō)明高濕情況下，光散射作用占優(yōu)導(dǎo)致兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值差異減小，這與前面的統(tǒng)計(jì)規(guī)律一致。

表3 一次污染過(guò)程的不同階段兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值的統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of the measured values of two visibility meters at different stages of a pollution process

綜上，由于前向散射能見(jiàn)度儀和透射能見(jiàn)度儀的探測(cè)原理不同，大氣顆粒物濃度和相對(duì)濕度都可使兩者測(cè)試值產(chǎn)生差異。高濕情況下，顆粒物的散射系數(shù)在大氣消光中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值接近，而隨著相對(duì)濕度的降低，顆粒物的吸收系數(shù)不可忽略，使前向散射能見(jiàn)度儀檢測(cè)的能見(jiàn)度值遠(yuǎn)大于透射能見(jiàn)度儀的觀測(cè)值。

3 結(jié)論

通過(guò)在中國(guó)氣象局能見(jiàn)度計(jì)量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室(上海)和金壇交通氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地開(kāi)展能見(jiàn)度對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)獲取的能見(jiàn)度數(shù)據(jù)及同步觀測(cè)的氣象要素和污染物濃度數(shù)據(jù)，對(duì)不同天氣現(xiàn)象和不同顆粒物濃度下前向散射能見(jiàn)度儀和大氣透射能見(jiàn)度儀的測(cè)量值差異特征及其成因進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

(1)不同檢測(cè)環(huán)境下能見(jiàn)度儀測(cè)量值的一致性存在顯著差異。在能見(jiàn)度環(huán)境模擬艙內(nèi)，兩種能見(jiàn)度儀的測(cè)量值具有良好的一致性，最大平均相對(duì)誤差為7.86%；但在自然條件下，兩種能見(jiàn)度儀的測(cè)量值差異隨著能見(jiàn)度的上升而快速增大，當(dāng)VISFS大于500 m和4 000 m時(shí)，平均相對(duì)誤差分別超過(guò)了10%和20%。

(2)不同天氣現(xiàn)象下，在VISFS<200 m的低能見(jiàn)度段，VISFS/VIST的上四分位數(shù)均小于1，說(shuō)明大部分前向散射儀測(cè)量值小于大氣透射儀測(cè)量值；隨著能見(jiàn)度的增加，VISFS/VIST總體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但不同天氣現(xiàn)象下VISFS/VIST中位數(shù)和均值接近1的能見(jiàn)度區(qū)間略有不同，毛毛雨、雨和雪天出現(xiàn)在能見(jiàn)度為200～500 m時(shí)，霧天出現(xiàn)在能見(jiàn)度500～1 000 m時(shí)。

(3)雨天兩種能見(jiàn)度儀觀測(cè)值的差異最大，平均相對(duì)誤差達(dá)到了22.16%，霧天兩種能見(jiàn)度儀觀測(cè)值的差異最小，平均相對(duì)誤差為16.65%。

(4)非降水情況下，同時(shí)次VISFS大于VIST的比例達(dá)到了83%。隨著PM2.5質(zhì)量濃度的增加，兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值在下降的同時(shí)，測(cè)量值的差異也在逐漸減小，空氣質(zhì)量從良到重度污染，兩者的平均絕對(duì)誤差由655 m降低到175 m。

(5)高濕情況下，顆粒物的散射系數(shù)在大氣消光中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值接近，低濕情況下，顆粒物的吸收系數(shù)不可忽略，前向散射能見(jiàn)度儀測(cè)量值遠(yuǎn)大于透射能見(jiàn)度儀測(cè)量值。相對(duì)濕度從大于80%到小于40%，兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值的平均相對(duì)誤差由12.04%增長(zhǎng)到37.36%。

本文利用交通氣象站定型考核過(guò)程中的靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)，探討了不同天氣條件下及不同污染物濃度下兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值產(chǎn)生差異的原因，對(duì)能見(jiàn)度儀的設(shè)計(jì)優(yōu)化、檢定標(biāo)校和數(shù)據(jù)應(yīng)用等有重要的實(shí)踐意義。與其他研究相比，本文考慮了大氣顆粒物對(duì)兩種能見(jiàn)度儀測(cè)量值差異的影響，但使用的外場(chǎng)資料時(shí)長(zhǎng)有限，只考慮了不同相對(duì)濕度下PM2.5質(zhì)量濃度對(duì)兩種儀器測(cè)量值產(chǎn)生的影響且有一定的地區(qū)局限性，在不同地區(qū)的適用性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。后續(xù)研究我們將繼續(xù)在不同地理環(huán)境下進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間序列的能見(jiàn)度儀對(duì)比觀測(cè)，以明確各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，為我國(guó)能見(jiàn)度的規(guī)范觀測(cè)提供參考依據(jù)。