能見度Belfort M6000型與Belfort M6400型觀測比對與影響因子研究

周嘉健,曾慧明，徐黃飛，王明輝，黃飛龍

(廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心,廣東 廣州 510080)

0 引言

大氣能見度是指視力正常的人能從背景(天空或地面)中識別出具有一定大小的目標(biāo)物的最大距離，也稱氣象視程[1]。以往測量大氣能見度是通過人工目測測量，而隨著大氣探測技術(shù)的發(fā)展，目前已出現(xiàn)各種不同型號的能見度自動化探測設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)能見度由人工向自動化轉(zhuǎn)換提供了條件[2]。

對于美國Belfort儀器公司生產(chǎn)的Belfort M 6000能見度儀(以下簡稱M6000型)，甘桂華等[3]、張毅等[4]介紹了其工作原理、安裝、操作和維護(hù)，分析了易出現(xiàn)的故障及原因，并給出維護(hù)和校準(zhǔn)建議；張順等[5]介紹了大氣透射儀和前向散射儀在觀測原理上的差異，并通過計(jì)算能見度差值區(qū)間分布和平均差值，對比分析了昌北機(jī)場基準(zhǔn)觀測點(diǎn)的2種儀器的數(shù)據(jù)資料。目前，在器測儀器對比試驗(yàn)方面，李曉嵐等[6]對DNQ1和FD12型能見度儀觀測資料開展比對研究，分析2種能見度儀的觀測差異特征及與關(guān)鍵氣象要素和大氣成分的關(guān)系。在器測儀器與人工觀測對比試驗(yàn)方面，佘元標(biāo)等[7]利用饒平站 2011 年1—12月定時(shí)人工觀測能見度資料對比M6000能見度儀觀測；吳振強(qiáng)等[8]利用人工目測能見度數(shù)據(jù)與M6000實(shí)測距離進(jìn)行對比，并通過計(jì)算出相對濕度、水汽壓、風(fēng)速等氣象要素和人工觀測的能見度的相關(guān)系數(shù)，進(jìn)一步求出相互間的修正系數(shù)公式，為廠家修改和完善M6000軟件提供科學(xué)依據(jù)。

Belfort儀器公司在M6000型基礎(chǔ)上，對軟件和硬件均作出優(yōu)化和完善，并生產(chǎn)出成本更低、觀測更高效的M6400型。本文利用2021年6月11日—7月11日番禺國家氣象觀測站M6000型與Belfort M6400型能見度儀(以下簡稱M6400型)平行觀測試驗(yàn)的觀測數(shù)據(jù)，開展2款不同型號能見度儀的能見度觀測比對研究，分析不同能見度觀測范圍下的能見度差值特征，并研究2款能見度儀觀測結(jié)果及其差值與不同氣象要素(如相對濕度、溫度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向)的關(guān)系，確定關(guān)鍵影響因子函數(shù)及可能原因，為推進(jìn)M6400型能見度儀在臺站的備份應(yīng)用提供數(shù)據(jù)可靠性支撐。

1 資料和方法

1.1 觀測站點(diǎn)與資料

番禺國家氣象觀測站(以下簡稱番禺國家站)是國家級地面觀測站，站點(diǎn)具備溫度(氣溫、淺層地溫、深層地溫、草溫)、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、能見度、日照、蒸發(fā)等氣象要素的觀測，并且該站為雙套站。雙套站指觀測場內(nèi)安裝有1個(gè)主站和1個(gè)備份站。當(dāng)臺站人員發(fā)現(xiàn)主站的觀測數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)通信異常時(shí)，可以將數(shù)據(jù)上傳切換到備份站，保證數(shù)據(jù)觀測的連續(xù)性。本次試驗(yàn)在該站的主站安裝M6000型，在備份站安裝M6400型，開展平行觀測試驗(yàn)。

2款能見度儀的觀測原理相同，均是基于大氣中顆粒物的前向散射原理而設(shè)計(jì)的，通過測量觀測角內(nèi)空氣對光的散射系數(shù)獲取采樣氣體的消光系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算得到氣象光學(xué)能見度。2款能見度儀的主要觀測指標(biāo)會存在一些差異，如表1所示。兩者的觀測精度、散射角和光源配置基本一致，M6400型在量程和能耗均比M6000型優(yōu)越。

表1 2款能見度儀主要指標(biāo)對比

1.2 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)方法

本研究采用的觀測資料為番禺國家站2021年6月11日—7月11日2種能見度儀觀測的分鐘平均能見度(分別記為Vis6000和Vis6400)以及對應(yīng)的其他氣象要素觀測，包括相對濕度、氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓和降水量。

目前氣象上大氣能見度觀測范圍在0～50 km，因此設(shè)置2款能見度儀的上限觀測為50 km。此外，為了更好地分析2種能見度儀在不同能見度狀況下，基于 Vis6000觀測數(shù)值將能見度劃分為5個(gè)等級，即：0≤觀測值<1 km (能見度很差)、1 km≤觀測值<2 km(能見度較差)、2 km≤觀測值<10 km(能見度一般)、10 km≤觀測值<20 km(能見度較好)和20 km≤觀測值<50 km(能見度很好)，分別評估不同能見度等級的觀測差異特征。

為了體現(xiàn)兩者存在的差異特征，本文利用平均絕對偏差MAD、平均相對偏差RD、均方根偏差RMSD和相關(guān)系數(shù)r等統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[9-10]，公式如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

2 結(jié)果分析

2.1 2款設(shè)備偏差特征對比

圖1給出2021年6月11日—7月11日期間分鐘平均能見度Vis6000和Vis6400對比時(shí)域圖以及二者差值(Vis6400-Vis6000)的時(shí)序變化圖。圖1a中的藍(lán)色實(shí)線為M6000型觀測值，紅色實(shí)線為M6400型觀測值。由圖1a可見，二者的變化趨勢基本一致。并結(jié)合圖1b分析，差值基本處于-10～0 km之間，這表明M6400型觀測結(jié)果普遍低于M6000型觀測結(jié)果。結(jié)合圖1c發(fā)現(xiàn)，整個(gè)觀測時(shí)段內(nèi)二者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92。在能見度較低時(shí)二者的相關(guān)性更好，隨著能見度的增加，二者的離散度增大。

圖1 2021年6月11日—7月11日番禺國家站Belfort M6000和M6400型能見度儀分鐘平均能見度(a),兩者差值(b)的時(shí)序變化圖及分鐘平均能見度值散點(diǎn)圖(c)

2.2 不同能見度等級偏差特征分析

根據(jù)1.2中劃分的能見度等級，分析不同等級下2款能見度儀觀測值的變化特征(圖2、表2)，并給其平均絕對偏差(MAD)、平均相對偏差(RD)、均方根偏差(RMSD)和相關(guān)系數(shù)(r)的統(tǒng)計(jì)表(表3)。

表2 2款能見度儀相對誤差數(shù)據(jù)比例統(tǒng)計(jì)表

表3 不同能見度觀測范圍下偏差統(tǒng)計(jì)表

由2款能見度儀在不同能見度等級下的觀測對比圖(圖2)和兩者在不同能見度等級下的相對誤差比例統(tǒng)計(jì)表(表2)可知，能見度等級在0～1 km和1～2 km時(shí)，兩者的相對誤差主要集中在50%以下。但由于樣本點(diǎn)數(shù)少，所以結(jié)果會欠缺一定的合理性；能見度等級在2～10 km和10～20 km時(shí)，兩者的相對誤差主要集中在20%以下；能見度等級在20～50 km時(shí)，兩者的相對誤差主要集中在20%～50%區(qū)間。

圖2 2款能見度儀在不同能見度等級下觀測對比圖(a：0～1 km；b：1～2 km；c：2～10 km；d：10～20 km；e：20～50 km)

結(jié)合表3分析，隨著能見度等級增大(能見度越好)，兩者的MAD、RD和RMSD的絕對值均增大，但由于在能見度等級為0～1 km和1～2 km時(shí)的樣本點(diǎn)較少，這里對其不做分析，僅對等級在2～50 km之間進(jìn)行分析。相比其他等級而言，能見度等級在2～10 km時(shí)2款能見度儀觀測一致性最好，兩者的相關(guān)性系數(shù)(0.91)最高，MAD、RD和RMSD依次為0.233 km、6.89%和1.051 km；能見度等級在20～50 km時(shí)，兩者的MAD(-9.859 km)、RD(-22.25%)和RMSD(11.28 km)均為最高，表明兩者在高能見度時(shí)，一致性較差，差異較大。

2.3 能見度與其他氣象要素比對分析

2.3.1 與其他氣象要素關(guān)系 氣象要素的變化對能見度儀觀測存在一定的影響[11]。圖3和圖4分別給出2款能見度儀觀測數(shù)值與主要?dú)庀笠蜃?包括氣壓、溫度、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速和雨量)的變化關(guān)系，并給出對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)。

結(jié)合圖3和表4可見，2款能見度儀的觀測數(shù)值與相對濕度和氣壓的相關(guān)性比溫度、風(fēng)向和風(fēng)速要高。二者均與相對濕度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著相對濕度的減小，能見度數(shù)值均有所增加，并在整個(gè)觀測期間，Vis6000與相對濕度的相關(guān)性(r=-0.30)高于 Vis6400與相對濕度的相關(guān)性(r=-0.27)，這可能是由于相對濕度的增加，大氣中的氣溶膠經(jīng)過吸濕增長而導(dǎo)致能見度下降[12-13]。進(jìn)一步對濕度進(jìn)行劃分后發(fā)現(xiàn)，在高濕(相對濕度>80%)條件下，2款能見度儀觀測數(shù)值與相對濕度的相關(guān)性增大，這說明在高濕條件下，能見度數(shù)值與相對濕度的負(fù)相關(guān)關(guān)系更為顯著。圖4是2款能見度儀的小時(shí)平均能見度與小時(shí)雨量之間的時(shí)序變化圖，其中黑色實(shí)線為小時(shí)平均能見度觀測值，紅色柱形是小時(shí)雨量值。從圖可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)降水時(shí)(黑色虛線框所示)，相對濕度處于高濕狀態(tài)，而2款能見度儀觀測值會變小，這也進(jìn)一步驗(yàn)證能見度值與相對濕度存在負(fù)相關(guān)性。

圖3 2021年6月11日—7月11日M6000(a)與M6400(b)觀測分鐘平均能見度隨相對濕度、氣溫、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向的變化

圖4 2021年6月11日—7月11日M6000與M6400觀測小時(shí)平均能見度與小時(shí)雨量之間的時(shí)序變化

表4 2款能見度觀測值及其差值與不同氣象因子間的相關(guān)系數(shù)表

2.3.2 觀測偏差的日變化分析 研究發(fā)現(xiàn)，能見度觀測值與濕度和氣壓相關(guān)性比溫度、風(fēng)向和風(fēng)速的要更高。相對濕度的高低與降水有關(guān)，而氣壓在一天當(dāng)中也存在高低變化。因此，本節(jié)將進(jìn)一步對2款能見度儀在不同時(shí)刻觀測差異的特征以及受氣象要素日變化開展研究。

將數(shù)據(jù)按天分類，并通過降水與否劃分晴天(24 h累積降水量為0)和雨天(24 h累積降水量不為0)。按照晴天、雨天分別給出不同時(shí)刻2款能見度儀觀測值的相關(guān)系數(shù)存在日變化情況和對應(yīng)的相對濕度和氣壓日變化圖(圖5)。

圖5 M6400和M6000能見度儀觀測值的相關(guān)系數(shù)日變化和相對濕度和氣壓日變化(a、c：晴天；b、d：雨天)

從圖5a可見，在晴天時(shí)，2款能見度儀在不同時(shí)刻的相關(guān)系數(shù)是呈現(xiàn)“高—低—高”的變化特征，11—13時(shí)期間出現(xiàn)相關(guān)系數(shù)低值區(qū)。同時(shí)結(jié)合氣壓的日變化圖發(fā)現(xiàn)氣壓的日變化也呈現(xiàn)相似的變化特征，但與相對濕度的日變化特征關(guān)系較弱。從圖5b可見，雨天時(shí)2款能見度儀在不同時(shí)刻的相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)小幅波動的變化，相關(guān)系數(shù)均在0.85以上。結(jié)合氣壓日變化圖可見氣壓的日變化特征與相關(guān)系數(shù)日變化特征相似，而相對濕度呈現(xiàn)先低后高的變化特征，數(shù)值整體在70%以上，在高濕狀態(tài)時(shí)，相關(guān)系數(shù)在0.9左右。將晴天時(shí)與雨天時(shí)的統(tǒng)計(jì)量作對比可知，雨天日平均相關(guān)系數(shù)(0.93)比晴天(0.82)時(shí)要高，因此，2款能見度儀在雨天時(shí)一致性比晴天時(shí)高。

3 結(jié)語

① 2款能見度儀的分鐘平均數(shù)值的變化趨勢較為一致，兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)0.92。在能見度較低時(shí)相關(guān)性更好，隨著能見度的增加，離散度增大。

②在不同能見度等級的偏差特征分析中發(fā)現(xiàn)，能見度一般(2～10 km)等級和能見度較好(10～20 km)等級的一致性很好，能見度很好(20～50 km)等級的一致性較好，能見度很差(0～1 km)等級和能見度較差(1～2 km)等級的樣本點(diǎn)較少，所以其分析欠缺一定的合理性。

③ 2款能見度儀觀測數(shù)值與相對濕度、雨量和氣壓相關(guān)性要比其他氣象要素要高，與相對濕度和雨量均呈負(fù)相關(guān)，與氣壓呈正相關(guān)。

④無論晴天或雨天，相關(guān)系數(shù)日變化與氣壓日變化特征基本一致。在雨天，尤其是在高濕狀態(tài)下，相關(guān)系數(shù)比低濕狀態(tài)時(shí)要高。整體而言，2款能見度儀在雨天時(shí)的日平均相關(guān)系數(shù)(0.93)比晴天(0.82)時(shí)要高。