高雄市能見度自動觀測與預報系統簡介

2011-10-26 03:27:26李敬通海軍飛行學院教研部遼寧葫蘆島125001

中國科技信息 2011年7期

李敬通海軍飛行學院教研部,遼寧葫蘆島125001

高雄市能見度自動觀測與預報系統簡介

李敬通海軍飛行學院教研部,遼寧葫蘆島125001

簡要介紹了高雄市能見度概況、能見度自動觀測系統使用的主要設備、采用的數據處理技術，并概括了能見度預報系統所采用的預報模式、流程和預報效果。

高雄；能見度；自動觀測；預報系統

高雄市是一個商業及工業都市，市區內交通運輸繁忙，附近地區則有煉油、石化、鋼鐵、水泥及火力發電等工廠，再加上半屏山及壽山露天開采水泥礦、裸露地表及營建工程等污染源，造成大量污染物排放至空氣中。在特殊的天氣狀況下，極可能因擴散不良而造成污染物的持續累積，進而導致空氣污染，造成空氣質量的惡化和能見度的降低。據臺灣環境部門公布的相關數據顯示，“高屏空品區”(涵蓋高雄市、高雄縣及屏東縣)為臺灣省空氣污染最嚴重的地區。了解高雄市能見度自動觀測與預報系統的主要設備、數據處理技術和預報模式與流程，對于大陸地區空氣污染較重的城市進行能見度自動觀測與預報具有重要的借鑒意義。

1 高雄市能見度概況

高雄都會區的能見度呈現季節性變化，一年四季中以冬季期間最差，而以夏季期間最佳。冬季能見度不佳主要因為東北季風期間，籠罩在大陸性高氣壓下，污染物不易擴散，所以在冬季期間平均能見度降至3.8Km。尤其在冬季的清晨，常因濕度過高而形成濃霧，使得能見度甚至低于1Km以下。夏季期間則主要因為午后空氣對流旺盛，使得污染物容易擴散，而且午后雷陣雨次數較多，容易將空氣中之懸浮微粒洗刷下來，因此能見度較為良好，所以夏季平均能見度約為10.6Km。

就一天中能見度變化情形來說，清晨溫度較低、濕度較高，而且接近地面有氣溫上高下低的逆溫現象，是一天中能見度最低的時段。然而隨著太陽上升，陽光照射，使得地面空氣溫度回升、相對濕度降低，而有利于污染物的擴散，使得能見度逐漸好轉，所以下午常為一天中能見度最高的時段。然而黃昏時段因太陽下山，使得光線減弱，所以能見度轉為較差。

直接影響高雄能見度的主要空氣污染物為懸浮微粒與二氧化氮，其中又以懸浮微粒對能見度的影響程度最大。在高雄市內，主要污染源為交通污染源及二次污染物中的硫酸鹽及硝酸鹽。除了空氣污染物的影響外，天氣的影響也是影響能見度的主要原因。如前所述，清晨時段因為水氣而產生濃霧，使得能見度降低，而當接近中午時段，溫度回升，才與空氣污染物有關。然而，有時候污染物排放較少時，卻因為空氣擴散不容易，導致污染物累積，而使得能見度降低。

以“國立中山大學環境工程研究所”進行的能見度觀測與民眾意見為參考，將能見度區分為三個等級，分別為“好”(8Km以上)，“普通”(2～8Km)和“不好”(2Km以下)。由1998年11月至2000年11月的高雄市能見度觀測結果得知，能見度空氣質量指針為好、普通和不好分別占總觀測日數的20.7%、61.4%與17.9%，結果表明高雄市的能見度主要集中在“普通”范圍內。

2 能見度自動觀測系統

高雄市政府環境保護局為了解轄區內能見度的情況，在霖園大飯店頂樓設置能見度自動觀測站，分別朝東帝士大樓、中區資源回收廠及大林火力發電廠等三個方向觀測能見度，并利用因特網將能見度觀測照片呈現在環保局能見度網站上供民眾查閱。能見度自動觀測站目前設置于霖園大飯店頂樓（高雄市苓雅區四維三路三十三號），設置高度約離海平面175米，位于高雄市政府斜對面。

圖1 能見度自動觀測設備

圖2 能見度自動觀測控制管理系統示意圖

自動觀測站能見度觀測站的控制箱體以不銹鋼材質制作，頂部具有隔熱設計，以散熱風扇抽取過濾后的空氣強制散熱，并以高強度鋼索固定。能見度觀測數碼相機共3臺，置于相機觀測平臺上，且相機觀測平臺具有升降功能，并可依天候自動升降，且系統中之下雨感知警報如遇特殊天候，則可將信息立即傳回，并停止拍照與降下觀測平臺，以保護相機及機具。同時，能見度觀測設備具有防風、防塵、防雨、散熱、防曬及防震等功能。

能見度自動觀測控制管理系統（圖2）分為現場控制系統及遠程控制系統，并利用因特網的傳輸進行聯機控制。由系統控制主機（位于霖園大飯店頂樓）及數據處理工作站（位于高雄市政府環境保護局內的計算機室）的主機分別進行現場或遠程控制數字相機拍攝與數據儲存。同時可針對不同月份設定開始及結束的拍照時間，并且自動分類儲存為數據庫。同時監控系統可以圖形化控制接口表示，可從控制管理系統窗口（圖3）手動遙控點選各拍攝點區域畫面，并顯示目前該相機所拍攝的照片及下載圖片，甚至可按照使用者需求，在任何地點、時間、日期查詢單張或多張能見度照片及數據。

圖3 能見度自動觀測控制管理系統窗口

能見度觀測方向的選擇在考慮觀測位置與觀測目標物的距離及相關性之后，再配合高雄市的地理環境，分別向東帝士大樓（距觀測站1.4Km）、中區資源回收廠（距觀測站5.6Km）及臺電大林發電廠（距觀測站10.0Km）進行自動拍攝，拍攝時間為每天早上7:00至下午5:30，拍攝頻率為每30分鐘拍攝一次，同時利用因特網將能見度自動觀測照片呈現在網站上供民眾查閱。

表 1數碼影像處理步驟及原理

利用影像處理技術（見表1）分析氣溶膠微粒狀態及輻射傳輸現象，可作為判斷大氣能見度狀況的一種有效處理方式，應用此處理技術對數碼照片的分析，對于目標物與背景間之差異具有辨識能力，使得此技術可作為研究者、決策者及一般民眾的重要參考，也是未來值得進一步發展的處理技術之一。

能見度灰階標準化作業程序（圖4）是將能見度自動觀測系統所拍攝的彩色數碼照片，利用數字影像處理技術 (含影像獲取、前處理程序、分割截選及分析比較等四個影像處理原則)將彩色照片轉換為灰階照片后，并求得照片的灰階數值，進而算出目標物與背景間之亮度特征值，再與能見度觀測值進行統計分析，以得到能見度標準曲線，最后利用能見度亮度特征曲線得到照片的相對能見度值。

圖4 能見度灰階標準化作業程序

采用亮度特征值描述大氣能見度的情況，由于能見度的觀測是在日-天進行，所以天空背景之亮度灰階值應超過目標物之亮度灰階值，因此目標物與背景間亮度灰階值的差異（Δg）則可以下式表示:Δ g=gb-g0而亮度特征值(Bg) 之定義如下：

其中gb：背景之亮度灰階值；g0：目標物之亮度灰階值

數碼照片經過灰階數值化后，目標物與背景間亮度灰階值的變化情況。由目標物與背景間的灰階值變化圖（圖5）可知，觀測全黑或暗色的目標物，無論在何種能見度下，背景及目標物的灰階值并無顯著變化，然而背景與目標物間的邊界（boundary），則隨能見度的降低而逐漸模糊。

圖5 目標物與背景之間灰階值變化圖

3 能見度預報系統

3.1 能見度預報模式的建立

空氣質量現況與當時大氣中污染物濃度（如：懸浮微粒、二氧化氮、光化學產物、臭氧等）、局部地區的氣象條件（如：風向、風速、濕度、大氣穩定度等），直接或間接反映在視程的遠近、天空背景之顏色及目標物的清晰度等。能見度預報模式是在不考慮污染源排放及氣候變化的影響下，以能見度對數值(Log(Lv))為應變數(dependent variable)，懸浮微粒(PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)、相對濕度(RH)、風速(WS)、風向(WD)為自變量(independent variables)進行逐步回歸法建立多項式回歸模式，再考慮各種主客觀因素，并參考國外執行能見度預報的經驗，建立能見度預報模式(圖6)。所建立的能見度預報模式包括下列天氣類型：

（1）鋒面類型預報模式

（2）東北季風類型預報模式

（3）大陸性高壓類型預報模式

（4）太平洋高壓類型預報模式

（5）熱帶性低氣壓類型預報模式

（6）其他天氣類型預報模式(含西南氣流、偏南氣流)