浙江省人工觀測(cè)與儀器觀測(cè)能見(jiàn)度對(duì)比分析

任 律 樊高峰 黃立丹

(1.浙江省氣候中心，浙江 杭州 310017; 2.杭州市氣象局，浙江 杭州 310051)

浙江省人工觀測(cè)與儀器觀測(cè)能見(jiàn)度對(duì)比分析

任 律1樊高峰1黃立丹2

(1.浙江省氣候中心，浙江 杭州 310017; 2.杭州市氣象局，浙江 杭州 310051)

隨著自動(dòng)能見(jiàn)度儀的使用越來(lái)越多，它所受關(guān)注和重視的程度也越來(lái)越高，利用2011年全省人工觀測(cè)與儀器觀測(cè)能見(jiàn)度資料，對(duì)全年能見(jiàn)度空間分布做了分析，能見(jiàn)度高值區(qū)位于西南山區(qū)和東部沿海地區(qū)，低值區(qū)位于杭州地區(qū)、金衢盆地及湖州部分地區(qū)。以杭州為例分析兩種能見(jiàn)度資料在不同能見(jiàn)度水平和天氣現(xiàn)象下的一致性，當(dāng)能見(jiàn)度小于1 km時(shí)，兩種能見(jiàn)度資料誤差較小，能見(jiàn)度在1～10 km之間，誤差有所增加，當(dāng)能見(jiàn)度在10 km以上時(shí)，誤差較大，儀器觀測(cè)能見(jiàn)度只有一定的參考性。在考察天氣對(duì)能見(jiàn)度的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，人工觀測(cè)能見(jiàn)度波動(dòng)較大，降水的分布不均勻?qū)τ谀芤?jiàn)度測(cè)量有較大影響，因此在測(cè)量霾天氣能見(jiàn)度時(shí)應(yīng)排除降水對(duì)能見(jiàn)度的干擾。

能見(jiàn)度；人工觀測(cè)；儀器觀測(cè)；對(duì)比分析

0 引 言

氣象能見(jiàn)度反映了大氣渾濁度。能見(jiàn)度不僅反映一個(gè)城市的大氣環(huán)境質(zhì)量，而且與城市發(fā)展、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密切相關(guān)，特別是交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)受其影響更為明顯。大氣能見(jiàn)度是指視力正常的人在當(dāng)時(shí)的天氣條件下所能看到目標(biāo)物的最大水平距離。能見(jiàn)度與大氣的清潔程度有密切關(guān)系。大氣能見(jiàn)度是氣象站地面常規(guī)觀測(cè)項(xiàng)目，資料記錄年代較長(zhǎng)。浙江省能見(jiàn)度觀測(cè)一直采用地面觀測(cè)，在能見(jiàn)度觀測(cè)上，人工觀測(cè)存在主觀性強(qiáng)，頻次低，夜間觀測(cè)難等情況[1-2]。浙江省自2011年起在全省已全面啟用能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)儀，且有用自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度逐步取代人工觀測(cè)能見(jiàn)度的趨勢(shì)。對(duì)于兩種觀測(cè)方法，已有不少對(duì)比分析[3-8]，研究表明，在不同天氣條件影響下，兩種觀測(cè)方法存在一定的差異，當(dāng)能見(jiàn)度較低時(shí)，二者結(jié)果較為接近，當(dāng)能見(jiàn)度較高時(shí)，二者存在明顯的誤差。本文利用浙江省2011年在全省安置的前向散射能見(jiàn)度儀，通過(guò)對(duì)比人工觀測(cè)與儀器觀測(cè)能見(jiàn)度數(shù)據(jù)的一致性，檢驗(yàn)儀器觀測(cè)能見(jiàn)度儀的準(zhǔn)確率，為人工觀測(cè)能見(jiàn)度向儀器觀測(cè)能見(jiàn)度過(guò)度提供有利依據(jù)，同時(shí)也為利用能見(jiàn)度儀監(jiān)測(cè)低能見(jiàn)度事件打下基礎(chǔ)。

1 資料及主要分析方法

浙江省自2011年起全面啟用自動(dòng)能見(jiàn)度儀。浙江省使用的自動(dòng)能見(jiàn)度觀測(cè)儀器是向前散射能見(jiàn)度儀，向前散射能見(jiàn)度儀是連續(xù)測(cè)量能見(jiàn)度的全自動(dòng)儀器，它由發(fā)射機(jī)、控制接受機(jī)、處理器構(gòu)成光學(xué)儀器，原理如圖1。散射儀通過(guò)一個(gè)小空氣內(nèi)測(cè)量大氣對(duì)入射光的散射情況確定散射系數(shù)，當(dāng)不考慮大氣及其中的雜質(zhì)的吸收作用時(shí)，認(rèn)為散射系數(shù)與消光系數(shù)相等，計(jì)算出大氣光學(xué)距離。它是在3個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上通過(guò)散射光強(qiáng)來(lái)有效地計(jì)算消光系數(shù)。3個(gè)假設(shè)是：1)假定大氣是均質(zhì)的；2)假定分子的吸收、散射或分子內(nèi)部交互光學(xué)效應(yīng)為零；3)假定散射儀測(cè)量的散射光強(qiáng)正比與散射系數(shù)。能見(jiàn)度儀的測(cè)量值的范圍為10～20000 m。在10～10000 m時(shí)，誤差為±10%；在10～20 km時(shí)，誤差為±15%。

圖1 向前散射能見(jiàn)度儀結(jié)構(gòu)與工作示意圖

經(jīng)檢查，全省資料起始日期為2011年1月5日，為使各站點(diǎn)資料起始時(shí)間統(tǒng)一，因此從2011年1月6日開(kāi)始使用自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度資料。本文重點(diǎn)分析杭州站數(shù)據(jù)，其他站數(shù)據(jù)作為輔助。主要分析能見(jiàn)度儀和人工觀測(cè)資料之間的相關(guān)性，在不同能見(jiàn)度水平下和不同天氣現(xiàn)象時(shí)資料的一致性。由于數(shù)據(jù)容量較大，故在研究不同內(nèi)容時(shí)選取不同時(shí)間段的資料進(jìn)行分析。

2 兩種能見(jiàn)度資料的空間分布

將各站人工觀測(cè)08、14、20時(shí)能見(jiàn)度資料的算術(shù)平均值作為目測(cè)日能見(jiàn)度資料，將儀器觀測(cè)能見(jiàn)度前一天21時(shí)到當(dāng)天20時(shí)能見(jiàn)度資料的算術(shù)平均值作為器測(cè)日能見(jiàn)度資料。分別計(jì)算出全年平均值，做出全省能見(jiàn)度分布圖(圖2)。

(a.人工觀測(cè)；b.自動(dòng)觀測(cè))圖2 2011年全省能見(jiàn)度分布(單位：km)

可以看出，人工觀測(cè)能見(jiàn)度的數(shù)值普遍比自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度高，從分布上來(lái)看，相同的分布是能見(jiàn)度高值區(qū)位于西南山區(qū)和東部沿海地區(qū)，低值區(qū)位于杭州地區(qū)、金衢盆地及湖州部分地區(qū)；能見(jiàn)度分布差別較大的地區(qū)為溫州地區(qū)，人工觀測(cè)中僅瑞安和溫州兩站處于能見(jiàn)度低值區(qū)，而自動(dòng)觀測(cè)資料中溫州地區(qū)均處于能見(jiàn)度低值區(qū)。

3 4個(gè)定點(diǎn)時(shí)次逐日數(shù)據(jù)走勢(shì)及相關(guān)性分析

由于自動(dòng)能見(jiàn)度數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的格式為逐月存放的連續(xù)時(shí)次資料，因此挑選杭州站2011-07-01—2011-11-30的02:00、08:00、14:00、20:00這4個(gè)時(shí)次觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。從這4個(gè)時(shí)次數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線來(lái)看，能見(jiàn)度觀測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致，但是當(dāng)能見(jiàn)度超過(guò)10 km時(shí)，人工觀測(cè)能見(jiàn)度往往大于自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度，而當(dāng)能見(jiàn)度低于5 km時(shí)，自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度小于人工觀測(cè)能見(jiàn)度的情況也很多見(jiàn)(圖3)。

利用該時(shí)間段4個(gè)時(shí)次的能見(jiàn)度儀觀測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)作相關(guān)，得到相關(guān)系數(shù)，見(jiàn)表1。可以看到，兩組能見(jiàn)度數(shù)據(jù)的相關(guān)度非常高，相關(guān)系數(shù)均在0.8以上。從各時(shí)次來(lái)看，08時(shí)的相關(guān)系數(shù)最大，02時(shí)次之，20時(shí)的相關(guān)系數(shù)最小。

表1 能見(jiàn)度觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)表

利用杭州站(基準(zhǔn)站)2011年1月6日—12月31日一日24 h人工觀測(cè)能見(jiàn)度資料與儀器觀測(cè)能見(jiàn)度求日平均值(前一日21時(shí)至當(dāng)日20時(shí)的平均值記為該日的日平均值)并做散點(diǎn)圖(圖4)，可以看出大多數(shù)的點(diǎn)集中在Y=X這條線附近，二者存在高度相關(guān)，且越靠近原點(diǎn)散點(diǎn)越密集，這意味著當(dāng)能見(jiàn)度較小時(shí)，二者差值可能也較小，當(dāng)能見(jiàn)度較大時(shí)，由于儀器的系統(tǒng)誤差以及人工觀測(cè)的主觀性，散點(diǎn)的離散度增大，二者差值也增大。為了研究這一問(wèn)題，須對(duì)兩種資料的一致性做對(duì)比分析。

圖3 02、08、14、20時(shí)能見(jiàn)度觀測(cè)值對(duì)比圖

圖4 日平均人工觀測(cè)能見(jiàn)度與儀器觀測(cè)能見(jiàn)度散點(diǎn)分布圖

4 兩種能見(jiàn)度資料一致性對(duì)比分析

4.1 不同能見(jiàn)度水平下能見(jiàn)度資料一致性對(duì)比分析

由于人工觀測(cè)與儀器自動(dòng)觀測(cè)屬于不同觀測(cè)方式，因此必須分析不同的能見(jiàn)度條件下，人工觀測(cè)數(shù)據(jù)與儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)的差異。統(tǒng)計(jì)杭州站2011年4、7、10月以及2012年1月02、08、14、20時(shí)的定時(shí)能見(jiàn)度值，共492個(gè)時(shí)次，除去人工觀測(cè)缺測(cè)1次及自動(dòng)觀測(cè)缺測(cè)57次，剩余有效時(shí)次為434次。按人工觀測(cè)到的能見(jiàn)度的大小把數(shù)據(jù)分為5類，即V<1.0 km，1.0 km≤V<5 km，5 km≤V<10 km，10 km≤V<15 km，V≥15 km，分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)等級(jí)內(nèi)觀測(cè)次數(shù)以及平均差值，結(jié)果如表2所示。

所采用的樣本中，1 km以下的能見(jiàn)度樣本相對(duì)較少，只有3個(gè)，1.0 km≤V<5 km，5 km≤V<10 km范圍內(nèi)樣本數(shù)超過(guò)100個(gè)。從能見(jiàn)度重合率來(lái)看，僅當(dāng)V≥15 km時(shí)有14.5%的能見(jiàn)度數(shù)值相同，其余分類中儀器觀測(cè)數(shù)值都偏大或者偏小，且各分類中，均是儀器值偏小的概率較大，且都在偏小概率均在60%以上，當(dāng)1.0 km≤V<5 km時(shí)儀器值偏小率最高，達(dá)到82.4%。兩種能見(jiàn)度數(shù)據(jù)的樣本平均差值采用差值的絕對(duì)值，平均差值隨著觀測(cè)范圍的擴(kuò)大而增大，差值最大的范圍是10 km≤V<15 km，達(dá)到3.384 km，在該能見(jiàn)度區(qū)間里，相對(duì)誤差也最大，達(dá)30.2%。

由此可見(jiàn)，當(dāng)V<1.0 km時(shí)，人工與能見(jiàn)度儀測(cè)得的能見(jiàn)度差值很小；當(dāng)1.0 km≤V<10 km時(shí)，兩組能見(jiàn)度資料差距有所增加，但是能見(jiàn)度儀觀測(cè)資料可用性仍然較高；當(dāng)V≥10 km時(shí)，兩組能見(jiàn)度資料平均差值達(dá)到3 km以上，存在較大誤差，能見(jiàn)度儀觀測(cè)資料有一定的可取性。

表2 人工觀測(cè)與儀器觀測(cè)能見(jiàn)度一致性對(duì)比

4.2 不同天氣現(xiàn)象時(shí)能見(jiàn)度資料一致性對(duì)比分析

在造成視程障礙的天氣現(xiàn)象中取3類來(lái)分析兩種能見(jiàn)度資料，分別是雨、大霧、霾。在2011年中分別選取了3種天氣現(xiàn)象的樣本，由于各種天氣現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率不同，因此樣本數(shù)量上差距較大，其中雨日樣本120個(gè)，霾的樣本128個(gè)，霧的樣本僅為9個(gè)。將該日出現(xiàn)某種天氣現(xiàn)象的能見(jiàn)度數(shù)據(jù)做日平均處理，然后進(jìn)行比較。結(jié)果見(jiàn)表3。在有雨和有霾時(shí)，兩種能見(jiàn)度數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)分別為0.904和0.813，都存在很好的相關(guān)，由于霧的樣本較少，因此沒(méi)有做相關(guān)分析。從數(shù)據(jù)差值上來(lái)看，儀器觀測(cè)能見(jiàn)度偏大率較小，有雨時(shí)為22.7%，有霾時(shí)為20%，有霧時(shí)僅有一站儀器值偏大。3種天氣的平均差值都在2 km以下，最小為雨天1.685 km。分別計(jì)算出現(xiàn)雨和霾天氣時(shí)兩列能見(jiàn)度數(shù)據(jù)的均方差，不管是何種天氣，人工觀測(cè)序列的均方差都大于儀器觀測(cè)，這表明人工觀測(cè)數(shù)據(jù)起伏較大。有雨時(shí)的能見(jiàn)度序列均方差高于有霾時(shí)的能見(jiàn)度序列，即有雨時(shí)觀測(cè)所得能見(jiàn)度數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，這種結(jié)果可能和天氣現(xiàn)象本身有關(guān)，因?yàn)橛甑氖杳苤苯訒?huì)影響到能見(jiàn)度的觀測(cè)結(jié)果，而不管是人工觀測(cè)能見(jiàn)度還是儀器觀測(cè)能見(jiàn)度，記錄的都是在定時(shí)瞬間的能見(jiàn)度情況，因此受雨勢(shì)變化影響較大，而霾天氣則是相對(duì)均勻而持續(xù)的天氣現(xiàn)象，能見(jiàn)度變化較為緩和。

表3 雨、霧、霾天氣現(xiàn)象的能見(jiàn)度一致性對(duì)比

4.3 人工觀測(cè)和儀器觀測(cè)產(chǎn)生差異的原因分析

分析兩種觀測(cè)方式各自的優(yōu)缺點(diǎn)。人工觀測(cè)的能見(jiàn)度屬于每日定時(shí)觀測(cè)，觀測(cè)次數(shù)一般為3個(gè)時(shí)次(或4個(gè)時(shí)次，基準(zhǔn)站24 h觀測(cè))，資料的連續(xù)性較差，且觀測(cè)是在整點(diǎn)之前的15 min之內(nèi)完成；從觀測(cè)方式來(lái)看，人工觀測(cè)的能見(jiàn)度資料存在一定的主觀性，白天和夜間的參照物不同，觀測(cè)員的視力也會(huì)對(duì)觀測(cè)結(jié)果有較大影響；但是，人工觀測(cè)方式關(guān)注的是觀測(cè)員面對(duì)的整個(gè)大氣對(duì)視覺(jué)的影響程度，觀測(cè)的是一個(gè)面，范圍較廣。儀器觀測(cè)能見(jiàn)度的觀測(cè)數(shù)據(jù)有小時(shí)間隔數(shù)據(jù)，也有10 min間隔數(shù)據(jù)，每次數(shù)據(jù)采集是在定時(shí)時(shí)次15 s更新完成，因此觀測(cè)次數(shù)大大增加，數(shù)據(jù)的連續(xù)性較好，且儀器觀測(cè)不受光線影響；但是能見(jiàn)度儀的觀測(cè)前提是假定整個(gè)大氣是均勻的，儀器采樣的空間很小，以點(diǎn)帶面，當(dāng)大氣均勻時(shí)代表性好，反之較差，因此，在能見(jiàn)度好的天氣下，兩者的差值更大，并且儀器觀測(cè)更容易受到天氣現(xiàn)象的影響。

除了上述原因之外，對(duì)于儀器的熟悉程度以及對(duì)于儀器的維護(hù)都成為影響儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的原因。從浙江省現(xiàn)有的儀器觀測(cè)能見(jiàn)度數(shù)據(jù)來(lái)看，仍然有不少的缺測(cè)情況存在，且有不少錯(cuò)誤數(shù)據(jù)存在。對(duì)于自動(dòng)能見(jiàn)度儀的維護(hù)，要定期檢查儀器上的灰塵、蛛網(wǎng)或其他阻擋物。建議每6個(gè)月清潔一次，或者根據(jù)實(shí)際情況增加次數(shù)，例如秋冬季節(jié)為霧霾多發(fā)時(shí)期，建議增加清潔次數(shù)。清潔時(shí)應(yīng)使用專業(yè)的軟布和清潔劑擦拭。當(dāng)有元件故障需更換元件時(shí)必須在斷電的情況下由專業(yè)人員進(jìn)行，要注意元件的位置是否正確，電纜是否正確接在光學(xué)元件上。

5 結(jié) 語(yǔ)

1)從2011年全省能見(jiàn)度分布情況來(lái)看，人工觀測(cè)能見(jiàn)度的數(shù)值普遍比自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度高，能見(jiàn)度高值區(qū)位于西南山區(qū)和東部沿海地區(qū)，低值區(qū)位于杭州地區(qū)、金衢盆地及湖州部分地區(qū)。

2)在不同能見(jiàn)度水平下對(duì)資料做一致性對(duì)比分析，不同能見(jiàn)度水平下，儀器偏小值概率較大，當(dāng)能見(jiàn)度小于1 km時(shí)，能見(jiàn)度誤差在儀器規(guī)定誤差范圍之內(nèi)，由于儀器觀測(cè)能見(jiàn)度時(shí)間連續(xù)度高，故在能見(jiàn)度很低時(shí)，采用自動(dòng)能見(jiàn)度更有利于氣象服務(wù)的開(kāi)展；當(dāng)能見(jiàn)度大于等于1 km小于10 km時(shí)，誤差有所增加，但是資料可信度仍然較高；當(dāng)能見(jiàn)度大于等于10 km時(shí)，誤差繼續(xù)增加，資料有一定的可用性。

3)對(duì)比不同天氣現(xiàn)象時(shí)能見(jiàn)度資料的一致性，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)雨時(shí)兩個(gè)能見(jiàn)度資料相關(guān)系數(shù)較高，出現(xiàn)雨天的能見(jiàn)度資料平均差值小于霾天氣，但是雨天能見(jiàn)度資料的均方差大于霾天氣，且人工觀測(cè)能見(jiàn)度資料的均方差大于儀器觀測(cè)能見(jiàn)度，這和雨和霾這兩種天氣現(xiàn)象本身的特性有關(guān)，也和兩種能見(jiàn)度觀測(cè)方式有關(guān)。由于降水是不均勻的，而霾是較均勻的，因此在測(cè)量霾天氣能見(jiàn)度時(shí)應(yīng)排除降水對(duì)能見(jiàn)度的干擾。

4)在浙江省已經(jīng)全面啟動(dòng)自動(dòng)能見(jiàn)度觀測(cè)儀的情況下，施行人工觀測(cè)和儀器觀測(cè)能見(jiàn)度并行觀測(cè)時(shí)期就顯得尤為重要，儀器觀測(cè)能見(jiàn)度在10 km以上觀測(cè)誤差較大，在實(shí)際應(yīng)用中我們更關(guān)注的是10 km以下時(shí)的天氣情況。在文中，對(duì)于1 km以下的的天氣現(xiàn)象，特別是大霧的樣本較少，未來(lái)應(yīng)該繼續(xù)收集樣本，對(duì)霧天氣下的兩種能見(jiàn)度資料做進(jìn)一步分析。此外，目前儀器在全省啟用時(shí)間尚短，有不少觀測(cè)員對(duì)于儀器不夠熟悉，對(duì)儀器的維護(hù)和操作還需要進(jìn)一步掌握，所以有一些站點(diǎn)的資料存在可信度較低或者缺測(cè)率高的情況，導(dǎo)致資料無(wú)法使用。所以，儀器觀測(cè)能見(jiàn)度資料擁有較長(zhǎng)時(shí)間序列且資料質(zhì)量較穩(wěn)定會(huì)更有助于人工觀測(cè)能見(jiàn)度向儀器觀測(cè)能見(jiàn)度過(guò)渡。

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2013-05-12