能見度自動與人工觀測在大霧中的分析與比較

竇以文，丁青蘭，胡保昆，史君卿

(1.北京市氣象信息中心，北京100089;2.北京市氣象臺，北京100089;3.北京農業職業學院，北京100093)

能見度是氣象觀測的一項基本觀測要素，在天氣預報和環境監測中具有重要意義。目前我國臺站能見度主要是人工觀測為主，而人工目測估計受主觀判別、視力、光照條件和目標物視角的大小等影響［1-2］，另外，人工觀測無法做到分鐘級加密觀測。北京市氣象局作為2012年8個國家級地面氣象觀測臺站之一，開展地面氣象觀測自動化試點工作，自動觀測能見度資料應用評估是其中重要內容。已經有很多文獻對能見度自動觀測與人工觀測的差異［3-7］和能見度變化趨勢等［8-12］進行了分析。筆者針對2013年1月一次持續較長時間的大霧天氣，從能見度自動觀測與人工觀測對比、自動觀測與道面觀測對比、能見度的時間序列應用、空間應用4個角度來對比分析能見度自動觀測與人工觀測。

1 資料與方法

1.1 大霧天氣過程概況 選取的天氣過程為一次持續時間較長的低能見度天氣過程，發生于2013年1月20日08:00～23日20:00。1月20日白天受低空切變線影響，北京出現降雪天氣，500 hPa高空槽于20日夜間過境，觀象臺夜間仍出現零星降水。降雪使近地層水汽進一步增加，由于20日夜間冷空氣還沒有影響到北京，北京地面風小，人工觀測的能見度僅有2～4 km，出現輕霧天氣。21日白天冷空氣東移南壓，地面北風加大，北京天氣轉晴，能見度好轉，但隨著夜間氣溫下降，22日早晨北京東南部平原地區出現能見度不足1 km的大霧天氣，22日白天能見度略有好轉，以輕霧天氣為主，入夜后再次出現大霧天氣，直到23日后半夜又有一股冷空氣南下，大霧天氣才徹底結束。

1.2 數據與方法 由于組網試驗期間只有南郊觀象臺、密云、順義、平谷4個站開展能見度自動觀測，因此選擇觀象臺、密云、順義、平谷這4個人工站進行自動觀測與人工觀測的對比分析。以南郊觀象臺作為代表站，分析自動觀測的能見度與相對濕度的相關性，以考察自動觀測的能見是否合理可用。除了以上4個能見度自動觀測站外，北京地區還有28個道面觀測站也提供能見度數據，依然以南郊觀象臺為代表站，選擇離它最近的六道口橋道面觀測站分析二者的一致性，二者一致則表明可以組成覆蓋北京地區的高時間分辨率的能見度觀測網，在霧霾天氣的精細化預報與服務中發揮重要作用。

能見度觀測主要有器測和目測2種方法。目測能見度是指四周視野中二分之一以上的范圍能看到的目標物的最大水平距離;器測能見度是指觀測儀測定的一定基線范圍內的能見度，器測能見度儀主要有透射能見度儀、散射能見度儀、激光能見度測量儀和數字攝像能見度儀［13-16］。這里主要是對比目測和DNQ1/V35前向散射式能見度儀。

針對能見度觀測項目進行自動與人工觀測資料之間的對比差值統計，即自動與人工能見度的差值為自動觀測值減去人工觀測值。設Zi為第i時自動觀測值，Ri為第i人工觀測值，則第i時的對比差值X為:Xi=Zi-Ri，設觀測次數為n，則對比差值的平均值為，自動與人工觀測能見度的相對差值為Ni=(Zi-Ri)/Zi。

2 結果與分析

2.1 與人工能見度對比分析 經統計，自動與人工能見度的差值平均為2 957 m，它們對比差值標準差為3 989，其差值在許可范圍內，表明自動與人工能見度的差值偏差一致，穩定性較好。

從圖1可以看到，人工觀測數據明顯大于自動觀測數據。觀象臺 02:00、05:00、08:00、11:00、14:00、17:00、20:00、23:00各時次人工與自動能見度差平均值分別為3 041、2 081、1 375、2 554、2 749、4 176、4 309、3 236 m，可見人工觀測與自動觀測差異較大的是20:00，其次為17:00，差異最小是08:00，可能是因為北京觀象臺附近20:00前有燃燒垃圾和鍋爐冒煙導致一定范圍環境能見度較低，影響觀測員能見度觀測，而自動觀測在觀測場范圍較小，所以影響較小。從平谷、順義、密云人工與自動的對比來看，人工觀測不同時次平均值均大于自動觀測站，兩者的變化趨勢一致。

圖1 2013年1月20日08:00～23日20:00觀象臺自動與人工能見度觀測對比

2.2 與道面自動觀測能見度對比分析 從道面自動觀測和臺站自動觀測2種能見度測量值隨時間的演變(圖2)可以看到，兩者一致性較好，差別較小。從順義臺站和距離較近的管頭大橋道面站、平谷臺站和距離較近的崔莊橋也可以明顯得出此結論。由此可以看到道面觀測站也可以與觀測臺站組成網絡監控全市能見度情況。

圖2 2013年1月20日08:00～23日20:00臺站和道面觀測能見度對比

2.3 時間序列應用分析 從2013年1月20～23日北京南郊觀象臺溫度、露點溫度、能見度隨時間變化(圖3)可以看出，能見度與相對濕度關系密切，20日夜間隨著氣溫的降低，溫度露點差減小，相對濕度增大，能見度減小，相反，白天氣溫升高，能見度增大，可見能見度與溫度露點差有很高的相關性。1月20日夜間觀象臺溫度露點差只有1～2℃，相對濕度大，人工觀測為輕霧天氣，自動觀測的能見度維持1～2 km;21日白天隨著冷空氣南下，露點溫度降低，氣溫隨著太陽輻射而升高，導致溫度露點差增大，14:00達最大，為11℃，相應的2種自動觀測的能見度也逐漸增大，14:00左右也達到最大值，但比人工觀測的能見度小，不足10 km;21日下午平流降溫和輻射降溫導致觀象臺氣溫迅速降低，溫度露點差又迅速減小，對應自動觀測的能見度也很快減小，22日05:00能見度不足1 km，出現大霧天氣，與人工觀測結果一致;22日中午溫度露點差和能見度再次出現峰值;22日下午觀象臺溫度露點差和能見度又開始減小，22日夜間再次出現能見度不足1 km的大霧天氣;23日由于云覆蓋，氣溫上升幅度小，且地面露點增大，溫度露點差只有1～2℃，相應的能見度變化也較小，穩定維持在1.5 km以下。由此可見，自動觀測的能見度變化與溫度露點差的變化是一致的，體現了能見度與相對濕度高度相關性，表明能見度自動觀測結果合理可用。

圖3 2013年1月20～23日北京觀象臺溫度、露點溫度、相對濕度隨時間變化

2.4 空間應用分析 2013年1月20日根據能見度實況與天氣情況，在17:00的預報及服務中，提示夜間能見度差。從能見度的分布來看，21日04:00北京地區能見度大多低于5 km，西部能見度高于東部能見度(圖4a);21日05:00京藏高速上的居庸關能見度加大，表明冷空氣開始影響到北京西北部，但東部地區能見度持續降低，尤其是平谷、順義及大興一帶能見度已不足1 km(圖4b)。考慮冷空氣移動較慢，06:00預報東部地區有霧，并發布了大霧黃色預警信號，交管部門對高速公路采取了封路措施。21日10:00除東南部大興的梨花橋外，其他地區的能見度均在好轉，東北部平谷、順義一帶的能見度也超過了1 km(圖4c)，表明冷空氣東移南壓，即將影響全市，能見度對交通影響即將在中午前后結束。

21日夜間北京西部能見度比較高，大多在10 km以上，但隨著夜間氣溫降低，東部平原一帶能見度不斷下降，22日05:00觀象臺能見度不足1 km，平谷及通州一帶能見度甚至低于100 m(圖4d)，據此，氣象臺又發布了大霧黃色預警信號，并做了相關的氣象服務。22日11:00能見度普遍好轉，但東北部平谷能見度仍不足1 km(圖4e)。22日下午能見度又開始下降，16:00不僅平谷、順義一帶的能見度不足1 km，觀象臺的能見度也降至1 km以下(圖4f)，因此氣象臺22日16:30繼續發布大霧黃色預警信號。22日夜間北京平原地區的能見度大多不足1 km(圖4g)，23日早晨氣象臺繼續發布大霧預報和預警。

圖4 2013年1月21～23日北京地區能見度分布

由此可見，臺站觀測和道面觀測組成同一能見度觀測網，能夠很好地反映北京能見度情況，對于預報和服務具有重要作用。

3 結論

(1)北京南郊觀象臺、密云觀測站、順義觀測站、平谷觀測站人工觀測不同時次平均值均大于自動觀測站，但兩者的變化趨勢一致。

(2)觀測臺站和較近的道面觀測站隨著時間的演變，兩者有較好的一致性。

(3)從時間序列角度分析，自動觀測的能見度變化與溫度露點差的變化是一致的，體現了能見度與相對濕度高度相關性，表明能見度自動觀測結果合理可用。

(4)從空間應用分析可以看到，臺站觀測和道面觀測組成同一能見度觀測網，能夠很好地反映北京能見度情況，對于預報和服務具有重要作用。

(5)臺站和道面自動觀測數據能夠反應霧霾天氣過程，自動代替人工是可行的。但由于自動觀測數據明顯小于人工觀測數據，對于預報服務中霧霾的標準與能見度有關的部分需要修訂。

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