人工與自動大氣能見度觀測的對比分析

吳世美，吳有恒

(貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001)

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人工與自動大氣能見度觀測的對比分析

吳世美，吳有恒

(貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001)

大氣能見度是最重要的氣象學指標之一，其準確觀測對氣象及相關領域具有重要意義。在實際觀測中經常存在器測數據與人工觀測數據差異明顯的現象，用對比觀測期貴陽國家基準氣候站的大氣能見度儀器觀測與人工觀測數據分析，結果表明：人工與自動觀測數據還是有較好的一致性、相關性。大氣無霧、污染環境下，人工觀測存在主觀差異，能見度觀測值偏大，前向散射能見度儀自動觀測結果穩定，觀測數據接近大氣能見度的真實值。在局部霧帶、大氣受污染環境下，人工觀測能見度平均誤差低于自動觀測數據平均誤差。在大氣受污染環境下，前向散射能見度儀自動觀測的能見度偏小。前向散射能見度儀自身的清潔度等因素對觀測值起到了至關重要的影響，在儀器使用過程中應引起足夠重視。

能見度；主觀誤差；局部霧帶；前向散射能見度儀

1 引言

能見度在氣象學中得到廣泛應用，一方面因為它是表征氣團特性的要素之一，以能見度表示的大氣光學狀態，可滿足天氣學和氣候學的需要；另一方面，因為它是與特定判據或特殊應用相對應的一種業務性參量，在航空、航海及其他交通運輸領域里，它是關系到安全保障的重要氣象要素之一。在環境監測領域里，它是體現大氣污染程度的重要特征量。

能見度的測量通常有兩種方式，即人工觀測和能見度儀觀測。由于人工觀測有主觀性差異，目前國內氣象臺站已普遍采用能見度儀開展大氣能見度的測量。然而，近年來的工作實踐發現，能見度儀在使用過程中出現器測數據與人工觀測數據有明顯差異的現象，因此，有必要研究兩種數據之間的相關性、穩定性和客觀性。

2 觀測原理

能見度的人工觀測是一個復雜的心理物理現象，其估計值依賴于個人的視覺和對“可見”的理解水平。實際工作中，在氣象臺站周圍各方向選擇距離不同的若干黑色目標物作為能見度觀測目標物，測出距離和方位，繪制出能見度目標物分布圖，作為觀測時的參考。由于測站周圍各方向、各距離能見度目標物數量有限，不能滿足實際工作的需求，因此，地面氣象觀測規范規定，觀測方向有目標物時，若某一距離的目標物剛好能見，則該目標物的距離即為該方向的能見度。若在該方向上能清晰地看到某一距離上的目標物，但無更遠或看不到更遠的目標物輪廓，則可根據其顏色和較細小部分的清晰程度，參考下列經驗進行判定：

①當目標物的顏色和較細小部分(例如遠處房屋的窗框、村莊中的單個樹木等)都能清楚分辨時，能見度通常可定為該目標物距離的5倍以上。

②當目標物的顏色和較細小部分隱約可辨時，能見度通常可定為該目標物距離的2.5～5倍。

③當目標物的顏色和較細小部分很難分辨時，能見度通常可定為該目標物的距離，但不應該超過2.5倍。

前向散射能見度儀工作原理及光學原理：大氣中光的衰減是由散射和吸收引起的，在一般情況下，吸收因子可以忽略，而經由水滴反射、折射或衍射產生的散射現象是影響能見度的主要因素，測量散射系數的儀器可用于估計氣象光學視程(MOR)。前向散射能見度儀正是通過測量散射光強度得出散射系數，從而估算出消光系數。根據柯西米德定律計算氣象光學視程(MOR)

式中：MOR氣象光學視程，ε為對比閾值，σ為消光系數。

當 ε=0.05 時，有

從而可以得出氣象光學視程。

圖1 前向散射能見度儀光學原理圖Fig.1 Optical principle of the forward scattering visibility meter

3 資料與對比分析

3.1 資料來源

數據來源于貴陽國家基準氣候站2015年1月

9日—5月26日(分時段)、白云國家一般氣象站、烏當國家一般氣象站2015年5月27日質量控制后的觀測數據。

3.2 對比觀測分析

由圖2可知，在無雨霧天氣的對比觀測期間，人工與自動觀測數據之間存在一定差異，但人工與自動觀測數據還是有較好的一致性、相關性，兩者之間的差異隨目標物能見距離增大而增大，5 km以內差異較小，5 km以上差異較大。不同觀測員能見度觀測數值之間存在均值1.4 km的差別，最大值超過3.0 km，不同能見度儀的能見度觀測數值則幾乎無差別(差別均值<0.3 km)；兩位觀測員能見度觀測值的平均值明顯高于客觀值(最遠能見目標物距離)，平均高出3.9 km，最大高出9.5 km，而兩臺能見度儀的能見度觀測數值的平均值與客觀值(最遠能見目標物距離)非常接近(兩者差別<0.4 km)。由此可見，在無雨霧天氣時，與人工觀測相比，能見度儀觀測結果穩定，接近大氣能見度的真實值；而人工觀測則通常存在一定的主觀差異。

圖2 大氣能見度的能見度儀觀測值與人工觀測值的對比(觀測數據按照“最遠能見目標物距離”由小到大排列)Fig.2 Comparison between the instrumental observations and the artificial observations(The data of distances of visible object was in ascending order)

4 局部霧帶對能見度觀測的影響

為了研究局部霧帶對人工與自動大氣能見度觀測的影響，我們于2015年3月19日—5月13日(分時段)，在貴陽國家基準氣候站觀測場，開展詳細地對比研究，共計獲得對比觀測記錄16組，如圖3所示。對比觀測分為：①兩位觀測員的大氣能見度對比觀測；②兩臺同一型號的前向散射能見度儀的對比觀測；③東、西兩個方向最遠目標物距離。同期，對大氣顆粒物濃度(PM1.0，PM2.5，PM10)、濕度，風速，風向等氣象參數進行了觀測(見表1)。

如圖3所示，在局部霧帶和大氣環境受污染的時候，兩位觀測員能見度觀測數值在目標物能見距離較大時，其觀測值存在較大的差別，觀測員1觀測數值偏大，平均誤差1.2 km，觀測員2觀測數值偏小，平均誤差-0.2 km。能見度儀的觀測數值偏小，在用能見度儀觀測值平均誤差-2.2 km，對比觀測能見度儀觀測值平均誤差-2.5 km。這表明在大氣環境受污染時，大氣能見度的人工觀測值要優于能見度儀觀測值。結合大氣顆粒物濃度數據發現，大氣顆粒物濃度與大氣能見度呈現較好的反相關。隨著大氣顆粒物濃度的升高，人工觀測的大氣能見度就越接近大氣能見度真實值，而能見度儀觀測的能見度就越小于大氣能見度真實值。

圖3 局部霧帶時期的大氣能見度對比觀測及大氣顆粒物濃度(對比觀測數據共16組,按照“能見度儀觀測的能見度”由小到大排列)Fig.3 contrast observation of atmospheric visibility and atmospheric particulate matter concentration during the local fog period(6 groups of observation data, arranged in accordance with the visibility observed by the instrument)

數據組觀測時間濕度/%風向風速(m/s)備注12015年3月19日12∶20531812.4西面城區霧和霾的混合霧22015年5月26日16∶5074313.7東面長時間雨后局部霧帶32015年5月26日16∶2869952.4東面長時間雨后局部霧帶42015年5月26日16∶1867811.7東面長時間雨后局部霧帶52015年4月29日14∶55941093.5西面城區霧和霾的混合霧62015年5月13日9∶40891933.1西面城區霧和霾的混合霧72015年5月13日10∶02871594.0西面城區霧和霾的混合霧82015年5月13日10∶20861873.7西面城區霧和霾的混合霧92015年3月19日12∶30472074.4西面城區霧和霾的混合霧102015年4月21日11∶32613212.3西面城區霧和霾的混合霧112015年4月21日8∶5582462.8西面城區霧和霾的混合霧122015年4月21日10∶52631073.5西面城區霧和霾的混合霧132015年4月29日15∶05871052.6西面城區霧和霾的混合霧142015年4月29日15∶1582872.1西面城區霧和霾的混合霧152015年4月21日10∶00731212.2西面城區霧和霾的混合霧162015年4月29日15∶39721102.6西面城區霧和霾的混合霧

5 儀器清潔等因素對能見度觀測的影響

能見度儀觀測設備自身的清潔度往往對觀測結果產生至關重要的影響，然而，在實踐過程中這一因素往往被人們忽視。為科學評估前向散射能見度儀自身清潔度對觀測結果的影響，我們于2015年5月27日在白云國家一般氣象站、烏當國家一般氣象站開展了儀器清洗前、后的對比觀測研究，為了保證觀測結果準確性，同步采用另一臺同型號的清潔的能見度儀開展對比觀測(表2)。

由表2可知，在用能見度儀清潔前、后的能見度觀測值存在很大差異，清潔后與對比設備的大氣能見度觀測值非常吻合。以白云站對比觀測為例，在用能見度儀清潔之前，其大氣能見度觀測值為17 011±792 m(n=21)，而對比設備的大氣能見度觀測值為6 655±480 m(n=21)，兩者之差高達10 356 m。在用能見度儀清潔之后，其大氣能見度觀測值為6 800±193 m(n=19)，而對比設備的大氣能見度觀測值為6 307±174 m(n=19)，兩者之差僅為493 m。烏當站的對比觀測結果與之類似。由此可見，能見度儀自身的清潔度對設備觀測值起到了至關重要的影響，在能見度儀使用過程中應引起足夠重視。

表2 貴陽市白云氣象站、烏當氣象站儀器清洗前后的對比觀測

6 結論與討論

①人工與自動大氣能見度觀測數據之間存在一定差異，大氣能見度在5 km以內，兩者差異較小，5 km以上差異較大，在反映能見度大小數值上，兩者觀測值有較好的一致性。

②與人工觀測相比，無污染天氣背景下，能見度儀觀測結果比較接近大氣能見度的真實值，人工觀測偏大，存在一定的主觀差異。

③有霧帶或大氣受污染時，能見度自動觀測數據與霧的粒子核大小有關，大粒子核時，其觀測數據多不能客觀反映大氣真實能見度，數值偏小，具體原因有待進一步對比分析論證。由于有目標物作參照，人工觀測比較接近大氣真實能見度。

④儀器自身的清潔度對觀測值可起到至關重要的影響，在儀器使用過程中應引起足夠重視。

⑤人工與自動觀測數據之間存在差異的原因可能來源于“清晰地看到某一距離上的目標物”時，人工放大了能見度數值。

[1] 張雪芬, 雷勇, 李崇志, 等. 前向散射能見度儀觀測規范.中國氣象局綜合觀測司，2011.09.

[2] 孫學金, 王曉蕾, 李浩, 等. 大氣探測學.北京：氣象出版社，2009.08.

Contrast study on the observation of artificial and automatic measurements of the atmospheric visibility

WU Shimei,WU Youheng

(Meteorological Bureau of Guiyang City, Guiyang 550001, China)

Atmospheric visibility is one of the most important indexes of meteorology. Its accurate observation is of great significance to meteorology and the related fields. The difference between the instrumental observation and the artificial observation often occurs. In this study, comparative observations were investigated at the national baseline climate station in Guiyang. The results show that: there is a good consistency and correlation between artificial and automatic observation data; in the air pollution-free environment, the artificial observation has subjective difference, which often leads to a larger visibility observation value, and the results of the automatic measurements are stable, close to the true value; under the environment of fog and air pollution, the average error of the artificial observation is lower than that of the automatic observation; in polluted atmospheric environment, the visibility of the automatic observations are often lower that the true values; instrument cleanliness has a critical impact on the observed values, and should be paid more attention in the use of the instrument.

visibility; subjective error; local fog; forward scattering visibility meter

1003-6598(2016)04-0081-05

2015-12-29

吳世美(1972—)，女，工程師，主要從事縣級綜合業務管理工作，E-mail:2682268362@qq.com。

黔氣科合KF07號“前向散射能見度儀應用分析及界定修訂閥值研究”。

P413

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