能見度自動觀測與人工觀測數據比較分析

劉萱榮，劉 琥，洪竹芳，覃 毅

(湖南省武岡市氣象局，湖南 邵陽 422400)

1 引言

能見度是地面氣象觀測的要素之一，它可以反映氣團的某些特性，以滿足天氣學和氣候學的需要，更為直觀的是，它不僅可用來表征氣象變化，還可以用來體現一地空氣環境的好壞，尤其是在我們國家對環境保護極為重視的當下，做好能見度觀測方法的比較研究，為以后能見度資料的應用提供理論上的參考依據，是很有意義的，也是必要的。能見度自動觀測與人工觀測的比較研究，國內已然做了許多[1]-[6]，就其成果而言，只能借鑒，不能推廣應用?？梢哉f，每個臺站在一定的時間序列里，用自動觀測與人工觀測兩種不同方法，所采集到的能見度數據，將其比較都會有差異，這些差異因人而異，因站而異，要想連續應用它都應該作比較分析研究。武岡站從2014年12月停止人工觀測能見度，同時啟用自動觀測能見度取代了人工觀測能見度，而在這之前的能見度是人工觀測的，由此積累的資料也是人工觀測得來的，這樣因為觀測方法的不同而得來的資料，如果用來研究本地區的氣候狀況，或者空氣質量狀況，要是事先不對它們進行比較分析，一定會對研究結果帶來偏差。故此，本文試圖通過對自動觀測能見度與人工觀測能見度資料進行比較，找出它們之間的差異，分析差異產生的原因，從中找出規律，為本站以后能見度資料的連續應用提供理論上的參考依據。當然，這對其它站而言只能起到借鑒的作用。

2 資料來源與數據處理

本文采用的是武岡國家基本氣象站2015年4月—2016年3月(含4月，下同)的人工觀測與自動觀測能見度資料，每天開展5次(北京時間08、11、11、14、17、20時)一共有1 830組數據，考慮到這期間因為自動站的能見度儀器發生故障有數據缺測的情況，所以將其中缺測的93組數據去掉，還剩下1 737組有效數據可供分析研究。去掉的缺測資料如下：4月7日20時，6月18—30日(含18日)08時、11時、14時、17時和20時，7月1—5日(含1日)08時、11時、14時、17時和20時以及6日08時、11時。另外考慮到自動能見度觀測的最大值為30.0 km，而人工觀測能見度有大于30.0 km的情況，故將人工觀測能見度大于30.0 km的均按30.0 km處理，它們是7月28日17時和20時，8月11日的17時。另外，人工觀測能見度是以千米為單位，保留一位小數，而自動觀測能見度則是以米為單位取整數，為了便于比較，自動觀測能見度舍去個位和十位數，保留的百位數前取小數。

3 數據分析

3.1 定時數據比較

采用本站2015年4月—2016年3月08時、11時、14時、17時和20時5次定時觀測的自動與人工能見度數據，制作成比較趨勢圖1，從中可以看出人工觀測數據基本上要大于自動觀測數據。下圖中的能見度數值擴大了10倍。

圖1 2015年4月—2016年3月自動與人工觀測能見度定時數據比較趨勢圖Fig.1 Visibility Timing Data Comparison between Automatic and Manual Observation from April,2015 - March,2016

3.2 平均值比較

將本站2015年4月—2016年3月08時、11時、14時、17時和20時定時自動與人工觀測能見度的平均值制成圖2，從中可以清楚的看出：一是人工能見度要大于自動能見度，這與上面定時趨勢圖分析的結果相一致。二是它們的平均日變化規律基本一致，且08時能見度小，然后逐漸加大到午后，并持續至下午，再下降至20時。三是它們的平均能見度的最小出現時間一致，最大出現時間相近，平均差11時最小為0.5 km，20時最大為1.1 km，總的趨勢是正午前后能見度較好，早晚較差。

3.3 相關性分析

計算本站2015年4月—2016年3月自動與人工觀測能見度各定時觀測的相關系數如表1，從中可得14時相關性最好，17時的相關性次之，20時的相關性最差，它們的相關系數都在0.9以上，表明本站自動觀測與人工觀測的相關性較好。

圖2 2015年4月—2016年3月自動與人工觀測能見度定時變化均值圖Fig.2 Visibility Time-Varying Mean Map of Automatic and Manual Observation from April,2015 - March,2016

表1 2015年4月—2016年3月各定時相關系數表Tab.1 The Timing correlation Coefficient Table from April,2015-March,2016

3.4 能見度一致性比較分析

將本站2015年4月—2016年3月08時、11時、14時、17時和20時定時自動與人工觀測能見度資料分為vv<1.0、1.0≤vv<5.0、5.0≤vv<10.0、10.0≤vv<20.0和20.0≤vv<30.0等5段，分別計算出它們的平均對比差值如表2，從中可以看出：一方面能見度小于1.0 km時平均誤差最小，隨著能見度的增大其平均誤差也逐漸加大，變化幅度無規律性。另一方面自動與人工觀測能見度在0.0～10.0 km一致性較好，大于10.0 km開始一致性變差，也就是說低能見度一致性較好，高能見度一致性較差。

3.5 能見度出現頻率分析

沿襲上一節的自動與人工觀測能見度資料分段，制成2015年4月—2016年3月能見度出現頻率比較圖3，從中可以看出，本站自動觀測能見度與人工觀測能見度一樣，大多集中在1.0～20.0 km之間，但是它們在1.0～20.0 km之間內的小區間里，各自出現的頻率有差異，自動能見度1.0≤vv<5.0 km區間最多為764次，其次是5.0≤vv<10.0 km區間為567次，然后是10.0≤vv<20.0 km區間為294次，這三者占總觀測次數的93.6%；人工能見度5.0≤vv<10.0 km區間最多為680次，其次是1.0≤vv<5.0 km區間為468次，然后是10.0≤vv<20.0 km區間為451次，這三者占總觀測次數的92.1%。

表2 2015年4月—2016年3月自動與人工觀測能見度平均對比差值Tab.2 Average Contrast Differences of Visibility of Automatic and Manual Observation from April,2015 - March,2016

圖3 2015年4月—2016年3月能見度出現頻率比較Fig.3 Visibility Occurring frequency Comparisons from April,2015-March,2016

4 產生差異的原因分析

能見度自動觀測與人工觀測因為觀測方法的不同所采集的數據，將其比較都會有差異。產生差異的原因主要是，①觀測原理不同：人工觀測能見度，是觀測員參照能見度目標物的能見與否，依據觀測經驗對距離作出的估算值，而自動觀測能見度，則是通過儀器測量光在大氣中的散射系數，估算氣象光學視程經換算后的值。②觀測時間不同:人工觀測能見度在定時觀測時段內只有1～2 min的時間，而自動觀測能見度則是正點10 min的滑動平均值。③觀測范圍不同:人工觀測能見度是指四周視野中1/2以上的范圍能看到的目標物的最大水平距離，而自動觀測能見度是發射器與接收器之間相當小范圍的大氣取樣測量的結果。④主客觀因素：人工觀測能見度，受觀測員視力條件和觀測經驗的影響，主觀色彩較濃，隨意性較大。自動觀測能見度，因為儀器受客觀環境的影響，比如觀測場周邊燒草，產生的煙幕，造成采樣區大氣懸浮粒子的改變，或者儀器光學鏡片前的蜘蛛網等遮擋物，影響測量光的接收，諸如此類客觀因素，如果不加以及時排除，則容易造成數據失真。因為上述原因，使得本站能見度人工觀測數據一般要大于自動觀測數據。本站能見度自動與人工觀測的一致性，當能見度小于10.0 km時一致性較好，尤其是小于1.0 km時最好，而當能見度大于10.0 km時一致性逐漸變差，究其原因大抵在于低能見度觀測目標物設置多，觀測員重視程度高且觀測次數多熟練程度也高，而高能見度觀測目標物設置小，觀測員觀測時隨意性大。

5 結語

通過對本站能見度自動與人工觀測數據的比較分析，可以得出結論如下：

①就平均值而言，人工觀測能見度大于自動觀測能見度，且它們的趨向性一致；平均能見度的最小出現時間一致，最大出現時間相近。

②自動與人工觀測能見度，一日當中正午前后偏差相對要小，而早晨、下午至傍晚偏差相對要大；平均日變化規律基本一致，且表現為早晨至午后由差逐漸變好，并持續至下午，再逐漸變差至傍晚，總的趨勢是正午前后能見度較好，早晚較差。

③自動與人工觀測能見度，在0.0～10.0 km一致性較好，這區間內尤以0.0 ～1.0 km一致性最好，當能見度大于10.0 km時一致性逐漸變差，20.0～30.0 km時一致性最差，這與20.0 km以上能見度目標物沒有設置不無關系，這表明了低能見度一致性較好，高能見度一致性較差。

④無論是自動觀測能見度，還是人工觀測能見

度，它們大多集中在1.0～20.0 km之間，其間1.0～10.0 km尤為居多。

總體而言，自動與人工觀測能見度相關性好，資料的可信度高，對資料的應用是沒有問題的，但是，為了能見度資料應用的連續性，在使用過去的人工觀測能見度資料時，需要了解它與現在的自動觀測能見度資料存在的差異，這是我們今后應用它時應當注意的地方。

龍亞星，李成偉.能見度自動觀測與人工觀測數據對比分析[J].陜西氣象，2015(2)：32-35.

[2] 朱補全，梅士龍.能見度自動儀與人工觀測資料對比分析[J].淅江氣象，2009，31(2)：25-28.

[3] 周林，鞏在武.能見度自動觀測和人工目測的對比分析[J].安徽農業科學，2015，43(11)：182，234.

[4] 楊召瓊，陳慧嫻.能見度人工觀測與能見度儀遙測資料的差異[J].廣東氣象，2008，12(30)：增刊.

[5] 尹淑嫻，羅鵾.人工目測與儀器測量的能見度數據資料分析[J].氣象水文海洋儀器，2009，9(3)：66-69.

[6] 趙靜，孟小絨，趙榮.自動觀測能見度與人工觀測能見度對比分析[J] .現代農業科技，2014(11)：257-258.

[7] 中國氣象局.地面氣象觀測規范[M].北京：氣象出版社，2003：17-20.