機場氣象站能見度自動觀測和人工觀測的對比分析

何 飛，袁業暢

(湖北省氣象服務中心，湖北 武漢 430000)

1 引言

能見度是氣象學中反映大氣渾濁度的一個指標，不僅能指示一個地區的大氣環境質量，而且與交通運輸行業關系密切。隨著航空事業的迅速發展，國際民航組織要求降低機場最低運行標準，對機場能見度的觀測提出了更高要求[1]。

能見度通常用氣象光學視程表示，氣象光學視程是指白熾燈發出色溫為2700 K的平行光束的光通量在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路途長度，也指白天視力正常(對比感閾為0.05)的人，在當時天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨認的目標物(黑色、大小適度)的最大距離，通常人工目測距離為一束光的強度衰減至原始強度的0.6%～8.0%，取值2.0%。能見度可以通過人工和自動兩種方式進行觀測，人工觀測能見度觀測次數較少(國家一般氣象站一天觀測3次，國家基準氣象站一天觀測24次)，主觀性強，為估測值，而儀器觀測一般采用透射能見度儀、散射能見度儀進行連續、實時的觀測，可比性強。對于能見度兩種不同的觀測方法，有不少的對比分析[2～7]，研究表明：在不同天氣條件影響下，兩種觀測方法存在一定的差異，當能見度較低時，二者結果較為接近，當能見度較高時，二者存在明顯的誤差。

本研究對比鄂州國際物流核心樞紐機場的臨時氣象站的前向散射能見度儀與同期人工觀測數據，以期探求兩種觀測數據的一致性及差異，為人工觀測能見度向儀器觀測能見度過度提供依據。

2 資料說明

鄂州國際物流核心樞紐機場為順豐集團預在鄂州建立4E級全貨機機場，目標是建成全球第四、亞洲第一的航空物流樞紐。從選址開始，在擬定機場跑道的北端建立起臨時的氣象觀測站。能見度觀測資料為2016年4月至2017年3月一整個觀測年，人工能見度觀測僅在白天時段(北京時的08時至20時)進行，觀測頻率為每小時一次；自動能見度觀測選用華云升達(北京)氣象科技公司生產的DNQ1/V35型號的前散射能見度傳感器，進行24 h觀測，通過民用機場地面系統每小時讀取一個數據。本文結合機場臨時氣象站天氣現象觀測記錄，分析在不同視程障礙下兩種能見度數據的差異。

由于人工觀測能見度只有觀測年白天時段(08時至20時)的數據，因此自動站也選取同時段的小時數據進行對比分析。人工觀測與自動觀測應測數據4745個，其中人工觀測缺測23個時次，自動觀測完整，采用4722組有效數據對比人工觀測和自動觀測結果。

3 兩種觀測方法的理論差異

3.1 人工觀測能見度

人工觀測的能見度分白天和夜間兩類條件，本研究僅涉及白天能見度。白天能見度是指視力正常(對比感閾為0.05)的人，在當時天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨認的目標物(黑色、大小適度)的最大距離。人工觀測能見度，通過指的是有效水平能見度，即四周視野中1/2以上范圍內能看到的目標物的最大水平距離。觀測員在一天中的特定時刻進行觀測，通過目測不同距離目標物的清晰程度對能見度進行判別。

3.2 自動觀測能見度

本研究自動觀測能見度是由前向散射能見度儀獲取。散射儀的原理是通過測量小體積空氣對光的散射系數，從而估算出消光系數，再根據柯西米德定律計算氣象光學視程[8]。前向散射能見度儀主要是利用光在大氣中傳播會發生衰減和各種散射吸收，其中空氣中的水滴是造成散射的主要因素，也是影響能見度的主要因素[9]。散射儀對大氣光學距離的觀測和計算基于3點假設：①假定大氣是均質的；②假定散射系數與消化系數相等；③假定散射儀測量的散射光強正比與散射系數。

3.3 人工觀測值與儀器觀測值的理論計算

根據比爾-朗伯定律F=Fo.exp(-σx)計算自動化觀測數據(MOR)，由WMO定義的MOR為：F/Fo=5%=0.05,由消化系數計算得出MOR如下：

(1)

人工觀測值的計算方法，同樣利用比爾-朗伯定律，人工觀測值定義F/Fo=2%=0.02,由此消光系數計算得到如下：

(2)

式(2)中X表示距離，F代表X距離處的光通量，Fo代表X=0時的原始光通量，s表示消光系數，將(2)式比(1)式可得，MOR/X=3.9/3=1.3，從理論上人工目測距離是能見度儀測量距離的1.3倍[10]。

4 人工觀測數據與儀器觀測數據分析

4.1 能見度總體差異

根據《對比觀測期間監測資料評估技術方法》[11]，一致率(Cr)應大于80%，粗差率(Gr)應小于3%。一致率表示自動觀測與人工觀測的一致性程度，用對比差絕對值小于等于2倍標準差的樣本數與有效樣本數的比值表示,而粗差率表示差值的多寡,其值越大表示存在異常的數據越多[12]，用對比差減去對比差平均值的絕對值小于等于3倍標準差的樣本數與有效樣本數的比值表示。統計得到觀測年內人工觀測與儀器觀測的一致率Cr為88.7%，粗差率Gr為1.3%，由于人工觀測最大值為10 km，因此本研究特地分析了人工觀測能見度<10km的兩種觀測值，得到一致率Cr為91.4%，粗差率Gr為0.9%，兩組數據均滿足規范要求，說明人工觀測與自動觀測的結果較一致，異常值較少。

圖1給出了觀測年內人工能見度和儀器觀測能見度的平均值的年變化情況，由各月白天時段的平均能見度可見，儀器觀測能見度與人工觀測能見度有類似的變化規律，除1月和12月外，儀器觀測的各月能見度平均值均大于人工觀測值。

圖1 人工能見度和儀器觀測能見度的平均值的年變化

所有有效樣本中，能見度的人工觀測與儀器觀測對比的平均差值為-3.1 km，標準偏差為6.9 km，平均相對誤差為-27.5%，人工觀測能見度<10 km的所有樣本中，人工觀測與儀器觀測的平均差值為1.0 km，標準偏差為1.1 km，相對偏差為19.3%。由此可見，小于10 km人工觀測能見度與儀器觀測能見度的偏差較小，在人工能見度5～10 km相對誤差最小，人工能見度10 km相對誤差最大，因此本研究將人工觀測能見度進行分段，表1比較了兩種觀測數據的差異。

表1 人工與自動觀測能見度正負偏差統計

由表1統計結果可見，在人工觀測能度5～10 km段兩種能見度相等比例最大，為11.3%，其次為人工觀測能見度10 km時，相等比例為8.5%，人工觀測能見度小于1 km內兩種能見度無相等，可見人工能見度在5 km之內，人工和儀器相等比例較低，5 km以上兩者相等比較有所增加；人工能見度小于10 km時，人工觀測結果多大于儀器觀測結果，正偏差比例均在84%以上，由于本氣象站人工觀測最大值為10 km，能見度情況較好時均記為10 km，儀器觀測能見度最大值為45 km，人工觀測能見度為10 km時，人工觀測結果多小于儀器觀測結果，正偏差比例均為19.8%。由于人工能見度為10 km的樣本數最多，為2666個，導致各月白天能見度平均基本表現為人工觀測結果小于儀器觀測結果(圖1)。

4.2 能見度相關性分析

利用觀測年內的能見度儀觀測數據與人工觀測數據作相關(圖2)，得到相關系數為0.68，由于機場臨時氣象觀測站最大能見度為10 km，對應儀器觀測能見度數據范圍從2.8～45 km，人工能見度10 km以下的觀測數據與儀器觀測能見度相關性較好，相關系數為0.87，因此本研究選取人工觀測能見度小于10 km的數據對兩種能見度數據進行相關分析(圖3)。

表2分析了不同時次人工觀測能見度與自動觀測能見度的相關性，可見白天時段各個不同時次人工觀測能見度與自動觀測能見度均有較好的相關性，相關系數08時和09時最大，逐漸減小至15時后，有所上升。

4.3 不同天氣現象時能見度一致性比較

本研究在造成視程障礙的天氣現象中選取3類來分析兩種能見度資料，分別是大霧、霾和雨。在機場臨時氣象站觀測年中分別選取這3種天氣現象的時次作為樣本，由于各種天氣現象出現的頻率不同，因此樣本數量有較大差別，其中大霧時次樣本為27個，霾的樣本為326個，雨的樣本數最多為646個。

圖2 人工觀測能見度與自動觀測能見度相關分析

圖3 人工觀測能見度(<10 km)與自動觀測能見度相關分析

對不同天氣現象兩種能見度一致性對比得到表3。在3種視程障礙天氣現象下兩種觀測能見度的相關性均通過了P=0.001的檢驗，大霧時，相關系數最大，為0.95，霾和雨的相關系數相對較小。

3種天氣現象下人工觀測能見度的正偏差比例均占到一半以上，其中大霧天氣下人工觀測的正偏差比例最大，為88.9%。大霧時兩者的平均差值最小，為0.06 km，霾日兩者的平均差值為1.15 km，僅在雨日平均差值為負，為-0.42 km。

表2 不同時次人工觀測能見度與自動觀測能見度

分別計算3種天氣現象下，人工觀測能見度和儀器觀測能見度的標準差，人工觀測能見度的標準差均小于儀器觀測能見度，說明儀器觀測的數據起伏較大，穩定性弱于人工觀測。其中大霧日時，兩種觀測數據的標準差最小，霾其次，雨日的標準差最大，同時雨日儀器觀測的標準差遠大于人工觀測。說明在霧和霾相對均勻而持續的天氣現象中，人工觀測和儀器觀測的能見度數據也較為穩定，能見度較易受雨勢變化影響，儀器觀測受影響較大，標準差更大。

表3 不同視程障礙天氣現象的兩種能見度一致性對比

5 結語

(1)觀測年內人工觀測與儀器觀測能見度的一致率Cr為88.7%，粗差率Gr為1.3%，說明人工觀測與自動觀測的結果較一致，總體來說在機場臨時站白天時段，儀器觀測的能見度能較好的代表人工觀測能見度。

(2)觀測年內，除1月和12月外，人工能見度均小于儀器觀測能見度。對人工觀測能見度進行分段，能見度<10 km以下的，人工觀測能見度相比儀器觀測能見度的正值偏比例較高，在80%以上，能見度為10 km時，人工觀測能見度相比儀器觀測能見度的正值偏比例較低。

(3)人工能見度10 km以下的觀測數據與儀器觀測能見度相關性較好，各時次相關性均較好，相關系數從08時和09時最大，逐漸減小至15時后，有所上升。

(4)兩種能見度在大霧日的相關性最好，人工觀測和儀器觀測穩定性也最好；在雨日的相關性最次，穩定性最弱。儀器相對人工觀測的數據穩定性較差，特別是在雨日。