前向散射式能見度儀現場核查方法與應用

李生慧，徐澤東，代永光，廖 鑫

（青海省大氣探測技術保障中心，青海 西寧 810000）

氣象能見度指在通常的天氣情況下，視力正常的人可以從天空背景中看到并識別的最大水平距離[1]。能見度觀測對開展天氣預報，進行氣候變化分析和開展氣象公眾服務至關重要。能夠實現能見度自動觀測的儀器被稱為能見度儀。其中，前向散射式能見度儀被廣泛應用于全國各個自動氣象站[2]。在實際應用中，能見度儀觀測數據的準確性隨著環境的變化、使用時間的增加，不可避免地會發生變化，定期對能見度儀測量性能進行核查是保證測量數據準確性的重要工作[3-4]。

根據《前向散射式能見度儀核查方法（試行）》中關于“觀測站能見度儀現場核查”工作的要求，本文選用青海各氣象臺站普遍使用的華云升達（北京）氣象科技有限公司生產的DNQ1 型前向散射式能見度儀（下簡稱“能見度儀”），使用PWA12 校準套件對能見度儀進行核查，并結合實際核查工作中的實際操作步驟、注意事項進行了介紹[5]。

1 能見度儀的原理及構成

1.1 能見度儀的原理

能見度儀由傳感器、采集器以及外圍設備三部分構成，其中傳感器包括發射鏡頭和接收鏡頭。其探測原理是紅外光經過發射鏡頭在大氣中形成接近平行的光束，接收鏡頭將采樣區內特定方向的前向散射光匯集到接收機的光電傳感器上，并將其轉換為電信號。該信號經處理、取樣和計算后得到采樣區內特定方向的前向散射光強度值，由此計算出總散射量及透過量，最終得出能見度值[6]。前向散射能見度儀探測原理如圖1 所示。

圖1 前向散射能見度儀探測原理圖

1.2 能見度儀的構成

能見度儀具體由7 部分構成，如圖2 所示。

圖2 DNQ1 型前向散射式能見度儀

2 能見度儀核查套件

PWA12 能見度儀核查套件由一個遮光板和兩個散射板構成。其中，散射板是兩個已知散射特性的不透明玻璃片，核查或校準能見度儀信號強度值；遮光板主要用于遮擋接收光路，接收光路被遮擋時可核查能見度儀標稱量程上限值[7]。核查套件如圖3 所示。

圖3 核查套件

3 現場核查

按照《前向散射式能見度儀核查方法（試行）》中“觀測站能見度儀現場核查”方法對能見度儀進行現場核查[8]。

3.1 核查條件

現場核查時，能見度儀需要避免被明亮光線直射，且在天氣晴朗、能見度大于10 km 情況下進行。

3.2 核查前的準備

為保證核查結果的可靠性，能見度儀的發射鏡頭和接收鏡頭應保持干凈，因為鏡頭被污染得到的能見度值將比實際能見度值更高。因而在進行核查前需要檢查鏡頭區域是否有蛛網等異物，如有異物需及時清除，并用50%的異丙醇或酒精溶液浸濕不起毛的軟布擦拭鏡頭，注意不能劃傷鏡頭表面。檢查機罩和鏡頭是否有積存的冷凝水、冰、雪，并擦去機罩內外表面的灰塵。清潔儀器的同時應檢查外觀上有無影響儀器觀測的損傷。須保證能見度儀外型結構完好且具有儀器型號、出廠編號等明顯標識[8]。外觀檢查合格后才能進行信號強度值核查。

3.3 核查方法

全省國家級地面氣象觀測站使用的能見度儀通信波特率、校驗位、數據位、停止位分別為4 800、N、8、1。現場核查時，首先使用RS-232 標準通信線將電腦與能見度儀進行連接，當電腦端無九針串口時，可使用USB 串口線進行轉接。通信接線如圖4 所示。

圖4 通信接線圖

核查時，電腦端使用串口調試軟件向能見度儀發送命令，以讀取數據[9]。

3.3.1 標稱量程核查

本次實際應用中所用的能見度儀標稱量程為35 000 m。

完成能見度儀與電腦的通訊線連接，并給能見度儀通電后，輸入OPEN 命令，傳感器應返回如圖5 中所示的信息。

圖5 OPEN 命令返回信息

將遮光板放置在接收機護罩內以阻擋光路，等待1 min，輸入MES 命令讀取能見度儀標稱量程，傳感器應返回如圖6 中所示的信息。

返回數據應為能見度儀標稱量程上限值。若未達到標稱量程上限值，需終止操作到實驗室校準或返廠維修。

完成標稱量程讀取后，輸入如圖7 中的ZERO 命令返回信息。

圖6 MES 命令返回信息

圖7 ZERO 命令返回信息

取出遮光板，進行下一步操作。

3.3.2 信號強度值核查

在完成標稱量程上限值讀取后，將散射板固定在鏡頭外罩上，注意散射板玻璃片須與鏡頭玻璃片平行，不然會引起示值誤差。散射板安裝如圖8 所示。

完成散射板安裝，輸入CHEC 命令讀取能見度儀輸出信號值。此時能見度儀會自動返回信號值。CHEC 命令返回信息如圖9 所示。

圖8 散射板安裝示意圖

圖9 CHEC 命令返回信息

待輸出信號值穩定之后，與散射板標定信號值作比較。以散射板標定信號值為基準，若誤差小于等于10%，則能見度儀核查結果符合標準；若誤差大于10%，則繼續修正。誤差計算公式如下：

式（1）中：ΔδS為被核查能見度儀信號強度值誤差；δS為被核查能見度儀輸出信號強度值；δSr為核查套件對應的信號強度標稱值[10]。

在本次實際操作中，散射板信號強度標稱值為622。根據式（1）計算得到∣ΔδS∣=2.9%，小于10%的誤差標準，可判定能見度儀核查結果符合標準。

誤差大于10%時，需對能見度儀進行修正。修正時輸入命令格式：CAL 622。此處以散射板信號強度標稱值為622為例，輸入完成后無返回信息。

再次輸入CHEC 命令讀取信號值，顯示的信號值應等于散射板標稱信號值。如需修正信號值和原信號值之間相差超過20%（此處假定散射板信號強度標稱值為900），那么CAL 命令將會被忽略，能見度儀將返回如圖10 中的信息。

圖10 CAL 命令返回信息

此時，需檢查能見度儀是否有硬件或機械故障[11]。可輸入MES 3 或AUTOCHECK 命令，檢查能見度儀硬件狀態，正常則返回如圖11 中的信息。在硬件有故障的情況下可將儀器返廠。

圖11 硬件狀態信息

完成校準后，可發送mes 2 命令讀取當前能見度值，返回格式如圖12 所示。

圖12 當前能見度值

4 應用實例

2020-06 -02 ，青海省大氣探測技術保障中心技術人員對西寧二十里鋪氣象站現用能見度儀進行了現場核查。

4.1 外觀檢查

核查當天，天氣晴朗，目測能見度在20 km 以上。

核查前，首先對儀器外觀進行了檢查。檢查中發現，接收鏡頭上覆蓋蜘蛛網且鏡頭上有灰塵，隨即使用軟布浸泡酒精后對儀器鏡頭進行了清潔；能見度儀外觀完好，標牌和標記完整、清晰，機械結構完整且無變形。經過外觀檢查與清潔后，能見度儀滿足核查要求，可進行現場核查工作。

4.2 標稱量程讀取

首先使用RS232 標準串口線將筆記本電腦與能見度儀進行連接，然后對能見度儀進行上電，并放置遮光板后讀取數據，輸出數據35 000 為該設備的標稱量程。完成標稱量程讀取后，輸入ZERO 命令。標稱量程讀取如圖13 所示。

圖13 標稱量程讀取

4.3 信號強度值讀取

取下遮光板，并放置散射板（核查中所使用的散射板標稱信號值為622）后，輸入CHEC 命令讀取能見度儀信號強度值，如圖14 所示。∣ΔδS∣＜10%，核查結果符合《前向散射式能見度儀核查

圖14 信號強度值讀取

根據式（1）計算可以得到，方法（試行）》要求，可判斷該能見度儀合格。

完成核查后，取下散射板，再次對能見度儀進行數據讀取，如圖15 所示，能見度數據為25 532 m，與目測能見度接近，說明該能見度儀工作正常。

圖15 核查完成后能見度數據讀取

5 結論

本文結合《前向散射式能見度儀核查方法（試行）》，通過實際操作詳細介紹了如何利用PWA12 能見度核查套件開展能見度儀核查工作，并且能見度儀的現場核查方法現在已經應用到全省國家級地面氣象觀測站實際工作中。但在核查工作中也發現了問題，主要為散射板安裝時與鏡頭不平行帶來的人為操作誤差。因而在核查中應嚴格按照核查規范操作，減少人為誤差所帶來的影響。