能見度儀在海陀山的應用

韓 微，崔 煒，高 猛，尹佳莉

(1.北京市氣象探測中心，北京 100176；2.延慶區氣象局，北京 102100)

0 引言

能見度的高低對人們交通運輸、生產生活產生很大的影響，近些年隨著霧霾天氣的增多，能見度觀測和預報的準確度越來越受到人們的關注[1-3]。多年來氣象臺站對能見度的觀測主要通過人工觀測固定目標物輪廓的清晰程度進行估算，然而這種觀測方式受人為主觀的影響較大，觀測結果存在一定誤差。近幾年，隨著觀測自動化的發展，國家氣象臺站能見度觀測已經逐漸采用自動觀測儀器測量替代人工目測。

目前氣象臺站的能見度自動觀測儀器主要采用前向散射式能見度儀。前向散射式能見度儀通過測量微小體積顆粒物的散射消光評估能見度值，具有價格便宜、體積小等優勢[4]。一些學者對比分析儀器測量和人工觀測的能見度觀測數據時發現，前向散射式能見度儀觀測效果較好，具有很好的代替作用，低能見度時的相關性和偏差優于高能見度，白天優于夜晚[5，6]。但是，有學者研究指出在雨、霧等低能見度天氣，以及大氣痕量氣體變化等情況下，能見度儀讀數容易出現誤差[7]。因此，對能見度觀測設備在不同天氣條件下的探測性能進行研究非常重要。

海陀山位于北京西北部，主峰海拔2198 m，為北京第2高峰，冬季氣溫較低，且常伴隨有大風和較高相對濕度[8]。目前海陀山已安裝的地面自動氣象站可對氣溫、氣壓、相對濕度、風向風速、降水和能見度等要素進行觀測。文章對比分析2020-03-22—2020-03-27北京市延慶區延慶站、佛爺頂站和海陀山地區的能見度數據；選取其間1次降雪天氣過程，利用海陀山地區已有的氣象觀測數據，分析能見度與氣溫、氣壓、相對濕度、風速、降水量的關系，討論能見度儀在海陀山地區的探測性能，為能見度觀測數據的準確性提供依據。

1 資料與方法

海陀山使用的能見度儀為DNQ1前向散射式能見度儀，該能見度儀運行穩定，在臺站自動化觀測中應用廣泛，測量范圍為10 m～35 km。文章利用2020-03-22—2020-03-27海陀山地區安裝的氣象觀測站的10 min能見度觀測資料進行分析，該值為1 min能見度數據在10 min的滑動平均值。同時，選取北京市延慶區的延慶站和佛爺頂站的定時能見度觀測資料，該值為正點前15 min(46—00分)內的最小10 min平均值，以千米為單位，保留1位小數。將海陀山地區的10 min能見度值計算處理成定時能見度觀測資料，與延慶站、佛爺頂站能見度的變化特征進行對比分析。此外，針對3月25—26日的降雪天氣過程，利用海陀山地區的氣溫、氣壓、相對濕度、能見度分鐘資料和兩分鐘平均風向風速、小時降水量等觀測資料，統計分析能見度與其他地面氣象要素的關系。文章中提到的能見度均為水平能見度。

文章中兩個變量之間的相關系數使用的是皮爾遜(Pearson)相關系數：

(1)

2 延慶區代表性氣象站點能見度變化特征

將海陀山22—27日能見度的觀測資料與同期的延慶站和佛爺頂站定時能見度觀測資料進行對比分析發現：海陀山的能見度小于延慶站和佛爺頂站，且波動較大(圖1)。22—27日延慶站的平均能見度為23.6 km，佛爺頂站的平均能見度為22.1 km，海陀山的能見度為16.2 km。當延慶地區為晴好天氣時，延慶站和佛爺頂站能見度均為30 km，但是海陀山地區的能見度偏低，出現短時間內能見度迅速下降的情況。這主要是因為海陀山地區的氣象觀測站無人值守，探測環境不穩定，能見度的觀測會受人為活動影響；而延慶站和佛爺頂站均為有人值守的國家級氣象觀測站，臺站人員定期按照相關規范進行設備維護，能見度的觀測值更為客觀準確。當有降雪天氣過程時，3個站的能見度差異較小，海陀山地區與延慶站能見度的相關系數為0.676，與佛爺頂站能見度的相關系數為0.822，不同站點的能見度顯著相關，在低能見度的相關性和偏差要優于高能見度。海陀山能見度與海拔高度相近的佛爺頂站的能見度變化趨勢一致，這說明該前向散射式能見度儀在海陀山地區應用較好，能夠很好地監測到降雪天氣過程時能見度的變化特征。

圖1 3月22-27日海陀山能見度(紅線)與(a)延慶站能見度；(b)佛爺頂站能見度的變化特征

3 海陀山地區能見度與地面氣象要素的關系

選取2020-03-25—2020-03-26的1次降雪天氣事件，分析海陀山能見度的變化特征，發現在3月25日22：00降雪發生前，能見度較差，在5 km左右；23：00冷空氣到來，能見度略有好轉，達到10 km左右，但持續時間較短；隨著26日00：00左右降雪發生，能見度迅速下降到5 km以下；隨著降雪增加，能見度下降到1 km以下；26日05：00降雪逐漸停止，能見度逐漸好轉，06：00恢復至20 km以上。

分析能見度與其他地面氣象要素的關系發現：能見度與氣溫和氣壓的關系較為復雜；與風速呈一定的正相關；與相對濕度呈顯著的負相關，相關系數達到-0.866，可以通過99%的顯著性檢驗。3月25日夜間至26日凌晨，冷鋒過境，氣溫下降到0 ℃以下，氣壓升高，雖然風速迅速增加到5 m/s左右，有利于能見度轉好，但是相對濕度有一個短暫降低后，增加到80%以上，降雪現象發生，使得能見度迅速降低到1 km以下。能見度與相對濕度有顯著的負相關，相對濕度越大，能見度越低；相對濕度越小，能見度越高[10]。同時，能見度受降水的影響較大[11]，降雪發生時能見度降到1 km以下。

4 結束語

文章利用2020-03-22-2020-03-27北京延慶海陀山的能見度觀測數據對比分析延慶站和佛爺頂站能見度變化特征，結論如下：

1)對比分析海陀山地區與延慶站和佛爺頂站能見度觀測數據發現：該能見度儀在海陀山地區應用較好，3個站點的能見度顯著相關，低能見度的相關性和偏差要優于高能見度。特別是在有降雪天氣過程時，海陀山地區的能見度與海拔高度相近的佛爺頂站的能見度變化趨勢一致。

2)降雪現象發生時，氣溫下降，氣壓升高，雖然風速增加，有利于能見度轉好，但是相對濕度增加到80%以上，能見度較低，隨著降雪出現，能見度迅速降低到1 km以下。能見度與相對濕度有顯著的負相關，相對濕度越大，能見度越低，且能見度受降水的影響較大，降雪發生時能見度可降到1 km以下。

綜上所述，前向散射式能見度儀在該地區應用較好，能夠監測能見度的實時變化，特別是降雪天氣過程時能見度的變化特征。但是由于海陀山地區觀測條件有限，能見度觀測的數據樣本偏少，需要收集到更多的觀測數據進行更詳細地分析。