能見度自動觀測和人工目測的對比分析

周林　鞏在武

摘要 通過對能見度人工目測和自動觀測方法、觀測數(shù)據(jù)和影響因素的分析，認(rèn)為自動能見度儀觀測到的數(shù)據(jù)更為客觀，更具科學(xué)性，避免了人為誤差，提高了工作效率。為獲得準(zhǔn)確的觀測數(shù)據(jù)，應(yīng)對自動觀測儀器按照規(guī)范及時(shí)進(jìn)行維護(hù)。

關(guān)鍵詞 能見度；自動觀測；人工目測；對比分析

中圖分類號 S165 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）11-182-01

能見度是氣象觀測的重要要素，用來描述大氣可見度，能見度的好壞在一定程度上衡量著空氣質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境，它的準(zhǔn)確觀測對于氣象、交通、民航和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)均有著重要的意義。隨著霧、霾等氣象災(zāi)害越來越受到重視，能見度要素依靠人工目測進(jìn)行觀測，已不能滿足氣象業(yè)務(wù)、服務(wù)和科學(xué)研究的需要，近兩年在中國氣象局大力推進(jìn)氣象觀測自動化大背景下，截止2014年底，陜西省已在40個(gè)國家級地面氣象站安裝了自動能見度儀，能見度自動觀測覆蓋率為40%。筆者對人工和自動能見度觀測方法、觀測數(shù)據(jù)的差異及影響因素進(jìn)行了分析，提出了自動能見度儀器安裝維護(hù)和資料應(yīng)用方面的建議。

1 資料與方法

1.1 能見度的定義

能見度作為氣象觀測要素用氣象光學(xué)視程（MOR）表示，氣象光學(xué)視程是指白熾燈發(fā)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%所通過的路徑長度[1]。

《地面氣象觀測規(guī)范》能見度指視力正常（對比閾值為0.05）的人，在當(dāng)時(shí)天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨認(rèn)的目標(biāo)物（黑色、大小適度）的最大距離。

1.2 前向散射能見度儀的測量原理

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(jīng)由水滴反射、折射或衍射產(chǎn)生的散射現(xiàn)象是影響能見度的主要因素。故測量散射系數(shù)的儀器可用于估計(jì)氣象光學(xué)視程（MOR）。

前向散射能見度儀的發(fā)射器與接收器在成一定角度和一定距離的兩處。接收器不能接收到發(fā)射器直接發(fā)射和后向散射的光，而只能接收大氣的前向散射光。通過測量散射光強(qiáng)度，可以得出散射系數(shù)，從而估算出消光系數(shù)。根據(jù)柯西米德定律計(jì)算氣象光學(xué)視程（MOR），即

MOR=-ln（ε）/σ，

式中，MOR為氣象光學(xué)視程，ε為對比閾值，σ為消光系數(shù)。

當(dāng)ε=0.05 時(shí)，MOR=2.996/σ。

1.3 資料來源

采用榆林站2014年5月1～20日08：00、11：00、14：00、17：00、20：00時(shí)共100個(gè)時(shí)次、100組自動和人工目測能見度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，自動能見度觀測儀器為前向散射能見度儀。

2 自動與人工目測數(shù)據(jù)分析

2.1 差值序列分析

由圖1可見，2種觀測數(shù)據(jù)的趨勢相同，差值絕對值的平均為5.9，最大差值為17.4，最小差值為0.2；在低能見度時(shí)，自動能見度低于人工目測值，在高能見度時(shí)，自動能見度值高于人工目測值；自動能見度觀測到的最高值高于人工目測值，最低值低于人工目測值。

2.2 各能見度區(qū)間差值分析

將自動能見度值劃分為5個(gè)區(qū)間[2]，分析在每個(gè)區(qū)間內(nèi)自動值和人工值的平均差值，即自動觀測值與人工目測值差值絕對值的平均。經(jīng)分析，能見度0～10.0、10.1～15.0、15.1～20.0、20.1～30.0、>30.0 km的平均差值分別為3.6、6.6、4.9、3.6、8.1 km，可見

能見度在30 km以上時(shí)二者差值最大，0～10.0和20.1～30.0 km區(qū)間差值較小。

3 數(shù)據(jù)差異原因分析

3.1 采樣范圍、頻率不同

自動能見度儀采樣區(qū)中心高度定為2.8 m，而人工目測高度為1.5 m左右。自動能見度儀的采樣范圍為一小段范圍內(nèi)的大氣樣品，采樣頻率為4次/min，每分鐘輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，為1 min內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。為了消除采樣范圍較小、數(shù)據(jù)波動大的問題，采用了滑動平均的算法，正點(diǎn)能見度采用10 min滑動平均值。人工目測采樣范圍為觀測點(diǎn)四周360°可視范圍，為觀測場四周可視空間的平均狀況。

3.2 人為因素

人工目測能見度時(shí)，受光照條件、背景顏色、目標(biāo)物大小、顏色、人眼的視力條件以及觀測人員的心理因素影響很大，且對“能見”的概念沒有量化指標(biāo)，主觀性極強(qiáng)，不同的人觀測的結(jié)果會不同。

3.3 環(huán)境和儀器因素

自動能見度儀受外界影響很大，在采樣區(qū)內(nèi)稍有干擾，觀測數(shù)據(jù)就可能發(fā)生很大變化，如灰塵、煙塵、落葉、飛鳥等均會對觀測數(shù)據(jù)造成很大影響。另外觀測值還受儀器本身狀態(tài)影響，采樣區(qū)體積狹小，當(dāng)大氣中氣溶膠分布不均時(shí)，誤差較大。

4 能見度與霧、霾天氣現(xiàn)象的判別

能見度是霧、霾等天氣現(xiàn)象的主要判別依據(jù)。由于使用了自動能見度儀，2種現(xiàn)象的判別與人工判別有所不同。能見度實(shí)現(xiàn)自動觀測的臺站，霾和霧由地面氣象觀測業(yè)務(wù)軟件自動判別，判別依據(jù)有能見度、風(fēng)速、濕度3個(gè)要素；而未實(shí)現(xiàn)能見度自動觀測的臺站以人工識別，除以上3個(gè)要素外，還有顏色、氣味等感官判斷，故二者方法不同，結(jié)果不同。

5 小結(jié)

自動觀測能見度數(shù)據(jù)較人工目測的能見度更加客觀，有明顯的優(yōu)勢，極大地提高了觀測工作效率，同時(shí)觀測數(shù)據(jù)更具有一致性和科學(xué)性，避免了人為的觀測誤差。

為獲得更準(zhǔn)確的觀測資料，在自動能見度儀建設(shè)時(shí)選址要符合規(guī)范，盡量避開典型的局地環(huán)境狀況，安裝、維護(hù)、標(biāo)校要嚴(yán)格進(jìn)行，如有沙塵、霧、降水等現(xiàn)象出現(xiàn)后，要及時(shí)進(jìn)行清理，確保儀器感應(yīng)靈敏。

在資料使用方面，建議自動觀測與人工目測資料區(qū)別使用，不能簡單進(jìn)行比較。霧、霾的判斷標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)進(jìn)一步完善，如增加PM2.5等要素加以識別。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2003：149-152.

[2] 楊玉霞，胡雪紅.PWD20能見度儀及與目測能見度對比分析[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009（6）：61-63.

責(zé)任編輯 宋平 責(zé)任校對 李巖