能見度儀自動觀測霧的結果分析
——以石河子地區(qū)為例

張 玲，劉 勇，張 明，楊明鳳

（新疆石河子烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗站，新疆 石河子 832000）

隨著我國城市化和工業(yè)化進程的加快，在我國有部分城市霧和霾天氣明顯增多，并且開始影響和危及到人們的生活和健康。陰霧天氣對交通安全有著很大的影響，造成航班延誤、車輛擁堵、高速公路封閉等情況，帶來了惡劣的社會影響，霧天的觀測已成為社會關注度較高的氣象要素之一。我國政府和環(huán)境部門對此高度重視，中國氣象局為此組織開展了環(huán)境氣象業(yè)務改革工作，加快推進我國綜合觀測業(yè)務調(diào)整和觀測自動化進程，提高環(huán)境氣象的觀測和預報服務能力[1]。

從2014年起，全國地面氣象觀測的霧、輕霧等視程障礙現(xiàn)象陸續(xù)由人工觀測轉為自動能見度觀測儀采集，開啟了能見度觀測自動化模式。由于自動觀測與人工觀測的原理不同，造成了自動與人工觀測數(shù)據(jù)之間的差異。視程障礙類天氣現(xiàn)象自動觀測判別，是由SMO 軟件根據(jù)能見度儀、溫濕度傳感器等相關地面氣象自動觀測數(shù)據(jù)進行閾值分析。而在人工觀測中，霾與輕霧、浮塵和煙塵等這些視程障礙現(xiàn)象比較難判識，在實測中往往會引起一些爭議，在人工觀測記錄中，觀測員難免將個人主觀判識偏差帶入這些視程障礙天氣記錄中。

近幾年，國內(nèi)學者姚作新[2]等開發(fā)了新疆霧霾天氣自動判識軟件業(yè)務系統(tǒng)，已經(jīng)對2000年前后逐步建設的地面自動氣象觀測系統(tǒng)資料開展了大量的研究。對霧和霾等各類視程障礙天氣現(xiàn)象的研究逐漸增多，這些研究主要針對儀器的測量原理與觀測方法、觀測時間和空間、采樣方式與算法等方面。司鵬[3]等對天津2014年2月的霧霾自動觀測與人工觀測進行對比評估。宋明明[4]等分析了攀枝花國家基本站2014年一季度自動觀測霾的結果。但對這些天氣現(xiàn)象觀測資料，特別是自動與人工觀測資料的對比分析時段較短，數(shù)據(jù)量小。為此，本文利用石河子墾區(qū)4個氣象站2015―2016年能見度儀觀測資料與1964―2014年人工觀測霧的日數(shù)進行對比，分析能見度儀觀測霧的結果。尋找人工和自動觀測氣候資料的相關性，確定前后觀測數(shù)據(jù)的訂正思路和方法，對提高氣象要素觀測數(shù)據(jù)序列連續(xù)性以及氣候統(tǒng)計的可靠性有著重要的作用。

1 資料與方法

文中所用資料由新疆石河子氣象局提供，為新疆石河子炮臺站（51352）、莫索灣站（51353）、石河子站（51356）和烏蘭烏蘇站（51358）4個國家級地面氣象觀測站1964―2014年歷年人工觀測數(shù)據(jù)和2015―2016年能見度儀自動觀測霧的數(shù)據(jù)。霧天日數(shù)的統(tǒng)計，以20時為日界，一日內(nèi)只要出現(xiàn)1 次或者以上霧的記錄就統(tǒng)計為1個霧天日數(shù)，如果有霧是從20時前延續(xù)至次日的，則按2 d 記錄。霧的自動觀測采用的是華云升達公司HY-W35 前向散射式能見度儀，其測量的是一定空氣體積對光的前向散射，通過消光系數(shù)計算得到氣象光學視程。

2 結果與分析

2.1 霧天年日數(shù)變化趨勢

圖1 石河子墾區(qū)1964―2016年歷年霧日數(shù)

由圖1 可見，1964―2014年人工觀測階段，霧天出現(xiàn)日數(shù)略有上升，2015―2016年采用自動觀測后，出現(xiàn)霧天日數(shù)急劇增加的情況。石河子墾區(qū)1964―2016年平均出現(xiàn)霧天日數(shù)為16.1 d，呈現(xiàn)弱的增加趨勢，遞增率為2.1 d/10 a。在人工觀測階段1964―1977年、2005―2011年為偏少時期，1978―1987年和1997―2004年為偏多期，其中1979年出現(xiàn)霧天日數(shù)最多，為28.0 d，高出歷年平均值73.9%；最少霧天日數(shù)出現(xiàn)在1968年，為5.7 d，僅達到歷年平均日數(shù)的三分之一；最多和最少日數(shù)年份差值為22.3 d，極比為4.9（＞4.0），說明霧天出現(xiàn)日數(shù)年際波動大，不穩(wěn)定。2015―2016年自動觀測階段，霧天日數(shù)分別為35.7 d 和52.7 d，均大于人工觀測最大值，2016年出現(xiàn)日數(shù)比歷年最大多了88.2%，說明與人工觀測霧天日數(shù)差異較大。在人工觀測階段，在夜間不守班期間，容易漏測短時的霧，并且受到觀測人員主觀判斷的影響，自動觀測可以24 h 不間斷觀測，可以監(jiān)測到短時的霧，因此在一定程度上導致了石河子墾區(qū)自動觀測霧天日數(shù)明顯增加。

2.2 霧天年代際變化

石河子墾區(qū)4個氣象站1964―2016年霧天日數(shù)年代際變化見圖2，自動觀測數(shù)據(jù)為2015―2016年2年的霧天日數(shù)的平均，20 世紀60年代是指1964―1970年、70年代指1971―1980年，80、90、00年代依次類推，21 世紀10年代是指2011―2014年，平均為1964―2014年的霧天日數(shù)平均值。石河子墾區(qū)1964―2014年人工觀測期間，霧天多年平均日數(shù)為15.7 d，炮臺、莫索灣、石河子和烏蘭烏蘇站歷年平均霧天日數(shù)分別為25.3 d、16.2 d、9.6 d 和11.8 d，年平均霧天日數(shù)最多的是炮臺站，莫索灣站次之，最少的是石河子站，烏蘭烏蘇站與石河子站差異不大。4個臺站20 世紀60年代至21 世紀10年代霧天日數(shù)的年代際變化存在兩兩相似的趨勢，分別是炮臺與莫索灣站和石河子與烏蘭烏蘇站比較接近。炮臺與莫索灣站在20 世紀80年代出現(xiàn)霧天的日數(shù)最多，并且霧天日數(shù)呈波形振蕩增加的趨勢，炮臺站年平均霧天日數(shù)最高為34.1 d，20 世紀60年代最少，莫索灣站年平均霧天日數(shù)僅為4.7 d，也是4個臺站年代際中出現(xiàn)最少的時期。2015―2016年自動觀測期間出現(xiàn)的霧天日數(shù)僅次于最高的20 世紀80年代，比人工觀測的多年平均值高了5 d 以上，莫索灣和炮臺站自動觀測霧天日數(shù)比同一時期的21 世紀10年代分別多了6.2 d 和2.2 d。石河子和烏蘭烏蘇2個臺站20 世紀60年代至21 世紀10年代霧天日數(shù)年際間變化較小，呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，在2015―2016年自動觀測期間的年平均霧天日數(shù)最多，分別達到了21.5 d 和21.7 d；21 世紀10年代是人工觀測階段的峰值期，比多年平均值增加了2.2 d，比臨近的2000年增加了2.5～3.6 d，說明自2010年以來靠近城市附近的臺站霧天日數(shù)是略有增加的；20 世紀80年代是最低時期，分別為8.1 d 和9.3 d。

圖2 石河子墾區(qū)1964―2016年霧天日數(shù)年代變化

2.3 霧天月日數(shù)差異分析

石河子墾區(qū)1964―2016年人工和自動觀測霧天月平均日數(shù)如圖3所示，霧天月變化呈單峰型，霧天主要出現(xiàn)在11月至次年的3月，占全年總霧天日數(shù)的95%以上，在5月和6月4個臺站都沒有出現(xiàn)過霧天。人工觀測期間，2月霧天出現(xiàn)最多，為3.9 d；自動觀測期間，霧天峰值出現(xiàn)在12月，平均霧天日數(shù)為13.4 d，比人工觀測的最多月多了9.5 d。人工和自動觀測霧天月平均日數(shù)的前三名均為12月至次年2月，但是人工觀測到的霧天日數(shù)明顯少于自動觀測，分別偏少了29.0 d、19.4 d 和24.8 d，其它月份人工觀測與自動觀測的天數(shù)比較接近，沒有顯著的差異。

圖3 石河子墾區(qū)1964―2016年霧天日數(shù)月變化

在新型自動氣象視程障礙天氣現(xiàn)象的自動判識過程中，自動能見度和相對濕度是決定因素，表1選取了烏蘭烏蘇站人工和自動觀測的1月數(shù)據(jù)進行對比分析，人工、自動觀測的霧天日數(shù)分別為5.0 d 和10.5 d，自動觀測的霧天日數(shù)是人工的2 倍，人工觀測到的霧出現(xiàn)在夜晚和白天的概率分別是45.9%和54.1%，夜間和白天出現(xiàn)的概率相差不大；自動觀測夜間和白天出現(xiàn)的霧的概率分別為63.4%和36.6%，出現(xiàn)霧的概率夜間明顯大于白天。霧出現(xiàn)期間的最小能見度平均值人工觀測遠遠大于自動觀測，人工觀測到的霧出現(xiàn)期間的最小能見度夜間大于白天，最小值為300 m，分別出現(xiàn)在2012年的白天和2013年夜晚；自動觀測到的霧出現(xiàn)期間的最小能見度夜晚小于白天，最小值為68 m，出現(xiàn)在2016年的夜晚。

3 結論與討論

52年來，石河子墾區(qū)霧天日數(shù)略呈增長趨勢，石河子墾區(qū)2000年以來霧天的增加與石河子市人口和工業(yè)的快速增加有著密切的關系。自動觀測年平均霧天日數(shù)比50年人工觀測平均值明顯偏多，比人工觀測最多年份多1 倍以上，這主要是由于霧的自動觀測是24 h 連續(xù)觀測且儀器靈敏度較高，能夠消除人的視力、觀測角度、觀測經(jīng)驗等主觀習慣的影響。

石河子墾區(qū)4個氣象站霧天日數(shù)的年代際呈現(xiàn)少- 多- 少- 多的變化趨勢，位于墾區(qū)北部的炮臺站和莫索灣站的霧天日數(shù)，明顯比位于南部的石河子站和烏蘭烏蘇站多，并且年代際變化趨勢也兩兩接近。莫索灣和炮臺站人工觀測霧日天數(shù)的峰值出現(xiàn)在20 世紀80年代，自動觀測平均霧日數(shù)與20 世紀80年代平均值接近，但是明顯高于20 世紀50年的人工平均值。石河子和烏蘭烏蘇兩站在人工觀測階段的霧天日數(shù)在年代際變化上沒有明顯的峰值，自動觀測平均霧天日數(shù)明顯高于各年代平均值。由此可以看出，位于石河子市附近的石河子站和烏蘭烏蘇站，霧天日數(shù)受到城市建設和環(huán)境變化的影響較大，自動觀測的霧天日數(shù)明顯高于人工觀測。

自動觀測到的霧的時間較短，其結果與人工觀測相比有著明顯的差異，這主要是由于人工和自動觀測工作原理不同而造成的，人工觀測和自動觀測的對比視感閾分別為0.02 和0.05，當大氣消光系數(shù)相同時，人工能見距離約為自動光學視程的1.3 倍，自動觀測的能見度儀測量只是通過發(fā)射器和接收機之間的一小塊空氣的散射光強度，僅以這一段空氣的結果代表此站的能見度，而人工觀測的是四周視野中1/2 以上的有效水平能見度，因而自動觀測霧天出現(xiàn)的日數(shù)比真實情況偏多。