前向散射式能見度儀現(xiàn)場(chǎng)核查方法與應(yīng)用

李生慧，徐澤東，代永光，廖 鑫

（青海省大氣探測(cè)技術(shù)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(shí)別的最大水平距離[1]。能見度觀測(cè)對(duì)開展天氣預(yù)報(bào)，進(jìn)行氣候變化分析和開展氣象公眾服務(wù)至關(guān)重要。能夠?qū)崿F(xiàn)能見度自動(dòng)觀測(cè)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(yīng)用于全國(guó)各個(gè)自動(dòng)氣象站[2]。在實(shí)際應(yīng)用中，能見度儀觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性隨著環(huán)境的變化、使用時(shí)間的增加，不可避免地會(huì)發(fā)生變化，定期對(duì)能見度儀測(cè)量性能進(jìn)行核查是保證測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的重要工作[3-4]。

根據(jù)《前向散射式能見度儀核查方法（試行）》中關(guān)于“觀測(cè)站能見度儀現(xiàn)場(chǎng)核查”工作的要求，本文選用青海各氣象臺(tái)站普遍使用的華云升達(dá)（北京）氣象科技有限公司生產(chǎn)的DNQ1 型前向散射式能見度儀（下簡(jiǎn)稱“能見度儀”），使用PWA12 校準(zhǔn)套件對(duì)能見度儀進(jìn)行核查，并結(jié)合實(shí)際核查工作中的實(shí)際操作步驟、注意事項(xiàng)進(jìn)行了介紹[5]。

1 能見度儀的原理及構(gòu)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(shè)備三部分構(gòu)成，其中傳感器包括發(fā)射鏡頭和接收鏡頭。其探測(cè)原理是紅外光經(jīng)過發(fā)射鏡頭在大氣中形成接近平行的光束，接收鏡頭將采樣區(qū)內(nèi)特定方向的前向散射光匯集到接收機(jī)的光電傳感器上，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)處理、取樣和計(jì)算后得到采樣區(qū)內(nèi)特定方向的前向散射光強(qiáng)度值，由此計(jì)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(cè)原理如圖1 所示。

圖1 前向散射能見度儀探測(cè)原理圖

1.2 能見度儀的構(gòu)成

能見度儀具體由7 部分構(gòu)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(gè)遮光板和兩個(gè)散射板構(gòu)成。其中，散射板是兩個(gè)已知散射特性的不透明玻璃片，核查或校準(zhǔn)能見度儀信號(hào)強(qiáng)度值；遮光板主要用于遮擋接收光路，接收光路被遮擋時(shí)可核查能見度儀標(biāo)稱量程上限值[7]。核查套件如圖3 所示。

圖3 核查套件

3 現(xiàn)場(chǎng)核查

按照《前向散射式能見度儀核查方法（試行）》中“觀測(cè)站能見度儀現(xiàn)場(chǎng)核查”方法對(duì)能見度儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核查[8]。

3.1 核查條件

現(xiàn)場(chǎng)核查時(shí)，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(jìn)行。

3.2 核查前的準(zhǔn)備

為保證核查結(jié)果的可靠性，能見度儀的發(fā)射鏡頭和接收鏡頭應(yīng)保持干凈，因?yàn)殓R頭被污染得到的能見度值將比實(shí)際能見度值更高。因而在進(jìn)行核查前需要檢查鏡頭區(qū)域是否有蛛網(wǎng)等異物，如有異物需及時(shí)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(jī)罩和鏡頭是否有積存的冷凝水、冰、雪，并擦去機(jī)罩內(nèi)外表面的灰塵。清潔儀器的同時(shí)應(yīng)檢查外觀上有無影響儀器觀測(cè)的損傷。須保證能見度儀外型結(jié)構(gòu)完好且具有儀器型號(hào)、出廠編號(hào)等明顯標(biāo)識(shí)[8]。外觀檢查合格后才能進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度值核查。

3.3 核查方法

全省國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站使用的能見度儀通信波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位分別為4 800、N、8、1。現(xiàn)場(chǎng)核查時(shí)，首先使用RS-232 標(biāo)準(zhǔn)通信線將電腦與能見度儀進(jìn)行連接，當(dāng)電腦端無九針串口時(shí)，可使用USB 串口線進(jìn)行轉(zhuǎn)接。通信接線如圖4 所示。

圖4 通信接線圖

核查時(shí)，電腦端使用串口調(diào)試軟件向能見度儀發(fā)送命令，以讀取數(shù)據(jù)[9]。

3.3.1 標(biāo)稱量程核查

本次實(shí)際應(yīng)用中所用的能見度儀標(biāo)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(yīng)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(jī)護(hù)罩內(nèi)以阻擋光路，等待1 min，輸入MES 命令讀取能見度儀標(biāo)稱量程，傳感器應(yīng)返回如圖6 中所示的信息。

返回?cái)?shù)據(jù)應(yīng)為能見度儀標(biāo)稱量程上限值。若未達(dá)到標(biāo)稱量程上限值，需終止操作到實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)或返廠維修。

完成標(biāo)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(jìn)行下一步操作。

3.3.2 信號(hào)強(qiáng)度值核查

在完成標(biāo)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(huì)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(hào)值。此時(shí)能見度儀會(huì)自動(dòng)返回信號(hào)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(hào)值穩(wěn)定之后，與散射板標(biāo)定信號(hào)值作比較。以散射板標(biāo)定信號(hào)值為基準(zhǔn)，若誤差小于等于10%，則能見度儀核查結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)；若誤差大于10%，則繼續(xù)修正。誤差計(jì)算公式如下：

式（1）中：ΔδS為被核查能見度儀信號(hào)強(qiáng)度值誤差；δS為被核查能見度儀輸出信號(hào)強(qiáng)度值；δSr為核查套件對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度標(biāo)稱值[10]。

在本次實(shí)際操作中，散射板信號(hào)強(qiáng)度標(biāo)稱值為622。根據(jù)式（1）計(jì)算得到∣ΔδS∣=2.9%，小于10%的誤差標(biāo)準(zhǔn)，可判定能見度儀核查結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)。

誤差大于10%時(shí)，需對(duì)能見度儀進(jìn)行修正。修正時(shí)輸入命令格式：CAL 622。此處以散射板信號(hào)強(qiáng)度標(biāo)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(hào)值，顯示的信號(hào)值應(yīng)等于散射板標(biāo)稱信號(hào)值。如需修正信號(hào)值和原信號(hào)值之間相差超過20%（此處假定散射板信號(hào)強(qiáng)度標(biāo)稱值為900），那么CAL 命令將會(huì)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(shí)，需檢查能見度儀是否有硬件或機(jī)械故障[11]。可輸入MES 3 或AUTOCHECK 命令，檢查能見度儀硬件狀態(tài)，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(tài)信息

完成校準(zhǔn)后，可發(fā)送mes 2 命令讀取當(dāng)前能見度值，返回格式如圖12 所示。

圖12 當(dāng)前能見度值

4 應(yīng)用實(shí)例

2020-06 -02 ，青海省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心技術(shù)人員對(duì)西寧二十里鋪氣象站現(xiàn)用能見度儀進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)核查。

4.1 外觀檢查

核查當(dāng)天，天氣晴朗，目測(cè)能見度在20 km 以上。

核查前，首先對(duì)儀器外觀進(jìn)行了檢查。檢查中發(fā)現(xiàn)，接收鏡頭上覆蓋蜘蛛網(wǎng)且鏡頭上有灰塵，隨即使用軟布浸泡酒精后對(duì)儀器鏡頭進(jìn)行了清潔；能見度儀外觀完好，標(biāo)牌和標(biāo)記完整、清晰，機(jī)械結(jié)構(gòu)完整且無變形。經(jīng)過外觀檢查與清潔后，能見度儀滿足核查要求，可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核查工作。

4.2 標(biāo)稱量程讀取

首先使用RS232 標(biāo)準(zhǔn)串口線將筆記本電腦與能見度儀進(jìn)行連接，然后對(duì)能見度儀進(jìn)行上電，并放置遮光板后讀取數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)35 000 為該設(shè)備的標(biāo)稱量程。完成標(biāo)稱量程讀取后，輸入ZERO 命令。標(biāo)稱量程讀取如圖13 所示。

圖13 標(biāo)稱量程讀取

4.3 信號(hào)強(qiáng)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(biāo)稱信號(hào)值為622）后，輸入CHEC 命令讀取能見度儀信號(hào)強(qiáng)度值，如圖14 所示。∣ΔδS∣＜10%，核查結(jié)果符合《前向散射式能見度儀核查

圖14 信號(hào)強(qiáng)度值讀取

根據(jù)式（1）計(jì)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(duì)能見度儀進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，如圖15 所示，能見度數(shù)據(jù)為25 532 m，與目測(cè)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(shù)據(jù)讀取

5 結(jié)論

本文結(jié)合《前向散射式能見度儀核查方法（試行）》，通過實(shí)際操作詳細(xì)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(xiàn)場(chǎng)核查方法現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用到全省國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站實(shí)際工作中。但在核查工作中也發(fā)現(xiàn)了問題，主要為散射板安裝時(shí)與鏡頭不平行帶來的人為操作誤差。因而在核查中應(yīng)嚴(yán)格按照核查規(guī)范操作，減少人為誤差所帶來的影響。