基于散射能見度儀自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)差異探討

趙紅云

（湘潭市氣象局，湖南 湘潭 411100）

1 散射能見度儀工作原理

該設備工作形式為設備觀測加軟件分析，儀器既可作為獨立設備應用，亦可連接納入至自動站采集系統(tǒng)。儀器主要分為發(fā)射器、接收器、電源箱構成，其工作原理將所測量的45°散射的紅外光強度為依據(jù)判定氣象的光學視程（如圖1所示）。儀器中發(fā)射器能夠發(fā)出2kHz的紅外脈沖波，至大氣中可形成近似平行狀態(tài)的紅外光束，當與大氣中懸浮顆粒相遇后變會形成散射（紅外脈沖波長與懸浮顆粒直徑處于同一個量級后便會產生散射現(xiàn)象），形成的散射總量與紅外波束的衰減呈現(xiàn)為正比關系；當接收器采樣區(qū)域內出現(xiàn)光束后，便匯集散射光束，并將紅外光束轉化為可處理電信號，經(jīng)由儀器中變送器同步放大器對電信號進行篩選處理后輸送至控制器單元中，通過計算大氣對于入射光束的散射情況以確定出散射系數(shù)及散射總量，變可進一步獲得透過量，在不需要考慮大氣及懸浮物吸收作用的條件下，光束的散射系數(shù)將等同于消光系數(shù)，以此便可準確計算出大氣的能見度數(shù)值[1]。

圖1 散射能見度儀工作原理

散射能見度儀理論觀測范圍為10～35000m的大氣能見度，其觀測誤差值為階梯形式存在：10～10000m范圍內誤差為±10%、10～20000km范圍誤差為±15%、10～35000m范圍誤差為±20%；儀器能見度數(shù)據(jù)輸出形式主要為1min、10min能見度，時間常數(shù)為60s，更新周期為15s[2]。

2 研究資料來源

本研究中所應用的研究資料采用湘潭國家氣象觀測站、韶山國家氣象觀測站2014年11月-2015年10月份完整資料，從中選取每日8:00、11:00、14:00、17:00、20:00自動觀測及人工觀測的大氣能見度數(shù)據(jù)；自動觀測以及人工觀測信息化資料來自自動氣象站A文件及人工站氣簿-1。

3 比差與符合率分析

3.1 資料處理

3.1.1 資料修正方式

為使所選取資料具有研究對比意義，根據(jù)散射能見度儀35000m的觀測上限，將資料中人工觀測值大于35000m的數(shù)據(jù)修改為35000m[3]。

3.1.2 計算分析

3.1.2.1 比差值計算

觀測的比差值計算方法可以表示為：

式中，Xi表示第i次觀測的比差值；Vi表示第i次自動觀測數(shù)值；VVi表示第i次人工觀測數(shù)值。

比差值月度平均值可以表示為：

式中，X表示比差值月度平均值；a表示自動觀測與人工觀測的平均觀測次數(shù)。

3.1.2.2 月度符合率計算

式中，C表示月度的符合率（取值范圍為基于氣象能見度要素的比差值月度平均值的2倍）；Xmin表示月比差值小于符合率范圍的次數(shù)；Em表示月度中總有效觀測次數(shù)。

3.2 符合率分析

將資料中自動觀測以及人工觀測的能見度要素計算比差值，并評估出不同觀測方法的符合率（如表1所示）。

表1 自動觀測及人工觀測中符合率情況

從上表中可以發(fā)現(xiàn)不同觀測方式的符合率整體上看呈現(xiàn)為下降的趨勢，6個月中1～3月的符合率相對較高，其中1月份大氣環(huán)境為相對的穩(wěn)定，但霧霾天氣較多，致使符合率較大；至4月份后大氣環(huán)境變得較為復雜，但能見度有所改善，因此符合率出現(xiàn)大幅度的下降；所有月份中5月的符合率最低，說明此月份中不同觀測方式下數(shù)據(jù)具有較大的波動；6個月符合率的平均值為76.4%。根據(jù)詳細資料顯示1月份自動觀測中能見度大于15000m共有14個時次，而能見度為35000m為1個時次，五月份中能見度大于15000m共有103個時次，而能見度為35000m為22個時次，可見大氣能見度的變化對不同觀測方式的差異影響較大。

4 估計值對比分析

4.1 各時次均值對比分析

統(tǒng)計資料中不同觀測時次均值，可進行不同觀測方式下數(shù)據(jù)擬合的分析（如圖2所示）：單日中8時的能見度為最低值，14時、17時能見度最高，白天不同觀測方式的結果具有較好的數(shù)據(jù)擬合性；整體上來看，單日中人工觀測的能見度優(yōu)于自動觀測，但14時出現(xiàn)自動觀測能見度高于人工觀測的情況，而在17時后自動觀測能見度發(fā)生降低。在人工觀測中最大能見度可定義為消失距離，其對比感閾值為0.02，自動觀測能見度對比感閾值為0.05，其數(shù)值接近發(fā)現(xiàn)距離，并且消失距離高于發(fā)現(xiàn)距離，滿足氣象光學距離測量值低于白天能見度測量值的30%的標準[4]。

圖2 單日自動觀測與人工觀測能見度時平均觀測數(shù)據(jù)差異趨勢

根據(jù)世界氣象組織關于能見度測量資料顯示，在白天狀態(tài)下，人工觀測的能見度數(shù)值將會高于光學儀器觀測能見度15%左右。根據(jù)本次研究中不同觀測方式的差值百分比數(shù)據(jù)顯示（如表2所示），不同觀測方法的能見度對比顯示，白天的差異均值為5.0%，結果與世界氣象組織相關數(shù)據(jù)相符合。

表2 不同觀測方式能見度差值百分比

4.2 不同天氣現(xiàn)象時能見度差值分析

在不同天氣現(xiàn)象中霾、浮沉時不同觀測方式變化趨勢的一致性相對較差，具有顯著的離散型特點，其均值差約為17700m、相關系數(shù)為0.49；在雨雪天氣下，不同觀測方式的能見度變化趨勢具有較好的一致性，相關系數(shù)為0.76，但具有較大的離散性，且人工觀測可見度基本都高于自動觀測，平均差值達到19100m；在輕霧天氣具有較好的一致性，相關系數(shù)為0.92，且離散性較小，平均差值為7800m。根據(jù)不同天氣現(xiàn)象下兩種觀測方式能見度曲線可以發(fā)現(xiàn)，在不同性質顆粒的影響下均會產生不同程度的觀測誤差（圖3）。

圖3 不同天氣現(xiàn)象下兩種觀測方式能見度曲線

5 兩種觀測方法數(shù)據(jù)差異原因分析

自動與人工觀測工作方式不同，自動測量中接收器測量與發(fā)射器發(fā)出的光束成一定角度的散射光束，然后由CPU處理計算出氣象光學視距；而人工觀察的能見度是指在周圍視場的一半以上范圍內可以看到目標的最大水平距離。人工觀測目標的最大可視距離為消失距離，對比度閾值為0.02，自動能見度觀測是發(fā)現(xiàn)距離，對比度閾值為0.05，消失距離大于發(fā)現(xiàn)距離。

近年來，社會發(fā)展迅速，人工觀測中的固定目標源出現(xiàn)了較大的變化，對人工觀測的精度有一定的影響；季節(jié)也是重要的影響因素，冬季能見度受霧霾等因素影響，能見度低，不過觀測較為穩(wěn)定，而春季雖然能見度提高，但觀測值跨度較大；大氣中水分、顆粒等也會影響儀器的性能；兩種觀察工作方式時間不一致，人工觀測從正點前15min開始，自動站為正點前10min的平均值；強降雨、強風和其他惡劣天氣現(xiàn)象也是造成觀測差異的主要因素；觀察者的個人不確定性，如視力、觀察習慣等也會造成較大的影響[5]。

6 結論

通過分析后發(fā)現(xiàn)，散射能見度儀精度優(yōu)于人工觀測，并且能夠實現(xiàn)自動化連續(xù)觀測，有效彌補人工觀測中存在的缺陷。隨著科學技術的不斷發(fā)展以及應用需求的不斷提升，散射能見度儀將會逐步替代人工觀測，成為未來主要發(fā)展方向。