浙江省人工观测与仪器观测能见度对比分析

任 律 樊高峰 黄立丹

(1.浙江省气候中心，浙江 杭州 310017; 2.杭州市气象局，浙江 杭州 310051)

浙江省人工观测与仪器观测能见度对比分析

任 律1樊高峰1黄立丹2

(1.浙江省气候中心，浙江 杭州 310017; 2.杭州市气象局，浙江 杭州 310051)

随着自动能见度仪的使用越来越多，它所受关注和重视的程度也越来越高，利用2011年全省人工观测与仪器观测能见度资料，对全年能见度空间分布做了分析，能见度高值区位于西南山区和东部沿海地区，低值区位于杭州地区、金衢盆地及湖州部分地区。以杭州为例分析两种能见度资料在不同能见度水平和天气现象下的一致性，当能见度小于1 km时，两种能见度资料误差较小，能见度在1～10 km之间，误差有所增加，当能见度在10 km以上时，误差较大，仪器观测能见度只有一定的参考性。在考察天气对能见度的影响时发现，人工观测能见度波动较大，降水的分布不均匀对于能见度测量有较大影响，因此在测量霾天气能见度时应排除降水对能见度的干扰。

能见度；人工观测；仪器观测；对比分析

0 引 言

气象能见度反映了大气浑浊度。能见度不仅反映一个城市的大气环境质量，而且与城市发展、社会经济活动密切相关，特别是交通运输等行业受其影响更为明显。大气能见度是指视力正常的人在当时的天气条件下所能看到目标物的最大水平距离。能见度与大气的清洁程度有密切关系。大气能见度是气象站地面常规观测项目，资料记录年代较长。浙江省能见度观测一直采用地面观测，在能见度观测上，人工观测存在主观性强，频次低，夜间观测难等情况[1-2]。浙江省自2011年起在全省已全面启用能见度自动观测仪，且有用自动观测能见度逐步取代人工观测能见度的趋势。对于两种观测方法，已有不少对比分析[3-8]，研究表明，在不同天气条件影响下，两种观测方法存在一定的差异，当能见度较低时，二者结果较为接近，当能见度较高时，二者存在明显的误差。本文利用浙江省2011年在全省安置的前向散射能见度仪，通过对比人工观测与仪器观测能见度数据的一致性，检验仪器观测能见度仪的准确率，为人工观测能见度向仪器观测能见度过度提供有利依据，同时也为利用能见度仪监测低能见度事件打下基础。

1 资料及主要分析方法

浙江省自2011年起全面启用自动能见度仪。浙江省使用的自动能见度观测仪器是向前散射能见度仪，向前散射能见度仪是连续测量能见度的全自动仪器，它由发射机、控制接受机、处理器构成光学仪器，原理如图1。散射仪通过一个小空气内测量大气对入射光的散射情况确定散射系数，当不考虑大气及其中的杂质的吸收作用时，认为散射系数与消光系数相等，计算出大气光学距离。它是在3个假设的基础上通过散射光强来有效地计算消光系数。3个假设是：1)假定大气是均质的；2)假定分子的吸收、散射或分子内部交互光学效应为零；3)假定散射仪测量的散射光强正比与散射系数。能见度仪的测量值的范围为10～20000 m。在10～10000 m时，误差为±10%；在10～20 km时，误差为±15%。

图1 向前散射能见度仪结构与工作示意图

经检查，全省资料起始日期为2011年1月5日，为使各站点资料起始时间统一，因此从2011年1月6日开始使用自动观测能见度资料。本文重点分析杭州站数据，其他站数据作为辅助。主要分析能见度仪和人工观测资料之间的相关性，在不同能见度水平下和不同天气现象时资料的一致性。由于数据容量较大，故在研究不同内容时选取不同时间段的资料进行分析。

2 两种能见度资料的空间分布

将各站人工观测08、14、20时能见度资料的算术平均值作为目测日能见度资料，将仪器观测能见度前一天21时到当天20时能见度资料的算术平均值作为器测日能见度资料。分别计算出全年平均值，做出全省能见度分布图(图2)。

(a.人工观测；b.自动观测)图2 2011年全省能见度分布(单位：km)

可以看出，人工观测能见度的数值普遍比自动观测能见度高，从分布上来看，相同的分布是能见度高值区位于西南山区和东部沿海地区，低值区位于杭州地区、金衢盆地及湖州部分地区；能见度分布差别较大的地区为温州地区，人工观测中仅瑞安和温州两站处于能见度低值区，而自动观测资料中温州地区均处于能见度低值区。

3 4个定点时次逐日数据走势及相关性分析

由于自动能见度数据在数据库中存储的格式为逐月存放的连续时次资料，因此挑选杭州站2011-07-01—2011-11-30的02:00、08:00、14:00、20:00这4个时次观测数据进行对比。从这4个时次数据的对比曲线来看，能见度观测数据变化趋势基本一致，但是当能见度超过10 km时，人工观测能见度往往大于自动观测能见度，而当能见度低于5 km时，自动观测能见度小于人工观测能见度的情况也很多见(图3)。

利用该时间段4个时次的能见度仪观测数据与人工观测数据作相关，得到相关系数，见表1。可以看到，两组能见度数据的相关度非常高，相关系数均在0.8以上。从各时次来看，08时的相关系数最大，02时次之，20时的相关系数最小。

表1 能见度观测数据相关系数表

利用杭州站(基准站)2011年1月6日—12月31日一日24 h人工观测能见度资料与仪器观测能见度求日平均值(前一日21时至当日20时的平均值记为该日的日平均值)并做散点图(图4)，可以看出大多数的点集中在Y=X这条线附近，二者存在高度相关，且越靠近原点散点越密集，这意味着当能见度较小时，二者差值可能也较小，当能见度较大时，由于仪器的系统误差以及人工观测的主观性，散点的离散度增大，二者差值也增大。为了研究这一问题，须对两种资料的一致性做对比分析。

图3 02、08、14、20时能见度观测值对比图

图4 日平均人工观测能见度与仪器观测能见度散点分布图

4 两种能见度资料一致性对比分析

4.1 不同能见度水平下能见度资料一致性对比分析

由于人工观测与仪器自动观测属于不同观测方式，因此必须分析不同的能见度条件下，人工观测数据与仪器观测数据的差异。统计杭州站2011年4、7、10月以及2012年1月02、08、14、20时的定时能见度值，共492个时次，除去人工观测缺测1次及自动观测缺测57次，剩余有效时次为434次。按人工观测到的能见度的大小把数据分为5类，即V<1.0 km，1.0 km≤V<5 km，5 km≤V<10 km，10 km≤V<15 km，V≥15 km，分别统计每个等级内观测次数以及平均差值，结果如表2所示。

所采用的样本中，1 km以下的能见度样本相对较少，只有3个，1.0 km≤V<5 km，5 km≤V<10 km范围内样本数超过100个。从能见度重合率来看，仅当V≥15 km时有14.5%的能见度数值相同，其余分类中仪器观测数值都偏大或者偏小，且各分类中，均是仪器值偏小的概率较大，且都在偏小概率均在60%以上，当1.0 km≤V<5 km时仪器值偏小率最高，达到82.4%。两种能见度数据的样本平均差值采用差值的绝对值，平均差值随着观测范围的扩大而增大，差值最大的范围是10 km≤V<15 km，达到3.384 km，在该能见度区间里，相对误差也最大，达30.2%。

由此可见，当V<1.0 km时，人工与能见度仪测得的能见度差值很小；当1.0 km≤V<10 km时，两组能见度资料差距有所增加，但是能见度仪观测资料可用性仍然较高；当V≥10 km时，两组能见度资料平均差值达到3 km以上，存在较大误差，能见度仪观测资料有一定的可取性。

表2 人工观测与仪器观测能见度一致性对比

4.2 不同天气现象时能见度资料一致性对比分析

在造成视程障碍的天气现象中取3类来分析两种能见度资料，分别是雨、大雾、霾。在2011年中分别选取了3种天气现象的样本，由于各种天气现象出现的频率不同，因此样本数量上差距较大，其中雨日样本120个，霾的样本128个，雾的样本仅为9个。将该日出现某种天气现象的能见度数据做日平均处理，然后进行比较。结果见表3。在有雨和有霾时，两种能见度数据相关系数分别为0.904和0.813，都存在很好的相关，由于雾的样本较少，因此没有做相关分析。从数据差值上来看，仪器观测能见度偏大率较小，有雨时为22.7%，有霾时为20%，有雾时仅有一站仪器值偏大。3种天气的平均差值都在2 km以下，最小为雨天1.685 km。分别计算出现雨和霾天气时两列能见度数据的均方差，不管是何种天气，人工观测序列的均方差都大于仪器观测，这表明人工观测数据起伏较大。有雨时的能见度序列均方差高于有霾时的能见度序列，即有雨时观测所得能见度数据波动较大，这种结果可能和天气现象本身有关，因为雨的疏密直接会影响到能见度的观测结果，而不管是人工观测能见度还是仪器观测能见度，记录的都是在定时瞬间的能见度情况，因此受雨势变化影响较大，而霾天气则是相对均匀而持续的天气现象，能见度变化较为缓和。

表3 雨、雾、霾天气现象的能见度一致性对比

4.3 人工观测和仪器观测产生差异的原因分析

分析两种观测方式各自的优缺点。人工观测的能见度属于每日定时观测，观测次数一般为3个时次(或4个时次，基准站24 h观测)，资料的连续性较差，且观测是在整点之前的15 min之内完成；从观测方式来看，人工观测的能见度资料存在一定的主观性，白天和夜间的参照物不同，观测员的视力也会对观测结果有较大影响；但是，人工观测方式关注的是观测员面对的整个大气对视觉的影响程度，观测的是一个面，范围较广。仪器观测能见度的观测数据有小时间隔数据，也有10 min间隔数据，每次数据采集是在定时时次15 s更新完成，因此观测次数大大增加，数据的连续性较好，且仪器观测不受光线影响；但是能见度仪的观测前提是假定整个大气是均匀的，仪器采样的空间很小，以点带面，当大气均匀时代表性好，反之较差，因此，在能见度好的天气下，两者的差值更大，并且仪器观测更容易受到天气现象的影响。

除了上述原因之外，对于仪器的熟悉程度以及对于仪器的维护都成为影响仪器观测数据准确度的原因。从浙江省现有的仪器观测能见度数据来看，仍然有不少的缺测情况存在，且有不少错误数据存在。对于自动能见度仪的维护，要定期检查仪器上的灰尘、蛛网或其他阻挡物。建议每6个月清洁一次，或者根据实际情况增加次数，例如秋冬季节为雾霾多发时期，建议增加清洁次数。清洁时应使用专业的软布和清洁剂擦拭。当有元件故障需更换元件时必须在断电的情况下由专业人员进行，要注意元件的位置是否正确，电缆是否正确接在光学元件上。

5 结 语

1)从2011年全省能见度分布情况来看，人工观测能见度的数值普遍比自动观测能见度高，能见度高值区位于西南山区和东部沿海地区，低值区位于杭州地区、金衢盆地及湖州部分地区。

2)在不同能见度水平下对资料做一致性对比分析，不同能见度水平下，仪器偏小值概率较大，当能见度小于1 km时，能见度误差在仪器规定误差范围之内，由于仪器观测能见度时间连续度高，故在能见度很低时，采用自动能见度更有利于气象服务的开展；当能见度大于等于1 km小于10 km时，误差有所增加，但是资料可信度仍然较高；当能见度大于等于10 km时，误差继续增加，资料有一定的可用性。

3)对比不同天气现象时能见度资料的一致性，发现出现雨时两个能见度资料相关系数较高，出现雨天的能见度资料平均差值小于霾天气，但是雨天能见度资料的均方差大于霾天气，且人工观测能见度资料的均方差大于仪器观测能见度，这和雨和霾这两种天气现象本身的特性有关，也和两种能见度观测方式有关。由于降水是不均匀的，而霾是较均匀的，因此在测量霾天气能见度时应排除降水对能见度的干扰。

4)在浙江省已经全面启动自动能见度观测仪的情况下，施行人工观测和仪器观测能见度并行观测时期就显得尤为重要，仪器观测能见度在10 km以上观测误差较大，在实际应用中我们更关注的是10 km以下时的天气情况。在文中，对于1 km以下的的天气现象，特别是大雾的样本较少，未来应该继续收集样本，对雾天气下的两种能见度资料做进一步分析。此外，目前仪器在全省启用时间尚短，有不少观测员对于仪器不够熟悉，对仪器的维护和操作还需要进一步掌握，所以有一些站点的资料存在可信度较低或者缺测率高的情况，导致资料无法使用。所以，仪器观测能见度资料拥有较长时间序列且资料质量较稳定会更有助于人工观测能见度向仪器观测能见度过渡。

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2013-05-12