人工与自动大气能见度观测的对比分析

吴世美，吴有恒

(贵阳市气象局，贵州 贵阳 550001)



人工与自动大气能见度观测的对比分析

吴世美，吴有恒

(贵阳市气象局，贵州 贵阳 550001)

大气能见度是最重要的气象学指标之一，其准确观测对气象及相关领域具有重要意义。在实际观测中经常存在器测数据与人工观测数据差异明显的现象，用对比观测期贵阳国家基准气候站的大气能见度仪器观测与人工观测数据分析，结果表明：人工与自动观测数据还是有较好的一致性、相关性。大气无雾、污染环境下，人工观测存在主观差异，能见度观测值偏大，前向散射能见度仪自动观测结果稳定，观测数据接近大气能见度的真实值。在局部雾带、大气受污染环境下，人工观测能见度平均误差低于自动观测数据平均误差。在大气受污染环境下，前向散射能见度仪自动观测的能见度偏小。前向散射能见度仪自身的清洁度等因素对观测值起到了至关重要的影响，在仪器使用过程中应引起足够重视。

能见度；主观误差；局部雾带；前向散射能见度仪

1 引言

能见度在气象学中得到广泛应用，一方面因为它是表征气团特性的要素之一，以能见度表示的大气光学状态，可满足天气学和气候学的需要；另一方面，因为它是与特定判据或特殊应用相对应的一种业务性参量，在航空、航海及其他交通运输领域里，它是关系到安全保障的重要气象要素之一。在环境监测领域里，它是体现大气污染程度的重要特征量。

能见度的测量通常有两种方式，即人工观测和能见度仪观测。由于人工观测有主观性差异，目前国内气象台站已普遍采用能见度仪开展大气能见度的测量。然而，近年来的工作实践发现，能见度仪在使用过程中出现器测数据与人工观测数据有明显差异的现象，因此，有必要研究两种数据之间的相关性、稳定性和客观性。

2 观测原理

能见度的人工观测是一个复杂的心理物理现象，其估计值依赖于个人的视觉和对“可见”的理解水平。实际工作中，在气象台站周围各方向选择距离不同的若干黑色目标物作为能见度观测目标物，测出距离和方位，绘制出能见度目标物分布图，作为观测时的参考。由于测站周围各方向、各距离能见度目标物数量有限，不能满足实际工作的需求，因此，地面气象观测规范规定，观测方向有目标物时，若某一距离的目标物刚好能见，则该目标物的距离即为该方向的能见度。若在该方向上能清晰地看到某一距离上的目标物，但无更远或看不到更远的目标物轮廓，则可根据其颜色和较细小部分的清晰程度，参考下列经验进行判定：

①当目标物的颜色和较细小部分(例如远处房屋的窗框、村庄中的单个树木等)都能清楚分辨时，能见度通常可定为该目标物距离的5倍以上。

②当目标物的颜色和较细小部分隐约可辨时，能见度通常可定为该目标物距离的2.5～5倍。

③当目标物的颜色和较细小部分很难分辨时，能见度通常可定为该目标物的距离，但不应该超过2.5倍。

前向散射能见度仪工作原理及光学原理：大气中光的衰减是由散射和吸收引起的，在一般情况下，吸收因子可以忽略，而经由水滴反射、折射或衍射产生的散射现象是影响能见度的主要因素，测量散射系数的仪器可用于估计气象光学视程(MOR)。前向散射能见度仪正是通过测量散射光强度得出散射系数，从而估算出消光系数。根据柯西米德定律计算气象光学视程(MOR)

式中：MOR气象光学视程，ε为对比阈值，σ为消光系数。

当 ε=0.05 时，有

从而可以得出气象光学视程。

图1 前向散射能见度仪光学原理图Fig.1 Optical principle of the forward scattering visibility meter

3 资料与对比分析

3.1 资料来源

数据来源于贵阳国家基准气候站2015年1月

9日—5月26日(分时段)、白云国家一般气象站、乌当国家一般气象站2015年5月27日质量控制后的观测数据。

3.2 对比观测分析

由图2可知，在无雨雾天气的对比观测期间，人工与自动观测数据之间存在一定差异，但人工与自动观测数据还是有较好的一致性、相关性，两者之间的差异随目标物能见距离增大而增大，5 km以内差异较小，5 km以上差异较大。不同观测员能见度观测数值之间存在均值1.4 km的差别，最大值超过3.0 km，不同能见度仪的能见度观测数值则几乎无差别(差别均值<0.3 km)；两位观测员能见度观测值的平均值明显高于客观值(最远能见目标物距离)，平均高出3.9 km，最大高出9.5 km，而两台能见度仪的能见度观测数值的平均值与客观值(最远能见目标物距离)非常接近(两者差别<0.4 km)。由此可见，在无雨雾天气时，与人工观测相比，能见度仪观测结果稳定，接近大气能见度的真实值；而人工观测则通常存在一定的主观差异。

图2 大气能见度的能见度仪观测值与人工观测值的对比(观测数据按照“最远能见目标物距离”由小到大排列)Fig.2 Comparison between the instrumental observations and the artificial observations(The data of distances of visible object was in ascending order)

4 局部雾带对能见度观测的影响

为了研究局部雾带对人工与自动大气能见度观测的影响，我们于2015年3月19日—5月13日(分时段)，在贵阳国家基准气候站观测场，开展详细地对比研究，共计获得对比观测记录16组，如图3所示。对比观测分为：①两位观测员的大气能见度对比观测；②两台同一型号的前向散射能见度仪的对比观测；③东、西两个方向最远目标物距离。同期，对大气颗粒物浓度(PM1.0，PM2.5，PM10)、湿度，风速，风向等气象参数进行了观测(见表1)。

如图3所示，在局部雾带和大气环境受污染的时候，两位观测员能见度观测数值在目标物能见距离较大时，其观测值存在较大的差别，观测员1观测数值偏大，平均误差1.2 km，观测员2观测数值偏小，平均误差-0.2 km。能见度仪的观测数值偏小，在用能见度仪观测值平均误差-2.2 km，对比观测能见度仪观测值平均误差-2.5 km。这表明在大气环境受污染时，大气能见度的人工观测值要优于能见度仪观测值。结合大气颗粒物浓度数据发现，大气颗粒物浓度与大气能见度呈现较好的反相关。随着大气颗粒物浓度的升高，人工观测的大气能见度就越接近大气能见度真实值，而能见度仪观测的能见度就越小于大气能见度真实值。

图3 局部雾带时期的大气能见度对比观测及大气颗粒物浓度(对比观测数据共16组,按照“能见度仪观测的能见度”由小到大排列)Fig.3 contrast observation of atmospheric visibility and atmospheric particulate matter concentration during the local fog period(6 groups of observation data, arranged in accordance with the visibility observed by the instrument)

数据组观测时间湿度/%风向风速(m/s)备注12015年3月19日12∶20531812.4西面城区雾和霾的混合雾22015年5月26日16∶5074313.7东面长时间雨后局部雾带32015年5月26日16∶2869952.4东面长时间雨后局部雾带42015年5月26日16∶1867811.7东面长时间雨后局部雾带52015年4月29日14∶55941093.5西面城区雾和霾的混合雾62015年5月13日9∶40891933.1西面城区雾和霾的混合雾72015年5月13日10∶02871594.0西面城区雾和霾的混合雾82015年5月13日10∶20861873.7西面城区雾和霾的混合雾92015年3月19日12∶30472074.4西面城区雾和霾的混合雾102015年4月21日11∶32613212.3西面城区雾和霾的混合雾112015年4月21日8∶5582462.8西面城区雾和霾的混合雾122015年4月21日10∶52631073.5西面城区雾和霾的混合雾132015年4月29日15∶05871052.6西面城区雾和霾的混合雾142015年4月29日15∶1582872.1西面城区雾和霾的混合雾152015年4月21日10∶00731212.2西面城区雾和霾的混合雾162015年4月29日15∶39721102.6西面城区雾和霾的混合雾

5 仪器清洁等因素对能见度观测的影响

能见度仪观测设备自身的清洁度往往对观测结果产生至关重要的影响，然而，在实践过程中这一因素往往被人们忽视。为科学评估前向散射能见度仪自身清洁度对观测结果的影响，我们于2015年5月27日在白云国家一般气象站、乌当国家一般气象站开展了仪器清洗前、后的对比观测研究，为了保证观测结果准确性，同步采用另一台同型号的清洁的能见度仪开展对比观测(表2)。

由表2可知，在用能见度仪清洁前、后的能见度观测值存在很大差异，清洁后与对比设备的大气能见度观测值非常吻合。以白云站对比观测为例，在用能见度仪清洁之前，其大气能见度观测值为17 011±792 m(n=21)，而对比设备的大气能见度观测值为6 655±480 m(n=21)，两者之差高达10 356 m。在用能见度仪清洁之后，其大气能见度观测值为6 800±193 m(n=19)，而对比设备的大气能见度观测值为6 307±174 m(n=19)，两者之差仅为493 m。乌当站的对比观测结果与之类似。由此可见，能见度仪自身的清洁度对设备观测值起到了至关重要的影响，在能见度仪使用过程中应引起足够重视。

表2 贵阳市白云气象站、乌当气象站仪器清洗前后的对比观测

6 结论与讨论

①人工与自动大气能见度观测数据之间存在一定差异，大气能见度在5 km以内，两者差异较小，5 km以上差异较大，在反映能见度大小数值上，两者观测值有较好的一致性。

②与人工观测相比，无污染天气背景下，能见度仪观测结果比较接近大气能见度的真实值，人工观测偏大，存在一定的主观差异。

③有雾带或大气受污染时，能见度自动观测数据与雾的粒子核大小有关，大粒子核时，其观测数据多不能客观反映大气真实能见度，数值偏小，具体原因有待进一步对比分析论证。由于有目标物作参照，人工观测比较接近大气真实能见度。

④仪器自身的清洁度对观测值可起到至关重要的影响，在仪器使用过程中应引起足够重视。

⑤人工与自动观测数据之间存在差异的原因可能来源于“清晰地看到某一距离上的目标物”时，人工放大了能见度数值。

[1] 张雪芬, 雷勇, 李崇志, 等. 前向散射能见度仪观测规范.中国气象局综合观测司，2011.09.

[2] 孙学金, 王晓蕾, 李浩, 等. 大气探测学.北京：气象出版社，2009.08.

Contrast study on the observation of artificial and automatic measurements of the atmospheric visibility

WU Shimei,WU Youheng

(Meteorological Bureau of Guiyang City, Guiyang 550001, China)

Atmospheric visibility is one of the most important indexes of meteorology. Its accurate observation is of great significance to meteorology and the related fields. The difference between the instrumental observation and the artificial observation often occurs. In this study, comparative observations were investigated at the national baseline climate station in Guiyang. The results show that: there is a good consistency and correlation between artificial and automatic observation data; in the air pollution-free environment, the artificial observation has subjective difference, which often leads to a larger visibility observation value, and the results of the automatic measurements are stable, close to the true value; under the environment of fog and air pollution, the average error of the artificial observation is lower than that of the automatic observation; in polluted atmospheric environment, the visibility of the automatic observations are often lower that the true values; instrument cleanliness has a critical impact on the observed values, and should be paid more attention in the use of the instrument.

visibility; subjective error; local fog; forward scattering visibility meter

1003-6598(2016)04-0081-05

2015-12-29

吴世美(1972—)，女，工程师，主要从事县级综合业务管理工作，E-mail:2682268362@qq.com。

黔气科合KF07号“前向散射能见度仪应用分析及界定修订阀值研究”。

P413

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