能见度仪自动观测雾的结果分析——以石河子地区为例

张 玲，刘 勇，张 明，杨明凤

（新疆石河子乌兰乌苏农业气象试验站，新疆 石河子 832000）

随着我国城市化和工业化进程的加快，在我国有部分城市雾和霾天气明显增多，并且开始影响和危及到人们的生活和健康。阴雾天气对交通安全有着很大的影响，造成航班延误、车辆拥堵、高速公路封闭等情况，带来了恶劣的社会影响，雾天的观测已成为社会关注度较高的气象要素之一。我国政府和环境部门对此高度重视，中国气象局为此组织开展了环境气象业务改革工作，加快推进我国综合观测业务调整和观测自动化进程，提高环境气象的观测和预报服务能力[1]。

从2014年起，全国地面气象观测的雾、轻雾等视程障碍现象陆续由人工观测转为自动能见度观测仪采集，开启了能见度观测自动化模式。由于自动观测与人工观测的原理不同，造成了自动与人工观测数据之间的差异。视程障碍类天气现象自动观测判别，是由SMO 软件根据能见度仪、温湿度传感器等相关地面气象自动观测数据进行阈值分析。而在人工观测中，霾与轻雾、浮尘和烟尘等这些视程障碍现象比较难判识，在实测中往往会引起一些争议，在人工观测记录中，观测员难免将个人主观判识偏差带入这些视程障碍天气记录中。

近几年，国内学者姚作新[2]等开发了新疆雾霾天气自动判识软件业务系统，已经对2000年前后逐步建设的地面自动气象观测系统资料开展了大量的研究。对雾和霾等各类视程障碍天气现象的研究逐渐增多，这些研究主要针对仪器的测量原理与观测方法、观测时间和空间、采样方式与算法等方面。司鹏[3]等对天津2014年2月的雾霾自动观测与人工观测进行对比评估。宋明明[4]等分析了攀枝花国家基本站2014年一季度自动观测霾的结果。但对这些天气现象观测资料，特别是自动与人工观测资料的对比分析时段较短，数据量小。为此，本文利用石河子垦区4个气象站2015―2016年能见度仪观测资料与1964―2014年人工观测雾的日数进行对比，分析能见度仪观测雾的结果。寻找人工和自动观测气候资料的相关性，确定前后观测数据的订正思路和方法，对提高气象要素观测数据序列连续性以及气候统计的可靠性有着重要的作用。

1 资料与方法

文中所用资料由新疆石河子气象局提供，为新疆石河子炮台站（51352）、莫索湾站（51353）、石河子站（51356）和乌兰乌苏站（51358）4个国家级地面气象观测站1964―2014年历年人工观测数据和2015―2016年能见度仪自动观测雾的数据。雾天日数的统计，以20时为日界，一日内只要出现1 次或者以上雾的记录就统计为1个雾天日数，如果有雾是从20时前延续至次日的，则按2 d 记录。雾的自动观测采用的是华云升达公司HY-W35 前向散射式能见度仪，其测量的是一定空气体积对光的前向散射，通过消光系数计算得到气象光学视程。

2 结果与分析

2.1 雾天年日数变化趋势

图1 石河子垦区1964―2016年历年雾日数

由图1 可见，1964―2014年人工观测阶段，雾天出现日数略有上升，2015―2016年采用自动观测后，出现雾天日数急剧增加的情况。石河子垦区1964―2016年平均出现雾天日数为16.1 d，呈现弱的增加趋势，递增率为2.1 d/10 a。在人工观测阶段1964―1977年、2005―2011年为偏少时期，1978―1987年和1997―2004年为偏多期，其中1979年出现雾天日数最多，为28.0 d，高出历年平均值73.9%；最少雾天日数出现在1968年，为5.7 d，仅达到历年平均日数的三分之一；最多和最少日数年份差值为22.3 d，极比为4.9（＞4.0），说明雾天出现日数年际波动大，不稳定。2015―2016年自动观测阶段，雾天日数分别为35.7 d 和52.7 d，均大于人工观测最大值，2016年出现日数比历年最大多了88.2%，说明与人工观测雾天日数差异较大。在人工观测阶段，在夜间不守班期间，容易漏测短时的雾，并且受到观测人员主观判断的影响，自动观测可以24 h 不间断观测，可以监测到短时的雾，因此在一定程度上导致了石河子垦区自动观测雾天日数明显增加。

2.2 雾天年代际变化

石河子垦区4个气象站1964―2016年雾天日数年代际变化见图2，自动观测数据为2015―2016年2年的雾天日数的平均，20 世纪60年代是指1964―1970年、70年代指1971―1980年，80、90、00年代依次类推，21 世纪10年代是指2011―2014年，平均为1964―2014年的雾天日数平均值。石河子垦区1964―2014年人工观测期间，雾天多年平均日数为15.7 d，炮台、莫索湾、石河子和乌兰乌苏站历年平均雾天日数分别为25.3 d、16.2 d、9.6 d 和11.8 d，年平均雾天日数最多的是炮台站，莫索湾站次之，最少的是石河子站，乌兰乌苏站与石河子站差异不大。4个台站20 世纪60年代至21 世纪10年代雾天日数的年代际变化存在两两相似的趋势，分别是炮台与莫索湾站和石河子与乌兰乌苏站比较接近。炮台与莫索湾站在20 世纪80年代出现雾天的日数最多，并且雾天日数呈波形振荡增加的趋势，炮台站年平均雾天日数最高为34.1 d，20 世纪60年代最少，莫索湾站年平均雾天日数仅为4.7 d，也是4个台站年代际中出现最少的时期。2015―2016年自动观测期间出现的雾天日数仅次于最高的20 世纪80年代，比人工观测的多年平均值高了5 d 以上，莫索湾和炮台站自动观测雾天日数比同一时期的21 世纪10年代分别多了6.2 d 和2.2 d。石河子和乌兰乌苏2个台站20 世纪60年代至21 世纪10年代雾天日数年际间变化较小，呈现缓慢上升趋势，在2015―2016年自动观测期间的年平均雾天日数最多，分别达到了21.5 d 和21.7 d；21 世纪10年代是人工观测阶段的峰值期，比多年平均值增加了2.2 d，比临近的2000年增加了2.5～3.6 d，说明自2010年以来靠近城市附近的台站雾天日数是略有增加的；20 世纪80年代是最低时期，分别为8.1 d 和9.3 d。

图2 石河子垦区1964―2016年雾天日数年代变化

2.3 雾天月日数差异分析

石河子垦区1964―2016年人工和自动观测雾天月平均日数如图3所示，雾天月变化呈单峰型，雾天主要出现在11月至次年的3月，占全年总雾天日数的95%以上，在5月和6月4个台站都没有出现过雾天。人工观测期间，2月雾天出现最多，为3.9 d；自动观测期间，雾天峰值出现在12月，平均雾天日数为13.4 d，比人工观测的最多月多了9.5 d。人工和自动观测雾天月平均日数的前三名均为12月至次年2月，但是人工观测到的雾天日数明显少于自动观测，分别偏少了29.0 d、19.4 d 和24.8 d，其它月份人工观测与自动观测的天数比较接近，没有显著的差异。

图3 石河子垦区1964―2016年雾天日数月变化

在新型自动气象视程障碍天气现象的自动判识过程中，自动能见度和相对湿度是决定因素，表1选取了乌兰乌苏站人工和自动观测的1月数据进行对比分析，人工、自动观测的雾天日数分别为5.0 d 和10.5 d，自动观测的雾天日数是人工的2 倍，人工观测到的雾出现在夜晚和白天的概率分别是45.9%和54.1%，夜间和白天出现的概率相差不大；自动观测夜间和白天出现的雾的概率分别为63.4%和36.6%，出现雾的概率夜间明显大于白天。雾出现期间的最小能见度平均值人工观测远远大于自动观测，人工观测到的雾出现期间的最小能见度夜间大于白天，最小值为300 m，分别出现在2012年的白天和2013年夜晚；自动观测到的雾出现期间的最小能见度夜晚小于白天，最小值为68 m，出现在2016年的夜晚。

3 结论与讨论

52年来，石河子垦区雾天日数略呈增长趋势，石河子垦区2000年以来雾天的增加与石河子市人口和工业的快速增加有着密切的关系。自动观测年平均雾天日数比50年人工观测平均值明显偏多，比人工观测最多年份多1 倍以上，这主要是由于雾的自动观测是24 h 连续观测且仪器灵敏度较高，能够消除人的视力、观测角度、观测经验等主观习惯的影响。

石河子垦区4个气象站雾天日数的年代际呈现少- 多- 少- 多的变化趋势，位于垦区北部的炮台站和莫索湾站的雾天日数，明显比位于南部的石河子站和乌兰乌苏站多，并且年代际变化趋势也两两接近。莫索湾和炮台站人工观测雾日天数的峰值出现在20 世纪80年代，自动观测平均雾日数与20 世纪80年代平均值接近，但是明显高于20 世纪50年的人工平均值。石河子和乌兰乌苏两站在人工观测阶段的雾天日数在年代际变化上没有明显的峰值，自动观测平均雾天日数明显高于各年代平均值。由此可以看出，位于石河子市附近的石河子站和乌兰乌苏站，雾天日数受到城市建设和环境变化的影响较大，自动观测的雾天日数明显高于人工观测。

自动观测到的雾的时间较短，其结果与人工观测相比有着明显的差异，这主要是由于人工和自动观测工作原理不同而造成的，人工观测和自动观测的对比视感阈分别为0.02 和0.05，当大气消光系数相同时，人工能见距离约为自动光学视程的1.3 倍，自动观测的能见度仪测量只是通过发射器和接收机之间的一小块空气的散射光强度，仅以这一段空气的结果代表此站的能见度，而人工观测的是四周视野中1/2 以上的有效水平能见度，因而自动观测雾天出现的日数比真实情况偏多。