DNQ1与FD12型能见度仪观测比对及影响因子研究

李晓岚 权维俊 王东东 王迪

(1.上甸子国家大气本底观测站，北京 101500； 2.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166；3.京津冀环境气象预报预警中心，北京 100089； 4.辽宁省气象服务中心，辽宁 沈阳 110166)

引言

大气能见度是常规气象观测项目之一，可反映大气的物理光学状态、大气浑浊程度和低层大气污染状况，具有重要的气象和环境监测意义[1-2]。能见度也是识别气团特性的重要参数之一，可提供当时的大气光学状态，对天气预报有重要意义[3]。此外，能见度在交通领域也具有广泛应用，对飞机飞行和着陆安全，以及高速公路行车安全等有重要作用[4]。有学者指出仅由雾引起的恶劣能见度天气给航空、海陆运输带来的损失可与龙卷风，甚至在某些情况下可与冬季风暴和飓风造成的损失相比[5]。随着世界科技和经济的发展，航空航天、海陆交通、环境监测和军事国防等部门对高时空分辨率和准确性的能见度的观测和预报提出了越来越高的要求。

以往能见度的观测主要依靠人工目测，将白天能见度定义为视力正常(对比阈值为0.05)的人在当时天气条件下能够从天空背景中看到和辨认出目标物(黑色、大小适度)的最大水平距离；夜间则为假设总体照明增加到正常白天水平，适当大小的黑色目标物能被看到和辨认出的最大水平距离或中等强度的发光体能被看到和识别的最大水平距离[6]。大气能见度是反映大气透明程度的重要物理量[3]，当出现降雨、雾、霾、沙尘暴等天气过程时，大气透明度较低，能见度较差。气象站利用人工目测方法进行了能见度的长期观测，积累了长序列的能见度观测数据，然而人工目测能见度不可避免的存在主观性和时空限制，规范性和客观性较差，同时一日4次的低频人工观测结果无法满足精细化的科研和业务需求[7]。

随着大气探测技术的发展，出现了能见度自动化探测设备，为实现能见度由人工向自动化转换提供了条件。根据观测原理可将能见度仪大体分为透射式和散射式两类，其中芬兰Vaisala公司生产的FD12型前向散射能见度仪是目前世界上公认测量较为准确且应用最为广泛的能见度仪之一，可被用于其他能见度仪或系统的观测效果比对和评估研究[8-9]。目前，我国自动气象台站采用的能见度仪为国产DNQ系列的前向散射能见度仪，其中以DNQ1型号应用最为广泛[10]。虽然DNQ1与FD12型能见度仪的测量原理相同，但二者在仪器性能和观测指标方面存在差异。目前针对DNQ1型能见度仪观测能力的评估和校验研究还较为缺乏。以往研究多将器测能见度观测结果与目测能见度的结果进行对比[11-12]，然而由于目测能见度存在一定主观性和低频特征，且白天和夜间人工能见度观测原理不同，导致比对结果的可靠性和一致性相对较差，因此开展不同型号能见度仪观测之间的比对研究十分必要。

本文利用2015年1—3月上甸子国家大气本底站开展的DNQ1和FD12能见度仪平行观测试验的观测资料，开展两种能见度仪能见度观测的比对研究，分析不同天气状况和能见度等级条件下的能见度差值特征，研究两种器测能见度及其差值与不同气象要素(相对湿度、温度、气压、风速和风向)和大气成分(尤其是细颗粒物(PM2.5)浓度)之间的关系，确定关键影响因子函数及可能原因，为深入了解国内气象台站能见度仪观测性能和数据可靠性提供帮助。

1 资料与方法

1.1 观测站点和资料

上甸子国家大气本底站(简称上甸子站)位于北京市密云区东北部(40°39′N、117°07′E，海拔高度为293.3 m)，距离北京市中心约100 km，地处燕山山脉丘陵地带[13]。该观测站是中国三个世界气象组织全球大气观测网区域大气本底站之一[13]。在该站地面气象观测场架设有两种不同型号(DNQ1型和FD12型)的前向散射能见度仪(图1)。这两种仪器的测量原理相同，均是基于大气中的颗粒物(包括气溶胶和细小水颗粒等)的前向散射原理而设计的，通过测量小体积空气对光的散射系数获取采样气体的消光系数，进而计算得到气象光学能见度。然而在具体观测指标等方面，二者却存在一些差异(表1)。如FD12型能见度仪的观测上限为50 km，散射角为33°[14]，而DNQ1型能见度仪的观测上限仅为35 km，散射角较大为45°[15]。

图1 上甸子站FD12型能见度仪(a)和DNQ1型能见度仪(b)架设图Fig.1 FD12 (a) and DNQ1 (b) visibility meters at the Shangdianzi station

表1 两种型号能见度仪的主要技术指标Table 1 Major technical data of two visibility meters used in this study

本研究采用的观测资料为上甸子站提供的2015年1月1日至3月31日两种能见度仪观测的小时平均能见度(分别记为VisDNQ1和VisFD12)以及对应的气象要素观测，包括小时平均的相对湿度(RH)、气温(Ta)、风速(WS)和风向(WD)、气压(Pa)、降水量和天气现象。此外，为分析细颗粒物浓度变化可能对两种仪器能见度观测差异产生的影响，使用了上甸子站小时平均PM2.5质量浓度观测数据。

1.2 数据处理与研究方法

由于两种能见度仪的观测上限不同，为保证数据资料的可比性，本文选取两种器测能见度小于35 km的数据进行分析。随后，根据天气现象记录筛选不同天气条件下(晴天、沙尘、雾、霾、降雨和降雪天气)的能见度观测数据，以分析不同天气状况可能对两种仪器观测差异造成的影响。此外，为了更好地分析两种能见度仪在不同能见度状况下的表现，基于VisFD12观测数值将能见度划分为7个等级，即：0—1 km(能见度极差)、1—2 km(能见度很差)、2—3 km(能见度差)、3—5 km(能见度较差)、5—10 km(能见度一般)、10—20 km(能见度较好)和> 20 km(能见度很好)，分别评估不同能见度等级的观测差异特征。

本文采用的评估指标包括平均绝对偏差(Mean Absolute Difference,MAD)、相对偏差(Relative Deviation,RD)、均方根偏差(Root Mean Square Deviation,RMSD)和相关系数(Correlation Coefficient,r)[16-17]：

(1)

(2)

(3)

(4)

2 结果分析

2.1 两种器测能见度对比

2.1.1 偏差特征

图2给出了2015年1—3月期间小时平均VisDNQ1和VisFD12以及二者差值(ΔVisDNQ1-FD12)的时序变化。在不考虑两种仪器观测上限差异造成的影响时，VisDNQ1和VisFD12数值的变化趋势较为一致，二者差值基本位于-5～10 km之间，且多为正值，表明DNQ1型能见度仪的观测结果通常高于FD12型能见度仪观测值。结合图3a发现，整个观测时段内VisFD12和VisDNQ1的相关系数达到0.98，能见度较低时二者的相关性较好，随着能见度的增加，二者的离散度增大。

图2 2015年1—3月上甸子站FD12和DNQ1能见度仪观测的小时平均能见度(a)和二者差值(b)的时序变化Fig.2 Variation of (a) hourly mean FD12- and DNQ1-measured visibility and (b) their difference at the Shangdianzi station from January to March of 2015

2.1.2 不同天气条件的影响

针对不同的天气条件(包括晴天、沙尘、雾、霾、降雨和降雪天气)，分析两种器测能见度的变化特征(图3)。需要说明的是，由于晴天条件下的散点图与图3a非常接近，故图略。相对其他天气条件，降雨对两种器测能见度观测偏差的影响最大。降雨发生时VisDNQ1数值普遍高于VisFD12，二者的RMSD(1.76 km)和MAD(1.41 km)数值明显高于其他天气条件下的数值(图3e)。其次，当霾天气发生时，VisDNQ1大部分低于VisFD12，二者的RMSD(0.66 km)和MAD(-0.48 km)高于其他天气条件(除降雨天气外)数值(图3d)。当沙尘、雾和降雪天气发生时，VisFD12和VisDNQ1之间的相关系数高于0.99，RMSD(0.19—0.37 km)和MAD(0.04—0.13 km)数值较低。以上结果表明，本文中观测的两种能见度的差值对降水天气相对敏感，其他天气类型的影响较小。由于本研究观测时段内特殊天气状况下(包括沙尘、雾、霾、降雨和降雪天气)的观测样本数量较少，此后将不再针对天气条件分类讨论。未来还需要更多的观测资料对两种能见度仪在不同天气条件下的偏差特征进行分析和验证。

图3 2015年1—3月上甸子站所有天气条件(含晴天)(a)、沙尘(b)、雾(c)、霾(d)、降雨(e)和降雪(f)条件下两种仪器观测的小时能见度的散点图Fig.3 Scatter plots of hourly mean values of VisFD12 versus VisDNQ1 under various weather conditions (including the clear sky) (a),and in the presence of sand-dust (b),fog (c),haze (d),rainfall (e),and snowfall (f) at the Shangdianzi station from January to March of 2015

2.1.3 不同能见度等级的偏差特征

根据上文划分的能见度等级，将分析不同等级两种器测能见度差值的变化特征。由图4可见，当能见度 ≤10 km时，ΔVisDNQ1-FD12数值基本处于±2 km之间。其中，当能见度较差时(0—1 km)，ΔVisDNQ1-FD12数值多为正值；当能见度等级为很差、差和较差时(1—5 km)，ΔVisDNQ1-FD12数值多为负值，且其绝对数值随着能见度的增加而增加；当能见度一般时(5—10 km)，ΔVisDNQ1-FD12数值逐渐由负值转为正值。当能见度较好时(10—20 km)，ΔVisDNQ1-FD12数值随能见度的增加而继续增大；当能见度很好时(>20 km)，ΔVisDNQ1-FD12的绝对值和离散程度均明显增大。表2给出了不同能见度等级下的两种能见度仪观测数值的平均绝对偏差MAD、相对偏差RD、均方根偏差RMSD和相关系数r。相比其他等级，两种器测能见度在能见度极差(0—1 km)等级的观测一致性最好，二者的相关系数(0.96)最高，MAD(0.03 km)和RMSD(0.07 km)数值最低，RD的绝对值小于7%。在能见度差(2—3 km)和较差(3—5 km)等级的观测一致性相对较差，RD的绝对值超过13%，相关系数(0.78)小于其他能见度等级数值。此外，随着能见度等级的增加，两种器测能见度的MAD绝对值和RMSD数值均有所增大，表明观测的离散型和偏差有所增大。

图4 2015年1—3月两种仪器测能见度小时平均观测差值随VisFD12在<35 km(a)和< 5 km(b)范围内的变化Fig.4 Variation of hourly mean visibility differences with VisFD12 within the ranges of <35 km (a) and <5 km (b) from January to March of 2015

表2 不同能见度等级下两种器测能见度的平均绝对偏差(MAD)、相对偏差(RD)、均方根偏差(RMSD)和相关系数(r)Table 2 Values of mean absolute deviation (MAD),relative deviation (RD),root mean standard deviation (RMSD),and correlation coefficient (r) between visibility observed using two instruments under various visibility levels

2.2 能见度观测及偏差与气象因子的关系

2.2.1 与气象因子的关系

气象要素的变化对器测能见度存在影响[18]。为分析不同气象要素对两种器测能见度及其差值的可能影响，图5和表3分别给出了2015年1—3月两种器测能见度数值及其差值与主要气象因子(包括相对湿度、气温、气压、风速和风向)的变化关系和相关系数。可见，两种器测能见度数值以及ΔVisDNQ1-FD12数值均与RH存在反相关关系，即随着RH的减小，能见度数值及二者差值均有所增加，整个观测期间，VisDNQ1与RH的相关性(r=-0.56)高于VisFD12与RH的相关性(r=-0.52)。以往研究表明，随着相对湿度的增加，气溶胶的吸湿增长是导致能见度下降的主要原因[19-20]。尤其在高湿(RH>80%)条件下，两种器测能见度数值减小至5 km以下，二者差值位于±1 km之间，能见度数值与RH为负相关关系，但二者差值与RH转为正相关关系。这表明不同的相对湿度范围对两种仪器观测偏差的影响存在差异，FD12能见度观测对高湿条件下的相对湿度变化的响应更加敏感(VisFD12与RH的负相关关系更明显)。除相对湿度外，本文中两种器测能见度数值与其他气象要素的关系均不明显，但在低温(Ta<0 ℃)条件下，两种器测能见度数值与Ta的相关性均有所增强，二者呈负相关关系，VisFD12与气温的相关性更好一些。相比而言，ΔVisDNQ1-FD12与气温的相关关系更加明显，二者呈正相关，明显的负偏差集中出现在Ta< -5 ℃的条件下，而较高正偏差主要出现在Ta>5 ℃的条件下。此外，ΔVisDNQ1-FD12与气压呈较弱的负相关，与风速和风向的相关关系不明显。由此可见，相对湿度是影响能见度数值的主要气象因子，温度和相对湿度是影响两种器测能见度差值的主要气象因子，这可能是由于两种能见度仪具有不同的散射角和取样容积，落在取样容积内的气溶胶粒子在不同的温度和湿度下散射特性会发生变化[18]，因而对观测的能见度造成影响。

图5 2015年1—3月FD12(a)与DNQ1(b)观测小时平均能见度及二者差值(c)随相对湿度、气温、气压、风速和风向的变化Fig.5 Variations of hourly mean FD12-(a) and DNQ1-(b) measured visibility and their difference (c) with relative humidity,air temperature,air pressure,wind speed,and direction from January to March of 2015

表3 两种小时平均器测能见度及其差值与不同气象因子间的相关系数Table 3 Correlation coefficients of two kinds of hourly mean visibility and their differences with various meteorological parameters

2.2.2 观测偏差与关键影响因子的函数关系

为定量分析DNQ1能见度观测与FD12型能见度观测差值与关键气象影响因子的关系，本文利用最小二乘回归法分别建立了ΔVisDNQ1-FD12与相对湿度和气温之间的函数关系。图6给出了不同能见度等级的小时能见度观测差值和相对湿度、气温的关系，同时探究了PM2.5浓度是否对观测差值有显著影响。虽然以往研究表明PM2.5浓度是影响大气能见度变化的重要因素[21-24]，但本研究中能见度差值与PM2.5浓度之间并未显示明显的变化关系，可能原因是两种能见度仪的观测原理相似，PM2.5浓度对两种观测仪器具有类似的影响。

由图6a可见，能见度差值与RH之间的关系可划分为两个部分，RH大于80%时(高湿条件)，能见度差值基本维持在零值附近，对应的能见度等级主要为极差、很差和差(≤ 5 km)；RH小于80%时，能见度差值随着RH的减小而增大，能见度明显的负偏差和正偏差主要出现在能见度很好(> 20 km)的情况下。基于最小二乘法建立能见度差值和RH之间的指数函数和幂函数关系，分别为：

ΔVisDNQ1-FD12=A×eRH/t-c

(5)

ΔVisDNQ1-FD12=B×RHn-c

(6)

其中，A、B、t、n、c代表拟合系数，通过拟合得到A=-0.39，B=1.63，t=-35.04，n=-1.56，c=1。相比而言，采用幂函数拟合得到的能见度差值数据与实际观测差值的相关系数(r=0.56)略高于指数函数的结果(r=0.53)。两种拟合公式得到的结果在RH处于30%—80%之间时较为接近，但在低相对湿度条件下(< 30%)，指数函数计算得到的能见度差值偏低。因此本研究中两种能见度观测差值可用相对湿度的幂函数来表示，即ΔVisDNQ1-FD12=1.63RH-1.56-1。

图6 2015年1—2月不同能见度等级下两种仪器能见度小时平均差值与相对湿度(a)和气温(b)的关系Fig.6 Relationship between hourly mean visibility difference and relative humidity (a) and air temperature (b) under various visibility levels from January to February of 2015

同理，由图6b可见，能见度差值和气温之间存在线性关系，基于最小二乘法得到的二者之间的线性拟合公式为ΔVisDNQ1-FD12=0.14Ta+1.47。

2.2.3 观测偏差的日变化及气象要素的影响

进一步评估了两种器测能见度在不同时刻观测差异的特征以及受气象要素日变化的可能影响。图7a给出了观测期间不同时刻VisDNQ1和VisFD12比值的平均值和百分位图。可见，各时刻二者比值的平均值均位于1±0.1之间，表明VisDNQ1相对于VisFD12的偏差范围位于±10%之间，处于两种能见度仪的观测精度范围之内(表1)。此外，二者比值的5%—95%分位的变化范围位于0.7—1.4之间，该范围与世界气象组织对25种不同能见度仪观测性能评估报告中给出的百分位分布范围相当甚至更低[25]。

图7 2015年1—3月DNQ1与FD12观测小时平均能见度比值的平均值和四分位图(a)、二者的相关系数(b)以及相对湿度和气温(c)的平均日变化Fig.7 Diurnal variations of the mean value and quartile of ratios of VisDNQ1 to VisFD12 (a) and their correlation coefficients (b),and relative humidity and air temperature (c) averaged from January to March of 2015

此外，不同时刻两种器测能见度之间的相关系数存在日变化，夜间数值高于白天(图7b)，这可能与气象要素的日变化有关。白天相对湿度下降导致两种器测能见度差值增大(图7c)，二者的相关系数也有所降低。与以往人工能见度与器测能见度对比结果相比发现，本文中不同器测能见度之间的比对结果更为客观可靠和具有一致性。本文两种器测能见度不同时刻相关系数的变化基本位于0.97—0.99之间，明显高于广州地区2008年9月5日至11月30日期间不同时刻器测能见度和人工能见度之间相关系数(0.68—0.90)[11]。此外，广州地区的研究结果显示夜间相关系数较差，这主要由于人工能见度白天和夜间测量的原理有所不同，夜间背景亮度的经验选择会导致夜间目测灯光能见度存在很大的误差和不确定性[11]。本文研究结果则表明夜间的不同器测能见度具有较高的可靠性和一致性。

3 结论

(1) 两种器测能见度的小时平均数值的变化趋势一致，二者相关系数达0.98。观测偏差受降雨影响较大，其他天气条件的影响相对较弱。二者在不同能见度等级的偏差特征有所不同，其中能见度极差(0—1 km)等级的一致性最好，能见度差(2—3 km)和较差(3—5 km)等级的一致性最差，同时随能见度等级的增加，差值范围和离散程度均有所增大。

(2) 两种器测能见度数值与相对湿度呈明显负相关，与其他气象要素的关系不明显。能见度差值与相对湿度呈明显的负相关关系(高湿条件除外)，二者近似满足幂函数关系，与气温呈正相关关系，近似满足线性函数关系，与其他气象要素的关系则不明显。能见度差值未明显受到PM2.5浓度变化的影响。

(3) 每日不同时刻两种器测能见度的比值均值位于0.9—1.1之间，相对偏差(±10%)处于能见度仪器的观测精度之内；气象要素(主要是相对湿度和气温)的日变化是导致两种器测能见度相关性夜间高于白天原因之一。