基于散射能见度仪自动观测与人工观测数据差异探讨

2021-09-15赵红云

科学技术创新 2021年26期

赵红云

（湘潭市气象局，湖南湘潭 411100）

1 散射能见度仪工作原理

该设备工作形式为设备观测加软件分析，仪器既可作为独立设备应用，亦可连接纳入至自动站采集系统。仪器主要分为发射器、接收器、电源箱构成，其工作原理将所测量的45°散射的红外光强度为依据判定气象的光学视程（如图1所示）。仪器中发射器能够发出2kHz的红外脉冲波，至大气中可形成近似平行状态的红外光束，当与大气中悬浮颗粒相遇后变会形成散射（红外脉冲波长与悬浮颗粒直径处于同一个量级后便会产生散射现象），形成的散射总量与红外波束的衰减呈现为正比关系；当接收器采样区域内出现光束后，便汇集散射光束，并将红外光束转化为可处理电信号，经由仪器中变送器同步放大器对电信号进行筛选处理后输送至控制器单元中，通过计算大气对于入射光束的散射情况以确定出散射系数及散射总量，变可进一步获得透过量，在不需要考虑大气及悬浮物吸收作用的条件下，光束的散射系数将等同于消光系数，以此便可准确计算出大气的能见度数值[1]。

图1 散射能见度仪工作原理

散射能见度仪理论观测范围为10～35000m的大气能见度，其观测误差值为阶梯形式存在：10～10000m范围内误差为±10%、10～20000km范围误差为±15%、10～35000m范围误差为±20%；仪器能见度数据输出形式主要为1min、10min能见度，时间常数为60s，更新周期为15s[2]。

2 研究资料来源

本研究中所应用的研究资料采用湘潭国家气象观测站、韶山国家气象观测站2014年11月-2015年10月份完整资料，从中选取每日8:00、11:00、14:00、17:00、20:00自动观测及人工观测的大气能见度数据；自动观测以及人工观测信息化资料来自自动气象站A文件及人工站气簿-1。

3 比差与符合率分析

3.1 资料处理

3.1.1 资料修正方式

为使所选取资料具有研究对比意义，根据散射能见度仪35000m的观测上限，将资料中人工观测值大于35000m的数据修改为35000m[3]。

3.1.2 计算分析

3.1.2.1 比差值计算

观测的比差值计算方法可以表示为：

式中，Xi表示第i次观测的比差值；Vi表示第i次自动观测数值；VVi表示第i次人工观测数值。

比差值月度平均值可以表示为：

式中，X表示比差值月度平均值；a表示自动观测与人工观测的平均观测次数。

3.1.2.2 月度符合率计算

式中，C表示月度的符合率（取值范围为基于气象能见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围的次数；Em表示月度中总有效观测次数。

3.2 符合率分析

将资料中自动观测以及人工观测的能见度要素计算比差值，并评估出不同观测方法的符合率（如表1所示）。

表1 自动观测及人工观测中符合率情况

从上表中可以发现不同观测方式的符合率整体上看呈现为下降的趋势，6个月中1～3月的符合率相对较高，其中1月份大气环境为相对的稳定，但雾霾天气较多，致使符合率较大；至4月份后大气环境变得较为复杂，但能见度有所改善，因此符合率出现大幅度的下降；所有月份中5月的符合率最低，说明此月份中不同观测方式下数据具有较大的波动；6个月符合率的平均值为76.4%。根据详细资料显示1月份自动观测中能见度大于15000m共有14个时次，而能见度为35000m为1个时次，五月份中能见度大于15000m共有103个时次，而能见度为35000m为22个时次，可见大气能见度的变化对不同观测方式的差异影响较大。

4 估计值对比分析

4.1 各时次均值对比分析

统计资料中不同观测时次均值，可进行不同观测方式下数据拟合的分析（如图2所示）：单日中8时的能见度为最低值，14时、17时能见度最高，白天不同观测方式的结果具有较好的数据拟合性；整体上来看，单日中人工观测的能见度优于自动观测，但14时出现自动观测能见度高于人工观测的情况，而在17时后自动观测能见度发生降低。在人工观测中最大能见度可定义为消失距离，其对比感阈值为0.02，自动观测能见度对比感阈值为0.05，其数值接近发现距离，并且消失距离高于发现距离，满足气象光学距离测量值低于白天能见度测量值的30%的标准[4]。

图2 单日自动观测与人工观测能见度时平均观测数据差异趋势

根据世界气象组织关于能见度测量资料显示，在白天状态下，人工观测的能见度数值将会高于光学仪器观测能见度15%左右。根据本次研究中不同观测方式的差值百分比数据显示（如表2所示），不同观测方法的能见度对比显示，白天的差异均值为5.0%，结果与世界气象组织相关数据相符合。

表2 不同观测方式能见度差值百分比

4.2 不同天气现象时能见度差值分析

在不同天气现象中霾、浮沉时不同观测方式变化趋势的一致性相对较差，具有显著的离散型特点，其均值差约为17700m、相关系数为0.49；在雨雪天气下，不同观测方式的能见度变化趋势具有较好的一致性，相关系数为0.76，但具有较大的离散性，且人工观测可见度基本都高于自动观测，平均差值达到19100m；在轻雾天气具有较好的一致性，相关系数为0.92，且离散性较小，平均差值为7800m。根据不同天气现象下两种观测方式能见度曲线可以发现，在不同性质颗粒的影响下均会产生不同程度的观测误差（图3）。

图3 不同天气现象下两种观测方式能见度曲线

5 两种观测方法数据差异原因分析

自动与人工观测工作方式不同，自动测量中接收器测量与发射器发出的光束成一定角度的散射光束，然后由CPU处理计算出气象光学视距；而人工观察的能见度是指在周围视场的一半以上范围内可以看到目标的最大水平距离。人工观测目标的最大可视距离为消失距离，对比度阈值为0.02，自动能见度观测是发现距离，对比度阈值为0.05，消失距离大于发现距离。

近年来，社会发展迅速，人工观测中的固定目标源出现了较大的变化，对人工观测的精度有一定的影响；季节也是重要的影响因素，冬季能见度受雾霾等因素影响，能见度低，不过观测较为稳定，而春季虽然能见度提高，但观测值跨度较大；大气中水分、颗粒等也会影响仪器的性能；两种观察工作方式时间不一致，人工观测从正点前15min开始，自动站为正点前10min的平均值；强降雨、强风和其他恶劣天气现象也是造成观测差异的主要因素；观察者的个人不确定性，如视力、观察习惯等也会造成较大的影响[5]。