能见度仪在海陀山的应用

韩 微，崔 炜，高 猛，尹佳莉

(1.北京市气象探测中心，北京 100176；2.延庆区气象局，北京 102100)

0 引言

能见度的高低对人们交通运输、生产生活产生很大的影响，近些年随着雾霾天气的增多，能见度观测和预报的准确度越来越受到人们的关注[1-3]。多年来气象台站对能见度的观测主要通过人工观测固定目标物轮廓的清晰程度进行估算，然而这种观测方式受人为主观的影响较大，观测结果存在一定误差。近几年，随着观测自动化的发展，国家气象台站能见度观测已经逐渐采用自动观测仪器测量替代人工目测。

目前气象台站的能见度自动观测仪器主要采用前向散射式能见度仪。前向散射式能见度仪通过测量微小体积颗粒物的散射消光评估能见度值，具有价格便宜、体积小等优势[4]。一些学者对比分析仪器测量和人工观测的能见度观测数据时发现，前向散射式能见度仪观测效果较好，具有很好的代替作用，低能见度时的相关性和偏差优于高能见度，白天优于夜晚[5，6]。但是，有学者研究指出在雨、雾等低能见度天气，以及大气痕量气体变化等情况下，能见度仪读数容易出现误差[7]。因此，对能见度观测设备在不同天气条件下的探测性能进行研究非常重要。

海陀山位于北京西北部，主峰海拔2198 m，为北京第2高峰，冬季气温较低，且常伴随有大风和较高相对湿度[8]。目前海陀山已安装的地面自动气象站可对气温、气压、相对湿度、风向风速、降水和能见度等要素进行观测。文章对比分析2020-03-22—2020-03-27北京市延庆区延庆站、佛爷顶站和海陀山地区的能见度数据；选取其间1次降雪天气过程，利用海陀山地区已有的气象观测数据，分析能见度与气温、气压、相对湿度、风速、降水量的关系，讨论能见度仪在海陀山地区的探测性能，为能见度观测数据的准确性提供依据。

1 资料与方法

海陀山使用的能见度仪为DNQ1前向散射式能见度仪，该能见度仪运行稳定，在台站自动化观测中应用广泛，测量范围为10 m～35 km。文章利用2020-03-22—2020-03-27海陀山地区安装的气象观测站的10 min能见度观测资料进行分析，该值为1 min能见度数据在10 min的滑动平均值。同时，选取北京市延庆区的延庆站和佛爷顶站的定时能见度观测资料，该值为正点前15 min(46—00分)内的最小10 min平均值，以千米为单位，保留1位小数。将海陀山地区的10 min能见度值计算处理成定时能见度观测资料，与延庆站、佛爷顶站能见度的变化特征进行对比分析。此外，针对3月25—26日的降雪天气过程，利用海陀山地区的气温、气压、相对湿度、能见度分钟资料和两分钟平均风向风速、小时降水量等观测资料，统计分析能见度与其他地面气象要素的关系。文章中提到的能见度均为水平能见度。

文章中两个变量之间的相关系数使用的是皮尔逊(Pearson)相关系数：

(1)

2 延庆区代表性气象站点能见度变化特征

将海陀山22—27日能见度的观测资料与同期的延庆站和佛爷顶站定时能见度观测资料进行对比分析发现：海陀山的能见度小于延庆站和佛爷顶站，且波动较大(图1)。22—27日延庆站的平均能见度为23.6 km，佛爷顶站的平均能见度为22.1 km，海陀山的能见度为16.2 km。当延庆地区为晴好天气时，延庆站和佛爷顶站能见度均为30 km，但是海陀山地区的能见度偏低，出现短时间内能见度迅速下降的情况。这主要是因为海陀山地区的气象观测站无人值守，探测环境不稳定，能见度的观测会受人为活动影响；而延庆站和佛爷顶站均为有人值守的国家级气象观测站，台站人员定期按照相关规范进行设备维护，能见度的观测值更为客观准确。当有降雪天气过程时，3个站的能见度差异较小，海陀山地区与延庆站能见度的相关系数为0.676，与佛爷顶站能见度的相关系数为0.822，不同站点的能见度显著相关，在低能见度的相关性和偏差要优于高能见度。海陀山能见度与海拔高度相近的佛爷顶站的能见度变化趋势一致，这说明该前向散射式能见度仪在海陀山地区应用较好，能够很好地监测到降雪天气过程时能见度的变化特征。

图1 3月22-27日海陀山能见度(红线)与(a)延庆站能见度；(b)佛爷顶站能见度的变化特征

3 海陀山地区能见度与地面气象要素的关系

选取2020-03-25—2020-03-26的1次降雪天气事件，分析海陀山能见度的变化特征，发现在3月25日22：00降雪发生前，能见度较差，在5 km左右；23：00冷空气到来，能见度略有好转，达到10 km左右，但持续时间较短；随着26日00：00左右降雪发生，能见度迅速下降到5 km以下；随着降雪增加，能见度下降到1 km以下；26日05：00降雪逐渐停止，能见度逐渐好转，06：00恢复至20 km以上。

分析能见度与其他地面气象要素的关系发现：能见度与气温和气压的关系较为复杂；与风速呈一定的正相关；与相对湿度呈显著的负相关，相关系数达到-0.866，可以通过99%的显著性检验。3月25日夜间至26日凌晨，冷锋过境，气温下降到0 ℃以下，气压升高，虽然风速迅速增加到5 m/s左右，有利于能见度转好，但是相对湿度有一个短暂降低后，增加到80%以上，降雪现象发生，使得能见度迅速降低到1 km以下。能见度与相对湿度有显著的负相关，相对湿度越大，能见度越低；相对湿度越小，能见度越高[10]。同时，能见度受降水的影响较大[11]，降雪发生时能见度降到1 km以下。

4 结束语

文章利用2020-03-22-2020-03-27北京延庆海陀山的能见度观测数据对比分析延庆站和佛爷顶站能见度变化特征，结论如下：

1)对比分析海陀山地区与延庆站和佛爷顶站能见度观测数据发现：该能见度仪在海陀山地区应用较好，3个站点的能见度显著相关，低能见度的相关性和偏差要优于高能见度。特别是在有降雪天气过程时，海陀山地区的能见度与海拔高度相近的佛爷顶站的能见度变化趋势一致。

2)降雪现象发生时，气温下降，气压升高，虽然风速增加，有利于能见度转好，但是相对湿度增加到80%以上，能见度较低，随着降雪出现，能见度迅速降低到1 km以下。能见度与相对湿度有显著的负相关，相对湿度越大，能见度越低，且能见度受降水的影响较大，降雪发生时能见度可降到1 km以下。

综上所述，前向散射式能见度仪在该地区应用较好，能够监测能见度的实时变化，特别是降雪天气过程时能见度的变化特征。但是由于海陀山地区观测条件有限，能见度观测的数据样本偏少，需要收集到更多的观测数据进行更详细地分析。