前散式和透射式能见度仪的综合观测试验及对比分析

王惠颖 祖繁 袁成松 包云轩 吴泓 褚进华

(1 南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044；2 中国气象局交通气象重点开放实验室，南京 210041；3 中国气象局上海物资管理处，上海 200050)

引 言

能见度是气象观测的常规要素之一，是表征大气透明程度的物理量[1-2]，也是反映大气污染程度的重要指标[3-4]。随着社会经济的发展，现代交通工具的普及，交通安全对能见度的依赖也日益突出，雨、雪、雾、霾等天气现象引起的视程障碍往往会使高速公路封闭、船只滞留、航班延误，造成人员和财产损失。因此，能见度监测的准确性对交通运输体系的安全运营有着重要意义。

影响能见度的因素有很多，相对湿度、颗粒物浓度及其化学组分等都会对大气消光产生影响[5-6]。王英等[7]研究表明，颗粒物对光的吸收和散射与能见度降低密切相关。颗粒物对光的吸收效应几乎是由黑碳和含有黑碳的颗粒物造成的[8]，而散射效应则与吸湿性颗粒物有关，吸湿性颗粒物在高湿情况下吸湿增长，使颗粒物的光学性质发生改变，从而影响大气能见度[9-12]。

根据测量原理的不同，交通气象领域目前常见的能见度监测设备主要有前向散射式能见度仪和透射式能见度仪两种类型[13]。前向散射式能见度仪通过测量一个小的采样体积内的颗粒物散射系数代替消光系数从而推导出能见度[14]，所以在湿度大、吸收物质较多的条件下前向散射式能见度仪的测量值容易出现较大误差[15]。透射式能见度仪则是根据消光理论，通过固定两点之间的光束直接测量大气透射率，产生一个平均消光系数，包含散射系数和吸收系数[16]。相比之下，大气透射仪的精确度更高，但是在低能见度天气下大气透射仪也会因为水汽吸收等复杂条件而产生误差。

虽然目前国内外并未建立能见度量值溯源与量传体系[17]，但由于透射仪的测量原理与气象光学距离[18]的定义相契合，所以在前向散射式能见度仪测量性能评价方面，多是以透射式能见度为参考标准进行对比分析。在实验室条件下，张世国等[19]在水雾能见度模拟舱中利用透射式测量系统对前向散射能见度仪进行定标，减少了两者的相对误差。褚进华等[20]以透射式能见度仪为标准器，从计量规范角度分析了能见度仪校准系统的测量不确定度，并由此开展前向散射式能见度仪的校准测试。自然条件下，濮江平等[13]在北京南苑机场开展多套能见度仪对比试验表明，能见度在2 000 m以下时，前向散射能见度仪与透射式能见度仪的测量值具有良好的一致性；但当能见度大于4 000 m时，前向散射仪的测量值明显偏高。明虎等[21]分析了机场低能见度自动观测设备测量数据，当跑道视程小于400 m时，大气透射仪测量数据大于等于前向散射仪测量数据的比例在90%以上。Chan， et al[22]对香港国际机场多种能见度仪进行了比较，发现LT31型大气透射仪与人眼能见度观测值最为接近。

尽管有一些单纯的实验室或单纯的自然条件下不同能见度仪的观测对比试验研究，但很少有学者将两者结合起来，对同一台前散能见度仪进行实验室检定和自然条件下外场对比观测试验。因此，本研究以全国交通气象站定型考核任务为契机，将经过实验室静态测试后的前向散能见度仪安装到观测外场，利用动态测试数据与透射能见度仪开展比对，重点探究了不同天气现象和不同大气颗粒物浓度下的能见度仪观测值差异，旨在为前向散射能见度仪的测试评估、检测标校以及低能见度预警预报提供科学依据。

1 资料和方法

1.1 资料来源

前向散射式能见度仪的动态测试在中国气象局金坛交通气象野外科学试验基地进行，时间范围是2018年12月1日—2019年2月28日。在试验基地同步观测了前向散射能见度测量值(VISFS)、大气透射能见度(VIST)、PM2.5质量浓度、雾和降水现象及相对湿度等常规气象要素。试验时段内的观测数据先剔除缺测值，然后通过滑动三倍标准差方法进行质量控制，剔除异常值。能见度和相对湿度的时间分辨率为1 min，考虑到PM2.5质量浓度的时间分辨率为1 h，在分析能见度仪测量值在不同颗粒物浓度下的差异时，将能见度仪的测量值进行小时平均。

本研究使用的前向散射式能见度仪是在参加交通气象站定型考核中主流的Vaisala PWD52型能见度仪，其散射角为45°，测量范围为10～10 000 m。

动态测试中大气透射能见度示值来源于LT31型透射式能见度仪；PM2.5质量浓度由Met One公司的BAM-1020颗粒物在线监测仪观测，该仪器基于β射线衰减的原理探测；降水现象由OTT Parsivel2激光雨滴谱仪识别，它通过采集降水颗粒粒径及运动速度，根据世界气象组织(WMO)的天气分类直接输出天气代码；相对湿度等常规气象要素由华云DZZJ3型交通气象站采集。

前向散射式能见度仪的静态测试在中国气象局能见度仪校准实验室(上海)中进行[23]，该实验室能见度环境模拟舱长20 m、宽3.5 m、高3 m，以LT31型透射式能见度仪为标准器，雾模拟装置产生雾的类型为水雾，能见度的模拟范围为1～10 000 m，前向散射能见度的测试流程参见褚进华等[20]。

1.2 数据处理

选取雾、毛毛雨、雨和雪这4种天气现象，其中，毛毛雨、雨和雪3种降水现象从Parsivel2激光雨滴谱识别结果中读取，雾则是通过筛选非降水条件下VISFS小于1 000 m且相对湿度大于90%的样本得到。

由于前向散射式能见度仪在观测业务中应用广泛，且国标GBT 33697-2017《公路交通气象监测设施技术要求》[24]中规定能见度监测范围的上限为10 000 m，因此，本研究以前向散射式能见度仪测量值为划分依据，在10 000 m以下选取同时刻的透射能见度进行对比。同时，为了更好地量化两种能见度仪在高、低量程段内的差异，以200、500、1 000、2 000、4 000、6 000、8 000 m为界，计算不同能见度区间内的两者平均绝对误差(Mean Absolute Error， MAE)和平均相对误差(Mean Relative Error， MRE)，表达式如下：

(1)

(2)

式中：MAE(n)和MRE(n)分别为第n个能见度区间段内的两种能见度测量值的平均绝对误差和平均相对误差；Nn为第n个能见度区间段内的样本量；xi、yi分别为前向散射式能见度仪和透射式能见度仪的能见度测量值。

对PM2.5浓度的等级划分参照《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》中PM2.5污染等级标准[25]，基于PM2.5质量浓度，定义6个空气质量等级：优(0

2 结果与分析

2.1 能见度仪检测的综合差异性分析

图1是能见度环境模拟方舱中前向散射仪与大气透射仪的对比测试结果，可见，随着模拟舱内水汽的扩散沉降，能见度值逐渐升高，在低能见度段，参试的两种能见度仪测量结果一致性非常好，但随着自然沉降时间的增加，能见度逐渐回升，6 h后VISFS也明显高于VIST。以前向散射式能见度仪测量值为划分依据，从不同能见度区间内两种能见度仪观测值差异的量化统计(图2)来看，随着能见度增加，VISFS与VIST的平均绝对误差增加，但最大平均绝对误差小于500 m，最大平均相对误差为7.86%，符合中国气象局观测司《前向散射能见度仪观测规范》中最大允许误差±10%(≤1.5 km)和±20%(>1.5 km)的测量性能要求。VISFS与VIST一致的变化曲线及较低的平均相对误差表明，在实验室纯水雾的情况下，两种仪器观测值差异较小，数据具有良好的相互替代性。

图1 能见度环境模拟舱内大气透射仪与前向散射仪的对比观测结果Fig.1 Comparative observation results of atmospheric transmission meter and forward scattering meter in the visibility simulation cabin

图2 能见度环境模拟舱内两种仪器平均绝对误差和平均相对误差分布Fig.2 Mean absolute error and mean relative error for two instruments in the visibility simulation cabin

图3是自然条件下两种能见度仪在野外科学试验基地的观测对比。与模拟舱内的良好一致性不同，实际大气中，两种能见度仪观测值并未全部集中分布在1∶1线两侧。当VISFS小于500 m时，VIST大于VISFS的比例高，当VISFS大于500 m时，VIST小于VISFS的比例增加，且随着能见度的增加，VIST和VISFS的差异也越大。

以前向散射式能见度仪测量值为划分依据，从不同能见度区间内两种能见度仪观测值的差异(图4)可以看出，与模拟舱的平均绝对误差变化一致，随着能见度的增大，VIST与VISFS的平均绝对误差也逐渐增大，但需要注意的是，外场试验的平均绝对误差较模拟舱增大了一个量级。当VISFS<500 m时，平均绝对误差小于30 m；当500≤VISFS<4 000 m时，平均绝对误差不超过320 m；当VISFS>4 000 m时，平均绝对误差增长梯度明显变大，当能见度在8 000 m以上时，平均绝对误差超过了2 500 m。平均相对误差方面，当VISFS<200 m时，平均相对误差为7.16%，但当VISFS大于500 m和4 000 m时，平均相对误差分别超过了10%和20%，并在最后一个能见度区间达到了43.92%，较第一个能见度区间增长了5.13倍。

图3 试验基地自然环境中VISFS与VIST的散点Fig.3 Scattered plots of VISFS and VIST in natural environmentof the test base

综上，在利用水雾制造视程障碍的能见度模拟舱内，前向散射能见度仪与透射式能见度仪的观测值具有很好的一致性，平均相对误差在10%以内，但在自然大气条件下，不同测量原理的两种能见度仪测量值差异随能见度的增加而快速增大，VISFS大于500 m时两种能见度仪的平均相对误差大于10%。因此，为了进一步探讨两种能见度仪测量值产生差异的原因，下文从不同天气现象和不同大气颗粒物浓度两个方面开展差异性分析。

图4 试验基地自然环境中两种仪器平均绝对误差和平均相对误差分布Fig.4 Mean absolute error and mean relative error for two instruments in natural environment of the test base

2.2 不同天气现象下能见度仪测量值的差异性分析

雾、雨、雪等天气现象的出现往往会导致能见度降低，由于不同粒子对光的吸收和散射效应不同，因此不同天气现象下前向散射能见度仪与透射式能见度仪的测量值也会有所差异。图5为不同天气现象下不同能见度区间段内的VISFS/VIST，表1为不同天气现象下两种能见度仪测量值的统计参数。

图5 同天气现象下的VISFS/VIST:(a)雾; (b)毛毛雨; (c)雨; (d)雪Fig.5 VISFS/VIST of different weather conditions in: (a) fog; (b) drizzle; (c) rain; (d) snow

表1 不同天气现象下两种能见度仪测量值的统计参数Table 1 Statistical parameters of observation values of two visibility meters under different weather conditions

在雾天气下(图5a)，当VISFS低于200 m时，VISFS/VIST的上四分位数小于1，大部分前向散射仪测量值小于大气透射仪测量值，且相比于其他能见度区间，该区间内上、下四分位之间的跨度最小，说明大部分的VISFS/VIST波动程度小。但随着能见度的增加，VISFS/VIST的均值和中位数增大，在500 m≤VISFS<1 000 m时，两种能见度仪测量值接近。

毛毛雨、雨和雪天气下(图5b—d)，在VISFS<200 m的能见度区间，VISFS/VIST的上四分位数也小于1，但值得注意的是，这3种降水现象在低能见度段的样本量比较少。动态测试过程中发现，仅靠大粒径降水粒子的存在，能见度通常很难降到200 m，能见度降到200 m以下时，往往会有数量较多的小粒径雾滴相伴。而MA， et al[26]和熊兴隆等[27]研究表明，在低能见度且液滴数密度很大时，多次散射对大气透射仪的影响不可忽视。多次散射会让接收机接收到的总光强大于单次散射情况的光强，导致透过率大于实际值，从而得到偏大的VIST。因此，在能见度低于200 m的情况下，大部分的VISFS/VIST均倾向于小于1。

天气现象为毛毛雨时(图5b)，随着能见度的增加，VISFS/VIST的中位数也在逐渐增加，VISFS在500 m之上时，VISFS/VIST的中位数开始大于1，约在1.1～1.2，且上分位与下分位变化不大，两种能见度仪的测量值比相对稳定。天气现象为雨时(图5c)，VISFS/VIST随能见度变化的趋势与毛毛雨相似，但从整个能见度区间的统计参数(表1)来看，雨天两种仪器的测量值差异最大，平均相对误差达到了22.16%。一般来说，雨滴的半径在0.1～5.0 mm，根据Mie散射理论，当粒子尺度远大于入射光波长时，会有更多的散射光集中到前向较窄的衍射瓣中[28]，而试验所用的前向散射仪接收角为45°，雨天探测到的散射光强可能会减少，导致消光系数偏小、VISFS偏大。

雪天导致能见度集中在200～4 000 m(图5d)，虽然随着能见度的增加，VISFS/VIST的整体变化趋势与雨天相近，但在相邻的能见度区间，无论是中位数还是上、下四分位数都呈现出较大波动性。这是因为与雨滴、雾滴近似球形不同，雪花形状具有多样性，光学特性差异大，使得前散小采样空间和透射长基线测量的消光有较大的不同[29]。

总体而言，不论何种天气现象，在VISFS<200 m的低能见度段，同时次前向散射仪测量值小于大气透射仪测量值的占比较多；随能见度上升，VISFS/VIST总体呈现增大的趋势，但不同天气现象下VISFS/VIST中位数和均值接近1的转折区间略有不同，毛毛雨、雨和雪天导致了能见度在200～500 m范围内，雾天导致了能见度在500～1 000 m范围内；雨天两种能见度仪观测值的差异最大，平均相对误差达到了22.16%，雾天两种能见度仪观测值的差异最小，平均相对误差为16.65%。

2.3 不同颗粒物浓度下能见度仪测量值的差异性分析

降水湿清除作用会影响颗粒物浓度，为探讨颗粒物浓度对两种能见度仪测量值差异的影响，本文对非降水时次不同PM2.5质量浓度下的VISFS与VIST(图6)进行了分析。由图可见，无论是在何种空气质量等级，VISFS的平均值均大于VIST，在整个非降水天气条件下，同时次VISFS大于VIST的比例达到了83%。随着PM2.5质量浓度的增加，两种能见度仪测量值在下降的同时，测量值的差异也在逐渐减小，空气质量从良到重度污染，两者的平均绝对误差由655 m降低到175 m。

图6 非降水天气条件下不同空气污染水平的VISFS、VIST箱线图Fig.6 VISFS and VIST box plots on different airpollution levels under non-precipitation weather conditions

已有的研究表明，在讨论大气颗粒物浓度对能见度影响的过程中，不可忽略相对湿度的作用[30-31]。为进一步研究相对湿度在不同颗粒物浓度下对两种能见度仪测量值的差异性影响，对非降水天气条件下的VISFS、VIST与PM2.5质量浓度进行拟合(图7)，散点颜色代表不同相对湿度，实线为VISFS与PM2.5质量浓度的拟合曲线，虚线为VIST与PM2.5质量浓度的拟合曲线。

在不同的相对湿度范围内，无论是前向散射仪还是大气透射仪，它们的测量值与PM2.5质量浓度均呈现反相关关系，随着PM2.5质量浓度的增加，两种能见度仪测量值减小，测量值之间的差异也呈减小趋势。

从拟合曲线之间的距离来看，对于相同的PM2.5质量浓度，随着相对湿度的减少，两种能见度仪观测值之间的差异增大。统计非降水时段不同相对湿度下VISFS与VIST的差异(表2)发现，相对湿度大于80%时，两种能见度仪测量值的平均绝对误差为337.82 m，平均相对误差为12.04%，而相对湿度小于40%时，两者的平均绝对误差为1 953.16 m，平均相对误差为37.36%，说明两种能见度仪测量值在高湿条件下差异小，低湿条件下差异大。

对于前向散射能见度仪和透射能见度仪而言，测量能见度的本质是测量消光系数。大气总消光系数是颗粒物的散射系数和吸收系数、气体的散射系数和吸收系数之和[32]，在一般大气状态中，气体分子在对可见光的消光几乎可以忽略，能见度主要由气溶胶的消光决定。而气溶胶由硫酸盐、硝酸盐、有机物、以及光吸收性碳等化学组分构成，这些组分具有不同的消光特性，会使不同探测原理的能见度仪产生测量值差异。硫酸盐、硝酸盐和铵盐等组分具有吸湿性，在高湿条件下会吸附水汽而增大，造成体积浓度和粒子尺寸增大，导致气溶胶的总散射系数和后向散射系数增大[33-34]，在相对湿度(RH)为90%的时候，单次散射反照率(颗粒物散射与总消光的比值)可达0.9以上，导致探测颗粒物散射系数的前向散射能见度仪与探测大气消光的透射能见度仪的测量值相近。低湿条件下，单次散射反照率减少，黑碳和棕碳等组分引起的气溶胶吸收系数不可忽略，但前向散射仪未能考虑气溶胶颗粒的吸收作用，导致其探测的能见度值远大于透射能见度仪的观测值。

图7 非降水天气条件下VISFS、VIST与PM2.5质量浓度散点及拟合曲线Fig.7 Scatter plot and fitting curve of VISFS， VIST and PM2.5 mass concentration under non-precipitation weather conditions

表2 非降水天气不同相对湿度下两种能见度仪测量值的统计参数Table 2 Statistical parameters of the measured values of two visibility meters under different relative humidity in non-precipitation weather

此外，值得注意的是，进行相对湿度分级之后，RH小于80%时，VISFS、VIST与PM2.5质量浓度的拟合优度R2分别在0.7和0.5之上，而当RH大于等于80%时，拟合优度R2分别为0.22和0.23。高湿情况下，两种能见度仪的测量值与PM2.5质量浓度的相关性减弱，也从侧面说明，随着相对湿度的变大，颗粒物吸湿增长导致的散射消光对大气能见度下降有更显著的作用。

为更详细地说明非降水情况下不同颗粒物浓度对两种能见度仪测量值差异的影响，选取2019年2月的一次污染过程(图8)，根据湿度变化情况，重点分析以下3个时间段内的两种能见度仪测量值差异：

图8 2019年2月24日16时—26日16时两种能见度仪观测值、大气颗粒物浓度及相对湿度变化Fig.8 Time series diagram of visibility observation values of two instruments， particulate matter concentration and relative humidity from 16∶00 BST on February 24 to 16∶00 BST on February 26， 2019

(1)阶段1为24日21时—25日09时，该阶段相对湿度主要在60%～80%，两种能见度仪测量值均随着相对湿度的快速变化而起伏，两者的平均值相差较小但是平均绝对误差相差较大，为359.43 m。该阶段中，颗粒物浓度较高，颗粒物的吸收作用与颗粒物散射共同作用导致两种能见度仪测量值波动性较大，相关系数在3个阶段中最小。

(2)阶段2为25日09时—25日20时，该阶段相对湿度在60%以下，PM2.5质量浓度的平均值在120 μg·m-3以上，两种能见度仪测量值相差较大，且VISFS>VIST的占比达到96%。相对湿度很低且PM2.5质量浓度在一个较高的水平时，颗粒物吸收作用对消光的影响增大，所以大气透射仪的测量值在这种情况下会小于前向散射仪测量值，导致两种仪器测量值产生较大差异。

(3)阶段3为25日23时—26日09时，该阶段相对湿度在80%之上，能见度在3个阶段中最低，且两种能见度仪测量值相关系数最大、平均相对误差最小，平均绝对误差在90 m左右。说明高湿情况下，光散射作用占优导致两种能见度仪测量值差异减小，这与前面的统计规律一致。

表3 一次污染过程的不同阶段两种能见度仪测量值的统计Table 3 Statistics of the measured values of two visibility meters at different stages of a pollution process

综上，由于前向散射能见度仪和透射能见度仪的探测原理不同，大气颗粒物浓度和相对湿度都可使两者测试值产生差异。高湿情况下，颗粒物的散射系数在大气消光中占绝对优势，两种能见度仪测量值接近，而随着相对湿度的降低，颗粒物的吸收系数不可忽略，使前向散射能见度仪检测的能见度值远大于透射能见度仪的观测值。

3 结论

通过在中国气象局能见度计量检测实验室(上海)和金坛交通气象野外科学试验基地开展能见度对比观测试验获取的能见度数据及同步观测的气象要素和污染物浓度数据，对不同天气现象和不同颗粒物浓度下前向散射能见度仪和大气透射能见度仪的测量值差异特征及其成因进行了分析，主要结论如下：

(1)不同检测环境下能见度仪测量值的一致性存在显著差异。在能见度环境模拟舱内，两种能见度仪的测量值具有良好的一致性，最大平均相对误差为7.86%；但在自然条件下，两种能见度仪的测量值差异随着能见度的上升而快速增大，当VISFS大于500 m和4 000 m时，平均相对误差分别超过了10%和20%。

(2)不同天气现象下，在VISFS<200 m的低能见度段，VISFS/VIST的上四分位数均小于1，说明大部分前向散射仪测量值小于大气透射仪测量值；随着能见度的增加，VISFS/VIST总体呈现增大的趋势，但不同天气现象下VISFS/VIST中位数和均值接近1的能见度区间略有不同，毛毛雨、雨和雪天出现在能见度为200～500 m时，雾天出现在能见度500～1 000 m时。

(3)雨天两种能见度仪观测值的差异最大，平均相对误差达到了22.16%，雾天两种能见度仪观测值的差异最小，平均相对误差为16.65%。

(4)非降水情况下，同时次VISFS大于VIST的比例达到了83%。随着PM2.5质量浓度的增加，两种能见度仪测量值在下降的同时，测量值的差异也在逐渐减小，空气质量从良到重度污染，两者的平均绝对误差由655 m降低到175 m。

(5)高湿情况下，颗粒物的散射系数在大气消光中占绝对优势，两种能见度仪测量值接近，低湿情况下，颗粒物的吸收系数不可忽略，前向散射能见度仪测量值远大于透射能见度仪测量值。相对湿度从大于80%到小于40%，两种能见度仪测量值的平均相对误差由12.04%增长到37.36%。

本文利用交通气象站定型考核过程中的静态测试和动态测试数据，探讨了不同天气条件下及不同污染物浓度下两种能见度仪测量值产生差异的原因，对能见度仪的设计优化、检定标校和数据应用等有重要的实践意义。与其他研究相比，本文考虑了大气颗粒物对两种能见度仪测量值差异的影响，但使用的外场资料时长有限，只考虑了不同相对湿度下PM2.5质量浓度对两种仪器测量值产生的影响且有一定的地区局限性，在不同地区的适用性还有待进一步验证。后续研究我们将继续在不同地理环境下进行更长时间序列的能见度仪对比观测，以明确各自的优缺点和适用条件，为我国能见度的规范观测提供参考依据。