能见度Belfort M6000型与Belfort M6400型观测比对与影响因子研究

2022-11-24周嘉健曾慧明徐黄飞王明辉黄飞龙

中低纬山地气象 2022年5期

周嘉健,曾慧明，徐黄飞，王明辉，黄飞龙

(广东省气象探测数据中心,广东广州 510080)

0 引言

大气能见度是指视力正常的人能从背景(天空或地面)中识别出具有一定大小的目标物的最大距离，也称气象视程[1]。以往测量大气能见度是通过人工目测测量，而随着大气探测技术的发展，目前已出现各种不同型号的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[2]。

对于美国Belfort仪器公司生产的Belfort M 6000能见度仪(以下简称M6000型)，甘桂华等[3]、张毅等[4]介绍了其工作原理、安装、操作和维护，分析了易出现的故障及原因，并给出维护和校准建议；张顺等[5]介绍了大气透射仪和前向散射仪在观测原理上的差异，并通过计算能见度差值区间分布和平均差值，对比分析了昌北机场基准观测点的2种仪器的数据资料。目前，在器测仪器对比试验方面，李晓岚等[6]对DNQ1和FD12型能见度仪观测资料开展比对研究，分析2种能见度仪的观测差异特征及与关键气象要素和大气成分的关系。在器测仪器与人工观测对比试验方面，佘元标等[7]利用饶平站 2011 年1—12月定时人工观测能见度资料对比M6000能见度仪观测；吴振强等[8]利用人工目测能见度数据与M6000实测距离进行对比，并通过计算出相对湿度、水汽压、风速等气象要素和人工观测的能见度的相关系数，进一步求出相互间的修正系数公式，为厂家修改和完善M6000软件提供科学依据。

Belfort仪器公司在M6000型基础上，对软件和硬件均作出优化和完善，并生产出成本更低、观测更高效的M6400型。本文利用2021年6月11日—7月11日番禺国家气象观测站M6000型与Belfort M6400型能见度仪(以下简称M6400型)平行观测试验的观测数据，开展2款不同型号能见度仪的能见度观测比对研究，分析不同能见度观测范围下的能见度差值特征，并研究2款能见度仪观测结果及其差值与不同气象要素(如相对湿度、温度、气压、风速和风向)的关系，确定关键影响因子函数及可能原因，为推进M6400型能见度仪在台站的备份应用提供数据可靠性支撑。

1 资料和方法

1.1 观测站点与资料

番禺国家气象观测站(以下简称番禺国家站)是国家级地面观测站，站点具备温度(气温、浅层地温、深层地温、草温)、湿度、气压、风向、风速、能见度、日照、蒸发等气象要素的观测，并且该站为双套站。双套站指观测场内安装有1个主站和1个备份站。当台站人员发现主站的观测数据或数据通信异常时，可以将数据上传切换到备份站，保证数据观测的连续性。本次试验在该站的主站安装M6000型，在备份站安装M6400型，开展平行观测试验。

2款能见度仪的观测原理相同，均是基于大气中颗粒物的前向散射原理而设计的，通过测量观测角内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。2款能见度仪的主要观测指标会存在一些差异，如表1所示。两者的观测精度、散射角和光源配置基本一致，M6400型在量程和能耗均比M6000型优越。

表1 2款能见度仪主要指标对比

1.2 数据处理与统计方法

本研究采用的观测资料为番禺国家站2021年6月11日—7月11日2种能见度仪观测的分钟平均能见度(分别记为Vis6000和Vis6400)以及对应的其他气象要素观测，包括相对湿度、气温、风速、风向、气压和降水量。

目前气象上大气能见度观测范围在0～50 km，因此设置2款能见度仪的上限观测为50 km。此外，为了更好地分析2种能见度仪在不同能见度状况下，基于 Vis6000观测数值将能见度划分为5个等级，即：0≤观测值<1 km (能见度很差)、1 km≤观测值<2 km(能见度较差)、2 km≤观测值<10 km(能见度一般)、10 km≤观测值<20 km(能见度较好)和20 km≤观测值<50 km(能见度很好)，分别评估不同能见度等级的观测差异特征。

为了体现两者存在的差异特征，本文利用平均绝对偏差MAD、平均相对偏差RD、均方根偏差RMSD和相关系数r等统计量进行统计[9-10]，公式如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

2 结果分析

2.1 2款设备偏差特征对比

图1给出2021年6月11日—7月11日期间分钟平均能见度Vis6000和Vis6400对比时域图以及二者差值(Vis6400-Vis6000)的时序变化图。图1a中的蓝色实线为M6000型观测值，红色实线为M6400型观测值。由图1a可见，二者的变化趋势基本一致。并结合图1b分析，差值基本处于-10～0 km之间，这表明M6400型观测结果普遍低于M6000型观测结果。结合图1c发现，整个观测时段内二者的相关系数达到0.92。在能见度较低时二者的相关性更好，随着能见度的增加，二者的离散度增大。

图1 2021年6月11日—7月11日番禺国家站Belfort M6000和M6400型能见度仪分钟平均能见度(a),两者差值(b)的时序变化图及分钟平均能见度值散点图(c)

2.2 不同能见度等级偏差特征分析

根据1.2中划分的能见度等级，分析不同等级下2款能见度仪观测值的变化特征(图2、表2)，并给其平均绝对偏差(MAD)、平均相对偏差(RD)、均方根偏差(RMSD)和相关系数(r)的统计表(表3)。

表2 2款能见度仪相对误差数据比例统计表

表3 不同能见度观测范围下偏差统计表

由2款能见度仪在不同能见度等级下的观测对比图(图2)和两者在不同能见度等级下的相对误差比例统计表(表2)可知，能见度等级在0～1 km和1～2 km时，两者的相对误差主要集中在50%以下。但由于样本点数少，所以结果会欠缺一定的合理性；能见度等级在2～10 km和10～20 km时，两者的相对误差主要集中在20%以下；能见度等级在20～50 km时，两者的相对误差主要集中在20%～50%区间。

图2 2款能见度仪在不同能见度等级下观测对比图(a：0～1 km；b：1～2 km；c：2～10 km；d：10～20 km；e：20～50 km)

结合表3分析，随着能见度等级增大(能见度越好)，两者的MAD、RD和RMSD的绝对值均增大，但由于在能见度等级为0～1 km和1～2 km时的样本点较少，这里对其不做分析，仅对等级在2～50 km之间进行分析。相比其他等级而言，能见度等级在2～10 km时2款能见度仪观测一致性最好，两者的相关性系数(0.91)最高，MAD、RD和RMSD依次为0.233 km、6.89%和1.051 km；能见度等级在20～50 km时，两者的MAD(-9.859 km)、RD(-22.25%)和RMSD(11.28 km)均为最高，表明两者在高能见度时，一致性较差，差异较大。

2.3 能见度与其他气象要素比对分析

2.3.1 与其他气象要素关系气象要素的变化对能见度仪观测存在一定的影响[11]。图3和图4分别给出2款能见度仪观测数值与主要气象因子(包括气压、温度、相对湿度、风向、风速和雨量)的变化关系，并给出对应的相关系数。

结合图3和表4可见，2款能见度仪的观测数值与相对湿度和气压的相关性比温度、风向和风速要高。二者均与相对湿度存在负相关关系，即随着相对湿度的减小，能见度数值均有所增加，并在整个观测期间，Vis6000与相对湿度的相关性(r=-0.30)高于 Vis6400与相对湿度的相关性(r=-0.27)，这可能是由于相对湿度的增加，大气中的气溶胶经过吸湿增长而导致能见度下降[12-13]。进一步对湿度进行划分后发现，在高湿(相对湿度>80%)条件下，2款能见度仪观测数值与相对湿度的相关性增大，这说明在高湿条件下，能见度数值与相对湿度的负相关关系更为显著。图4是2款能见度仪的小时平均能见度与小时雨量之间的时序变化图，其中黑色实线为小时平均能见度观测值，红色柱形是小时雨量值。从图可发现，当出现降水时(黑色虚线框所示)，相对湿度处于高湿状态，而2款能见度仪观测值会变小，这也进一步验证能见度值与相对湿度存在负相关性。

图3 2021年6月11日—7月11日M6000(a)与M6400(b)观测分钟平均能见度随相对湿度、气温、气压、风速和风向的变化

图4 2021年6月11日—7月11日M6000与M6400观测小时平均能见度与小时雨量之间的时序变化

表4 2款能见度观测值及其差值与不同气象因子间的相关系数表

2.3.2 观测偏差的日变化分析研究发现，能见度观测值与湿度和气压相关性比温度、风向和风速的要更高。相对湿度的高低与降水有关，而气压在一天当中也存在高低变化。因此，本节将进一步对2款能见度仪在不同时刻观测差异的特征以及受气象要素日变化开展研究。

将数据按天分类，并通过降水与否划分晴天(24 h累积降水量为0)和雨天(24 h累积降水量不为0)。按照晴天、雨天分别给出不同时刻2款能见度仪观测值的相关系数存在日变化情况和对应的相对湿度和气压日变化图(图5)。

图5 M6400和M6000能见度仪观测值的相关系数日变化和相对湿度和气压日变化(a、c：晴天；b、d：雨天)

从图5a可见，在晴天时，2款能见度仪在不同时刻的相关系数是呈现“高—低—高”的变化特征，11—13时期间出现相关系数低值区。同时结合气压的日变化图发现气压的日变化也呈现相似的变化特征，但与相对湿度的日变化特征关系较弱。从图5b可见，雨天时2款能见度仪在不同时刻的相关系数呈现小幅波动的变化，相关系数均在0.85以上。结合气压日变化图可见气压的日变化特征与相关系数日变化特征相似，而相对湿度呈现先低后高的变化特征，数值整体在70%以上，在高湿状态时，相关系数在0.9左右。将晴天时与雨天时的统计量作对比可知，雨天日平均相关系数(0.93)比晴天(0.82)时要高，因此，2款能见度仪在雨天时一致性比晴天时高。