李志乾 張志偉 成 文 漆隨平 王東明

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所1，山東 青島 266001；山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，山東 青島 266001)

海上能見(jiàn)度觀測(cè)研究進(jìn)展

李志乾1，2張志偉1，2成 文1，2漆隨平1，2王東明1，2

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所1，山東 青島 266001；山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，山東 青島 266001)

海上能見(jiàn)度的觀測(cè)對(duì)航海安全日益重要。從能見(jiàn)度影響因素和測(cè)量原理出發(fā)，介紹了大氣能見(jiàn)度觀測(cè)方法，對(duì)海上能見(jiàn)度觀測(cè)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了匯總，提出了海上能見(jiàn)度觀測(cè)中存在的問(wèn)題和難點(diǎn)，認(rèn)為能見(jiàn)度定義的準(zhǔn)確性、光學(xué)系統(tǒng)污染會(huì)對(duì)能見(jiàn)度觀測(cè)結(jié)果產(chǎn)生重要影響。由于搭載平臺(tái)空間有限及自身的特殊性，海上能見(jiàn)度通常采用"以點(diǎn)代面"的方式進(jìn)行觀測(cè)，而搭載平臺(tái)的自身發(fā)熱和運(yùn)動(dòng)是測(cè)量不準(zhǔn)的主要原因。最后對(duì)海上能見(jiàn)度觀測(cè)的趨勢(shì)和方向進(jìn)行了展望。

海上能見(jiàn)度 消光系數(shù) 能見(jiàn)度影響因素 能見(jiàn)度測(cè)量方法 能見(jiàn)度儀 安裝平臺(tái)

0 引言

海上能見(jiàn)度是指在人的正常視力下，能看清海上最遠(yuǎn)目標(biāo)物輪廓和形狀的最大距離，它是海上天氣觀測(cè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。當(dāng)海上能見(jiàn)度低時(shí)，由于肉眼看不清遠(yuǎn)距離的障礙物，海上尤其是在近岸或狹水道航行的船舶容易發(fā)生碰撞、擱淺或觸礁等事故，對(duì)海上航行安全造成嚴(yán)重威脅。當(dāng)能見(jiàn)度低時(shí)，無(wú)法保證艦載機(jī)安全起降，將會(huì)影響軍事訓(xùn)練與海上救援行動(dòng)。我國(guó)海域面積遼闊，海上能見(jiàn)度的監(jiān)測(cè)對(duì)維護(hù)我國(guó)海洋權(quán)益有重要的意義，因此，加強(qiáng)海上能見(jiàn)度的觀測(cè)至關(guān)重要。

1 能見(jiàn)度觀測(cè)原理

空氣中存在的大量顆粒物，會(huì)對(duì)通過(guò)的光線(xiàn)產(chǎn)生散射作用和選擇性吸收，即消光作用，從而影響人眼視程。

1.1 能見(jiàn)度解算原理

Koschmieder[1]于1924年提出了Koschmieder定律，以水平天空為背景的黑體目標(biāo)物，正常人眼的視覺(jué)對(duì)比度與目標(biāo)物距離(即能見(jiàn)度)的變化規(guī)律為：

(1)

式中：σ為消光系數(shù)。

可見(jiàn)，在視覺(jué)對(duì)比度ε為常數(shù)的情況下，只要求得大氣的消光系數(shù)σ，就能計(jì)算出能見(jiàn)度V，通常取ε=0.02[2]。式(1)通常用來(lái)計(jì)算白天能見(jiàn)度。

夜間能見(jiàn)度是指能看清楚的中等強(qiáng)度目標(biāo)光源的水平距離。夜間能見(jiàn)度可采用Allard于1986年提出的Allard定律[3]計(jì)算：

(2)

式中：EB為背景亮度；V為能見(jiàn)度；σ為消光系數(shù)。

從白天和夜間的能見(jiàn)度計(jì)算公式可以看出，能見(jiàn)度V是消光系數(shù)σ的函數(shù)，只要測(cè)定σ即能計(jì)算出能見(jiàn)度V。能見(jiàn)度的影響因子主要是通過(guò)調(diào)節(jié)消光系數(shù)σ來(lái)影響能見(jiàn)度V，如Roberto Nebuloni[4]研究了消光系數(shù)和能見(jiàn)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

在可見(jiàn)光和近紅外波段，大氣對(duì)光的吸收作用可忽略不計(jì)[ 5]。在干潔大氣下，認(rèn)為大氣中只存在分子散射對(duì)消光的貢獻(xiàn)，所以分子的散射作用也通常忽略。由此可見(jiàn)，在可見(jiàn)光和近紅外波段，氣溶膠粒子的散射是大氣消光的主要因素[6]。

以上是基于陸地大氣能見(jiàn)度的推理過(guò)程。目前海上能見(jiàn)度也沿用陸上模式，但這一模式?jīng)]有充分考慮海陸下墊面的差異性，若不加修正地直接套用陸地模式，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)新問(wèn)題。

1.2 能見(jiàn)度影響因子研究

李學(xué)彬等[7]分析了氣溶膠粒子，特別是細(xì)粒子(PM2.5)對(duì)能見(jiàn)度的影響。陳義珍等[8]研究了相對(duì)濕度和顆粒物對(duì)能見(jiàn)度的影響。姚劍等[9]比較了不同粒徑大氣顆粒物質(zhì)量濃度與空氣水平能見(jiàn)度和顆粒物消光系數(shù)的相關(guān)性。馬志強(qiáng)等[10]分析了霧和霾對(duì)北京地區(qū)大氣能見(jiàn)度的影響。林盛群等[11]采用多元回歸法，分析了香港地區(qū)大氣能見(jiàn)度與大氣污染物變化的關(guān)系。程敘耕等[12]分析了中國(guó)區(qū)域低能見(jiàn)度下風(fēng)速的空間分布、能見(jiàn)度與風(fēng)速之間的關(guān)系、風(fēng)速變化對(duì)能見(jiàn)度變化的影響，討論了城市化效應(yīng)和近海位置對(duì)其影響程度。劉西川等[13]研究了降水現(xiàn)象對(duì)大氣消光系數(shù)和能見(jiàn)度的影響。

2 能見(jiàn)度觀測(cè)方法

大氣能見(jiàn)度在天氣監(jiān)測(cè)和氣候分析中有著重要的作用，其主要觀測(cè)方法有人工目測(cè)法、數(shù)字?jǐn)z像法、視頻檢測(cè)法、遙感反演法、儀器自動(dòng)觀測(cè)法。

2.1 目測(cè)法

能見(jiàn)度的測(cè)量目前還是以人工目測(cè)為主，很多氣象觀測(cè)站仍沿用這一傳統(tǒng)觀測(cè)方法，但人工觀測(cè)易受人眼感官疲勞影響。尹淑嫻等[14]分析了東莞市能見(jiàn)度人工觀測(cè)資料。

2.2 數(shù)字?jǐn)z像法

數(shù)字?jǐn)z像法主要是通過(guò)亮度對(duì)比度來(lái)計(jì)算能見(jiàn)度。李屹等[15]研究了一種基于數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)的能見(jiàn)度檢測(cè)方法。常峰等[16]設(shè)計(jì)了數(shù)字?jǐn)z像能見(jiàn)度儀算法，能測(cè)量白天和夜間能見(jiàn)度。王京麗等[17]采用數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)，根據(jù)人工能見(jiàn)度觀測(cè)原理，研制了新型的數(shù)字能見(jiàn)度儀。

2.3 視頻檢測(cè)法

郭尚書(shū)等[18]對(duì)基于暗通道先驗(yàn)的視頻能見(jiàn)度測(cè)量方法進(jìn)行了研究，根據(jù)暗通道先驗(yàn)知識(shí)估算出透過(guò)率，進(jìn)而算出消光系數(shù)，最終求得能見(jiàn)度。安明偉等[19]在分析能見(jiàn)度值的計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，提出了利用圖像對(duì)比度進(jìn)行視頻能見(jiàn)度檢測(cè)的算法。陳釗正等[20]提出了基于攝像機(jī)自標(biāo)定的視頻能見(jiàn)度檢測(cè)方法，并構(gòu)建了能見(jiàn)度檢測(cè)系統(tǒng)。

2.4 遙感反演法

錢(qián)俊屏等[21]基于MODIS資料得到了海上能見(jiàn)度反演的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。李旭文等[22]利用Landsat-7 ETM影像反演了能見(jiàn)度，并與地面空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果取得了很好的一致性。王驥鵬等[23]利用MODTRAN輻射傳輸模式模擬不同能見(jiàn)度等級(jí)下的MODIS水汽通道輻射值，進(jìn)行不同能見(jiàn)度等級(jí)條件下MODIS水汽通道的光譜特征及其與能見(jiàn)度的相關(guān)特性分析研究，初步得出水汽通道光譜特征與海上能見(jiàn)度的相關(guān)性。

2.5 儀器自動(dòng)觀測(cè)法

光線(xiàn)在傳播中遇到粒子會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象，如圖1所示，儀器接收透射光(如箭頭1)或散射光(如箭頭2、3)，通過(guò)計(jì)算透過(guò)率或散射光強(qiáng)，得到消光系數(shù)，進(jìn)而可求得能見(jiàn)度。在能見(jiàn)度測(cè)量?jī)x研制方面，芬蘭、美國(guó)、日本和德國(guó)等走在世界前列。

圖1 粒子散射示意圖

2.5.1 大氣透射儀

如圖1所示，若接收箭頭1所示的透射光，通過(guò)測(cè)量大氣透明度來(lái)計(jì)算能見(jiàn)度，這種工作方式的儀器稱(chēng)為大氣透射儀，可分為單端式和雙端式兩種。兩者的探測(cè)原理相同，均為通過(guò)測(cè)量光的透過(guò)率來(lái)求得消光系數(shù)，從而確定能見(jiàn)度值；其區(qū)別在于發(fā)射器和接收器之間是否需要基線(xiàn)。單端式透射儀由于結(jié)構(gòu)龐大且安置復(fù)雜，實(shí)際使用較少；雙端式透射儀測(cè)量精度高，但需要較長(zhǎng)的基線(xiàn)且占地面積大。大氣透射儀一般用在機(jī)場(chǎng)或高速公路上，也用來(lái)進(jìn)行其他類(lèi)型的能見(jiàn)度儀標(biāo)定。具有代表性的產(chǎn)品如芬蘭Vaisala公司生產(chǎn)的LT31型透射式能見(jiàn)度儀。

2.5.2 后向散射儀

如圖1所示，若接收箭頭2所示的后向散射光，可通過(guò)測(cè)量后向散射光強(qiáng)來(lái)計(jì)算消光系數(shù)，進(jìn)而得到能見(jiàn)度。這種工作方式的儀器稱(chēng)為后向散射儀，一般激光雷達(dá)采用這種工作方式。由于激光雷達(dá)后散射儀設(shè)備存在體積龐大、成本昂貴、維護(hù)費(fèi)用高等特點(diǎn)，限制了其在氣象能見(jiàn)度測(cè)量中的廣泛應(yīng)用。

2.5.3 側(cè)向散射儀

側(cè)向散射儀[24]原理示意圖如圖2所示。圖中，在光源L前置一乳白玻璃，產(chǎn)生漫射光，漫射光照射到采樣體(陰影部分)上被散射，R為接收器，V為一光阱。由發(fā)射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)得到散射系數(shù)，進(jìn)而求得能見(jiàn)度。側(cè)向散射儀測(cè)量散射光范圍大、理論精度高，在實(shí)際使用中精度差、靈敏度低，已很少使用。

圖2 側(cè)向散射儀原理示意圖

2.5.4 前向散射儀

如圖1所示，若接收如箭頭3所示的前向散射光，通過(guò)測(cè)量前向散射光強(qiáng)來(lái)計(jì)算消光系數(shù)，進(jìn)而得到能見(jiàn)度。這種工作方式的儀器稱(chēng)為前向散射儀，其可分為單光路和雙光路兩種[25]，如芬蘭Vaisala公司生產(chǎn)的FD12P型單光路式前向散射儀(如圖3所示)，美國(guó)Qualim itrics公司生產(chǎn)的VS8364型雙光路式前向散射儀如圖4所示。

圖3 FD12P型單光路式原理圖

圖4 VS8364型雙光路式原理圖

前向散射儀具有體積小、安置簡(jiǎn)單、便于維護(hù)等特點(diǎn)，一般用于碼頭、航空、高速公路等系統(tǒng)。

2.5.5 總散射儀

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，沒(méi)有真正意義上的總散射儀，只是其測(cè)量的角度范圍很寬，但因其測(cè)量精度差、反應(yīng)不靈敏，已經(jīng)很少在實(shí)際中應(yīng)用[26]。

3 海上能見(jiàn)度觀測(cè)平臺(tái)

前文所述的能見(jiàn)度觀測(cè)方法或儀器一般用于陸地上，到了海上則儀器的安置較為困難，因此一般可考慮在下列載體上安置能見(jiàn)度儀，進(jìn)行氣象觀測(cè)。

3.1 海島(岸)站

陶偉[27]分析了廣西海島站能見(jiàn)度儀PWD20常見(jiàn)故障的原因，并提出了具體的處理方法。

3.2 浮標(biāo)、海洋臺(tái)站

山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所研制的大型海洋資料浮標(biāo)、海上臺(tái)站都可根據(jù)需要加裝能見(jiàn)度傳感器。

3.3 海上平臺(tái)站

對(duì)于海上鉆井平臺(tái)、石油平臺(tái)、燈塔等，都可根據(jù)需要安置自動(dòng)氣象觀測(cè)站，提供能見(jiàn)度觀測(cè)參數(shù)。

3.4 船舶站

山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所研制的氣象要素觀測(cè)設(shè)備也提供能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)功能，為船舶航行等提供能見(jiàn)度保障服務(wù)。

4 海上能見(jiàn)度觀測(cè)存在的問(wèn)題

海上觀測(cè)平臺(tái)空間有限，不宜安置體積龐大或需要很長(zhǎng)基線(xiàn)的能見(jiàn)度觀測(cè)設(shè)備。前向散射型能見(jiàn)度儀具有體積小、維護(hù)方便等特點(diǎn)，海上觀測(cè)平臺(tái)適宜安裝采用這種工作方式的能見(jiàn)度觀測(cè)設(shè)備。能見(jiàn)度儀一般都在陸基使用，由于海上環(huán)境與陸地的差異性，把能見(jiàn)度儀直接安置到海上平臺(tái)觀測(cè)，將不可避免地出現(xiàn)一些問(wèn)題。由于船舶平臺(tái)的特殊性，下面以船舶為例討論海上能見(jiàn)度觀測(cè)的局限性。

4.1 準(zhǔn)確性問(wèn)題

由于能見(jiàn)度定義的主觀性，以及能見(jiàn)度本身是一個(gè)受諸多因素影響的物理量，使得目前世界上對(duì)能見(jiàn)度這一量值尚無(wú)溯源，對(duì)能見(jiàn)度測(cè)量?jī)x器也缺乏相應(yīng)的校準(zhǔn)規(guī)范和檢定規(guī)程。能見(jiàn)度儀器所謂的標(biāo)定也是通過(guò)嚴(yán)格的人工觀測(cè)來(lái)進(jìn)行的，雖然人工觀測(cè)的主觀性較強(qiáng)，但能見(jiàn)度測(cè)量領(lǐng)域依然離不開(kāi)人工觀測(cè)。

4.2 光學(xué)污染問(wèn)題

保持能見(jiàn)度儀的光學(xué)系統(tǒng)干凈、清潔對(duì)能見(jiàn)度測(cè)量至關(guān)重要。由于船舶煙囪出煙、海上鹽霧等污染物容易附著在發(fā)射端與接收端的鏡筒上，因此能見(jiàn)度儀的光學(xué)系統(tǒng)需要經(jīng)常維護(hù)，目前還不能真正做到無(wú)人值守。

4.3 平臺(tái)發(fā)熱問(wèn)題

相比海平面而言，船舶是個(gè)巨大熱源，海上航/泊的船舶由于受太陽(yáng)輻射散熱及自身發(fā)熱，會(huì)比周?chē)Ｓ颦h(huán)境溫度高，形成一個(gè)孤立的“熱島”。發(fā)熱體會(huì)對(duì)周?chē)目諝饬Ｗ踊蚣?xì)微顆粒物的分布產(chǎn)生擾動(dòng)影響，從而使空氣的光學(xué)散射特性發(fā)生改變，影響消光系數(shù)，進(jìn)而影響能見(jiàn)度值。散射型能見(jiàn)度儀是基于“一定范圍內(nèi)，大氣均質(zhì)穩(wěn)定”這一假設(shè)[25]而研制的一種以點(diǎn)代面式的能見(jiàn)度測(cè)量?jī)x，考慮到船體熱因素的影響，這一假設(shè)將不再成立。散射式能見(jiàn)度儀采樣空間有限，若直接把陸上散射式能見(jiàn)度儀安置到船上，相當(dāng)于能見(jiàn)度儀處在“熱島”中觀測(cè)能見(jiàn)度，其測(cè)量值與海上環(huán)境實(shí)際值勢(shì)必會(huì)存在較大的偏差。

4.4 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題

風(fēng)速大小對(duì)能見(jiàn)度也有影響[12]，主要影響大氣中粒子的擴(kuò)散速度。粒子擴(kuò)散越快，通過(guò)能見(jiàn)度儀采樣的空間內(nèi)的空氣越“純凈”，能見(jiàn)度就越好，反之則差。船舶航行會(huì)與空氣產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。通常而言，相對(duì)風(fēng)(或航行風(fēng)與真風(fēng)的合成風(fēng))比真風(fēng)大很多，安裝在船上的能見(jiàn)度儀測(cè)得的是在相對(duì)風(fēng)環(huán)境下的能見(jiàn)度值，而實(shí)際需要的是海上能見(jiàn)度(即海上真風(fēng)下的能見(jiàn)度觀測(cè)值)，兩者必然存在偏差。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要概述了能見(jiàn)度的測(cè)量原理、影響因素、測(cè)量方法及測(cè)量?jī)x器，對(duì)海上能見(jiàn)度觀測(cè)存在的問(wèn)題進(jìn)行了探討。總體而言，海上能見(jiàn)度觀測(cè)誤差受數(shù)學(xué)模型誤差、光敏元器件污染、制造工藝誤差、天氣因素帶來(lái)的誤差等諸多因素的影響。

隨著制造工藝的不斷進(jìn)步和能見(jiàn)度理論的不斷完善，能見(jiàn)度測(cè)量?jī)x器日趨成熟。未來(lái)海上能見(jiàn)度觀測(cè)的研究重點(diǎn)應(yīng)放在平臺(tái)發(fā)熱(非均質(zhì)大氣能見(jiàn)度模型)和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題上，將考慮如何修正采樣空間內(nèi)的消光系數(shù)，使之適用于大范圍的海上能見(jiàn)度。

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Research Progress of Observation of Visibility at Sea

Observation of visibility a sea has become increasingly important to the safety of navigation. From the influence factors and measuring principle of visibility, the observation method for atmospheric visibility is introduced, and the present situations of research on visibility at sea are summarized, the problems and difficulties existing in observation of visibility at sea are pointed out. it’s considered that the accuracy and the pollution of the optical system will have an important influence on the results, due to the limited space of the platform and its own particularity, the visibility is usually “consider point as plane”, so the heating and movement of the platform is the main reason for the measurement. Finally the trend and direction about observation of visibility a sea are looked ahead.

Visibility at sea Extinction coefficient Influencing factors of visibility Measuring method of visibility Visibility meter Installation platform

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(863計(jì)劃)(編號(hào)：2012AA091801)；

山東省自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2014CGZH1203);

青島市科技計(jì)劃基礎(chǔ)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：12-1-4-10-(1)-jch)。

李志乾(1983-)，男，2012年畢業(yè)于中科院上海技術(shù)物理研究所電磁場(chǎng)與微波技術(shù)專(zhuān)業(yè)，獲博士學(xué)位，助理研究員；主要從事船舶氣象技術(shù)方面的研究。

TH766

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510008

修改稿收到日期：2015-03-03。