龍亞星,李成偉

(陜西省大氣探測技術(shù)保障中心,西安 710014)

能見度自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)對比分析

龍亞星,李成偉

(陜西省大氣探測技術(shù)保障中心,西安 710014)

結(jié)合陜西省氣象業(yè)務(wù)實際,采用數(shù)理統(tǒng)計的方法,對經(jīng)過預(yù)處理后的2088組能見度樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化分組和統(tǒng)計,同時對蒲城站290組能見度樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并進(jìn)行二次多項式擬合,得出自動站數(shù)據(jù)的矯正公式。結(jié)果表明：能見度人工觀測數(shù)據(jù)普遍大于自動觀測數(shù)據(jù),人工觀測更容易受人為主觀因素如經(jīng)驗、視覺閾值等的影響；自動觀測雖然受觀測環(huán)境局部影響較大,但觀測數(shù)據(jù)的比較性明顯優(yōu)于人工觀測數(shù)據(jù)的比較性；人工觀測和自動觀測的結(jié)果基本沒有相互訂正的意義。

能見度；自動觀測；人工觀測；對比分析

能見度觀測是地面氣象觀測的重要項目之一。截止2013年12月,陜西省共有32個國家基準(zhǔn)站、基本站安裝并業(yè)務(wù)運行了Vaisala PWD50能見度傳感器。自能見度傳感器安裝運行之日起,即有臺站反映能見度傳感器的觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)相差較大,因此有必要對能見度自動觀測和人工觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,對存在的現(xiàn)象進(jìn)行解釋并提出問題的解決方法。

1 觀測方法與數(shù)據(jù)來源

能見度用氣象光學(xué)視程(MOR)表示。MOR是指白熾燈發(fā)出色溫為2700K的平行光束的光通量在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路途長度。能見度觀測記錄以千米 (km)為單位,取一位小數(shù),第二位小數(shù)舍去,不足0.1km記＜0.1[1]。

1.1 觀測方法

氣象觀測業(yè)務(wù)中,能見度有人工觀測和儀器自動觀測兩種觀測方式。人工觀測能見度一般指四周視野中二分之一以上的范圍能看到的目標(biāo)物的最大水平距離。人眼觀測距離(NormalVisibility,VN)的范圍為0.6%～8%,一般取2%,因此VN為一束光的強度衰減到原始強度2%的距離[2]。人工觀測依據(jù)大氣的透射消光原理估測能見度。PWD50能見度傳感器的測量范圍為10～35000m,它利用光的前向散射原理,發(fā)射器中的近紅外線發(fā)光二極管發(fā)出一束光 (波長峰值875 nm)入射到大氣中,接收器將約0.02m3空間(采樣體積)內(nèi)的大氣前向散射光匯集到接收器的光電傳感器接收面上,通過測量散射光的強度得出散射系數(shù),進(jìn)而估算出消光系數(shù)并間接測得MOR[3]。

目標(biāo)物能見度具有消失距離和發(fā)現(xiàn)距離兩種不同形式。當(dāng)觀測者逐漸遠(yuǎn)離目標(biāo)物,直至目標(biāo)物從背景上剛剛可以辨別時,相應(yīng)的最大能見度叫做消失距離；氣象上人工觀測能見度通常采取消失距離。當(dāng)觀測者從遠(yuǎn)處逐漸靠近目標(biāo)物,直至將目標(biāo)物從背景上辨認(rèn)出來時,相應(yīng)的最大能見度叫做發(fā)現(xiàn)距離；氣象和航空上的自動器測能見度普遍采用發(fā)現(xiàn)距離[4]。由于發(fā)現(xiàn)距離更多的考慮觀測數(shù)據(jù)的安全性影響,消失距離與發(fā)現(xiàn)距離在觀測方法上不同,因此一般消失距離比發(fā)現(xiàn)距離遠(yuǎn),即人工觀測能見度比自動觀測能見度大。

1.2 數(shù)據(jù)來源

選用陜西省32個國家基準(zhǔn)站、基本站2013年12月(蒲城為2014年1—2月)08時、11時、14時、17時、20時5個定時觀測時次的能見度自動觀測和人工觀測數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

刪除自動觀測能見度大于35.0km或小于0.01km的數(shù)據(jù)樣本(共7組)；刪除自動觀測能見度缺測時的數(shù)據(jù)樣本(共21組)；刪除能見度自動觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)相差10倍以上的數(shù)據(jù)樣本 (共16組)?？捎玫臄?shù)據(jù)樣本共2088組。

2.2 歸一化分組與統(tǒng)計

為了分析各區(qū)間能見度自動觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)的關(guān)系,以自動觀測數(shù)據(jù)作為參考標(biāo)準(zhǔn),以每1km為一個區(qū)間范圍,將2088組樣本分成35個區(qū)間,如(0,1]為第1區(qū)間,(1, 2]為第2區(qū)間,依此類推。計算每一序列的樣本數(shù)、自動觀測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值、人工觀測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值及其平均值的標(biāo)準(zhǔn)差 (見圖1)。

圖1 陜西省32個觀測臺站能見度歸一化分組后自動觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

總體上,能見度的自動觀測數(shù)據(jù)小于人工觀測數(shù)據(jù)。以自動觀測數(shù)據(jù)作為參考標(biāo)準(zhǔn),1271組(占61%)樣本分布在1.0～10.0km。能見度為3.0～19.0km時自動觀測與人工觀測的數(shù)據(jù)差別較大,在7.0km左右時標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到約7.0km,絕對誤差達(dá)到13.0km左右,該區(qū)間內(nèi)觀測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的平均值達(dá)到6.0km左右。自動觀測能見度大于19.0km時觀測數(shù)據(jù)的差別逐漸減小,能見度自動觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差的平均值為1.6km。

2.3 單站來源數(shù)據(jù)分析

為了與人工觀測數(shù)據(jù)對比,選擇進(jìn)行了2個月對比觀測的蒲城站(1、2月)觀測數(shù)據(jù)(共290組)進(jìn)行分析。以自動觀測數(shù)據(jù)作為參考標(biāo)準(zhǔn),自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)曲線如圖2,表1列出了自動觀測數(shù)據(jù)在6.3～8.1km(第219～244組)時對應(yīng)的人工觀測數(shù)據(jù)。由圖2和表1可見,自動觀測數(shù)據(jù)基本呈平緩變化,而人工觀測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)鋸齒狀變化。表明即使在同一觀測站,當(dāng)儀器的自動觀測數(shù)據(jù)較為接近時,人工觀測數(shù)據(jù)也因人、因時的不同而不同。人工觀測數(shù)據(jù)的不確定性直接影響觀測數(shù)據(jù)的可用性。同時,人工觀測數(shù)據(jù)重復(fù)出現(xiàn)的概率明顯大于自動觀測數(shù)據(jù),說明人工觀測容易受經(jīng)驗的影響。

表1 陜西蒲城站1、2月能見度自動觀測數(shù)據(jù)在6.3～8.1km時對應(yīng)的人工觀測數(shù)據(jù) km

圖2 陜西蒲城站1、2月能見度自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)曲線

以自動觀測數(shù)據(jù)作為參考標(biāo)準(zhǔn)對樣本進(jìn)行分組,10.0km以內(nèi)每2.0km為一個區(qū)間范圍,如(0,2]為第1區(qū)間,(2,4]為第2區(qū)間,依此類推；10.0km以上為一個區(qū)間范圍,作為第6區(qū)間。對應(yīng)地將各定時觀測時次的每58組樣本分成6個區(qū)間,計算各區(qū)間內(nèi)樣本自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差 (圖3),以及各定時觀測時次自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù) (表2)。可以看出,總體上能見度自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)的差異在夜晚大于白天,這與在夜間人眼觀測更容易受到背景亮度等客觀因素、視覺感閾值等主觀因素的影響有關(guān)。能見度為2.0～10.0km時自動觀測與人工觀測的數(shù)據(jù)差別較大,這與2.2節(jié)的分析結(jié)果基本一致。

圖3 陜西蒲城站1、2月能見度定時觀測時次自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差

表2 各定時觀測時次自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)

2.4 數(shù)據(jù)擬合與校正

以自動觀測數(shù)據(jù)作為參考標(biāo)準(zhǔn),使用Matlab將蒲城站1、2月的自動觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)做散點圖,并根據(jù)數(shù)據(jù)的散點分布特征進(jìn)行二次多項式擬合,得出自動觀測數(shù)據(jù)的校正公式：

利用2.2節(jié)的方法對2088組數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分組,將經(jīng)過歸一化分組后的35組能見度人工觀測數(shù)據(jù)和自動觀測數(shù)據(jù)代入上述校正公式,利用人工觀測數(shù)據(jù)訂正自動觀測數(shù)據(jù)。圖4給出訂正前、訂正后不同能見度時自動觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。結(jié)果顯示,能見度在4～18 km時,該訂正公式在一定程度上減小自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差,在其它區(qū)間反而增大了標(biāo)準(zhǔn)差,這表明陜西省32個觀測臺站自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)基本上沒有相互訂正的意義。

圖4 訂正前、訂正后不同能見度時自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差

3 小結(jié)

(1)陜西省32個觀測臺站的能見度人工觀測數(shù)據(jù)普遍大于自動觀測數(shù)據(jù),導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)存在明顯差異的原因有觀測方法不同等客觀因素,同時主要還受人的經(jīng)驗、視覺閾值等主觀因素的影響。

(2)受能見度傳感器自身的組成結(jié)構(gòu)、觀測原理限制,自動觀測受觀測環(huán)境局部特征的影響較大,其代表性較人工觀測差,但自動觀測數(shù)據(jù)的比較性明顯優(yōu)于人工觀測數(shù)據(jù)。

(3)陜西省32個觀測臺站的能見度自動觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)不存在明顯的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系,基本上沒有相互訂正的意義。

[1] 中國氣象局,地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社,2003：17-20.

[2] 世界氣象組織.氣象儀器觀測方法和指南[M].北京：氣象出版社,1998：186-201.

[3] 張樂琪,劉韜,張桂梅.中國北方大氣氣溶膠微物理特性研究[J].陜西氣象,2014(3)：12-16.

[4] 沈宏彬,宋靜.成都雙流機場能見度氣候特征及氣象相關(guān)性分析[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報, 2013,28(6)：672-675.

P415.12

A

龍亞星,李成偉.能見度自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)對比分析[J].陜西氣象,2015(2)：32-35.

1006-4354(2015)02-0032-04

2014-09-07

龍亞星(1984—),男,漢族,湖北通城人,碩士,工程師,從事氣象探測技術(shù)保障及科研開發(fā)。

陜西省氣象局科技創(chuàng)新基金項目(2014M-24)