何 飛，袁業(yè)暢

(湖北省氣象服務(wù)中心，湖北 武漢 430000)

1 引言

能見度是氣象學(xué)中反映大氣渾濁度的一個(gè)指標(biāo)，不僅能指示一個(gè)地區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量，而且與交通運(yùn)輸行業(yè)關(guān)系密切。隨著航空事業(yè)的迅速發(fā)展，國際民航組織要求降低機(jī)場最低運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)機(jī)場能見度的觀測提出了更高要求[1]。

能見度通常用氣象光學(xué)視程表示，氣象光學(xué)視程是指白熾燈發(fā)出色溫為2700 K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，也指白天視力正常(對(duì)比感閾為0.05)的人，在當(dāng)時(shí)天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨認(rèn)的目標(biāo)物(黑色、大小適度)的最大距離，通常人工目測距離為一束光的強(qiáng)度衰減至原始強(qiáng)度的0.6%～8.0%，取值2.0%。能見度可以通過人工和自動(dòng)兩種方式進(jìn)行觀測，人工觀測能見度觀測次數(shù)較少(國家一般氣象站一天觀測3次，國家基準(zhǔn)氣象站一天觀測24次)，主觀性強(qiáng)，為估測值，而儀器觀測一般采用透射能見度儀、散射能見度儀進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)的觀測，可比性強(qiáng)。對(duì)于能見度兩種不同的觀測方法，有不少的對(duì)比分析[2～7]，研究表明：在不同天氣條件影響下，兩種觀測方法存在一定的差異，當(dāng)能見度較低時(shí)，二者結(jié)果較為接近，當(dāng)能見度較高時(shí)，二者存在明顯的誤差。

本研究對(duì)比鄂州國際物流核心樞紐機(jī)場的臨時(shí)氣象站的前向散射能見度儀與同期人工觀測數(shù)據(jù)，以期探求兩種觀測數(shù)據(jù)的一致性及差異，為人工觀測能見度向儀器觀測能見度過度提供依據(jù)。

2 資料說明

鄂州國際物流核心樞紐機(jī)場為順豐集團(tuán)預(yù)在鄂州建立4E級(jí)全貨機(jī)機(jī)場，目標(biāo)是建成全球第四、亞洲第一的航空物流樞紐。從選址開始，在擬定機(jī)場跑道的北端建立起臨時(shí)的氣象觀測站。能見度觀測資料為2016年4月至2017年3月一整個(gè)觀測年，人工能見度觀測僅在白天時(shí)段(北京時(shí)的08時(shí)至20時(shí))進(jìn)行，觀測頻率為每小時(shí)一次；自動(dòng)能見度觀測選用華云升達(dá)(北京)氣象科技公司生產(chǎn)的DNQ1/V35型號(hào)的前散射能見度傳感器，進(jìn)行24 h觀測，通過民用機(jī)場地面系統(tǒng)每小時(shí)讀取一個(gè)數(shù)據(jù)。本文結(jié)合機(jī)場臨時(shí)氣象站天氣現(xiàn)象觀測記錄，分析在不同視程障礙下兩種能見度數(shù)據(jù)的差異。

由于人工觀測能見度只有觀測年白天時(shí)段(08時(shí)至20時(shí))的數(shù)據(jù)，因此自動(dòng)站也選取同時(shí)段的小時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。人工觀測與自動(dòng)觀測應(yīng)測數(shù)據(jù)4745個(gè)，其中人工觀測缺測23個(gè)時(shí)次，自動(dòng)觀測完整，采用4722組有效數(shù)據(jù)對(duì)比人工觀測和自動(dòng)觀測結(jié)果。

3 兩種觀測方法的理論差異

3.1 人工觀測能見度

人工觀測的能見度分白天和夜間兩類條件，本研究僅涉及白天能見度。白天能見度是指視力正常(對(duì)比感閾為0.05)的人，在當(dāng)時(shí)天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨認(rèn)的目標(biāo)物(黑色、大小適度)的最大距離。人工觀測能見度，通過指的是有效水平能見度，即四周視野中1/2以上范圍內(nèi)能看到的目標(biāo)物的最大水平距離。觀測員在一天中的特定時(shí)刻進(jìn)行觀測，通過目測不同距離目標(biāo)物的清晰程度對(duì)能見度進(jìn)行判別。

3.2 自動(dòng)觀測能見度

本研究自動(dòng)觀測能見度是由前向散射能見度儀獲取。散射儀的原理是通過測量小體積空氣對(duì)光的散射系數(shù)，從而估算出消光系數(shù)，再根據(jù)柯西米德定律計(jì)算氣象光學(xué)視程[8]。前向散射能見度儀主要是利用光在大氣中傳播會(huì)發(fā)生衰減和各種散射吸收，其中空氣中的水滴是造成散射的主要因素，也是影響能見度的主要因素[9]。散射儀對(duì)大氣光學(xué)距離的觀測和計(jì)算基于3點(diǎn)假設(shè)：①假定大氣是均質(zhì)的；②假定散射系數(shù)與消化系數(shù)相等；③假定散射儀測量的散射光強(qiáng)正比與散射系數(shù)。

3.3 人工觀測值與儀器觀測值的理論計(jì)算

根據(jù)比爾-朗伯定律F=Fo.exp(-σx)計(jì)算自動(dòng)化觀測數(shù)據(jù)(MOR)，由WMO定義的MOR為：F/Fo=5%=0.05,由消化系數(shù)計(jì)算得出MOR如下：

(1)

人工觀測值的計(jì)算方法，同樣利用比爾-朗伯定律，人工觀測值定義F/Fo=2%=0.02,由此消光系數(shù)計(jì)算得到如下：

(2)

式(2)中X表示距離，F(xiàn)代表X距離處的光通量，F(xiàn)o代表X=0時(shí)的原始光通量，s表示消光系數(shù)，將(2)式比(1)式可得，MOR/X=3.9/3=1.3，從理論上人工目測距離是能見度儀測量距離的1.3倍[10]。

4 人工觀測數(shù)據(jù)與儀器觀測數(shù)據(jù)分析

4.1 能見度總體差異

根據(jù)《對(duì)比觀測期間監(jiān)測資料評(píng)估技術(shù)方法》[11]，一致率(Cr)應(yīng)大于80%，粗差率(Gr)應(yīng)小于3%。一致率表示自動(dòng)觀測與人工觀測的一致性程度，用對(duì)比差絕對(duì)值小于等于2倍標(biāo)準(zhǔn)差的樣本數(shù)與有效樣本數(shù)的比值表示,而粗差率表示差值的多寡,其值越大表示存在異常的數(shù)據(jù)越多[12]，用對(duì)比差減去對(duì)比差平均值的絕對(duì)值小于等于3倍標(biāo)準(zhǔn)差的樣本數(shù)與有效樣本數(shù)的比值表示。統(tǒng)計(jì)得到觀測年內(nèi)人工觀測與儀器觀測的一致率Cr為88.7%，粗差率Gr為1.3%，由于人工觀測最大值為10 km，因此本研究特地分析了人工觀測能見度<10km的兩種觀測值，得到一致率Cr為91.4%，粗差率Gr為0.9%，兩組數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求，說明人工觀測與自動(dòng)觀測的結(jié)果較一致，異常值較少。

圖1給出了觀測年內(nèi)人工能見度和儀器觀測能見度的平均值的年變化情況，由各月白天時(shí)段的平均能見度可見，儀器觀測能見度與人工觀測能見度有類似的變化規(guī)律，除1月和12月外，儀器觀測的各月能見度平均值均大于人工觀測值。

圖1 人工能見度和儀器觀測能見度的平均值的年變化

所有有效樣本中，能見度的人工觀測與儀器觀測對(duì)比的平均差值為-3.1 km，標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.9 km，平均相對(duì)誤差為-27.5%，人工觀測能見度<10 km的所有樣本中，人工觀測與儀器觀測的平均差值為1.0 km，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.1 km，相對(duì)偏差為19.3%。由此可見，小于10 km人工觀測能見度與儀器觀測能見度的偏差較小，在人工能見度5～10 km相對(duì)誤差最小，人工能見度10 km相對(duì)誤差最大，因此本研究將人工觀測能見度進(jìn)行分段，表1比較了兩種觀測數(shù)據(jù)的差異。

表1 人工與自動(dòng)觀測能見度正負(fù)偏差統(tǒng)計(jì)

由表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見，在人工觀測能度5～10 km段兩種能見度相等比例最大，為11.3%，其次為人工觀測能見度10 km時(shí)，相等比例為8.5%，人工觀測能見度小于1 km內(nèi)兩種能見度無相等，可見人工能見度在5 km之內(nèi)，人工和儀器相等比例較低，5 km以上兩者相等比較有所增加；人工能見度小于10 km時(shí)，人工觀測結(jié)果多大于儀器觀測結(jié)果，正偏差比例均在84%以上，由于本氣象站人工觀測最大值為10 km，能見度情況較好時(shí)均記為10 km，儀器觀測能見度最大值為45 km，人工觀測能見度為10 km時(shí)，人工觀測結(jié)果多小于儀器觀測結(jié)果，正偏差比例均為19.8%。由于人工能見度為10 km的樣本數(shù)最多，為2666個(gè)，導(dǎo)致各月白天能見度平均基本表現(xiàn)為人工觀測結(jié)果小于儀器觀測結(jié)果(圖1)。

4.2 能見度相關(guān)性分析

利用觀測年內(nèi)的能見度儀觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)作相關(guān)(圖2)，得到相關(guān)系數(shù)為0.68，由于機(jī)場臨時(shí)氣象觀測站最大能見度為10 km，對(duì)應(yīng)儀器觀測能見度數(shù)據(jù)范圍從2.8～45 km，人工能見度10 km以下的觀測數(shù)據(jù)與儀器觀測能見度相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為0.87，因此本研究選取人工觀測能見度小于10 km的數(shù)據(jù)對(duì)兩種能見度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析(圖3)。

表2分析了不同時(shí)次人工觀測能見度與自動(dòng)觀測能見度的相關(guān)性，可見白天時(shí)段各個(gè)不同時(shí)次人工觀測能見度與自動(dòng)觀測能見度均有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)08時(shí)和09時(shí)最大，逐漸減小至15時(shí)后，有所上升。

4.3 不同天氣現(xiàn)象時(shí)能見度一致性比較

本研究在造成視程障礙的天氣現(xiàn)象中選取3類來分析兩種能見度資料，分別是大霧、霾和雨。在機(jī)場臨時(shí)氣象站觀測年中分別選取這3種天氣現(xiàn)象的時(shí)次作為樣本，由于各種天氣現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率不同，因此樣本數(shù)量有較大差別，其中大霧時(shí)次樣本為27個(gè)，霾的樣本為326個(gè)，雨的樣本數(shù)最多為646個(gè)。

圖2 人工觀測能見度與自動(dòng)觀測能見度相關(guān)分析

圖3 人工觀測能見度(<10 km)與自動(dòng)觀測能見度相關(guān)分析

對(duì)不同天氣現(xiàn)象兩種能見度一致性對(duì)比得到表3。在3種視程障礙天氣現(xiàn)象下兩種觀測能見度的相關(guān)性均通過了P=0.001的檢驗(yàn)，大霧時(shí)，相關(guān)系數(shù)最大，為0.95，霾和雨的相關(guān)系數(shù)相對(duì)較小。

3種天氣現(xiàn)象下人工觀測能見度的正偏差比例均占到一半以上，其中大霧天氣下人工觀測的正偏差比例最大，為88.9%。大霧時(shí)兩者的平均差值最小，為0.06 km，霾日兩者的平均差值為1.15 km，僅在雨日平均差值為負(fù)，為-0.42 km。

表2 不同時(shí)次人工觀測能見度與自動(dòng)觀測能見度

分別計(jì)算3種天氣現(xiàn)象下，人工觀測能見度和儀器觀測能見度的標(biāo)準(zhǔn)差，人工觀測能見度的標(biāo)準(zhǔn)差均小于儀器觀測能見度，說明儀器觀測的數(shù)據(jù)起伏較大，穩(wěn)定性弱于人工觀測。其中大霧日時(shí)，兩種觀測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差最小，霾其次，雨日的標(biāo)準(zhǔn)差最大，同時(shí)雨日儀器觀測的標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)大于人工觀測。說明在霧和霾相對(duì)均勻而持續(xù)的天氣現(xiàn)象中，人工觀測和儀器觀測的能見度數(shù)據(jù)也較為穩(wěn)定，能見度較易受雨勢(shì)變化影響，儀器觀測受影響較大，標(biāo)準(zhǔn)差更大。

表3 不同視程障礙天氣現(xiàn)象的兩種能見度一致性對(duì)比

5 結(jié)語

(1)觀測年內(nèi)人工觀測與儀器觀測能見度的一致率Cr為88.7%，粗差率Gr為1.3%，說明人工觀測與自動(dòng)觀測的結(jié)果較一致，總體來說在機(jī)場臨時(shí)站白天時(shí)段，儀器觀測的能見度能較好的代表人工觀測能見度。

(2)觀測年內(nèi)，除1月和12月外，人工能見度均小于儀器觀測能見度。對(duì)人工觀測能見度進(jìn)行分段，能見度<10 km以下的，人工觀測能見度相比儀器觀測能見度的正值偏比例較高，在80%以上，能見度為10 km時(shí)，人工觀測能見度相比儀器觀測能見度的正值偏比例較低。

(3)人工能見度10 km以下的觀測數(shù)據(jù)與儀器觀測能見度相關(guān)性較好，各時(shí)次相關(guān)性均較好，相關(guān)系數(shù)從08時(shí)和09時(shí)最大，逐漸減小至15時(shí)后，有所上升。

(4)兩種能見度在大霧日的相關(guān)性最好，人工觀測和儀器觀測穩(wěn)定性也最好；在雨日的相關(guān)性最次，穩(wěn)定性最弱。儀器相對(duì)人工觀測的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差，特別是在雨日。