趙紅云

（湘潭市氣象局，湖南 湘潭 411100）

1 散射能見(jiàn)度儀工作原理

該設(shè)備工作形式為設(shè)備觀測(cè)加軟件分析，儀器既可作為獨(dú)立設(shè)備應(yīng)用，亦可連接納入至自動(dòng)站采集系統(tǒng)。儀器主要分為發(fā)射器、接收器、電源箱構(gòu)成，其工作原理將所測(cè)量的45°散射的紅外光強(qiáng)度為依據(jù)判定氣象的光學(xué)視程（如圖1所示）。儀器中發(fā)射器能夠發(fā)出2kHz的紅外脈沖波，至大氣中可形成近似平行狀態(tài)的紅外光束，當(dāng)與大氣中懸浮顆粒相遇后變會(huì)形成散射（紅外脈沖波長(zhǎng)與懸浮顆粒直徑處于同一個(gè)量級(jí)后便會(huì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象），形成的散射總量與紅外波束的衰減呈現(xiàn)為正比關(guān)系；當(dāng)接收器采樣區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)光束后，便匯集散射光束，并將紅外光束轉(zhuǎn)化為可處理電信號(hào)，經(jīng)由儀器中變送器同步放大器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行篩選處理后輸送至控制器單元中，通過(guò)計(jì)算大氣對(duì)于入射光束的散射情況以確定出散射系數(shù)及散射總量，變可進(jìn)一步獲得透過(guò)量，在不需要考慮大氣及懸浮物吸收作用的條件下，光束的散射系數(shù)將等同于消光系數(shù)，以此便可準(zhǔn)確計(jì)算出大氣的能見(jiàn)度數(shù)值[1]。

圖1 散射能見(jiàn)度儀工作原理

散射能見(jiàn)度儀理論觀測(cè)范圍為10～35000m的大氣能見(jiàn)度，其觀測(cè)誤差值為階梯形式存在：10～10000m范圍內(nèi)誤差為±10%、10～20000km范圍誤差為±15%、10～35000m范圍誤差為±20%；儀器能見(jiàn)度數(shù)據(jù)輸出形式主要為1min、10min能見(jiàn)度，時(shí)間常數(shù)為60s，更新周期為15s[2]。

2 研究資料來(lái)源

本研究中所應(yīng)用的研究資料采用湘潭國(guó)家氣象觀測(cè)站、韶山國(guó)家氣象觀測(cè)站2014年11月-2015年10月份完整資料，從中選取每日8:00、11:00、14:00、17:00、20:00自動(dòng)觀測(cè)及人工觀測(cè)的大氣能見(jiàn)度數(shù)據(jù)；自動(dòng)觀測(cè)以及人工觀測(cè)信息化資料來(lái)自自動(dòng)氣象站A文件及人工站氣簿-1。

3 比差與符合率分析

3.1 資料處理

3.1.1 資料修正方式

為使所選取資料具有研究對(duì)比意義，根據(jù)散射能見(jiàn)度儀35000m的觀測(cè)上限，將資料中人工觀測(cè)值大于35000m的數(shù)據(jù)修改為35000m[3]。

3.1.2 計(jì)算分析

3.1.2.1 比差值計(jì)算

觀測(cè)的比差值計(jì)算方法可以表示為：

式中，Xi表示第i次觀測(cè)的比差值；Vi表示第i次自動(dòng)觀測(cè)數(shù)值；VVi表示第i次人工觀測(cè)數(shù)值。

比差值月度平均值可以表示為：

式中，X表示比差值月度平均值；a表示自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)的平均觀測(cè)次數(shù)。

3.1.2.2 月度符合率計(jì)算

式中，C表示月度的符合率（取值范圍為基于氣象能見(jiàn)度要素的比差值月度平均值的2倍）；Xmin表示月比差值小于符合率范圍的次數(shù)；Em表示月度中總有效觀測(cè)次數(shù)。

3.2 符合率分析

將資料中自動(dòng)觀測(cè)以及人工觀測(cè)的能見(jiàn)度要素計(jì)算比差值，并評(píng)估出不同觀測(cè)方法的符合率（如表1所示）。

表1 自動(dòng)觀測(cè)及人工觀測(cè)中符合率情況

從上表中可以發(fā)現(xiàn)不同觀測(cè)方式的符合率整體上看呈現(xiàn)為下降的趨勢(shì)，6個(gè)月中1～3月的符合率相對(duì)較高，其中1月份大氣環(huán)境為相對(duì)的穩(wěn)定，但霧霾天氣較多，致使符合率較大；至4月份后大氣環(huán)境變得較為復(fù)雜，但能見(jiàn)度有所改善，因此符合率出現(xiàn)大幅度的下降；所有月份中5月的符合率最低，說(shuō)明此月份中不同觀測(cè)方式下數(shù)據(jù)具有較大的波動(dòng)；6個(gè)月符合率的平均值為76.4%。根據(jù)詳細(xì)資料顯示1月份自動(dòng)觀測(cè)中能見(jiàn)度大于15000m共有14個(gè)時(shí)次，而能見(jiàn)度為35000m為1個(gè)時(shí)次，五月份中能見(jiàn)度大于15000m共有103個(gè)時(shí)次，而能見(jiàn)度為35000m為22個(gè)時(shí)次，可見(jiàn)大氣能見(jiàn)度的變化對(duì)不同觀測(cè)方式的差異影響較大。

4 估計(jì)值對(duì)比分析

4.1 各時(shí)次均值對(duì)比分析

統(tǒng)計(jì)資料中不同觀測(cè)時(shí)次均值，可進(jìn)行不同觀測(cè)方式下數(shù)據(jù)擬合的分析（如圖2所示）：?jiǎn)稳罩?時(shí)的能見(jiàn)度為最低值，14時(shí)、17時(shí)能見(jiàn)度最高，白天不同觀測(cè)方式的結(jié)果具有較好的數(shù)據(jù)擬合性；整體上來(lái)看，單日中人工觀測(cè)的能見(jiàn)度優(yōu)于自動(dòng)觀測(cè)，但14時(shí)出現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度高于人工觀測(cè)的情況，而在17時(shí)后自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度發(fā)生降低。在人工觀測(cè)中最大能見(jiàn)度可定義為消失距離，其對(duì)比感閾值為0.02，自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度對(duì)比感閾值為0.05，其數(shù)值接近發(fā)現(xiàn)距離，并且消失距離高于發(fā)現(xiàn)距離，滿足氣象光學(xué)距離測(cè)量值低于白天能見(jiàn)度測(cè)量值的30%的標(biāo)準(zhǔn)[4]。

圖2 單日自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)能見(jiàn)度時(shí)平均觀測(cè)數(shù)據(jù)差異趨勢(shì)

根據(jù)世界氣象組織關(guān)于能見(jiàn)度測(cè)量資料顯示，在白天狀態(tài)下，人工觀測(cè)的能見(jiàn)度數(shù)值將會(huì)高于光學(xué)儀器觀測(cè)能見(jiàn)度15%左右。根據(jù)本次研究中不同觀測(cè)方式的差值百分比數(shù)據(jù)顯示（如表2所示），不同觀測(cè)方法的能見(jiàn)度對(duì)比顯示，白天的差異均值為5.0%，結(jié)果與世界氣象組織相關(guān)數(shù)據(jù)相符合。

表2 不同觀測(cè)方式能見(jiàn)度差值百分比

4.2 不同天氣現(xiàn)象時(shí)能見(jiàn)度差值分析

在不同天氣現(xiàn)象中霾、浮沉?xí)r不同觀測(cè)方式變化趨勢(shì)的一致性相對(duì)較差，具有顯著的離散型特點(diǎn)，其均值差約為17700m、相關(guān)系數(shù)為0.49；在雨雪天氣下，不同觀測(cè)方式的能見(jiàn)度變化趨勢(shì)具有較好的一致性，相關(guān)系數(shù)為0.76，但具有較大的離散性，且人工觀測(cè)可見(jiàn)度基本都高于自動(dòng)觀測(cè)，平均差值達(dá)到19100m；在輕霧天氣具有較好的一致性，相關(guān)系數(shù)為0.92，且離散性較小，平均差值為7800m。根據(jù)不同天氣現(xiàn)象下兩種觀測(cè)方式能見(jiàn)度曲線可以發(fā)現(xiàn)，在不同性質(zhì)顆粒的影響下均會(huì)產(chǎn)生不同程度的觀測(cè)誤差（圖3）。

圖3 不同天氣現(xiàn)象下兩種觀測(cè)方式能見(jiàn)度曲線

5 兩種觀測(cè)方法數(shù)據(jù)差異原因分析

自動(dòng)與人工觀測(cè)工作方式不同，自動(dòng)測(cè)量中接收器測(cè)量與發(fā)射器發(fā)出的光束成一定角度的散射光束，然后由CPU處理計(jì)算出氣象光學(xué)視距；而人工觀察的能見(jiàn)度是指在周圍視場(chǎng)的一半以上范圍內(nèi)可以看到目標(biāo)的最大水平距離。人工觀測(cè)目標(biāo)的最大可視距離為消失距離，對(duì)比度閾值為0.02，自動(dòng)能見(jiàn)度觀測(cè)是發(fā)現(xiàn)距離，對(duì)比度閾值為0.05，消失距離大于發(fā)現(xiàn)距離。

近年來(lái)，社會(huì)發(fā)展迅速，人工觀測(cè)中的固定目標(biāo)源出現(xiàn)了較大的變化，對(duì)人工觀測(cè)的精度有一定的影響；季節(jié)也是重要的影響因素，冬季能見(jiàn)度受霧霾等因素影響，能見(jiàn)度低，不過(guò)觀測(cè)較為穩(wěn)定，而春季雖然能見(jiàn)度提高，但觀測(cè)值跨度較大；大氣中水分、顆粒等也會(huì)影響儀器的性能；兩種觀察工作方式時(shí)間不一致，人工觀測(cè)從正點(diǎn)前15min開(kāi)始，自動(dòng)站為正點(diǎn)前10min的平均值；強(qiáng)降雨、強(qiáng)風(fēng)和其他惡劣天氣現(xiàn)象也是造成觀測(cè)差異的主要因素；觀察者的個(gè)人不確定性，如視力、觀察習(xí)慣等也會(huì)造成較大的影響[5]。

6 結(jié)論

通過(guò)分析后發(fā)現(xiàn)，散射能見(jiàn)度儀精度優(yōu)于人工觀測(cè)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)觀測(cè)，有效彌補(bǔ)人工觀測(cè)中存在的缺陷。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及應(yīng)用需求的不斷提升，散射能見(jiàn)度儀將會(huì)逐步替代人工觀測(cè)，成為未來(lái)主要發(fā)展方向。