王惠穎 祖繁 袁成松 包云軒 吳泓 褚進(jìn)華

(1 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；2 中國(guó)氣象局交通氣象重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京 210041；3 中國(guó)氣象局上海物資管理處，上海 200050)

引 言

能見度是氣象觀測(cè)的常規(guī)要素之一，是表征大氣透明程度的物理量[1-2]，也是反映大氣污染程度的重要指標(biāo)[3-4]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代交通工具的普及，交通安全對(duì)能見度的依賴也日益突出，雨、雪、霧、霾等天氣現(xiàn)象引起的視程障礙往往會(huì)使高速公路封閉、船只滯留、航班延誤，造成人員和財(cái)產(chǎn)損失。因此，能見度監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性對(duì)交通運(yùn)輸體系的安全運(yùn)營(yíng)有著重要意義。

影響能見度的因素有很多，相對(duì)濕度、顆粒物濃度及其化學(xué)組分等都會(huì)對(duì)大氣消光產(chǎn)生影響[5-6]。王英等[7]研究表明，顆粒物對(duì)光的吸收和散射與能見度降低密切相關(guān)。顆粒物對(duì)光的吸收效應(yīng)幾乎是由黑碳和含有黑碳的顆粒物造成的[8]，而散射效應(yīng)則與吸濕性顆粒物有關(guān)，吸濕性顆粒物在高濕情況下吸濕增長(zhǎng)，使顆粒物的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，從而影響大氣能見度[9-12]。

根據(jù)測(cè)量原理的不同，交通氣象領(lǐng)域目前常見的能見度監(jiān)測(cè)設(shè)備主要有前向散射式能見度儀和透射式能見度儀兩種類型[13]。前向散射式能見度儀通過測(cè)量一個(gè)小的采樣體積內(nèi)的顆粒物散射系數(shù)代替消光系數(shù)從而推導(dǎo)出能見度[14]，所以在濕度大、吸收物質(zhì)較多的條件下前向散射式能見度儀的測(cè)量值容易出現(xiàn)較大誤差[15]。透射式能見度儀則是根據(jù)消光理論，通過固定兩點(diǎn)之間的光束直接測(cè)量大氣透射率，產(chǎn)生一個(gè)平均消光系數(shù)，包含散射系數(shù)和吸收系數(shù)[16]。相比之下，大氣透射儀的精確度更高，但是在低能見度天氣下大氣透射儀也會(huì)因?yàn)樗盏葟?fù)雜條件而產(chǎn)生誤差。

雖然目前國(guó)內(nèi)外并未建立能見度量值溯源與量傳體系[17]，但由于透射儀的測(cè)量原理與氣象光學(xué)距離[18]的定義相契合，所以在前向散射式能見度儀測(cè)量性能評(píng)價(jià)方面，多是以透射式能見度為參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析。在實(shí)驗(yàn)室條件下，張世國(guó)等[19]在水霧能見度模擬艙中利用透射式測(cè)量系統(tǒng)對(duì)前向散射能見度儀進(jìn)行定標(biāo)，減少了兩者的相對(duì)誤差。褚進(jìn)華等[20]以透射式能見度儀為標(biāo)準(zhǔn)器，從計(jì)量規(guī)范角度分析了能見度儀校準(zhǔn)系統(tǒng)的測(cè)量不確定度，并由此開展前向散射式能見度儀的校準(zhǔn)測(cè)試。自然條件下，濮江平等[13]在北京南苑機(jī)場(chǎng)開展多套能見度儀對(duì)比試驗(yàn)表明，能見度在2 000 m以下時(shí)，前向散射能見度儀與透射式能見度儀的測(cè)量值具有良好的一致性；但當(dāng)能見度大于4 000 m時(shí)，前向散射儀的測(cè)量值明顯偏高。明虎等[21]分析了機(jī)場(chǎng)低能見度自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)，當(dāng)跑道視程小于400 m時(shí)，大氣透射儀測(cè)量數(shù)據(jù)大于等于前向散射儀測(cè)量數(shù)據(jù)的比例在90%以上。Chan， et al[22]對(duì)香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)多種能見度儀進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)LT31型大氣透射儀與人眼能見度觀測(cè)值最為接近。

盡管有一些單純的實(shí)驗(yàn)室或單純的自然條件下不同能見度儀的觀測(cè)對(duì)比試驗(yàn)研究，但很少有學(xué)者將兩者結(jié)合起來，對(duì)同一臺(tái)前散能見度儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢定和自然條件下外場(chǎng)對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)。因此，本研究以全國(guó)交通氣象站定型考核任務(wù)為契機(jī)，將經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)測(cè)試后的前向散能見度儀安裝到觀測(cè)外場(chǎng)，利用動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)與透射能見度儀開展比對(duì)，重點(diǎn)探究了不同天氣現(xiàn)象和不同大氣顆粒物濃度下的能見度儀觀測(cè)值差異，旨在為前向散射能見度儀的測(cè)試評(píng)估、檢測(cè)標(biāo)校以及低能見度預(yù)警預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料來源

前向散射式能見度儀的動(dòng)態(tài)測(cè)試在中國(guó)氣象局金壇交通氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行，時(shí)間范圍是2018年12月1日—2019年2月28日。在試驗(yàn)基地同步觀測(cè)了前向散射能見度測(cè)量值(VISFS)、大氣透射能見度(VIST)、PM2.5質(zhì)量濃度、霧和降水現(xiàn)象及相對(duì)濕度等常規(guī)氣象要素。試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)先剔除缺測(cè)值，然后通過滑動(dòng)三倍標(biāo)準(zhǔn)差方法進(jìn)行質(zhì)量控制，剔除異常值。能見度和相對(duì)濕度的時(shí)間分辨率為1 min，考慮到PM2.5質(zhì)量濃度的時(shí)間分辨率為1 h，在分析能見度儀測(cè)量值在不同顆粒物濃度下的差異時(shí)，將能見度儀的測(cè)量值進(jìn)行小時(shí)平均。

本研究使用的前向散射式能見度儀是在參加交通氣象站定型考核中主流的Vaisala PWD52型能見度儀，其散射角為45°，測(cè)量范圍為10～10 000 m。

動(dòng)態(tài)測(cè)試中大氣透射能見度示值來源于LT31型透射式能見度儀；PM2.5質(zhì)量濃度由Met One公司的BAM-1020顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀觀測(cè)，該儀器基于β射線衰減的原理探測(cè)；降水現(xiàn)象由OTT Parsivel2激光雨滴譜儀識(shí)別，它通過采集降水顆粒粒徑及運(yùn)動(dòng)速度，根據(jù)世界氣象組織(WMO)的天氣分類直接輸出天氣代碼；相對(duì)濕度等常規(guī)氣象要素由華云DZZJ3型交通氣象站采集。

前向散射式能見度儀的靜態(tài)測(cè)試在中國(guó)氣象局能見度儀校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室(上海)中進(jìn)行[23]，該實(shí)驗(yàn)室能見度環(huán)境模擬艙長(zhǎng)20 m、寬3.5 m、高3 m，以LT31型透射式能見度儀為標(biāo)準(zhǔn)器，霧模擬裝置產(chǎn)生霧的類型為水霧，能見度的模擬范圍為1～10 000 m，前向散射能見度的測(cè)試流程參見褚進(jìn)華等[20]。

1.2 數(shù)據(jù)處理

選取霧、毛毛雨、雨和雪這4種天氣現(xiàn)象，其中，毛毛雨、雨和雪3種降水現(xiàn)象從Parsivel2激光雨滴譜識(shí)別結(jié)果中讀取，霧則是通過篩選非降水條件下VISFS小于1 000 m且相對(duì)濕度大于90%的樣本得到。

由于前向散射式能見度儀在觀測(cè)業(yè)務(wù)中應(yīng)用廣泛，且國(guó)標(biāo)GBT 33697-2017《公路交通氣象監(jiān)測(cè)設(shè)施技術(shù)要求》[24]中規(guī)定能見度監(jiān)測(cè)范圍的上限為10 000 m，因此，本研究以前向散射式能見度儀測(cè)量值為劃分依據(jù)，在10 000 m以下選取同時(shí)刻的透射能見度進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)，為了更好地量化兩種能見度儀在高、低量程段內(nèi)的差異，以200、500、1 000、2 000、4 000、6 000、8 000 m為界，計(jì)算不同能見度區(qū)間內(nèi)的兩者平均絕對(duì)誤差(Mean Absolute Error， MAE)和平均相對(duì)誤差(Mean Relative Error， MRE)，表達(dá)式如下：

(1)

(2)

式中：MAE(n)和MRE(n)分別為第n個(gè)能見度區(qū)間段內(nèi)的兩種能見度測(cè)量值的平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差；Nn為第n個(gè)能見度區(qū)間段內(nèi)的樣本量；xi、yi分別為前向散射式能見度儀和透射式能見度儀的能見度測(cè)量值。

對(duì)PM2.5濃度的等級(jí)劃分參照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》中PM2.5污染等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[25]，基于PM2.5質(zhì)量濃度，定義6個(gè)空氣質(zhì)量等級(jí)：優(yōu)(0

2 結(jié)果與分析

2.1 能見度儀檢測(cè)的綜合差異性分析

圖1是能見度環(huán)境模擬方艙中前向散射儀與大氣透射儀的對(duì)比測(cè)試結(jié)果，可見，隨著模擬艙內(nèi)水汽的擴(kuò)散沉降，能見度值逐漸升高，在低能見度段，參試的兩種能見度儀測(cè)量結(jié)果一致性非常好，但隨著自然沉降時(shí)間的增加，能見度逐漸回升，6 h后VISFS也明顯高于VIST。以前向散射式能見度儀測(cè)量值為劃分依據(jù)，從不同能見度區(qū)間內(nèi)兩種能見度儀觀測(cè)值差異的量化統(tǒng)計(jì)(圖2)來看，隨著能見度增加，VISFS與VIST的平均絕對(duì)誤差增加，但最大平均絕對(duì)誤差小于500 m，最大平均相對(duì)誤差為7.86%，符合中國(guó)氣象局觀測(cè)司《前向散射能見度儀觀測(cè)規(guī)范》中最大允許誤差±10%(≤1.5 km)和±20%(>1.5 km)的測(cè)量性能要求。VISFS與VIST一致的變化曲線及較低的平均相對(duì)誤差表明，在實(shí)驗(yàn)室純水霧的情況下，兩種儀器觀測(cè)值差異較小，數(shù)據(jù)具有良好的相互替代性。

圖1 能見度環(huán)境模擬艙內(nèi)大氣透射儀與前向散射儀的對(duì)比觀測(cè)結(jié)果Fig.1 Comparative observation results of atmospheric transmission meter and forward scattering meter in the visibility simulation cabin

圖2 能見度環(huán)境模擬艙內(nèi)兩種儀器平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差分布Fig.2 Mean absolute error and mean relative error for two instruments in the visibility simulation cabin

圖3是自然條件下兩種能見度儀在野外科學(xué)試驗(yàn)基地的觀測(cè)對(duì)比。與模擬艙內(nèi)的良好一致性不同，實(shí)際大氣中，兩種能見度儀觀測(cè)值并未全部集中分布在1∶1線兩側(cè)。當(dāng)VISFS小于500 m時(shí)，VIST大于VISFS的比例高，當(dāng)VISFS大于500 m時(shí)，VIST小于VISFS的比例增加，且隨著能見度的增加，VIST和VISFS的差異也越大。

以前向散射式能見度儀測(cè)量值為劃分依據(jù)，從不同能見度區(qū)間內(nèi)兩種能見度儀觀測(cè)值的差異(圖4)可以看出，與模擬艙的平均絕對(duì)誤差變化一致，隨著能見度的增大，VIST與VISFS的平均絕對(duì)誤差也逐漸增大，但需要注意的是，外場(chǎng)試驗(yàn)的平均絕對(duì)誤差較模擬艙增大了一個(gè)量級(jí)。當(dāng)VISFS<500 m時(shí)，平均絕對(duì)誤差小于30 m；當(dāng)500≤VISFS<4 000 m時(shí)，平均絕對(duì)誤差不超過320 m；當(dāng)VISFS>4 000 m時(shí)，平均絕對(duì)誤差增長(zhǎng)梯度明顯變大，當(dāng)能見度在8 000 m以上時(shí)，平均絕對(duì)誤差超過了2 500 m。平均相對(duì)誤差方面，當(dāng)VISFS<200 m時(shí)，平均相對(duì)誤差為7.16%，但當(dāng)VISFS大于500 m和4 000 m時(shí)，平均相對(duì)誤差分別超過了10%和20%，并在最后一個(gè)能見度區(qū)間達(dá)到了43.92%，較第一個(gè)能見度區(qū)間增長(zhǎng)了5.13倍。

圖3 試驗(yàn)基地自然環(huán)境中VISFS與VIST的散點(diǎn)Fig.3 Scattered plots of VISFS and VIST in natural environmentof the test base

綜上，在利用水霧制造視程障礙的能見度模擬艙內(nèi)，前向散射能見度儀與透射式能見度儀的觀測(cè)值具有很好的一致性，平均相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，但在自然大氣條件下，不同測(cè)量原理的兩種能見度儀測(cè)量值差異隨能見度的增加而快速增大，VISFS大于500 m時(shí)兩種能見度儀的平均相對(duì)誤差大于10%。因此，為了進(jìn)一步探討兩種能見度儀測(cè)量值產(chǎn)生差異的原因，下文從不同天氣現(xiàn)象和不同大氣顆粒物濃度兩個(gè)方面開展差異性分析。

圖4 試驗(yàn)基地自然環(huán)境中兩種儀器平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差分布Fig.4 Mean absolute error and mean relative error for two instruments in natural environment of the test base

2.2 不同天氣現(xiàn)象下能見度儀測(cè)量值的差異性分析

霧、雨、雪等天氣現(xiàn)象的出現(xiàn)往往會(huì)導(dǎo)致能見度降低，由于不同粒子對(duì)光的吸收和散射效應(yīng)不同，因此不同天氣現(xiàn)象下前向散射能見度儀與透射式能見度儀的測(cè)量值也會(huì)有所差異。圖5為不同天氣現(xiàn)象下不同能見度區(qū)間段內(nèi)的VISFS/VIST，表1為不同天氣現(xiàn)象下兩種能見度儀測(cè)量值的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

圖5 同天氣現(xiàn)象下的VISFS/VIST:(a)霧; (b)毛毛雨; (c)雨; (d)雪Fig.5 VISFS/VIST of different weather conditions in: (a) fog; (b) drizzle; (c) rain; (d) snow

表1 不同天氣現(xiàn)象下兩種能見度儀測(cè)量值的統(tǒng)計(jì)參數(shù)Table 1 Statistical parameters of observation values of two visibility meters under different weather conditions

在霧天氣下(圖5a)，當(dāng)VISFS低于200 m時(shí)，VISFS/VIST的上四分位數(shù)小于1，大部分前向散射儀測(cè)量值小于大氣透射儀測(cè)量值，且相比于其他能見度區(qū)間，該區(qū)間內(nèi)上、下四分位之間的跨度最小，說明大部分的VISFS/VIST波動(dòng)程度小。但隨著能見度的增加，VISFS/VIST的均值和中位數(shù)增大，在500 m≤VISFS<1 000 m時(shí)，兩種能見度儀測(cè)量值接近。

毛毛雨、雨和雪天氣下(圖5b—d)，在VISFS<200 m的能見度區(qū)間，VISFS/VIST的上四分位數(shù)也小于1，但值得注意的是，這3種降水現(xiàn)象在低能見度段的樣本量比較少。動(dòng)態(tài)測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，僅靠大粒徑降水粒子的存在，能見度通常很難降到200 m，能見度降到200 m以下時(shí)，往往會(huì)有數(shù)量較多的小粒徑霧滴相伴。而MA， et al[26]和熊興隆等[27]研究表明，在低能見度且液滴數(shù)密度很大時(shí)，多次散射對(duì)大氣透射儀的影響不可忽視。多次散射會(huì)讓接收機(jī)接收到的總光強(qiáng)大于單次散射情況的光強(qiáng)，導(dǎo)致透過率大于實(shí)際值，從而得到偏大的VIST。因此，在能見度低于200 m的情況下，大部分的VISFS/VIST均傾向于小于1。

天氣現(xiàn)象為毛毛雨時(shí)(圖5b)，隨著能見度的增加，VISFS/VIST的中位數(shù)也在逐漸增加，VISFS在500 m之上時(shí)，VISFS/VIST的中位數(shù)開始大于1，約在1.1～1.2，且上分位與下分位變化不大，兩種能見度儀的測(cè)量值比相對(duì)穩(wěn)定。天氣現(xiàn)象為雨時(shí)(圖5c)，VISFS/VIST隨能見度變化的趨勢(shì)與毛毛雨相似，但從整個(gè)能見度區(qū)間的統(tǒng)計(jì)參數(shù)(表1)來看，雨天兩種儀器的測(cè)量值差異最大，平均相對(duì)誤差達(dá)到了22.16%。一般來說，雨滴的半徑在0.1～5.0 mm，根據(jù)Mie散射理論，當(dāng)粒子尺度遠(yuǎn)大于入射光波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)有更多的散射光集中到前向較窄的衍射瓣中[28]，而試驗(yàn)所用的前向散射儀接收角為45°，雨天探測(cè)到的散射光強(qiáng)可能會(huì)減少，導(dǎo)致消光系數(shù)偏小、VISFS偏大。

雪天導(dǎo)致能見度集中在200～4 000 m(圖5d)，雖然隨著能見度的增加，VISFS/VIST的整體變化趨勢(shì)與雨天相近，但在相鄰的能見度區(qū)間，無論是中位數(shù)還是上、下四分位數(shù)都呈現(xiàn)出較大波動(dòng)性。這是因?yàn)榕c雨滴、霧滴近似球形不同，雪花形狀具有多樣性，光學(xué)特性差異大，使得前散小采樣空間和透射長(zhǎng)基線測(cè)量的消光有較大的不同[29]。

總體而言，不論何種天氣現(xiàn)象，在VISFS<200 m的低能見度段，同時(shí)次前向散射儀測(cè)量值小于大氣透射儀測(cè)量值的占比較多；隨能見度上升，VISFS/VIST總體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但不同天氣現(xiàn)象下VISFS/VIST中位數(shù)和均值接近1的轉(zhuǎn)折區(qū)間略有不同，毛毛雨、雨和雪天導(dǎo)致了能見度在200～500 m范圍內(nèi)，霧天導(dǎo)致了能見度在500～1 000 m范圍內(nèi)；雨天兩種能見度儀觀測(cè)值的差異最大，平均相對(duì)誤差達(dá)到了22.16%，霧天兩種能見度儀觀測(cè)值的差異最小，平均相對(duì)誤差為16.65%。

2.3 不同顆粒物濃度下能見度儀測(cè)量值的差異性分析

降水濕清除作用會(huì)影響顆粒物濃度，為探討顆粒物濃度對(duì)兩種能見度儀測(cè)量值差異的影響，本文對(duì)非降水時(shí)次不同PM2.5質(zhì)量濃度下的VISFS與VIST(圖6)進(jìn)行了分析。由圖可見，無論是在何種空氣質(zhì)量等級(jí)，VISFS的平均值均大于VIST，在整個(gè)非降水天氣條件下，同時(shí)次VISFS大于VIST的比例達(dá)到了83%。隨著PM2.5質(zhì)量濃度的增加，兩種能見度儀測(cè)量值在下降的同時(shí)，測(cè)量值的差異也在逐漸減小，空氣質(zhì)量從良到重度污染，兩者的平均絕對(duì)誤差由655 m降低到175 m。

圖6 非降水天氣條件下不同空氣污染水平的VISFS、VIST箱線圖Fig.6 VISFS and VIST box plots on different airpollution levels under non-precipitation weather conditions

已有的研究表明，在討論大氣顆粒物濃度對(duì)能見度影響的過程中，不可忽略相對(duì)濕度的作用[30-31]。為進(jìn)一步研究相對(duì)濕度在不同顆粒物濃度下對(duì)兩種能見度儀測(cè)量值的差異性影響，對(duì)非降水天氣條件下的VISFS、VIST與PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行擬合(圖7)，散點(diǎn)顏色代表不同相對(duì)濕度，實(shí)線為VISFS與PM2.5質(zhì)量濃度的擬合曲線，虛線為VIST與PM2.5質(zhì)量濃度的擬合曲線。

在不同的相對(duì)濕度范圍內(nèi)，無論是前向散射儀還是大氣透射儀，它們的測(cè)量值與PM2.5質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)反相關(guān)關(guān)系，隨著PM2.5質(zhì)量濃度的增加，兩種能見度儀測(cè)量值減小，測(cè)量值之間的差異也呈減小趨勢(shì)。

從擬合曲線之間的距離來看，對(duì)于相同的PM2.5質(zhì)量濃度，隨著相對(duì)濕度的減少，兩種能見度儀觀測(cè)值之間的差異增大。統(tǒng)計(jì)非降水時(shí)段不同相對(duì)濕度下VISFS與VIST的差異(表2)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)濕度大于80%時(shí)，兩種能見度儀測(cè)量值的平均絕對(duì)誤差為337.82 m，平均相對(duì)誤差為12.04%，而相對(duì)濕度小于40%時(shí)，兩者的平均絕對(duì)誤差為1 953.16 m，平均相對(duì)誤差為37.36%，說明兩種能見度儀測(cè)量值在高濕條件下差異小，低濕條件下差異大。

對(duì)于前向散射能見度儀和透射能見度儀而言，測(cè)量能見度的本質(zhì)是測(cè)量消光系數(shù)。大氣總消光系數(shù)是顆粒物的散射系數(shù)和吸收系數(shù)、氣體的散射系數(shù)和吸收系數(shù)之和[32]，在一般大氣狀態(tài)中，氣體分子在對(duì)可見光的消光幾乎可以忽略，能見度主要由氣溶膠的消光決定。而氣溶膠由硫酸鹽、硝酸鹽、有機(jī)物、以及光吸收性碳等化學(xué)組分構(gòu)成，這些組分具有不同的消光特性，會(huì)使不同探測(cè)原理的能見度儀產(chǎn)生測(cè)量值差異。硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽等組分具有吸濕性，在高濕條件下會(huì)吸附水汽而增大，造成體積濃度和粒子尺寸增大，導(dǎo)致氣溶膠的總散射系數(shù)和后向散射系數(shù)增大[33-34]，在相對(duì)濕度(RH)為90%的時(shí)候，單次散射反照率(顆粒物散射與總消光的比值)可達(dá)0.9以上，導(dǎo)致探測(cè)顆粒物散射系數(shù)的前向散射能見度儀與探測(cè)大氣消光的透射能見度儀的測(cè)量值相近。低濕條件下，單次散射反照率減少，黑碳和棕碳等組分引起的氣溶膠吸收系數(shù)不可忽略，但前向散射儀未能考慮氣溶膠顆粒的吸收作用，導(dǎo)致其探測(cè)的能見度值遠(yuǎn)大于透射能見度儀的觀測(cè)值。

圖7 非降水天氣條件下VISFS、VIST與PM2.5質(zhì)量濃度散點(diǎn)及擬合曲線Fig.7 Scatter plot and fitting curve of VISFS， VIST and PM2.5 mass concentration under non-precipitation weather conditions

表2 非降水天氣不同相對(duì)濕度下兩種能見度儀測(cè)量值的統(tǒng)計(jì)參數(shù)Table 2 Statistical parameters of the measured values of two visibility meters under different relative humidity in non-precipitation weather

此外，值得注意的是，進(jìn)行相對(duì)濕度分級(jí)之后，RH小于80%時(shí)，VISFS、VIST與PM2.5質(zhì)量濃度的擬合優(yōu)度R2分別在0.7和0.5之上，而當(dāng)RH大于等于80%時(shí)，擬合優(yōu)度R2分別為0.22和0.23。高濕情況下，兩種能見度儀的測(cè)量值與PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)性減弱，也從側(cè)面說明，隨著相對(duì)濕度的變大，顆粒物吸濕增長(zhǎng)導(dǎo)致的散射消光對(duì)大氣能見度下降有更顯著的作用。

為更詳細(xì)地說明非降水情況下不同顆粒物濃度對(duì)兩種能見度儀測(cè)量值差異的影響，選取2019年2月的一次污染過程(圖8)，根據(jù)濕度變化情況，重點(diǎn)分析以下3個(gè)時(shí)間段內(nèi)的兩種能見度儀測(cè)量值差異：

圖8 2019年2月24日16時(shí)—26日16時(shí)兩種能見度儀觀測(cè)值、大氣顆粒物濃度及相對(duì)濕度變化Fig.8 Time series diagram of visibility observation values of two instruments， particulate matter concentration and relative humidity from 16∶00 BST on February 24 to 16∶00 BST on February 26， 2019

(1)階段1為24日21時(shí)—25日09時(shí)，該階段相對(duì)濕度主要在60%～80%，兩種能見度儀測(cè)量值均隨著相對(duì)濕度的快速變化而起伏，兩者的平均值相差較小但是平均絕對(duì)誤差相差較大，為359.43 m。該階段中，顆粒物濃度較高，顆粒物的吸收作用與顆粒物散射共同作用導(dǎo)致兩種能見度儀測(cè)量值波動(dòng)性較大，相關(guān)系數(shù)在3個(gè)階段中最小。

(2)階段2為25日09時(shí)—25日20時(shí)，該階段相對(duì)濕度在60%以下，PM2.5質(zhì)量濃度的平均值在120 μg·m-3以上，兩種能見度儀測(cè)量值相差較大，且VISFS>VIST的占比達(dá)到96%。相對(duì)濕度很低且PM2.5質(zhì)量濃度在一個(gè)較高的水平時(shí)，顆粒物吸收作用對(duì)消光的影響增大，所以大氣透射儀的測(cè)量值在這種情況下會(huì)小于前向散射儀測(cè)量值，導(dǎo)致兩種儀器測(cè)量值產(chǎn)生較大差異。

(3)階段3為25日23時(shí)—26日09時(shí)，該階段相對(duì)濕度在80%之上，能見度在3個(gè)階段中最低，且兩種能見度儀測(cè)量值相關(guān)系數(shù)最大、平均相對(duì)誤差最小，平均絕對(duì)誤差在90 m左右。說明高濕情況下，光散射作用占優(yōu)導(dǎo)致兩種能見度儀測(cè)量值差異減小，這與前面的統(tǒng)計(jì)規(guī)律一致。

表3 一次污染過程的不同階段兩種能見度儀測(cè)量值的統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of the measured values of two visibility meters at different stages of a pollution process

綜上，由于前向散射能見度儀和透射能見度儀的探測(cè)原理不同，大氣顆粒物濃度和相對(duì)濕度都可使兩者測(cè)試值產(chǎn)生差異。高濕情況下，顆粒物的散射系數(shù)在大氣消光中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，兩種能見度儀測(cè)量值接近，而隨著相對(duì)濕度的降低，顆粒物的吸收系數(shù)不可忽略，使前向散射能見度儀檢測(cè)的能見度值遠(yuǎn)大于透射能見度儀的觀測(cè)值。

3 結(jié)論

通過在中國(guó)氣象局能見度計(jì)量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室(上海)和金壇交通氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地開展能見度對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)獲取的能見度數(shù)據(jù)及同步觀測(cè)的氣象要素和污染物濃度數(shù)據(jù)，對(duì)不同天氣現(xiàn)象和不同顆粒物濃度下前向散射能見度儀和大氣透射能見度儀的測(cè)量值差異特征及其成因進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

(1)不同檢測(cè)環(huán)境下能見度儀測(cè)量值的一致性存在顯著差異。在能見度環(huán)境模擬艙內(nèi)，兩種能見度儀的測(cè)量值具有良好的一致性，最大平均相對(duì)誤差為7.86%；但在自然條件下，兩種能見度儀的測(cè)量值差異隨著能見度的上升而快速增大，當(dāng)VISFS大于500 m和4 000 m時(shí)，平均相對(duì)誤差分別超過了10%和20%。

(2)不同天氣現(xiàn)象下，在VISFS<200 m的低能見度段，VISFS/VIST的上四分位數(shù)均小于1，說明大部分前向散射儀測(cè)量值小于大氣透射儀測(cè)量值；隨著能見度的增加，VISFS/VIST總體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但不同天氣現(xiàn)象下VISFS/VIST中位數(shù)和均值接近1的能見度區(qū)間略有不同，毛毛雨、雨和雪天出現(xiàn)在能見度為200～500 m時(shí)，霧天出現(xiàn)在能見度500～1 000 m時(shí)。

(3)雨天兩種能見度儀觀測(cè)值的差異最大，平均相對(duì)誤差達(dá)到了22.16%，霧天兩種能見度儀觀測(cè)值的差異最小，平均相對(duì)誤差為16.65%。

(4)非降水情況下，同時(shí)次VISFS大于VIST的比例達(dá)到了83%。隨著PM2.5質(zhì)量濃度的增加，兩種能見度儀測(cè)量值在下降的同時(shí)，測(cè)量值的差異也在逐漸減小，空氣質(zhì)量從良到重度污染，兩者的平均絕對(duì)誤差由655 m降低到175 m。

(5)高濕情況下，顆粒物的散射系數(shù)在大氣消光中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，兩種能見度儀測(cè)量值接近，低濕情況下，顆粒物的吸收系數(shù)不可忽略，前向散射能見度儀測(cè)量值遠(yuǎn)大于透射能見度儀測(cè)量值。相對(duì)濕度從大于80%到小于40%，兩種能見度儀測(cè)量值的平均相對(duì)誤差由12.04%增長(zhǎng)到37.36%。

本文利用交通氣象站定型考核過程中的靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)，探討了不同天氣條件下及不同污染物濃度下兩種能見度儀測(cè)量值產(chǎn)生差異的原因，對(duì)能見度儀的設(shè)計(jì)優(yōu)化、檢定標(biāo)校和數(shù)據(jù)應(yīng)用等有重要的實(shí)踐意義。與其他研究相比，本文考慮了大氣顆粒物對(duì)兩種能見度儀測(cè)量值差異的影響，但使用的外場(chǎng)資料時(shí)長(zhǎng)有限，只考慮了不同相對(duì)濕度下PM2.5質(zhì)量濃度對(duì)兩種儀器測(cè)量值產(chǎn)生的影響且有一定的地區(qū)局限性，在不同地區(qū)的適用性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。后續(xù)研究我們將繼續(xù)在不同地理環(huán)境下進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間序列的能見度儀對(duì)比觀測(cè)，以明確各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，為我國(guó)能見度的規(guī)范觀測(cè)提供參考依據(jù)。