泰山地区能见度人工观测与维萨拉FD12型器测能见度的比较研究

泰山地区能见度人工观测与维萨拉FD12型器测能见度的比较研究

刘恒德1刘志丰2毕于健1

（1山东省泰山气象站山东泰安2710002南京信息工程大学南京江苏210044）

摘要:本文根据最新的前向散射式能见度仪对比试验资料，在不同能见度等级情况下，对比了能见度自动观测仪与人工观测之间的测量偏差，从能见度定义上给出产生偏差的原因，分析了能见度仪与人工观测之间偏差的大小，比较了两者之间的测量相关性，并对仪器和本次比对试验存在的问题提出了改进建议。

关键词:前向散射式能见度仪,观测,分析

1.引言

能见度作为一个重要的地面气象观测要素，在气象观测业务中已有近百年的历史，目前我国气象观测站已经开始采用基于“气象光学能见度（MOR）”原理的前向散射式能见度仪与人工目测并行观测的方法来获取这一观测要素，并逐步替代人工观测。

《WMO气象仪器和观测方法指南》中指出，采取一些假设，可以将仪器的测量值转化为MOR值。这类自动化能见度观测设备有透射式、前向散射式、后向散射式和CCD式。目前适用于气象业务大规模使用还的主要为前向散射能见度仪，其对粒子尺寸分布不敏感[1]，仪器体积更小，安装架设更加方便，理论研究和大量观测数据的计算与分析表明，在一定条件下可以保证前向散射式能见度仪测量能见度的可靠性[2]。

泰山气象站坐落于泰山日观峰顶，高山型气候明显，气温日较差较大，局地性的云雾较多，能见度常出现突变。因此，在泰山开展能见度人工观测与器测的对比试验,研究能见度仪（FD-12型）所测能见度资料在高山站的准确性、可靠性、实用性及其与人工观测资料的差异特点，研究地形、局部烟雾、能见度仪的安装位置、人类活动等对自动观测记录的影响情况，为将来能见度的自动观测奠定基础，也为将来基层台站特别是高山站能见度自动观测仪的选型提供数据支撑。

2.泰山试验介绍

2.1能见度计算公式

人工目测能见度是“相对于雾、天空等散射光背景下观测时，一个安置在地面附近的适当尺度的黑色目标物能被看到和辨认出的最大距离。”其计算公式为：

由公式（1）和（2）可以看出，在大气消光系数相同的情况下，气象光学视程约为人工目测能见度的70%。以上讨论的仅指白天能见度。1989年在英国皇家空军基地举办的国际能见度对比观测试验，夜间MOR的估计与夜间人工目测能见度的估计相差约40%左右[3]。

2.2试验台站气候状况介绍

泰山具有明显的高山气候特征，按气候学分类没有夏天，即“长冬无夏、春秋相连”，据泰山气象站观测，泰山年平均风速7.1M/S；年平均大风日数为162天，主导风向SW、次主导风向SSW，年平均气温5.6℃；极端最冷月1月平均气温-7.8℃，最热月7月平均气温17.9℃；年平均相对湿度62%；年平均雨量1042.8毫米、降水量极值最多1766.3毫米，出现在1990年，最少553.9毫米，出现在1988年；年平均日照时数2771.5小时。

泰山气象站气温日较差较大，湿度也较大。周围为岩石和树木，其中松树、小灌木、野草，生长近几十年至几百年不等，生长茂盛，植被覆盖率90%以上，保护良好，下垫面状况多年未变。

2.3试验仪器介绍

比对试验采用的是芬兰Vaisala公司的FD-12型前散射能见度仪。该仪器主要由发射器、接收器和控制系统三部分组成，发射器发出光脉冲，接收器探测气溶胶粒子的前向散射光，然后将该信号转换成偏频信号。再根据频率信号与气象光学视距的对数关系，计算出气象光学视距。

2.4观测方法与观测数据

试验时间从2010年6月15日—2012年3月31日，为期21个月，人工观测与能见度仪自动观测并行，人工观测每小时一次，能见度仪自动观测每10分钟输出平均值。其中观测样本为9445个，剔除异常值和降水影响值后，有效样本为4620个。

3试验结果与分析

表1至表3分别给出了比对期间全样本、白天样本和夜间样本的统计分析结果。可以看出，在泰山站，由于能见度低于5km的样本数太少，前向散射式能见度仪FD-12观测值与人工观测结果没有可比性。

表1仪器与人工观测的全样本统计分析

图1连续5个月剔除异常值和降水影响的能见度观测样本

从图1中看出，FD-12与人工观测的趋势保持一致，但FD-12的观测值变化范围比人工观测的变化范围大，从两种能见度观测的原理上比较，人工观测是观测参照物的视距，能见度仪则是对其采样点小范围内测量大气对光的散射特性。

前向散射式能见度仪是在假定大气水平均匀的前提下，进行公式反演得到气象光学视程。泰山站大气背景较干净，主要以水汽为主，但由于山形地貌的原因，大气水平并非均匀，时常有团雾和局地雾产生，因此能见度仪的观测原理在这种地貌下可能不具有适用性。另外，能见度仪观测对象为点源，大气代表性较差，同时人工观测受主观因素影响带来的误差也不可忽视。

通过这个实验，仍然说明了前向散射式能见度仪在白天的观测效果要好于夜间的观测效果。

图2泰山站能见度观测仪器与人工观测的线性相关性

注：R为相关系数

由于在高能见度（10km以上）情况下，大气中主要成分是气体分子，气溶胶含量较少，气体分子散射信号很弱，需要仪器具有足够的灵敏度，另外，人工观测是沿着地球表面切线的方向观察目标物的，考虑到地球的曲率，在一定距离以上观测目标物已不再代表近地面的能见度。由于大气的不均匀性，公式（1）和（2）不适用于不同高度上的能见度[4]。因此，全量程能见度仪与人工观测比较的线性关系，从图2可以看出，相关系数很低。由于泰山站的中低能见度样本较少，无法针对中低能见度进行相关统计，从高能见度上看，两者之间已经不具备可比较性。

4结论及建议

泰山站FD-12能见度仪观测结果与人工目测结果相比，两者观测值趋势一致，但人工观测较能见度仪观测变化幅度较小，高能见度差异较大，这样的结果可能和泰山站地形地貌、气候特点、气溶胶分布特点有关，另一个也和人工观测员的主观影响因素有关。

建议先在常湿站点进行仪器和人工观测比较，如一般地面站，确定之间的差异范围，再进行高湿且空气洁净的站点进行比对，如泰山站，从而比较两者之间差异的变化量，找寻能见度仪应用与如泰山站这类高湿洁净站点的适用范围和数据使用方法。

另外，建议在以后的比对中，可架设3台能见度仪，比较泰山站仪器自身的一致性，检验泰山站是否适合使用基于点源测量的前向散射式能见度仪。

参考文献

[1]王缅,刘文清,陆亦怀等.利用共轴多角度系统研究大气气溶胶前向散射的角度分布特性[J].大气与环境光学学报,2007,2(4):279-283.

[2]章澄昌,周文贤.大气气溶胶教程[M].北京:气象出版社,1995,24-31.

[3]周秀骥,陶善昌,姚克亚.高等大气物理学(上册)[M].北京:气象出版社,1991:907.

第一作者简介：刘恒德（1969-），男，汉族，山东省宁阳人，本科，大气探测工程师，从事大气探测-地面气象观测。