自动站与人工观测数据对比分析

冯璐

[摘 要]随着我国综合气象观测自动化进程的加快，基层气象台站逐步配备了自动能见度观测仪。自动观测仪逐渐替代人工观测，大大增强能见度观测项目的客观性和数据的一致性。但在业务运行过程中，观测员普遍反映自动能见度仪与人工观测的能见度值存在较大的差异。本文对自动气象站能见度数据与人工观测值的对比进行了分析。

[关键词]能见度；人工；观测对比

中图分类号：TU423 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）45-0020-01

气象能见度反映了大气浑浊度，在进入信息时代的今天，我国自动气象站建站以来，均以人工目测为主，而目前在航空、航海、陆上交通、电力供应和环境监测里，需要能见度的精确监测资料，但气象能见度的目测法难以满足这些需要。由于目测法的“能见”与“不能见”界限不太明确，只能凭人眼和主观差别，且由于视力、光源特性、个人习惯等影响，必然在主观上造成较大误差，很难观测出客观准确的值。

1、能见度的仪器测量

现在气象观测站测定的能见度，远没有满足气象光学视程的定义要求，存在的问题较多。首先是大部分台站受地方条件的限制，其采用的目标物不具备能见度目标物的条件，大小、视角、亮度等都不符合要求。其次是没有足够的目标物，且分布不合理，导致观测员单凭经验估计，造成能见度主观误差较大。同时目测能见度的影响因子很多，如观测员是否经过适当的训练、是否具有通常所指的正常视力、对可见的理解水平、以及观测员的眼睛对于当时照度情况的适应程度和目测视觉感应能力的不断变化等，都影响能见度观测的精确度。而夜间观测能见度，既没有足够的目标灯，又没有完善的方法，存在的问题更多，观测员主观成分更高。为精确测定能见度，发展能见度器测显得尤为重要。

目前能见度自动观测仪主要有透射能见度仪和散射能见度仪。能见度仪虽然能客观准确地记录测点的大气透视状况，但它用单点的记录代表测站四周大范围的透视状况，在能见度分布差别较大时，误差就较大。

2、能见度仪的结构及工作原理

2.1 仪器结构

既可以作为独立设备与微机终端连接组成能见度自动观测系统，也可以作为能见度分采集系统挂接在其他采集系统上。

作为独立设备的前向散射能见度仪至少应包含以下三部分：传感器、采集器和支架。其中，传感器部分包括接收器、发射器和和控制处理器等；采集器包括接口单元、中央处理单元、存储单元等；支架部分包括立柱和底座。为保证设备良好运行还应包括供电电源、电源防雷器和蓄电池等；且可选配无线通信模块。

2.2 工作原理

散射能见度仪是测量散射系数从而估算出气象光学视程的仪器。它利用光的散射原理，在发送端发出一束红外光，经过空中空气分子、气溶胶粒子、雨雾滴等微粒时发生散射，接收端收到散射光后将光强转化为电信号，再通过专门算法转换为气象光学能见度（MOR）。

散射能见度仪可以分为前向散射型、后向散射型和侧向散射型三种类型，而前向散射型的工作原理最接近透射能见度仪，图1。为一个前向散射能见度仪，由发送器、接收器与处理器组成。发射器发出近红外光脉冲，接收器测量的是与发射光束成33°角的散射光束，然后由处理器计算出MOR。

取前向散射角25°～45°之间，由接收器接收到的散射光的强度，计算被采样大气的消光系数σ。大气中光的衰减是由散射和吸收引起的，在一般情况下，吸收因子可以忽略，而经由水滴反射、折射或衍射产生的散射现象是影响能见度的主要因素。故测量散射系数的仪器可用于估计气象光学视程（MOR）。

前向散射能见度仪的发射器与接收器在成一定角度和一定距离的两处。接收器不能接收到发射器直接发射和后向散射的光，而只能接收大气的前向散射光。通过测量散射光强度，可以得出散射系数，从而估算出消光系数。

根据柯西米德定律计算气象光学视程（MOR）

式中，ε为对比阈值，当ε=0.05时，MOR=2.996/σ。

从而可以得出气象光学视程。

散射能见度仪的基线长度很短，光源与接收器安在同一支架上，避免了透射能见度仪基线难以对准的缺陷。散射能见度仪也是自动采样，采样频率为每分钟不少于4次，将有效数据求1min算术平均值，取1min平均值为瞬时值输出能见度连续变化的情况。

3、定时观测能见度的平均值数据分析

从某日变化趋势来看，3个时次的平均能见度与能见度日变化趋势是相似的，对3个定时数据进行统计计算平均值，见表1

此表分别对比分析08时、14时、20时定时观测值，人工观测值偏大，20时平均差值最小0.783km，二者观测值最接近；14时平均差值最大2.358km，因为14时是一天中光照条件最好的时刻，人的视线也最好，目测估计值就最大。20時天黑且无目标灯，只能根据天黑前能见度实况和变化趋势，结合20时气象要素变化情况估测能见度值，目测估计值受环境、人的主观差别影响误差非常大。

4 人工观测和自动观测产生差异的原因

造成这些数据差异的原因是多方面的，最明显的一点是原理的不同。能见度仪属于散射原理，通过一个小空气块内测量大气对入射光的散射情况确定散射系数，不考虑大及及其中杂质的吸收作用，能见度仪观测的是一个点，局部性较强。而人工观测属于透射原理，人工观测的是一个面，范围较广，因此，在能见度好的天气下，两者的差值更大，并且器测容易受天气现象的影响。

能见度自动观测仪有较高的分辨率和精确度，观测的数据可靠性高。人工目测估计值受主观判断、视力、光照条件和目标物仰角的大小等影响误差较大。能见度自动观测仪取值采用10分钟滑动平均值，人工观测在正点前45-60分，由于观测时间上不同步，能见度值会有不同程度的变化。能见度自动观测仪采样空间小，以点代面，当大气均匀时代表性好，反之较差。人工目测的样本是测站四周视野。

大多数观测员能见度的差别离不开前辈们“方传身教”的模式。待特殊能见度天气再现时，由于没有前车之鉴，就无法突破这种心理障碍，而影响正确记录。

参考文献

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