能见度计算及LT31大气透射仪应用

能见度计算及LT31大气透射仪应用
张英华1
（民航云南空管分局气象设备室，昆明市，云南省 650200）
摘要
低能见度为影响航空器起降的主要气象因素之一，尤其是在大雾天气的时候，观测员更加依赖于能见度仪的测量数据。

为此本文详细介绍了气象能见度定义、计算方法及LT31大气透射仪在实际应用中遇到的问题及排除方法。

关键词：能见度计算 LT31应用
Visibility calculation and LT31 Transmissometer application
Zhang yinghua1
(Branch of Yunnan Air traffic management,CAAC,Kunming 650200)
Abstract:Low visibility is one of the important meteorological factors that affect aircraft take-off and landing, the observer are more dependent on visibility measurement instrument in the heavy fog weather conditions.This paper presents the Visibility calculation and LT31 Transmissometer encounter malfunctions and troubleshooting in practical applications.
Key word：visibility caculation；LT31 application
1 引言
能见度对军事、航空、航海以及人类生存环境等方面都有直接影响。

对于航空气象来说尤其重要。

昆明长水机场在运行两年多时间内，已经多次出现大雾天气，导致航班无法起降。

在大雾天气出现时，能见度仪提供的能见度数值是不是与实际相符，此时对LT31大气透射仪提供的能见度数据将更加依赖。

做好LT31大气透射仪的日常维护和故障处理就更加重要。

为此，本文详细介绍了气象能见度计算方法及昆明机场LT31大气投射仪在实际应用中遇到的问题及排除方法。

2 能见度定义及计算
能见度定义：白天，正常人的视力在地平线附近的天空背景下，能看到合适的黑色目标物的最大水平距离。

在夜晚，无光的背景下，能够看到和辨认出光强为1000cd的灯光的最远距离。

影响能见度的三个因素：目标物与背景之间的亮度对比以及视觉对比感阈（视觉对比感阈平均约为0.02，视力好的可小至0.005）和大气透明度。

对于航空来说，为了安全起见，多采用稍高一些的视觉对比感阈值。

世界气象组织（WMO)和国际民航组织（ICAO）都采用0.05作为阈值[1]。

这时实际上也是气象光学视程。

气象光学视程：色温为2700K的白炽灯发出的平行光辐射通量，经过大气削弱，衰减至初始作者信息：张英华男，1980年生，硕士，工程师。

研究方向：气象仪器及应用Email:21743044@
值的5%所通过的路径长度。

白天能见度计算公式：σε/ln -=L （1）； 若视觉对比感阈取0.05则：σ/3=L （2）； 若视觉对比感阈取0.02则：σ/912.3=L （3）。

L ：能见度数值；ε：视觉对比感阈 σ：消光系数
夜晚能见度计算公式：2
R Ie E R
σ-=（4）
E ：观察者处的照度阈值；R ：夜间能见距离；σ：消光系数；I ：目标灯光强度
表1：照度视阈E 与背景光亮度的关系[2]
求解（4）式中的R ，需要求解0
2=--R Ie E R
σ这个非线性方程，该方程肯定有解，所得解R
就是夜晚能见度的数值，因此可以采用牛顿迭代法计算，其迭代关系式为：
)()
('1n n n n x f x f x x -
=+[3]。

为使用迭代计算采用EXCEL 表来实现[4]。

具体方法为：选择EXCEL 中文件→选项→公式→启用迭代计算→最多迭代次数（X ）：20；最大误差：0.001。

最后确定即可。

MOR 计算公式：σ/3=MOR （5）；
σ：消光系数
若视觉对比感阈取0.05则白天能见度就是MOR 值。

透光率计算：B
e T σ-=（6）；
σ：消光系数 B ：基线长度，这里取30米
根据以上公式计算50米到2500米对应的数值如表2。

状况
照度阈值 (Lux)
背景亮度(cd/m2)
黑夜 8 x 10-7 4 - 50 黄昏/清晨 8 x 10-5 51 - 999 正常白天 8 x 10-4 1000 - 12000 明亮白天
8 x 10-3
大于12000
表2： 能见度计算表 透光率变化 透光率 MOR 消光系数 人观测能见度 夜晚能见度 白天偏差 夜晚偏差 0.165298888 50 0.06 65.2 176.64 15.2 126.64 24.13% 0.40656966 100 0.03 130.4 314.76 30.4 214.76 14.22% 0.548811636 150 0.02 195.6 438.89 45.6 288.89 8.88% 0.637628152 200 0.015 260.8 554.11 60.8 354.11 4.31% 0.740818221 300 0.01 391.2 766.32 91.2 466.32 2.53% 0.798516219 400 0.0075 521.6 961.31 121.6 561.31 1.65% 0.835270211 500 0.006 652 1143.72 152 643.72 1.17% 0.860707976 600 0.005 782.4 1316.26 182.4 716.26 0.67% 0.893597347 800 0.0038 1043.2 1638.29 243.2 838.29 0.43% 0.913931185 1000 0.003 1304 1936.41 304 936.41 0.63% 0.927743486 1200 0.0025 1564.8 2215.85 364.8 1015.85 0.46% 0.937737036 1400 0.0021 1825.6 2480.03 425.6 1080.03 0.35% 0.945302781 1600 0.0019 2086.4 2731.36 486.4 1131.36 0.28% 0.951229425 1800 0.0017 2347.2 2971.61 547.2 1171.61 0.23% 0.955997482 2000 0.0015 2608 3202.16 608 1202.16 0.86%
0.964640293
2500
0.0012
3260
3742.73
760
1242.73
注：人工观测能见度计算时视觉对比感阈取0.02;LT31基线长度30米。

从表中可以得出以下结论；
人工观测能见度（视觉对比感阈取0.02）比MOR 测量值偏大0.304倍。

低能见度时，透光率变化大，但能见度数值变化小，也可以说能见度对透光率的变化不敏感。

例如MOR 从50米变到100米，透光率变化了24.13%。

高能见度时，透光率变化小，但能见度数值变化大，也可以说能见度对透光率的变化很敏感，例如MOR 从2000米变到2500米，MOR 变化500米，透光率仅变化了0.86%。

也就是说，能见度仪在测量低能见度时精度高，数值更加真实可靠。

测量精度最准确的能见度数值为三倍基线距离（若基线为30米，则该数值为90米）。

注：测量精度最准确的能见度数值为三倍基线距离结论推导如下：
R
e
T σ-=（7）得出
R T ln =σ（8），结合L e L σεεσ-=⇒=-ln ，得到T R L ln ln ε
=（9），对
L
求导可得到
dT T
T R
dL ln ln ε-=（10），将（9）式代入（10)得到T T dT L
dL ln -
=（11）。

T ：大气透光率，R ：基线长度，σ：消光系数，L ：能见度，ε：视觉对比感阈。

当0→T ，0ln →T T 。

因为0lim )()
(ln lim ln lim 0
'
'100=-==→→→T T T T T T T T 。

当1→T
，0ln →T T 。

求T T ln 的最值在（0，1）区间内。

1ln )ln ('
+=T T T 。

令
e
T
T
1
1
ln=
⇒
=
+。

此时由
dT
引起的
L
dL
变化最小，当
05
.0
=
ε
时，则L=3R处误差最小。

若R=30m(基
线长度），则L=90m。

3 LT31大气透射仪应用
3.1 LT31大气透射仪测量原理
Vaisala 透射仪 LT31 直接测量光发射机和光接收机之间的大气透光率。

通过测量包含散射和吸收之后的平均消光系数计算MOR。

透光率测量使用单基线系统，基线距离为光发射机保护窗口平面和光接收机窗口平面之间的距离(本场安装的基线距离为30米）。

依据透光率来计算MOR。

3.2 LT31大气透射仪人工校准[5]
当LT31测量数值与实际相差较大时，需要用到监控终端进行LT31远程校准，下面介绍远程校准步骤：
1.在maintenance终端，打开远程维护软件（Sensor Terminal），选择并连接需要
校准的LT31。

2.Open 1（open空格 1之后回车）
3.进入0> level 1 （输入后回车）
4.Password：LT31 （输入后回车，注：LT大写）
5.进入1>calibrate visibility （输入后回车，默认以PWD前散射仪测量的能见
度数值校准）
6.或者1>calibrate visibility 15000 （输入后回车，依据人工观测的能见度实
际数值校准）
7.校准完成后，1>level 0（输入后回车）
8.0>close （输入后回车）
9.在Sensor Terminal断开与LT31的连接。

注：5和6步只需选择一种校准方式校准即可。

3.3 LT31大气透射仪出现的问题及排除方法
3.3.1 MOR测量值回升较慢及排除
在日常的维护和巡检时发现22#站点的LT31在天气由低能见度变为高能见度时，回升较其他几个点要慢一些，譬如当下能见度已经大于5000米，而22#站点的LT31显示能见度为800米。

感觉该站点LT31的校准门限偏高进而不会及时进行自动校准。

为此，修改了LT31透射仪的校准门限（从10000米修改为4000米），步骤如下：
1: 0>level 3 （password SESE）
2: 3>configure AC.PWDMORMIN 4000
3: 3>configure AC.PWDWMOMAX 10
近期观察22#站点LT31数据由低能见度到高能见度回复的都比较快，设备恢复正常。

3.3.2 LT31雷击故障及排除
2012年雷雨季节，西跑道中部的LT31在雷雨后，数据全部丢失。

经检查发现，该站点的LT31接收机、发射机、CPU主板及供电单元全部被雷击坏。

为此，更换了以上损坏的部件之后，重新进行校直、校准，设备恢复正常。

4 结论
综上所述，低能见度为影响航空器起降的主要气象因素之一，因此在低能见度期间，如何保证LT31运行状态良好，提供准确的测量值，是一项非常重要的工作及课题。

为此，本文详细介绍了能见度计算方法及LT31应用中遇到的问题及排除的案例，为同行在遇到类似问题时，可借鉴上述方法。

参考文献
[1] 中国民用航空总局空中交通管理局.民用航空气象地面观测手册[M].2007:46-50
[2]Vaisala Oyj. Background Luminance Sensor LM21 USER'S GUIDE[M].2002:15-16
[3] 周璐.数值方法（第四版）[M].北京：电子工业出版社，2005:54-58
[4] 胡亮.Excel迭代功能及其化学化工应用[J].云南民族学院学报.2002.11(1):558-559
[5] Vaisala Oyj.Vaisala Transmissometer LT31 USER’S GUIDE[M].2010:223-230。