能见度仪与人工观测对比观测分析

能见度仪与人工观测对比观测分析
黄思源1 罗国军2庞盛荣2
（1.宁波市气象局 315012 2.上虞市气象局 312300）
hsy@
摘要本文利用最新对比观测资料，对能见度自动观测设备与人工观测的数据进行对比分析。

主要对观测数据的相关性、同步性、一致性、误差等方面进行了对比。

对能见度仪在高、中、低三种能见度状况下分别进行比较，重点分析了大雾天气低能见度状况下人工观测和各仪器观测之间的差异。

7种前向散射能见度仪在不同的能见度状况下表现出不同的特性，将这一新的地面气象观测设备比较客观地展示出来，供同行在选用能见度仪时有一个全面认识。

为生产厂家改进和提高产品的质量和性能提供了依据。

关键词能见度观测仪器对比
1.引言
气象测报中的能见度观测属于目测项目，人工观测精度不高，而且能见度的观测因人而异。

不同的观测员在相同的天气条件下可能会有不同的观测值。

能见度的准确性受到观测员的视力差异性和对“能见”定义的理解有所不同的影响，还与能见度目标物的设置环境及分布是否合理等多种因素的影响。

因此，人们一直在探索利用仪器来自动测量能见度。

近年来国内外气象仪器生产厂家不断研究和推出各种能见度观测仪，但是到目前为止还处于业务对比试验阶段，中国气象局大气探测中心还没有发放气象技术装备使用许可证。

在目前的交通气象和沿海的港口气象服务中能见度是一个非常重要的气象要素，依靠气象台站的目测能见度资料远远不能满足专业气象的服务需要。

因此，如何选择一个测量精度高，运行稳定，性价比高的能见度仪是摆在气象探测装备部门面前的问题。

本文将通过对几种能见度仪的观测数据对比分析提供同行一个参考。

2.能见度的定义和观测种类
2.1定义
能见度用气象光学视程(Meteorological Optical Range,简称MOR)表示。

气象光学视程是指白炽灯发出色温为2700K的平行光束的光通量在大气中削弱至初始值的5%所通过的路途长度。

2.2人工观测能见度
一般指有效水平能见度。

有效水平能见度是指四周视野中二分之一以上的范围能看到的目标物的最大水平距离。

2.3能见度仪器观测
能见度仪从观测的方式分类主要有，即透射能见度仪和散射能见度仪两类。

能见度观测仪测定的是一定基线范围内的能见度。

2.3.1透射能见度仪
透射能见度仪采用测量发射器和接收器之间水平空气柱的平均消光(透射)系数而算出能见度。

发射器提供一个经过调制的定常平均功率的光通量源，接收器主要由一个光检测器组成。

由光检测器输出测定透射系数，再据此计算消光系数和气象光学视程。

透射能见度仪测定气象光学视程是根据准直光束的散射和吸收导致光的损失的透原理，所以它与气象光学视程的定义密切相关，观测的能见距离与能见度很一致。

发射器和接收器之间光束传递距离称为基线，可从几米到150m。

它取决于气象光学视程值的范围与测量结果应用情况。

透射能见度仪主要缺点是基线难以对准，基线的偏差直接影响能见度观测准确性，因此需要经常性的校准基线。

2.3.2散射能见度仪
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。

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
理器计算出气象光学视程。

散射能见度仪的优点是基线长度很短，光源与接收安在同一支架上，避免基线难以对准的问题。

3. 对比的能见度仪
本次对比的能见度仪均属于前向散射能见度仪，型号有7种。

分别为：CJY-1C、ZQZ-DN、NQ-1、VPF-730、VM-910、PWD20、FS11。

测量范围从5m-75km，大多数在10m-20km以内。

国内生产的前向散射能见度仪大多数属于组装型，将国外进口传感器组装自家的采集器而成，但其中也有国产自主产权的，如军工企业生产的CJY-1C型。

表3.1 能见度仪型号和基本性能指标
编号型号生产单位测量范围测量误差
1 CJY-1C凯迈（洛阳）测控有限公司 10-70000m ±10%:10～10000m;
±20%:10000～70000m
2 ZQZ-DN江苏无锡无线电科学研究所 10-20000m
3 NQ-1 上海长望气象科技公司 6-50000m ±10%:>60m; ±6m:≤60m
4 VPF-730北京奥克希尔公司 10-70000m ±2%:2 km; ±10%:16 km; ±15%:30 km
5 VM-910北京华宇视程公司 10-75000m ±2%:≤2km;
±10%:2Km-15km; ±15%:15Km-70km
6 PWD20维萨拉公司 10-20000m ±10%:10-10000m;
±15%:10000-20000m
7 FS11 维萨拉公司 5-75000m ±10%:5-10000m;
±20%:10000-75000m
4.观测数据对比分析
4.1能见度仪安装地点
能见度仪安装在上虞市气象局大气探测仪器试验基地观测场内；安装条件和环境符合地面气象观测规范的技术要求。

4.2观测数据样本
观测数据为2007年1-6月，有人工同步对比观测。

能见度仪的为每10分钟观测一次，为10分钟平均能见度，共计26064个观测时次；人工观测每小时一次，为水平有效能见度，共计4344个观测时次。

人工与仪器对比的是每小时一次，仪器之间的对比是10分钟一次记录。

4.3观测数据对比分析
4.3.1同步相关性分析
从6个月的连续观测数据来看，所有能见度仪与人工观测表现出较好的同步性，变化的趋势基本一致。

对同步的数据样本进行相关系数计算（见表4.1），相关系数在0.777以上，最高的达到0.860，可见相关性较好。

从能见度仪相互之间的相关性分析来看，相关系数最大0.953，最小0.682；其中相关系数在0.9以上的有VM-910与QN-1、PWD20和FS11，前一组是美国的传感器，后一组均为芬兰维萨拉公司的传感器。

表4. 2 能见度观测数据相关系数表
设备型号CJY-1C ZQZ-DN QN-1 VPF-730VM-910PWD20FS11
人 工 0.813 0.7770.860 0.820 0.8430.7950.799
CJY-1C 1.000 0.8440.898 0.835 0.8980.8020.810
ZQZ-DN 1.0000.881 0.808 0.8850.6820.729
QN-1 1.000 0.898 0.9530.8590.851
VPF-730 1.000 0.8930.8390.815
VM-910 1.0000.8540.856
PWD20 1.0000.929
FS11 1.000
4.3.2大雾过程对比分析
选择大雾过程的最小能见度进行比较，是因为低能见度对交通运输、人们日常生活和生产影响最大，低能见度的测量是否准确比高能见度更为重要，所以低能见度下测量的误差是衡量仪器性能的重要指标之一。

根据测站的人工观测记录2007年1-6月间，共出现大雾12次，主要分布在1-3月的冬季。

为了检验能见度仪与人工观测的差异，排除夜间人工观测误差较大的因素，选择了早晨和白天的其中 8次大雾过程的同步观测资料进行对比（见表4.3）。

从表中可见能见度仪与人工观测数据的相关系数大多数都在0.9以上，具有较好的相关性，但各种能见度仪的观测值与人工观测的相对误差却有较大差别，CJY-1C和FS11两款能见度仪平均相对误差率较低，与人工观测的数值最接近。

从曲线图中可以看出各种能见度仪与人工观测的偏离程度(为了突出重点部分型号的曲线未画出)，ZQZ-DN能见度仪观测值明显偏低，QN-1能见度仪观测值明显偏高。

VPF-730能见度仪在低能见度下出现了0值，变化上波动比较大，表明稳定性相对较差。

表4.3 大雾过程最小能见度对比表 （单位：米）
序号 人工 CJY-1C ZQZ-DN QN-1 VPF-730VM-910PWD20 FS11
1 30 59 15 74 0 55 53 56
2 50 60 15 86 51 80 82 69
3 50 90 15 9
4 100 100 12
5 120
4 50 59 1
5 91 100 70 6
6 61
5 50 52 15 68 32 62 67 59
6 100 169 55 199 300 243 169 170
7 200 233 79 336 244 247 291 305
8 400 341 98 642 300 343 343 396
与人工观测
0.964 0.964 0.997 0.755 0.901 0.932 0.955
的相关系数
与人工观测的
0.399 0.639 0.815 0.731 0.610 0.607 0.535
平均误差率
从2007年1月18日大雾过程能见度观测对比曲线图中可见，与人工观测最接近的有CJY-1、CVM-910、FS11三个型号的能见度仪，平均误差率最小的CJY-1为0.399。

ZQZ-DN观测值明显偏小，且同步变化表现较差，灵敏度比较差。

QN-1观测值偏大，VPF-730 则当能见度在100米以下时出现了0值，经过对12次大雾过程的对比发现有两次0值，反映出该仪器在能见度100米以下，观测稳定性比较差。

另外，为了在低能见度下分析人工和仪器观测的整体相关性。

筛选出人工观测能见度小于1km的小时正点观测资料样本51个，考虑到夜间人工观测误差比较大，剔除夜间记录，剩下23个样本进行统计，人工与仪器观测的相关系数在0.847-0.873之间，具有良好的同步相关性。

在此大雾过程中ZQZ-DN和VPF-730表现最差，反映这两款仪器的灵敏度低、误差大。

4.3.3中等能见度状况下对比分析
中等能见度（0.1-2km）通常出现频次最多，而有的能见度仪最大观测范围为2km，因此在此范围内进行比较能够反映出仪器的主要特性。

图4.3是部分能见度仪与人工观测的对比曲线图，选取6月的80个时次同步记录，分析表明与人工观测的同步性较好，但各种型号能见度仪在不同的能见度条件下随着能见度增大误差也增大。

中等能见度下与人工最接近的主要有PWD、FS11、VM910三款型号的能见度仪。

在人工观
米的记录。

其他型号能见度仪观测值均有偏低现象。

测值超过10km情况下VPF-730却多次出现<500
在高能见度（20-50km）情况下，前向散射式能见度仪显示出了它的缺陷。

能见度仪仅仅反映了观测采样点局部的大气散射状况，推算出的能见度也只能是局部的能见度；但人工观测的是水平有效能见度，反映的是视野范围内的能见状况。

如果考虑地表是球面（地球平均半径6371m）的因素，那么人的视线按照地面的切线方向观察能见度目标物，在距离20km的地方视线离地面已经达到300m左右，50km的地方达到1960m。

然而在非逆温大气状态下越接近地面混浊度越高，即能见度越差。

人工观测能见度是属于透射原理，而前向散射能见度仪属于散射原理；人工观测是一个面，仪器观测是局地的一个点。

由此可见两种能见度观测值比较不能绝对化。

在能见度较好的情况下，人工观测和能见度仪观测必定存在较大差异，通常情况只能是人工观测值大于能见度仪的观测值。

从图4.4中可以发现大多数能见度仪观测值明显偏小与人工观测值，只有VM-910超过人工观测，但最大的误差超过75%。

5.主要结论
（1）人工观测与能见度仪观测具有较好的同步相关性，相关系数在0.777以上。

（2）在低能见度状况下大多数能见度仪都与人工观测具有较好的对应性。

对8次大雾过程最小能见度的对比分析，最小相对误差率0.399，最大相对误差率0.815。

误差最小，与人工观测最接近的是CJY-1C 和FS11两个型号，ZQZ-DN明显偏小。

（3）中等能见度状况下各种型号的能见度仪与人工观测具有较好的一致性。

多数能见度仪比人工观测偏小，但观测值有规律地分布在一定的区间内。

与人工最接近的主要有PWD、FS11、VM910三款型号仪器。

从观测资料发现有两款国外传感器的能见度仪经常出现忽大忽小的现象，可能与设备过高的灵敏度或不稳定性有关。

（4）在高能见度状况下，前向散射式能见度仪显示出了它的缺陷。

多数能见度仪观测值明显偏小，离散度较大。

（5）能见度仪还没有统一的标准计量仪器可以标校，所以惟一的办法是通过人工对比来找出比较符合人眼视力特性能见度仪，来满足气象对于交通等领域的服务需要。

（6）这次对比观测的数据比较好地反映了能见度仪的性能，但是由于时间比较短，加上人工观测夜间误差，大雾出现在夜间和凌晨的几率高，大雾样本少，还是存在一定的局限性。

（7）建议：要减小高能见度状况下的观测误差，一方面是增加水平方向上的仪器观测点，间隔一定距离多点采样求取平均的方法，另一方面为了弥补高能见度状况下的观测值偏小的问题，可以增加一个垂直方向补偿系数，在不同高度上设置观测点，测出大气垂直方向上的能见度变化，通过试验确定补偿量。

6. 选择能见度仪的建议
第一，低能见度下测量误差要小，并具有较好的工作稳定性。

第二，自主产权的国产能见度仪在这次对比观测中表现出良好的性能，稳定性也比较好，价格比进口和组装的要低得多，设备的防腐和整体密封性等方面的工艺与进口产品相当，具有较强的竞争优势。

第三，能见度测量范围和测量精度选择要合适。

一般能见度仪观测范围在10-20000m，最高可达75km，但应根据实际需求正确选择测量范围和精度。

通常20km的测量范围可以满足交通气象的服务。

探测距离越远，误差越大，仪器的消耗功率大，对应的价格越高。

从气象服务的需求来看，低能见度测量准确性比高能见度的测量准确性显得更加重要。

第四，部分能见度仪可以选配天气现象观测仪，能够分辨不同的降水和影响视程的天气现象。

参考文献
[1]林晔，王庆安，顾松山，林国安.大气探测学教[M].北京：气象出版社.1993
[2]中国气象局.地面气象观测规范[M].北京：气象出版社.2003.11。