光學原理下的地面氣象觀測儀器應用探討

張金龍

（河北省安平縣氣象局，河北衡水　053600）

光學原理下的地面氣象觀測儀器應用探討

張金龍

（河北省安平縣氣象局，河北衡水053600）

云是大氣中水汽凝結的結果，是漂浮在空中的可見聚合體。云的觀測項目包括云量、云狀以及云底高，然后結合各種測量結果來確定天氣狀況。云冪燈以及激光觀測儀是用于測量云高的常用方法，而對云量的測量目前仍依賴目測。地面氣象觀測的項目有云、能見度、天氣現象、溫度、濕度等等。光電技術的發展為地面氣象實現自動化觀測提供了有利條件，對提高地面氣象觀測自動化水平有著重要意義。本文主要對光學原理下的地面氣象觀測儀器的相關應用進行探討。

光學原理氣象觀測儀器

1　測云儀器

如今隨著科技的進步，很多基于光學技術的自動測云儀器開始投入使用。因為波段可分為可見光以及紅外線，所以測云儀器也由于工作波段的不同分為可見光以及紅外線兩種。可見光波段測云儀器的工作原理是利用相機對天空拍攝，根據天空的可見光亮度情況來確定天空狀況，此類儀器有天空成像儀和可見光全天空成像儀等等。因為需要對天空拍照，所以可見光波段測云儀器只能用于白天，而不能在夜間工作，無法實現自動連續觀測。另外，儀器在白天測量過程中還會受大氣能見度的影響，降低測量準確度。

紅外波段的測云儀器有全天空紅外測云系統、紅外測云儀、紅外云分析儀等，該方法主要是測量云的亮溫、實際溫度，然后結合云的溫度來判斷天氣狀況是云還是晴空。云的亮溫通過云紅外輻射強度來測量，云的實際溫度根據云的輻射率來測量。紅外測云儀因為鏡頭視場較窄，只能進行局部測量，而不能獲取總云量；紅外云分析儀空間分辨率較差，需要通過增加掃描時間來提高分辨率。全天空紅外測云系統可對天邊多個方位進行依次掃描，以判斷紅外輻射情況，進而獲取全天空的紅外輻射信息，全天空紅外測云儀器每次使用時都需要進行定標，對環境的適應性較差，需要特別保護措施。

2　能見度測量儀器

氣象觀測中的能見度測量首先需要測量出測量系數σ（大氣的消光系數），然后結合Koschmieder 定律以及Allard定律計算出能見度：.公式中C表示視覺對比度，背景與目標物之間的相對亮度差；d表示目標物與觀測者之間的距離；σ表示消光系數，是指大氣透明度的隨機特征量。當恰好能夠看到目標物時，C達到眼睛的對比閥值ε，ε取值0.02可得：。

能見度觀測儀器有很多種，而且各種儀器的測量方法各不相同，有透射式、散射式以及數字攝像法等等，其中數字攝像法應用較少，透射式、散射式能見度觀測儀器的應用不僅廣泛。透射式能見度儀的測量方法比較接近氣象光學距離定義，此類儀器主要是測量水平水柱的平均消光系數，并通過消光系數確定能見度。常用的透射式能見度儀有LT31和MITRAS，此類儀器需要基線較長，占地范圍大，所以比較適合應用于航空測量系統，而不宜應用于燈塔、海岸以及船舶等氣象觀測。

散射式能見度儀是一種基于散射光理論的測量儀器，此類測量儀器通過測量散射光強來獲取消光系數。根據接收器接收散射光方向的不同可以將散射儀分為前向、后向以及側向散射儀，前向散射儀的應用將為廣泛，主要儀器有雙光路前向散射儀以及單光路前向散射儀等。散射儀體積較小，性價比高，在高速公路、港口碼頭以及航空等領域應用較多。

3　天氣現象觀測儀器

天氣現象包括天空降水及雷電、風暴現象、地面凝結情況，另外還有視程障礙。下面著重介紹基于光學技術的降水類型自動識別技術。降水粒子穿過光束時，其正常傳播會受到一定影響，通過對光信號特征的提取和分析來對降水現象進行識別。基于光學原理的天氣現象觀測儀器主要有兩種，第一是根據光強信號的閃爍特征來判斷降水類型。第二是根據降水粒子大小和速度判斷降水類型。第一中方法的原理是分析降水粒子散射信號的頻譜信息，各種天氣現象的能譜分布不同，進而判斷出不同的天氣現象。常用的儀器有激光天氣現象識別系統、天氣現象傳感器等，此類儀器能夠準確識別毛毛雨、雨、冰雹、雪等天氣現象。第二種方法是利用圖像采集法以及強光減法獲取降水粒子的大小和速度，該方法可以直接獲取降水粒子的大小以及粒子速度，有效避免不規則散射問題。進而判斷降水類型。

4　光學氣象觀測儀器應用中需要注意的問題

氣象觀測儀器需要長期工作在環境復雜、多變的戶外，環境中的灰塵、雨雪、露霜等雜質均會影響氣象觀測儀器的正常工作，尤其受溫度的影響較為嚴重。所以為了保證儀器的測量準確性，對儀器的環境適應能力要求較高。儀器在工作的過程中需要為其創造良好的工作環境，做好日常清潔、維護，為避免灰塵等環境雜物的干擾對儀器的核心部分采用密閉腔體結構，同時也要對儀器構件實施恒溫控制。因為傳感器性能會隨著儀器使用時間的增加而發生漂移，進而影響儀器的測量準確性，需要作用儀器的校準維護工作，保證儀器性能的長期穩定性。

5　結語

目前用于氣象觀測的技術和儀器有很多，但現有儀器自身都存在各種不足和局限性。光電技術的發展為氣象觀測帶來了新的突破，將氣象自動化觀測有推進一步，自動化但由于技術上在發展階段，要真正意義上實現自動氣象觀測讓需要不斷努力探索。

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