前向散射式能見度傳感器的氣象應用

[摘 要]：隨著氣象觀測自動化的逐步推進，能見度傳感器在觀測中的使用也在逐步增加，隨之而來，在建設安裝與使用中的也出現了一些問題，需要在實際使用中摸索解決。本文就筆者所掌握的前向散射式能見度傳感器在氣象上的應用情況做簡單介紹，供各位讀者參考。

[關鍵詞]：前向散射式能見度傳感器 氣象 應用

一、氣象上能見度的定義

所謂“能見”，在白天是指能看到和辨認出目標物的輪廓和形體；在夜間是指能清楚看到目標燈的發光點。凡是看不清目標物的輪廓，認不清其形體，或者所見目標燈的發光點模糊，燈光散亂，都不能算“能見”。具體的能見度作為氣象觀測要素的氣象量是大氣透明度，可以客觀地測量，并用氣象光學視程（MOR）表示。氣象光學視程是指白熾燈發出色溫為2700K的平行光束的光通量在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路途長度。

白天能見度是指視力正常（對比感閾為0.05）的人，在當時天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨認的目標物（黑色、大小適度）的最大距離。實際上也是氣象光學視程。

夜間能見度是指：

⑴ 假定總體照明增加到正常白天水平，適當大小的黑色目標物能被看到和辨認出的最大距離。

⑵ 中等強度的發光體能被看到和識別的最大距離。

在氣象上人工觀測能見度時，一般指有效水平能見度。有效水平能見度是指四周視野中二分之一以上的范圍能看到的目標物的最大水平距離。而用使用能見度傳感器時，測定的是一定基線范圍內的能見度。這也是很多觀測員反映能見度傳感器與人工觀測數值不同的主要原因之一。

二、能見度傳感器的工作原理

能見度傳感器分為透射式能見度傳感器和散射式能見度傳感器，透射式能見度傳感器的工作原理與氣象光學視程的定義密切相關，觀測的能見距離與人工觀測的能見度很一致，但因成本較高，現在氣象上應用較少。現階段前向散射式能見度傳感器在氣象上應用較多，故本文重點介紹的是散射式能見度傳感器。

大氣中光的衰減是由散射和吸收引起的，在一般情況下，吸收因子可以忽略，而經由水滴反射、折射或衍射產生的散射現象是影響能見度的主要因素。故測量散射系數的儀器可用于估計氣象光學視程（MOR）。散射式能見度傳感器是利用光的散射原理，通過計算散射系數從而推算出氣象能見度值的儀器。

接收器將一定體積大氣的前向散射光匯聚到光電傳感器的接受面上并將其轉換為電信號，經處理后送至中央處理器取樣和計算后得到能見度值，前向散射能見度儀的發射器與接收器在成一定角度和一定距離的兩處。儀器工作時，發射器發出一束近紅外或紅外光射入大氣中，接收器不能接收到發射器直接發射和后向散射的光，而只能接收大氣的前向散射光。通過測量散射光強度，可以得出散射系數，從而估算出消光系數中央處理器計算后得出氣象光學視程（MOR）即能見度值，并通過數據線輸出至采集器。

前向散射能見度傳感器的光學原理圖

三、傳感器的安裝

前向散射能見度儀的安裝應不受干擾光學測量的遮擋物和反射表面的影響，遠離產生熱量及妨礙降雨的設施，要避開常出現地方性煙霧的地方，周圍不要有高大的障礙物。發射器和接收器都不能朝著強光源（如太陽光）或強的反射面（如積雪或沙）等，高緯度地區要加遮光罩。儀器安裝在觀測場西北角，與風桿東西成行，與百葉箱南北成列。若為三個百葉箱的觀測場，能見度儀距西側圍欄7.5米。能見度儀接收端和發射端分別在南北方向。儀器基礎的建設要具備防雷擊電磁脈沖的措施，防雷安全要求和設計應符合行業標準的要求。

前向散射式能見度儀安裝結構示意圖

按照《前向散射能見度儀觀測規范》（試行）的有關要求國家級氣象觀測臺站能見度儀采樣區中心高度定為2.8m（±0.1m）。各類專業服務觀測站建設的能見度儀采樣中心高度為2.0m-3.0m。推薦公路交通氣象站能見度儀采樣中心高度約為2.8m。

四、日常觀測中的使用與維護方法

有能見度傳感器的新型站投入業務運行后觀測、記錄和各類數據文件中的能見度（含最小能見度）均取自動觀測的10分鐘平均值，以米為單位；氣象報告中的能見度用10分鐘平均值，按照去尾法算出以0.1千米為單位的數值，再按照現有編報規定編報。每次觀測發報時，人工觀測能見度欄的輸入數據需將自動能見度的數據復制過來。

觀測員每日日出后和日落前要巡視檢查能見度儀，發現能見度儀（尤其是采樣區）有蜘蛛網、鳥窩、灰塵、樹枝、樹葉等影響數據采集的雜物，應及時清理。檢查時應盡量避免用手電筒等光源照射能見度觀測設備。

能見度傳感器的玻璃透鏡要保持潔凈，如有降水、凝結物或灰塵附著，應及時清除。清潔時注意不要劃傷玻璃表面清潔時切忌長時間直視發射端鏡頭，以免損傷眼睛。

能見度傳感器應定期校準，才能保證測量氣象光學視程的準確度。

參考文獻：

[1]地面氣象觀測規范（2003版）

[2]前向散射能見度儀觀測規范（試行）

[3]前向散射能見度儀功能規格需求書（試行）