環境因素對前向散射能見度儀測定精度的影響研究

吳世美，吳有恒，饒鵬程

(1.貴州省貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001；2.貴州省山地環境氣候研究所，貴州 貴陽 550002)

環境因素對前向散射能見度儀測定精度的影響研究

吳世美1，2，吳有恒1，饒鵬程1

(1.貴州省貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001；2.貴州省山地環境氣候研究所，貴州 貴陽 550002)

研究了環境反射面以及儀器清潔度對前向散射能見度儀測定精度的影響。結果表明，能見度儀周邊存在反射面，其觀測值與真值的偏差約為12%；未清潔處理則可能造成觀測值與真值偏差達70%。由此可見，排除環境因素及人為因素的干擾，可有效提高向前散射能見度儀的測量精度。研究結果為散射型能見度儀的準確觀測提供了實踐參考。

能見度；發射面；清潔度；向前散射能見度儀

1 引言

自動氣象站中一般使用前向散射能見度傳感器對能見度進行測量，測定的是一定基線范圍內的能見度，該能見度用氣象光學視程表示，即白熾燈發出色溫為2 700 K的平行光速的光通量在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路途長度。

能見度是重要的氣象要素之一，它對航空、航海、鐵路、公路運輸、電力、氣象等部門的業務運行有著十分重要的作用[1]。早期，氣象臺站對能見度的側定通常采取目測估計，與定義標準存在較大差距，具有較大的隨愈性、片面性與主觀性[2]。

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因其具有成本低，安裝方便等優點，在國際、國內氣象觀測中得到了廣泛的研究和應用。值得提出的是，因其光學敏感度較高，環境中廣泛存在各種類型的反射表面以及設備自身的清潔度等環境因素可能對觀測結果產生至關重要的影響，然而，在實踐過程中這些因素往往被人們忽視。本文選取貴陽國家氣候觀測站為試驗點，圍繞環境因素對散射型能見度儀觀測精度的影響進行了系統性的試驗研究，旨在為利用散射型能見度儀開展大氣能見度的準確觀測提供實踐參考。

2 材料與方法

本研究采用的前向散射能見度儀型號為DNQ1/V35，生產廠家：華云升達氣象科技有限責任公司，該設備測量性能應見表1。本研究使用的儀器設備放置于貴州省貴陽市氣象觀測站。貴陽市處于費德爾環流圈，常年受西風帶控制，屬于亞熱帶濕潤溫和型氣候，年平均氣溫為15.3℃，年平均風速2.1 m/s，年平均相對濕度為77%。因重工業遠離市區，大氣顆粒物濃度較低，空氣質年良好。

表1 前向散射能見度儀測量性能要求

2.1 環境反射面試驗

在DNQ1/V35型前向散射能見度儀4m范圍內放置一個百葉箱作為反射表面，調節信號發射端的角度，首先使其朝向百葉箱開始連續觀測，直至信號穩定。然后繼續調節信號發射端的角度，使其朝向草地，開始進行正常觀測至信號穩定。為確保觀測結果的客觀性，重復上述操作一次，全程記錄能見度儀的觀測結果以待分析。

2.2 儀器清潔度試驗

為科學評估前向散射能見度儀自身清潔度對觀測結果的影響，在儀器設備安裝后的1 a時間內不對設備自身(主要是信號發射端、信號接收端的光學鏡頭)進行清潔處理。打開能見度儀，連續觀測10 min后關閉。取下鏡頭，進行清潔后裝回原處，重新開機觀測一段時間。為了保證觀測結果準確性，同步采用另一臺同型號的清潔的能見度儀開展對比觀測。

3 結果

3.1 周邊有無反射面的能見度對比

以百葉箱為反射面，當能見度儀信號發射端朝向百葉箱時，大氣能見度的觀測值從8 251 m迅速升高至9 140 m，之后趨于穩定(9 154±10 m，n=5)。調整能見度儀信號發射端，使其朝向草地，大氣能見度的觀測值從9 163 m開始迅速降低，至8 220 m后逐漸穩定(8 199±26 m，n=5)。調整能見度儀信號發射端，使其再次朝向百葉箱，其大氣能見度的觀測值又迅速升高并逐漸穩定(8 946±11 m，n=5)(圖1)。能見度儀周邊存在反射面，其觀測值與正常觀測真值存在偏差，差值約為956 m，偏差約為12%。

圖1 周邊發射表面對能見度測定結果的影響A時段與C時段，信號發射端朝向百葉箱；B時段，信號發射端朝向草地

3.2 儀器是否清潔的能見度對比

在對比觀測時段內，參照設備對比觀測的大氣能見度為5 594±121 m(n=20)，標準偏差為2.2%(圖2)。相同時段，在未清潔情況下，使用設備的能見度觀測結果為9 491±196 m(n=10)，標準偏差為2.1%；清潔后，使用設備的能見度觀測結果為5 572±103 m(n=10)，標準偏差為1.8%。清潔后的設備觀測值與參照設備的對比觀測值接近，而未清潔處理前的觀測值與參照設備的對比觀測值顯示出了很大偏差，差值約為3900 m，偏差高達近70%。

圖2 觀測設備鏡頭清潔前后能見度對比觀測記錄

4 討論

4.1 反射表面對觀測精度的影響

前向散射能見度儀的發射端發出斜向下(一般為45度角)的光束，當光束遇到光滑表面時會發生反射現象，造成信號光束的能量損失，進而導致接收端信號失真；類似地，當光束遇到粗糙表面時，則發生漫反射，同樣造成不同程度的信號光束的能量損失，引起接收端信號失真。與此同時，出現在前向散射能見度儀的光路中的反射表面會引入周圍環境中的光線，造成光路的光強增加或者降低，干擾能見度儀的正常監測，導致較大的測量誤差。

莫月琴等[1]研究表明，復雜的背景光線、多次的散射輻射等造成背景噪聲相對較大，致使散射信號被淹沒在噪聲中難以分離出來，影響信號測量。本研究中人為的反射面干擾了儀器的光路測量，導致較大的測量誤差(12%)，這一現象提示了在向前散射能見度儀的安裝過程中應該充分評估周圍環境反射面對設備監測精度的影響，以免造成監測工作中人為的數據偏差。

4.1 環境顆粒物對觀測精度的影響

大氣能見度的因素主要包括空氣濕度、風速和顆粒物濃度。顆粒物主要通過散射影響能見度，顆粒物的散射作用大約占其對大氣消光系數的70%，顆粒物的消光貢獻可以達到總大氣消光的90%[3]。邊海等[4]研究表明，顆粒物質量濃度與能見度變化總體呈負相關，小粒徑顆粒對能見度的影響作用明顯。陳義珍等[5]對廣州市與北京市大氣能見度與顆粒物質量濃度的關系進行了系統研究，發現能見度與PM2.5的關系在約50 μg/m3處是一個分界：當PM2.5>50 μg/m3時，隨著PM2.5降低，能見度變化不明顯：當PM2.5<50 μg/m3時，隨著PM2.5降低，能見度迅速改善。因此，在顆粒物治理的起始階段，PM2.5下降對能見度的改善效果不很明顯；但當PM2.5降低到一定程度后，能見度的改善效果非常顯著。

監測結果表明，2014年度貴陽市不同粒徑大氣顆粒物質量濃度年均值分別為PM1.0～40.5 μg/m3)，PM2.5～34.6 μg/m3， PM10～31.8 μg/m3(表2)。因此，在此低顆粒物濃度的環境背景下，附著在信號發射端和接收端的顆粒物對能見度觀測結果的影響將十分顯著。及時清潔儀器可有效減小監測數據的失真，進而提高觀測數據的可靠性。

表2 貴陽市2014年大氣顆粒物質量濃度的月均值變化(單位：μg/m3)

數據來源：貴陽市氣象局觀測站提供。

5 結論

通過對環境因素與散射型能見度儀觀測精度的相互關系的試驗觀測與對比觀測研究，得到以下結論：

①人為的反射面(百葉箱、雨量筒、不銹鋼圍欄等)干擾了儀器的光路測量，導致較大的測量誤差(約12%)。在前向散射能見度儀的安裝過程中應該充分評估周圍環境反射面對設備監測精度的影響，以免造成監測工作中人為的數據偏差。

②對比觀測發現，清潔的儀器觀測值與參照設備的對比觀測值接近，而未清潔處理前的觀測值與真值存在很大偏差(約70%)。及時清潔儀器可有效減小監測數據的失真，進而提高觀測數據的可靠性。

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2015-03-24

吳世美(1972—)，女，工程師，主要從事綜合業務管理工作。

黔氣科合KF[205]07號、黔科合重大專項字[2011]6003號，貴州省氣象科技開放研究基金KF[2015]07號共同資助。

P412.17

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