各類能見度儀的觀測值之間差異淺析和儀器維護

阮順賢 王京麗

摘 要：根據日常工作中，總結各能見度儀器之間人為或客觀原因形成的誤差，分析發生差異的原因。從而盡量減少誤差，確保能見度數據正確有效，從而各能見度儀長期處于正常工作狀態，更好地服務于科研和業務工作。

關鍵詞：能見度；原理；儀器維護

中圖分類號：TH765 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）20-0056-02

能見度是3大基本氣象觀測的要素之一，是一個對航空、航海、陸上交通以及軍事活動等都有重要影響的氣象要素。[1]能見度的準確測量在電力供應、通訊工程、工農業生產等眾多領域有著極其重要的意義，能見度是關系到人員和設備安全的重要氣象要素；在環保方面的研究、水利部門和霧霾監測治理等部門，能見度也是重要的氣象指標。能見度與每個人的生活息息相關，最近幾年由于霧霾天氣經常困擾北京，大家也越來越關心環境問題和能見度的相關問題。

由于數字攝像能見度項目的需要，透射能見度儀、前散能見度儀、數字能見度儀在北京市觀象臺已經運行的6年多的時間。目前運行良好。但在透射能見度儀、前散能見度儀、數字能見度儀對比分析中發現存在一些差異。本人對各能見度儀器的維護和參與數字能見度儀的開發工作有8年多了。通過對各能見度儀的觀測值之間差異分析，以及根據以往的對各能見度儀維護的經驗，進行歸納總結。以便平時觀測時更好的避免誤差的產生，更準確的獲取數據。

1 各能見度儀的基本原理及性能的差異

目前國內用于氣象探測的能見度儀器主要有前散能見度儀、透射能見度儀、數字能見度儀。

首先，VAISALA公司生產的前散能見度儀是一款適用于自動氣象站系統的智能多變量傳感器（例如型號為：PW D20，PWD22）。儀器測量方法是光變送器通過45度發出散射光，由光接受器來測量與發射光束成45度的散射光束，利用該光束推算出相關消光系數，再利用Koschmieder能見度的公式，就可以得出大氣水平能見度值。

R為能見度值；σ表示消光系數；ε表示對比感閾，通常取0.02。

其次，VAISALA公司生產的透射能見度儀（例如型號為：LT31），該儀器直接測量光發射機和光接收機之間的大氣透射率，代入公式中計算得到能見度值。

其中：

V表示能見度值；

ε表示對比感閾值，仍然只能由觀察者感知，通常取0.02；

T表示透射比；

B表示基線距離。

最后，數字攝像能見度儀采用先進的數字攝像技術，研制數字攝像能見度自動監測儀，即基于數字攝像機，根據能見度定義結合圖像處理技術探測大氣能見度，這是一種新的能見度觀測方法。本方法用數字攝像機模擬人眼，直接攝取選定目標物的圖像。計算機再對所獲取的圖像信息進行分析處理，并代入能見度定義公式進行計算，從而自動獲取能見度觀測值。[2]其測量方法非常類似于人眼觀測和人對能見度的真實感受，因此數字能見度儀無疑是最科學的能見度探測儀器，更是取代人工觀測能見度的最佳儀器。數字攝像能見度儀所采用觀測的方法是由中國科學院院士、著名大氣物理學家周秀驥先生提出的；該儀器是由中國氣象局北京城市氣象研究所的王京麗研究員研制發明的。通過圖片處理來測量能見度值，這項核心技術在國內外屬于首創。數字攝像機的工作原理是先建立2個黑體和2個光源，通過數字攝像機拍照，然后通過相關公式計算出能見度值。

各儀器安裝的區別：數字攝像能見度儀安裝時要注意，南北朝向安裝，因為如果東西朝向安裝的話會受到太陽光線的影響，從而引起數據的偏差；攝像機距離第一個目標的距離是15米，距離第二個目標的距離是50米。前散能見度PWD22安裝的位置應沒有會干擾光學的障礙物或反射面，不然會引起數據的偏差。透射能見度儀LT31發射機和接收機之間的距離建議是30米，安裝的位置不應有干擾光學測量的障礙物。

2 各種儀器觀測差異

觀測采集時間的區別：前散能見度儀（如PWD22）每分鐘采集生成一個數據；透射能見度儀（如LT31）每十秒采集生成一個數據；而數字能見度儀（dpvs）則是每分鐘采集生成一個數據，并且每分鐘采集一張圖片。

根據2018年觀象臺的透射能見度儀、前散能見度儀、數字能見度儀的一些數據進行對比分析，通過分析發現，3種能見度儀存在著一些差異。當處于低能見度時，各儀器的觀測數據趨于一致，如圖1，圖2所示。

當處于中能見度時，各儀器的觀測數據出現一些差異，如圖3所示。

當處于高能見度時，各儀器的觀測數據也趨于一致，因為在高能見度時（能見度值超過15000m）通常取15000m，如圖4所示。

3 儀器故障維護

3.1 數據誤差引起的常規原因

3.1.1 前散能見度儀PWD22

能見度數據連續出現過高的異常情況，常見的問題原因有：光變送器或光接受器的鏡頭過臟；護罩中是否有冰、雪、樹葉、樹枝等贓物。

能見度數據連續出現過低的異常情況，常見的問題原因有：光變送器或光接受器的的發射和接收光的區域是否有蜘蛛網、障礙物、反光的區域、變送器或接受器的電子器件出現故障。

能見度數據缺測時，常見的問題原因有：變送器或接受器的電子器件出現故障、出現停電狀況或者是傳輸數據的信號線出現故障，比如雷擊引起的故障等情況。

3.1.2 透射能見度儀LT31

能見度數據連續出現過高的異常情況，常見的問題原因有：光變送器或光接受器的鏡頭過臟。還有可能突然斷電引起的，因為斷電后重新來電時，透射儀系統會通過自檢來糾正斷電引起的錯誤。

能見度數據連續出現過低的異常情況，常見的問題原因有：光變送器或光接受器的的發射和接收光的區域是否有障礙物、反光的區域、變送器或接受器的電子器件出現故障，比如雷擊引起的故障等情況。

能見度數據缺測時，常見的問題原因有：是否出現停電狀況或者是傳輸數據的信號線出現故障的情況，比如雷擊引起的故障等情況。

3.1.3 數字攝像能見度儀

能見度數據連續出現過高的異常情況，常見的問題原因有：

夜間光源處于飽和狀態；暴光量出現飽和狀態；相機罩前出現水汽、結冰、贓物。

能見度數據連續出現過低的異常情況，常見的問題原因有：夜間光源系統出現故障，造成光源不亮，目標定標的位置發生偏移。

能見度數據缺測時，常見的問題原因有：出現停電情況；傳輸數據的信號線出現故障；相機系統的電子元器件出現故障，比如雷擊引起的故障等情況。

3.2 減少儀器故障的辦法

為了避免各能見度儀出現數據異常和缺測情況的出現，觀測員平時應該至少一個月對儀器進行一次維護（包括標校，清潔等工作）；對儀器配備UPS，定期檢查電源設備，確保電源的穩定輸入，減少斷電情況的出現；如遇到儀器電子元器件故障，盡快找到原因處理恢復。

4 結語

綜上所述，引起各能見度儀的觀測值差異的原因有很多，比如：儀器的原理和性能的差異，數據采集頻率的區別，空氣污染的不均勻，儀器維護人員的操作不當和其它原因引起的數據采集偏差。所以，在我們日常工作中要嚴格按照規定維護儀器，避免出現人為的失誤引起的數據偏差，唯有這樣才能更好的把觀測數據服務于科研和業務工作中去。

參考文獻

[1]王京麗，劉旭林，雷鳴，阮順賢，繆宇鵬，聶凱.新型能見度自動觀測系統研究[J].電子測量與儀器學報，2013，27（7）：597-603.

[2]王京麗，雷鳴，阮順賢，繆宇鵬，聶凱.霧霾及能見度自動觀測系統問世[J].世界環境，2013，（03）：58-59.