能見度Belfort M6000型與Belfort M6400型觀測比對與影響因子研究

周嘉健,曾慧明，徐黃飛，王明輝，黃飛龍

(廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心,廣東 廣州 510080)

0 引言

大氣能見度是指視力正常的人能從背景(天空或地面)中識別出具有一定大小的目標物的最大距離，也稱氣象視程[1]。以往測量大氣能見度是通過人工目測測量，而隨著大氣探測技術(shù)的發(fā)展，目前已出現(xiàn)各種不同型號的能見度自動化探測設(shè)備，為實現(xiàn)能見度由人工向自動化轉(zhuǎn)換提供了條件[2]。

對于美國Belfort儀器公司生產(chǎn)的Belfort M 6000能見度儀(以下簡稱M6000型)，甘桂華等[3]、張毅等[4]介紹了其工作原理、安裝、操作和維護，分析了易出現(xiàn)的故障及原因，并給出維護和校準建議；張順等[5]介紹了大氣透射儀和前向散射儀在觀測原理上的差異，并通過計算能見度差值區(qū)間分布和平均差值，對比分析了昌北機場基準觀測點的2種儀器的數(shù)據(jù)資料。目前，在器測儀器對比試驗方面，李曉嵐等[6]對DNQ1和FD12型能見度儀觀測資料開展比對研究，分析2種能見度儀的觀測差異特征及與關(guān)鍵氣象要素和大氣成分的關(guān)系。在器測儀器與人工觀測對比試驗方面，佘元標等[7]利用饒平站 2011 年1—12月定時人工觀測能見度資料對比M6000能見度儀觀測；吳振強等[8]利用人工目測能見度數(shù)據(jù)與M6000實測距離進行對比，并通過計算出相對濕度、水汽壓、風速等氣象要素和人工觀測的能見度的相關(guān)系數(shù)，進一步求出相互間的修正系數(shù)公式，為廠家修改和完善M6000軟件提供科學依據(jù)。

Belfort儀器公司在M6000型基礎(chǔ)上，對軟件和硬件均作出優(yōu)化和完善，并生產(chǎn)出成本更低、觀測更高效的M6400型。本文利用2021年6月11日—7月11日番禺國家氣象觀測站M6000型與Belfort M6400型能見度儀(以下簡稱M6400型)平行觀測試驗的觀測數(shù)據(jù)，開展2款不同型號能見度儀的能見度觀測比對研究，分析不同能見度觀測范圍下的能見度差值特征，并研究2款能見度儀觀測結(jié)果及其差值與不同氣象要素(如相對濕度、溫度、氣壓、風速和風向)的關(guān)系，確定關(guān)鍵影響因子函數(shù)及可能原因，為推進M6400型能見度儀在臺站的備份應用提供數(shù)據(jù)可靠性支撐。

1 資料和方法

1.1 觀測站點與資料

番禺國家氣象觀測站(以下簡稱番禺國家站)是國家級地面觀測站，站點具備溫度(氣溫、淺層地溫、深層地溫、草溫)、濕度、氣壓、風向、風速、能見度、日照、蒸發(fā)等氣象要素的觀測，并且該站為雙套站。雙套站指觀測場內(nèi)安裝有1個主站和1個備份站。當臺站人員發(fā)現(xiàn)主站的觀測數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)通信異常時，可以將數(shù)據(jù)上傳切換到備份站，保證數(shù)據(jù)觀測的連續(xù)性。本次試驗在該站的主站安裝M6000型，在備份站安裝M6400型，開展平行觀測試驗。

2款能見度儀的觀測原理相同，均是基于大氣中顆粒物的前向散射原理而設(shè)計的，通過測量觀測角內(nèi)空氣對光的散射系數(shù)獲取采樣氣體的消光系數(shù)，進而計算得到氣象光學能見度。2款能見度儀的主要觀測指標會存在一些差異，如表1所示。兩者的觀測精度、散射角和光源配置基本一致，M6400型在量程和能耗均比M6000型優(yōu)越。

表1 2款能見度儀主要指標對比

1.2 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計方法

本研究采用的觀測資料為番禺國家站2021年6月11日—7月11日2種能見度儀觀測的分鐘平均能見度(分別記為Vis6000和Vis6400)以及對應的其他氣象要素觀測，包括相對濕度、氣溫、風速、風向、氣壓和降水量。

目前氣象上大氣能見度觀測范圍在0～50 km，因此設(shè)置2款能見度儀的上限觀測為50 km。此外，為了更好地分析2種能見度儀在不同能見度狀況下，基于 Vis6000觀測數(shù)值將能見度劃分為5個等級，即：0≤觀測值<1 km (能見度很差)、1 km≤觀測值<2 km(能見度較差)、2 km≤觀測值<10 km(能見度一般)、10 km≤觀測值<20 km(能見度較好)和20 km≤觀測值<50 km(能見度很好)，分別評估不同能見度等級的觀測差異特征。

為了體現(xiàn)兩者存在的差異特征，本文利用平均絕對偏差MAD、平均相對偏差RD、均方根偏差RMSD和相關(guān)系數(shù)r等統(tǒng)計量進行統(tǒng)計[9-10]，公式如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

2 結(jié)果分析

2.1 2款設(shè)備偏差特征對比

圖1給出2021年6月11日—7月11日期間分鐘平均能見度Vis6000和Vis6400對比時域圖以及二者差值(Vis6400-Vis6000)的時序變化圖。圖1a中的藍色實線為M6000型觀測值，紅色實線為M6400型觀測值。由圖1a可見，二者的變化趨勢基本一致。并結(jié)合圖1b分析，差值基本處于-10～0 km之間，這表明M6400型觀測結(jié)果普遍低于M6000型觀測結(jié)果。結(jié)合圖1c發(fā)現(xiàn)，整個觀測時段內(nèi)二者的相關(guān)系數(shù)達到0.92。在能見度較低時二者的相關(guān)性更好，隨著能見度的增加，二者的離散度增大。

圖1 2021年6月11日—7月11日番禺國家站Belfort M6000和M6400型能見度儀分鐘平均能見度(a),兩者差值(b)的時序變化圖及分鐘平均能見度值散點圖(c)

2.2 不同能見度等級偏差特征分析

根據(jù)1.2中劃分的能見度等級，分析不同等級下2款能見度儀觀測值的變化特征(圖2、表2)，并給其平均絕對偏差(MAD)、平均相對偏差(RD)、均方根偏差(RMSD)和相關(guān)系數(shù)(r)的統(tǒng)計表(表3)。

表2 2款能見度儀相對誤差數(shù)據(jù)比例統(tǒng)計表

表3 不同能見度觀測范圍下偏差統(tǒng)計表

由2款能見度儀在不同能見度等級下的觀測對比圖(圖2)和兩者在不同能見度等級下的相對誤差比例統(tǒng)計表(表2)可知，能見度等級在0～1 km和1～2 km時，兩者的相對誤差主要集中在50%以下。但由于樣本點數(shù)少，所以結(jié)果會欠缺一定的合理性；能見度等級在2～10 km和10～20 km時，兩者的相對誤差主要集中在20%以下；能見度等級在20～50 km時，兩者的相對誤差主要集中在20%～50%區(qū)間。

圖2 2款能見度儀在不同能見度等級下觀測對比圖(a：0～1 km；b：1～2 km；c：2～10 km；d：10～20 km；e：20～50 km)

結(jié)合表3分析，隨著能見度等級增大(能見度越好)，兩者的MAD、RD和RMSD的絕對值均增大，但由于在能見度等級為0～1 km和1～2 km時的樣本點較少，這里對其不做分析，僅對等級在2～50 km之間進行分析。相比其他等級而言，能見度等級在2～10 km時2款能見度儀觀測一致性最好，兩者的相關(guān)性系數(shù)(0.91)最高，MAD、RD和RMSD依次為0.233 km、6.89%和1.051 km；能見度等級在20～50 km時，兩者的MAD(-9.859 km)、RD(-22.25%)和RMSD(11.28 km)均為最高，表明兩者在高能見度時，一致性較差，差異較大。

2.3 能見度與其他氣象要素比對分析

2.3.1 與其他氣象要素關(guān)系 氣象要素的變化對能見度儀觀測存在一定的影響[11]。圖3和圖4分別給出2款能見度儀觀測數(shù)值與主要氣象因子(包括氣壓、溫度、相對濕度、風向、風速和雨量)的變化關(guān)系，并給出對應的相關(guān)系數(shù)。

結(jié)合圖3和表4可見，2款能見度儀的觀測數(shù)值與相對濕度和氣壓的相關(guān)性比溫度、風向和風速要高。二者均與相對濕度存在負相關(guān)關(guān)系，即隨著相對濕度的減小，能見度數(shù)值均有所增加，并在整個觀測期間，Vis6000與相對濕度的相關(guān)性(r=-0.30)高于 Vis6400與相對濕度的相關(guān)性(r=-0.27)，這可能是由于相對濕度的增加，大氣中的氣溶膠經(jīng)過吸濕增長而導致能見度下降[12-13]。進一步對濕度進行劃分后發(fā)現(xiàn)，在高濕(相對濕度>80%)條件下，2款能見度儀觀測數(shù)值與相對濕度的相關(guān)性增大，這說明在高濕條件下，能見度數(shù)值與相對濕度的負相關(guān)關(guān)系更為顯著。圖4是2款能見度儀的小時平均能見度與小時雨量之間的時序變化圖，其中黑色實線為小時平均能見度觀測值，紅色柱形是小時雨量值。從圖可發(fā)現(xiàn)，當出現(xiàn)降水時(黑色虛線框所示)，相對濕度處于高濕狀態(tài)，而2款能見度儀觀測值會變小，這也進一步驗證能見度值與相對濕度存在負相關(guān)性。

圖3 2021年6月11日—7月11日M6000(a)與M6400(b)觀測分鐘平均能見度隨相對濕度、氣溫、氣壓、風速和風向的變化

圖4 2021年6月11日—7月11日M6000與M6400觀測小時平均能見度與小時雨量之間的時序變化

表4 2款能見度觀測值及其差值與不同氣象因子間的相關(guān)系數(shù)表

2.3.2 觀測偏差的日變化分析 研究發(fā)現(xiàn)，能見度觀測值與濕度和氣壓相關(guān)性比溫度、風向和風速的要更高。相對濕度的高低與降水有關(guān)，而氣壓在一天當中也存在高低變化。因此，本節(jié)將進一步對2款能見度儀在不同時刻觀測差異的特征以及受氣象要素日變化開展研究。

將數(shù)據(jù)按天分類，并通過降水與否劃分晴天(24 h累積降水量為0)和雨天(24 h累積降水量不為0)。按照晴天、雨天分別給出不同時刻2款能見度儀觀測值的相關(guān)系數(shù)存在日變化情況和對應的相對濕度和氣壓日變化圖(圖5)。

圖5 M6400和M6000能見度儀觀測值的相關(guān)系數(shù)日變化和相對濕度和氣壓日變化(a、c：晴天；b、d：雨天)

從圖5a可見，在晴天時，2款能見度儀在不同時刻的相關(guān)系數(shù)是呈現(xiàn)“高—低—高”的變化特征，11—13時期間出現(xiàn)相關(guān)系數(shù)低值區(qū)。同時結(jié)合氣壓的日變化圖發(fā)現(xiàn)氣壓的日變化也呈現(xiàn)相似的變化特征，但與相對濕度的日變化特征關(guān)系較弱。從圖5b可見，雨天時2款能見度儀在不同時刻的相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)小幅波動的變化，相關(guān)系數(shù)均在0.85以上。結(jié)合氣壓日變化圖可見氣壓的日變化特征與相關(guān)系數(shù)日變化特征相似，而相對濕度呈現(xiàn)先低后高的變化特征，數(shù)值整體在70%以上，在高濕狀態(tài)時，相關(guān)系數(shù)在0.9左右。將晴天時與雨天時的統(tǒng)計量作對比可知，雨天日平均相關(guān)系數(shù)(0.93)比晴天(0.82)時要高，因此，2款能見度儀在雨天時一致性比晴天時高。

3 結(jié)語

① 2款能見度儀的分鐘平均數(shù)值的變化趨勢較為一致，兩者相關(guān)系數(shù)達0.92。在能見度較低時相關(guān)性更好，隨著能見度的增加，離散度增大。

②在不同能見度等級的偏差特征分析中發(fā)現(xiàn)，能見度一般(2～10 km)等級和能見度較好(10～20 km)等級的一致性很好，能見度很好(20～50 km)等級的一致性較好，能見度很差(0～1 km)等級和能見度較差(1～2 km)等級的樣本點較少，所以其分析欠缺一定的合理性。

③ 2款能見度儀觀測數(shù)值與相對濕度、雨量和氣壓相關(guān)性要比其他氣象要素要高，與相對濕度和雨量均呈負相關(guān)，與氣壓呈正相關(guān)。

④無論晴天或雨天，相關(guān)系數(shù)日變化與氣壓日變化特征基本一致。在雨天，尤其是在高濕狀態(tài)下，相關(guān)系數(shù)比低濕狀態(tài)時要高。整體而言，2款能見度儀在雨天時的日平均相關(guān)系數(shù)(0.93)比晴天(0.82)時要高。