福建省新型自动能见度与人工观测误差原因分析
汪波1汪学渊1郑潮宇2
（1福建省大气探测技术保障中心福建福州3500082宁德市气象局福建宁德352100）
摘要：文章结合自动与人工能见度观测的基础原理、日常维护以及观测时天气现象等因素，尝试摸索自动站能见度数据与人工观测数据存在误差的原因，从数据层面初步分析两种数据可能存在的内部联系。
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关键词 ：能见度自动观测仪；人工观测；对比分析；数据偏差
中图分类号：TH765.8文献标识码：Adoi：10.3969／j.issn.1665－2272.2015.16.044
大气水平能见度是表征近地表大气污染程度的一个重要物理量，在航空、航运、环境污染监测等多个领域都有重要影响。随着这些行业的不断发展，对能见度监测数据精度要求也越来越高，而原有气象能见度观测的目视估计方式已经逐步无法满足要求，而自动观测的开展对能见度观测手段的丰富以及数据精确化分析的推进提供了可能。笔者对福建省气象局开展自动与人工能见度观测数据的进行情况，对能见度自动观测仪的误差原因进行分析，使得能见度观测数据的利用更具有客观依据。
1原理介绍
1.1人工观测
人工观测能见度是指视力正常的人，在以正常白天光强（中等强度的光强）水平情况下，能正常辨认出能看到的黑色参照物的最大水平距离，称之为有效水平能见度。人工观测是观测点四周具有参照价值的目标物作为目测依据，因此在选择观测点时必须视野开阔，以“能见”的最远目标物和“不能见”的最近目标物的物理距离来综合估算出该时间点的人工能见度值，从而最终判定当时的能见距离。
1.2自动观测
自动能见度仪有投射式、前向散射式、后向散射式、侧向散射式、激光雷达式、CCD摄像式。目前气象部门采用的是以光学前向散射测量为主、辅以光源能量温度和窗口污染等信号监测的智能传感器。通过875nm红外光对大约0.1L体积的空气样品进行前向散射，并使用光电二极管检测到采样空气的光散射强度，对比发出和接收的光强度，并通过一定的科学统计系数进行反比，转换成电信号，以及模数转换成成品可用的气象数字信号，并发送到专业计算机，通过气象规范的数学模型演算出单位时间段的一组大气能见度数据包。
2资料的选择与处理
自动能见度采集频率为每分钟采样4次。1min能见度值，每分钟输出一个数据，1min内采样数据的算术平均值。
Y＝■yi/M
Y为1min观测时段内气象变量的平均值；yi为1min观测时段内第i个气象变量的采样瞬时值；N为1min观测时段内的样本总数；M为1min观测时段内“正确”的样本数。
输出的数据带有经过数据平滑运算的1min、10min、30min以及逐小时运算值。而人工观测进行每天（23、2、5、8、11、14、17、20点）8个时次的观测。而每次观测能见度，都必须通过观测员状态平静、眼球的环境适应等过程后方能进行进一步的业务观测。
因此，在能见度自动与人工观测的时间上无法做到完全的一致，能见度数据存在一定的数据连续性，在观测允许范围时间内是不会发生明显的突变现象，因而选择能见度自动观测正点的10min平均值与人工观测能见度进行对比。
3自动与人工能见度观测差异原因对比分析
3.1原理差异原因
自动能见度观测仪是通过875nm红外光对大约0.1Ｌ体积的空气样品进行前向散射，并使用光电二极管检测到采样空气的光散射强度，对比发出和接收的光强度，并通过一定的科学统计系数进行反比，转换成电信号，以及模数转换成成品可用的气象数字信号，并发送到专业计算机，通过气象规范的数学模型演算出单位时间段的一组大气能见度数据包。人工观测则是观测点四周具有参照价值的目标物作为目测依据，因此在选择观测点时必须视野开阔，以“能见”的最远目标物和“不能见”的最近目标物的物理距离来综合估算出该时间点的人工能见度值，从而最终判定当时的能见距离。人工观测与观测员本身的视力、灯光强度等有很大的关系，在主观上会造成较大误差。相对于人工观测，自动观测仪能更数据化的、并能实时的反应当时的能见度情况。
人工观测的能见度资料存在一定的主观性，但是人工观测关注的是整个大气对视觉的反应，是一个面估测值的评估；而自动能见度大气成分是均匀作为前提，以大约0.1L的空气样品采集结果推广到一个面的，从而估算出结果。由于前提是假设大气为均质，因而当大气较均匀时相对误差较小；在大气非常不均匀时，误差则会明显偏大。
而在高能见度（如晴好天气）情况下，自动能见度则呈现出它明显设计漏洞。由于仅仅反映了大约0.1L的空气样品的大气散射情况，推算出的能见度最具代表性只是局部能见度情况，对于周边的能见度情况的估算则欠缺客观性；但人工观测的是水平有效能见度，反映的是视野范围内的能见状况。由于地球是一个类圆球体，人的观测视线按照地面（地球平均半径6371km）的切面方向观察参照物，在距离观测人员20km的地方，视线离地面的垂直距离将达到大约300m，而50km的地方甚至达到大约2000m的垂直距离。然而在大气状态下越接近地面混浊度越高。人工观测是属于透射原理，而前向散射能见度是属于散射原理。人工观测是一个面，自动观测是局地的一个点，可见两种观测方式比较不存在统一的观测载体。在能见度较好的情况下，人工和自动观测出现较大差异的可能较大，一般是人工观测值大于自动观测值20%~30%。而自动能见度本身的设备误差在20%，因此人工大于自动观测值的合理误差应40%~50%。
3.2日常维护
日常维护主要针对自动能见度来说，虽然气象光学镜头的理论维护周期为6个月，但由于环境不同，降雨、雾霾、沙尘以及空气中含腐蚀物成分（比如沿海的盐雾）等均会造成对镜头甚至镜头内壁不同程度的污染，造成数据偏离真实观测值，因此维护周期的界定还应当因地制宜，必要时还必须对仪器内部进行专业维护。
3.3天气因素影响
自动能见度是以假定大气为均匀介质作为仪器观测的前提条件。因此在实际大气成分较均匀（如晴天）时，与均匀大气前提要求较为接近，呈现出的数据组误差也相对较小；在大气成分非常不均匀时（如雾天、雨天等）相对较大，而夜间由于露、雾、雨甚至霜、结冰天气现象相对于白天出现得更加频繁，因此其能见度数据相对于白天的也出现误差明显偏大的情况。
4观测数据对比分析
从2013年底福建省气象局开展自动与人工能见度观测对比情况来看，理论应收集能见度观测数据组2288组，实际收集有效能见度观测数据组2056组，数据到报率达到89.8%，通过分析数据组内部、数据组之间以及与相关天气现象的关系，具体情况如下：虽然观测的手段与载体上存在诸多不同，但两组数据在数据连续性的变化趋势上还是显示出了较高的一致性；人工观测值总体大于自动观测值，而出现自动观测值大于人工观测值得数据组81组，所占比例不到4%；夜间（有效观测数据组1028组）人工观测值与自动观测值偏差明显。在合理误差范围的数据组仅有206组，所占仅占20%；从天气现象角度考虑，露、雾、霾天气（有效观测数据组1434组）对能见度观测的影响较大，在合理范围的数据组为330组，所占仅为23%；雨天（有效观测数据组412组）合理范围数据组为193组，所占比例为47%；而复杂天气现象（有效观测数据组1357组）出现是则会进一步降低合理范围，其数据组为258组，所占比例为19%；晴天（有效观测数据组617组）影响因素最小，合理范围数据组为524组，所占比例可达85%；通过能见度自动观测与人工观测之间的比较得出，自动观测数据的连续性明显高于人工观测。而人工观测虽然受人为因素影响，数据的准确度也存在一定偏差，但由于它观测的是一个面的能见度状况，使得它出现数据严重偏差的可能性也较小，数据真实客观性更强。
5结语
通过上述的分析表明，虽然观测的手段与载体上存在诸多不同，但两组数据在数据连续性的变化趋势上还是显示出了较高的一致性。但在大气成分较为均匀（如晴天）的情况下，两组数据基本在合理误差范围内；而在大气成分较为不均匀（如雾、露、霾及其它复杂性天气）的情况下，两组数据则出现严重的偏差现象。
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参考文献
1中国气象局.地面气象观测规范［M］.北京：气象出版社，2003
2王振会.大气探测学［M］.北京：气象出版社，2011
3程寅，陆亦怀，连翠华，王缅等前向散射型能见度仪的研制［J］.大气与环境光学学报，2006（1）
（责任编辑高平）
