环境因素对前向散射能见度仪测定精度的影响研究

吴世美，吴有恒，饶鹏程

(1.贵州省贵阳市气象局，贵州 贵阳 550001；2.贵州省山地环境气候研究所，贵州 贵阳 550002)

环境因素对前向散射能见度仪测定精度的影响研究

吴世美1，2，吴有恒1，饶鹏程1

(1.贵州省贵阳市气象局，贵州 贵阳 550001；2.贵州省山地环境气候研究所，贵州 贵阳 550002)

研究了环境反射面以及仪器清洁度对前向散射能见度仪测定精度的影响。结果表明，能见度仪周边存在反射面，其观测值与真值的偏差约为12%；未清洁处理则可能造成观测值与真值偏差达70%。由此可见，排除环境因素及人为因素的干扰，可有效提高向前散射能见度仪的测量精度。研究结果为散射型能见度仪的准确观测提供了实践参考。

能见度；发射面；清洁度；向前散射能见度仪

1 引言

自动气象站中一般使用前向散射能见度传感器对能见度进行测量，测定的是一定基线范围内的能见度，该能见度用气象光学视程表示，即白炽灯发出色温为2 700 K的平行光速的光通量在大气中削弱至初始值的5%所通过的路途长度。

能见度是重要的气象要素之一，它对航空、航海、铁路、公路运输、电力、气象等部门的业务运行有着十分重要的作用[1]。早期，气象台站对能见度的侧定通常采取目测估计，与定义标准存在较大差距，具有较大的随愈性、片面性与主观性[2]。

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因其具有成本低，安装方便等优点，在国际、国内气象观测中得到了广泛的研究和应用。值得提出的是，因其光学敏感度较高，环境中广泛存在各种类型的反射表面以及设备自身的清洁度等环境因素可能对观测结果产生至关重要的影响，然而，在实践过程中这些因素往往被人们忽视。本文选取贵阳国家气候观测站为试验点，围绕环境因素对散射型能见度仪观测精度的影响进行了系统性的试验研究，旨在为利用散射型能见度仪开展大气能见度的准确观测提供实践参考。

2 材料与方法

本研究采用的前向散射能见度仪型号为DNQ1/V35，生产厂家：华云升达气象科技有限责任公司，该设备测量性能应见表1。本研究使用的仪器设备放置于贵州省贵阳市气象观测站。贵阳市处于费德尔环流圈，常年受西风带控制，属于亚热带湿润温和型气候，年平均气温为15.3℃，年平均风速2.1 m/s，年平均相对湿度为77%。因重工业远离市区，大气颗粒物浓度较低，空气质年良好。

表1 前向散射能见度仪测量性能要求

2.1 环境反射面试验

在DNQ1/V35型前向散射能见度仪4m范围内放置一个百叶箱作为反射表面，调节信号发射端的角度，首先使其朝向百叶箱开始连续观测，直至信号稳定。然后继续调节信号发射端的角度，使其朝向草地，开始进行正常观测至信号稳定。为确保观测结果的客观性，重复上述操作一次，全程记录能见度仪的观测结果以待分析。

2.2 仪器清洁度试验

为科学评估前向散射能见度仪自身清洁度对观测结果的影响，在仪器设备安装后的1 a时间内不对设备自身(主要是信号发射端、信号接收端的光学镜头)进行清洁处理。打开能见度仪，连续观测10 min后关闭。取下镜头，进行清洁后装回原处，重新开机观测一段时间。为了保证观测结果准确性，同步采用另一台同型号的清洁的能见度仪开展对比观测。

3 结果

3.1 周边有无反射面的能见度对比

以百叶箱为反射面，当能见度仪信号发射端朝向百叶箱时，大气能见度的观测值从8 251 m迅速升高至9 140 m，之后趋于稳定(9 154±10 m，n=5)。调整能见度仪信号发射端，使其朝向草地，大气能见度的观测值从9 163 m开始迅速降低，至8 220 m后逐渐稳定(8 199±26 m，n=5)。调整能见度仪信号发射端，使其再次朝向百叶箱，其大气能见度的观测值又迅速升高并逐渐稳定(8 946±11 m，n=5)(图1)。能见度仪周边存在反射面，其观测值与正常观测真值存在偏差，差值约为956 m，偏差约为12%。

图1 周边发射表面对能见度测定结果的影响A时段与C时段，信号发射端朝向百叶箱；B时段，信号发射端朝向草地

3.2 仪器是否清洁的能见度对比

在对比观测时段内，参照设备对比观测的大气能见度为5 594±121 m(n=20)，标准偏差为2.2%(图2)。相同时段，在未清洁情况下，使用设备的能见度观测结果为9 491±196 m(n=10)，标准偏差为2.1%；清洁后，使用设备的能见度观测结果为5 572±103 m(n=10)，标准偏差为1.8%。清洁后的设备观测值与参照设备的对比观测值接近，而未清洁处理前的观测值与参照设备的对比观测值显示出了很大偏差，差值约为3900 m，偏差高达近70%。

图2 观测设备镜头清洁前后能见度对比观测记录

4 讨论

4.1 反射表面对观测精度的影响

前向散射能见度仪的发射端发出斜向下(一般为45度角)的光束，当光束遇到光滑表面时会发生反射现象，造成信号光束的能量损失，进而导致接收端信号失真；类似地，当光束遇到粗糙表面时，则发生漫反射，同样造成不同程度的信号光束的能量损失，引起接收端信号失真。与此同时，出现在前向散射能见度仪的光路中的反射表面会引入周围环境中的光线，造成光路的光强增加或者降低，干扰能见度仪的正常监测，导致较大的测量误差。

莫月琴等[1]研究表明，复杂的背景光线、多次的散射辐射等造成背景噪声相对较大，致使散射信号被淹没在噪声中难以分离出来，影响信号测量。本研究中人为的反射面干扰了仪器的光路测量，导致较大的测量误差(12%)，这一现象提示了在向前散射能见度仪的安装过程中应该充分评估周围环境反射面对设备监测精度的影响，以免造成监测工作中人为的数据偏差。

4.1 环境颗粒物对观测精度的影响

大气能见度的因素主要包括空气湿度、风速和颗粒物浓度。颗粒物主要通过散射影响能见度，颗粒物的散射作用大约占其对大气消光系数的70%，颗粒物的消光贡献可以达到总大气消光的90%[3]。边海等[4]研究表明，颗粒物质量浓度与能见度变化总体呈负相关，小粒径颗粒对能见度的影响作用明显。陈义珍等[5]对广州市与北京市大气能见度与颗粒物质量浓度的关系进行了系统研究，发现能见度与PM2.5的关系在约50 μg/m3处是一个分界：当PM2.5>50 μg/m3时，随着PM2.5降低，能见度变化不明显：当PM2.5<50 μg/m3时，随着PM2.5降低，能见度迅速改善。因此，在颗粒物治理的起始阶段，PM2.5下降对能见度的改善效果不很明显；但当PM2.5降低到一定程度后，能见度的改善效果非常显著。

监测结果表明，2014年度贵阳市不同粒径大气颗粒物质量浓度年均值分别为PM1.0～40.5 μg/m3)，PM2.5～34.6 μg/m3， PM10～31.8 μg/m3(表2)。因此，在此低颗粒物浓度的环境背景下，附着在信号发射端和接收端的颗粒物对能见度观测结果的影响将十分显著。及时清洁仪器可有效减小监测数据的失真，进而提高观测数据的可靠性。

表2 贵阳市2014年大气颗粒物质量浓度的月均值变化(单位：μg/m3)

数据来源：贵阳市气象局观测站提供。

5 结论

通过对环境因素与散射型能见度仪观测精度的相互关系的试验观测与对比观测研究，得到以下结论：

①人为的反射面(百叶箱、雨量筒、不锈钢围栏等)干扰了仪器的光路测量，导致较大的测量误差(约12%)。在前向散射能见度仪的安装过程中应该充分评估周围环境反射面对设备监测精度的影响，以免造成监测工作中人为的数据偏差。

②对比观测发现，清洁的仪器观测值与参照设备的对比观测值接近，而未清洁处理前的观测值与真值存在很大偏差(约70%)。及时清洁仪器可有效减小监测数据的失真，进而提高观测数据的可靠性。

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2015-03-24

吴世美(1972—)，女，工程师，主要从事综合业务管理工作。

黔气科合KF[205]07号、黔科合重大专项字[2011]6003号，贵州省气象科技开放研究基金KF[2015]07号共同资助。

P412.17

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