天津雾和霾自动观测与人工观测的对比评估

司 鹏 高润祥

(天津市气象局，天津 300074)



天津雾和霾自动观测与人工观测的对比评估

司 鹏*高润祥

(天津市气象局，天津 300074)

为适应地面气象观测业务调整方向，提高新型自动气象站观测资料的质量及可用性，研究中对天津地区10个地面气象站1951—2014年历年2月人工观测及2014年2月自动观测和人工观测的轻雾、雾、霾现象进行对比评估。结果表明:天津地区历年2月轻雾的平均日数为10 d，雾和霾均为2 d，轻雾和霾同期出现的日数占有天气现象的7.4%，而雾和霾同期出现日数仅占0.7%；平行观测期的对比分析得到人工观测轻雾日数比自动观测多11 d，雾日数和霾日数均比自动观测少6 d，其中，轻雾和雾的判别差异集中出现在每日08：00(北京时，下同)，霾则基本出现在每日08：00，14：00，17：00，20：00；通过对比自动观测和人工观测的能见度数据发现，二者相对偏差达25.1%，能见度小于15.0 km时，自动观测的能见度有60%～76%数值偏小，特别是08：00和20：00,因此，在相对湿度满足条件的情况下，能见度的判别误差是导致自动观测与人工观测轻雾、雾、霾现象判别差异的重要原因。

雾和霾； 自动观测； 人工观测； 对比评估

引 言

雾和霾作为灾害性天气现象，对人们的生产生活、身体健康及交通运输等有严重影响[1-6]。2013年以来，我国京津冀、山西、河南及山东等中东部地区相继出现了大范围的持续性雾、霾天气，特别是2014年2月20—26日京津冀出现了连续1周的雾、霾天气，对大气环境造成了极大污染，严重影响了人们的健康和安全出行。我国政府和环境部门对此高度重视，中国气象局为此组织开展了环境气象业务改革工作，加快推进我国综合观测业务调整和观测自动化进程，提高环境气象的观测和预报服务能力。2014年1月起，经过前期的业务改革试点工作，中国气象局在全国各省(市、自治区)实现了轻雾、雾、霾等视程障碍现象的自动化观测，同时取消人工观测。

近几年，国内学者已经对2000年前后逐步建设的地面自动气象观测系统资料开展了大量的研究工作[7-15]，分析指出仪器的测量原理与观测方法、观测时间和空间、采样方式与算法及观测时次等不同造成了自动观测与人工观测数据的差异[16-17]。天津市作为实施新型自动气象站的试点之一，从2014年1月1日起，天津市10个站点均已安装新型自动气象站并正式投入业务运行。对于轻雾和霾两种难以区分的视程障碍现象，在传统的人工观测中主要借助气象条件和观测员的观测经验定性区分，而新型自动气象站通过具体的气象条件阈值进行定量区分。另外，由于自动观测轻雾、雾、霾视程障碍现象的时间精度为分钟，与以往的人工定时观测时制有所不同，因此，如何科学界定不同视程障碍现象的判别标准和观测时长，已成为当前自动观测雾、霾现象的主要难点。为此，2014年1月29日—2月28日天津市气象局开展了为期31 d的雾、霾现象自动观测和人工观测的对比试验，旨通过对二者差异状况的分析，明确新型自动观测视程障碍现象的判别标准和观测时长是否可行，并根据得出的结论提出合理化建议。

1 资料和方法

1.1 资 料

研究所用资料为天津市气象信息中心提供的天津市宝坻(54525)、东丽(54526)、天津(54527)、北辰(54528)、宁河(54529)、汉沽(54530)、静海(54619)、津南(54622)、塘沽(54623)及大港(54645)10个地面气象站1951—2014年历年2月人工观测视程障碍数据(部分台站的观测起始年份晚于1951年)。平行观测期资料同样来源于上述10个地面气象站自动观测和人工观测的2014年1月29日—2月28日视程障碍数据(以下简称2014年2月)。统计的气象要素包括：历史同期人工观测的轻雾、雾、霾现象的日数据，平行观测期自动观测和人工观测的轻雾、雾、霾现象的定时数据、能见度的定时数据。

1.2 观测时次及视程障碍现象的判别方法

3个国家基本气象站每日人工定时观测5次(08：00，11：00，14：00，17：00，20：00)，自动观测采用中国华云技术开发公司HY-V35型能见度仪；7个国家一般气象站，每日人工定时观测3次(08：00，14：00，20：00)，采用凯迈(洛阳)测控有限公司的CJY-1G(J)型自动能见度仪。其中，人工定时观测14：00和20：00的天气现象为其对应观测时和过去6 h内发生的视程障碍现象，国家基本站的辅助观测时次11：00和17：00的天气现象为其对应观测时与过去3 h内发生的视程障碍现象，而对于08：00，由于夜间不要求守班，人工观测只记录对应观测时和过去1 h内发生的视程障碍现象；自动观测是每分钟采集一次当前10 min滑动平均能见度和相对湿度，各定时观测值均为前一日20：00到当前定时观测时次的全天天气现象。

平行观测期间，自动观测和人工观测互不影响，自动观测按照中国气象局预报与网络司的最新要求，将能见度阈值在人工观测基础上统一下调25%，空气相对湿度的判别阈值恢复到台站历史观测阈值进行轻雾、雾、霾现象判别；人工观测按照《地面气象观测规范》[18]，结合中国气象局地面观测业务的相关规定进行轻雾、雾、霾现象判别。二者判别标准详见表1。

表1 天津地区视程障碍现象的判别标准Table 1 Discriminant conditions of visibility restricting phenomenon in Tianjin

注：自动观测雾，相对湿度阈值由于受仪器参数设置限制(只能设置1个值)，业务工作中将轻雾、雾、霾现象采用统一的阈值标 准60%;人工观测和自动观测雾的相对湿度标准不同：人工观测雾，相对湿度阈值根据《地面气象观测规范》规定，结合天津 地区观测员历史观测经验采用90%。

2 历史同期的轻雾、雾、霾日数平均状况

图1给出天津地区1951—2014年历年2月人工观测的轻雾、雾、霾日数变化曲线图。总的来看，历年2月天津地区轻雾出现日数最多，雾日数次之，霾相对较少。趋势变化显示，近60年来，与轻雾、雾、霾总日数变化一致，轻雾日数有增加趋势，但雾日数随着时间上下波动，而进入20世纪90年代以后，霾日数开始增多，特别是2007年以后霾日数比雾日数明显增多。统计1951—2014年2月平均值得到，天津地区2月轻雾日数平均为10 d，雾日数和霾日数均为2 d。另外，通过统计天津市10个地面站1951—2014年历年2月所有轻雾、雾、霾日数发现，轻雾和霾同期出现的日数为497 d，占有天气现象的7.4%，而雾和霾同期出现日数为50 d，仅占有天气现象的0.7%，说明轻雾和霾相继出现的复杂天气是人工观测视程障碍现象较为常见的。

另外，本文还对10个地面站历年2月轻雾、雾、霾日数变化进行了具体分析(图略)。通过分析发现，由于受到观测员观测手段和观测经验的差异影响，造成不同地区视程障碍现象记录的不同，特别是天津东部地区，查阅历史视程障碍现象的观测数据发现，人工记录烟幕出现的次数远多于霾，造成了霾日记录的减少。因此，一定程度上导致了天津地区历史上人工记录霾现象的减少。

图1 天津地区1951—2014年历年2月轻雾、雾、霾日数Fig.1 Numbers of mist, fog and haze days in Feb during 1951-2014 in Tianjin

3 平行观测期自动观测和人工观测差异

3.1 自动观测和人工观测轻雾、雾、霾现象对比

表2给出天津地区2014年2月平行观测期10个地面站所有自动观测和人工观测的轻雾、雾、霾日数统计。从统计结果看，人工观测轻雾日数比自动观测多，二者相差11 d，而人工观测雾日数和霾日数比自动观测少，二者均相差6 d。但从视程障碍现象判别特点看，自动观测和人工观测一致，即轻雾日数最多，霾日数次之，雾日数最少。同时，与历史同期人工观测结果一致，平行观测期间轻雾和霾同期出现日数均比雾和霾同期出现日数多，人工观测轻雾和霾同期出现103 d，占有天气现象的45.4%，自动观测出现97 d，占42.4%；而人工观测雾和霾同期出现仅12 d，占有天气现象的5.3%，自动观测仅出现17 d，占7.4%。

表2 2014年2月自动观测和人工观测的轻雾、雾、霾日数统计(单位：d)Table 2 Numbers of mist, fog and haze days by automatic and manual observations in Feb 2014(unit:d)

通过统计自动观测和人工观测出现视程障碍现象差异的观测时次及台站信息可知，引起差异的台站主要表现在宝坻(54525)、天津(54527)和北辰(54528)。轻雾和雾现象判别差异的统计结果显示，差异时次集中出现在08:00，主要表现为人工观测多为轻雾，而自动观测多为雾。究其原因，对于08:00，人工观测只记录对应观测时和过去1 h内发生的视程障碍现象，而自动观测是通过采集前一日20:00到当日08:00的10 min滑动平均能见度和相对湿度数据判断当前时次的视程障碍现象，因此，在08:00人工观测天气现象时，随着气象条件的变化，大雾很可能已经转为轻雾或消散，同时，根据《地面气象观测规范》中记录日天气现象摘要的有关规定[18]，一日中当大雾和轻雾同时出现时，仅记录大雾，所以即便自动观测时段内出现轻雾，但根据规定应记为大雾。因此,造成08:00自动观测和人工观测轻雾和大雾现象的差异。造成这一差异的另一原因，可能与自动观测和人工观测的能见度阈值不同有关(如表1所示)，根据现有地面观测业务规定，对自动观测能见度进行统一的25%下调处理，这种做法亦可能导致自动观测和人工观测的差异。

对于霾现象来说，差异时次基本出现在全天各个定时观测时次，即08:00，14:00，17:00，20:00，主要表现为人工观测为霾现象，而自动观测未出现任何视程障碍现象，相反，自动观测为霾或轻雾、霾同时出现的现象，而人工观测为无或仅观测为轻雾现象。

因此，通过以上对天津地区平行观测期自动观测与人工观测视程障碍现象差异分析可知，从天气现象出现的连续性和趋势演变角度考虑，自动观测的雾现象相对人工观测准确，由于夜间不守班，人工观测往往会忽略夜间雾或其他视程障碍现象的出现。但对于霾现象的判断，定时自动观测和人工观测差异较大。

3.2 自动观测和人工观测能见度对比

正如3.1节中的差异分析所述，在新型自动气象站视程障碍现象的观测中，自动观测能见度的正确与否至关重要。因此，文中将重点研究不同能见度范围中自动观测与人工观测的相对偏差，以此分析能见度仪自动观测与人工观测的差异。这里将相对偏差定义为自动观测与人工观测的能见度差值的绝对值与人工观测值之比。

表3、表4分别给出自动观测与人工观测能见度相对偏差和负偏差比例。由表3可以看出，天津地区自动观测与人工观测能见度存在明显差异，总的相对偏差达25.1%。负偏差统计结果显示(表4)，自动观测能见度小于人工观测占54.5%，偏低1.0 km以上的占28.5%，而自动观测和人工观测能见度相等仅占6.5%。从不同能见度范围的差异统计看(表4)，能见度小于15.0 km时，60%～76%自动观测能见度均为偏小，而能见度大于15.0 km 时，75%左右自动观测能见度偏大；对于各个观测时次来说，负偏差统计结果基本表现出了自动观测能见度小于人工观测的特点，尤其是08：00和20：00。

表3 不同范围自动观测与人工观测能见度的相对偏差统计(单位：%)Table 3 Relative errors for different ranges of visibility between automatic and manual observations(unit:%)

表4 自动观测与人工观测的能见度偏差统计(单位：%)Table 4 Deviations of visibility by automatic and manual observations(unit:%)

图2给出[0，1.0 km),[1.0 km，5.0 km)，[5.0 km，10.0 km)，[10.0 km，15.0 km)，[15.0 km，+∞)能见度范围中，自动观测与人工观测的相对偏差分布。如图2所示，自动观测能见度与人工观测相对偏差随数值的增大而减小，说明能见度视程范围越大，自动观测越接近人工观测的数值。其中，能见度范围为[1.0 km,5.0 km)，[5.0 km,10.0 km)的相对偏差中值均为22%左右，而能见度范围为[10.0 km，15.0 km)，[15.0 km，+∞)的相对偏差中值仅为15%左右。根据表1给出的视程障碍现象的判别标准得知，1.0～10.0 km是判别轻雾和霾的能见度阈值范围。结合3.1节的分析结果可以得到，在相对湿度满足条件的情况下，能见度的判别误差是导致自动观测与人工观测轻雾、雾、霾现象判别差异的重要原因。

以上分析表明，自动观测与人工观测的能见度差异主要表现为在光学视程范围较小的情况下，自动观测能见度基本小于人工观测，且二者的相对偏差较大。究其原因主要有以下几点：首先，对比感阈不同。根据人工能见距离和气象光学视程计算原理[19-20]，人工观测和自动观测的对比感阈分别取0.02和0.05，当大气消光系数相同时，人工能见距离约为自动光学视程的1.3倍，从理论上讲，自动观测能见度距离相当于人工观测的70%左右。其次，采样空间不同。人工观测能见度采样空间是四周视野中二分之一以上的范围能看到目标物的最大水平距离[18]，而目前台站业务使用的前向散射型能见度仪，测量的是其发射器和接收器之间不足300 mm3的气溶胶散射能力反演的能见度距离[21]，所以前者的采样空间为开阔区域，而后者仅为一个气块。第三，数据客观性不同。人工观测主观性强，同一天气条件下不同观测员由于视力、观测角度、观测经验等不同可能会对天气条件的判断产生差异，而自动观测基于仪器原理和理论计算，观测结果的客观性相对更强。

图2 不同量级能见度范围自动观测与人工观测的相对偏差分布Fig.2 Relative errors for different ranges of visibility between automatic and manual observations

4 结论与讨论

利用天津地区10个地面气象站1951—2014年历年2月人工观测及2014年2月自动和人工平行观测的轻雾、雾、霾资料，对新型自动站观测视程障碍现象的准确性进行评估，得到如下结论：

1) 天津地区历年2月轻雾出现的平均日数最多，为10 d，雾日数和霾日数则相对较少，均为2 d，轻雾和霾同期出现的日数占有天气现象的7.4%，而雾和霾同期日数仅占0.7%。趋势变化显示，近60年来，轻雾有增加趋势，但雾日数的变化不明显，进入20世纪90年代以后，特别是2007年以后霾日数开始明显增多。

2) 对比分析平行观测期的视程障碍现象表明：人工观测轻雾日数比自动观测多11 d，雾日数和霾日数均比自动观测少6 d。其中，轻雾和雾的判别差异主要集中在每日的08：00，依据天气现象出现的连续性和趋势演变特点，自动观测的雾现象相对人工观测准确。而霾则基本出现在全天各个定时观测时次，即08：00，14：00，17：00，20：00，可能主要与能见度的判别误差有关。但是从视程障碍现象判别特点来看，自动观测和人工观测是一致的，即轻雾的日数最多，霾日数次之，而雾日数最少，且轻雾和霾同期出现日数均要比雾和霾同期日数多。

3) 统计自动观测和人工观测能见度的偏差比例显示，二者总的相对偏差为25.1%，在所有样本中，54.5%的自动观测能见度低于人工观测，偏低1.0 km以上的占28.5%，而自动观测和人工观测能见度相等的仅占6.5%。从不同能见度范围的差异统计来看，能见度小于15.0 km时，自动观测的能见度值60%～76%均为偏小，特别是08：00和20：00，其中，判别轻雾和霾的能见度阈值范围[1.0 km，5.0 km)，[5.0 km，10.0 km)的相对偏差中值均为22%左右，而视程范围较大的[10.0 km，15.0 km),[15.0 km，+∞)的相对偏差中值仅为15%左右。

以上分析表明，在相对湿度满足条件的情况下，能见度的判别误差是导致自动观测与人工观测轻雾、雾、霾现象判别差异的重要原因。然而，对于目前现行业务规定中将新型自动站判别雾和霾的能见度阈值在人工观测标准基础上统一下调25%，根据本文的研究结果来看，39.0%的自动观测数据相对人工观测偏大。因此，直接将所有自动能见度观测数据视为偏小，这种做法科学性需进一步研究探讨。

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A Comparative Evaluation on Automatic and Manual Observations of Fog and Haze in Tianjin

Si Peng Gao Runxiang

(TianjinMeteorologicalBureau,Tianjin300074)

Based on the past records by manual observation at ten meteorological stations during 1951-2014 and parallel observations by automatic and manual observations in February 2014, discrepancies of mist, fog and haze phenomena are evaluated in Tianjin, in order to meet the reform direction of surface meteorological observation business, and to improve the quality and availability of data observed by new automatic system. Results indicate that in February, the mean number of mist days in Tianjin is 10, while numbers for fog or haze days are both 2. The proportion for mist accompanying haze days occupies 7.4% in all the weather phenomena, but for fog and haze days, it is only 0.7%. There is an increasing trend in mist days, but not for fog, and since 1990s, haze days have begun to increase obviously, especially for the year of 2007 during the last 60 years. Comparative analysis in parallel period by manual indicates there are 11 more mist days but 6 less fog and haze days than those by automation. Discrepancies of mist and fog phenomena arise at 0800 BT, manual observation captures more mist but automatic observation records more fog. Discrepancies of haze phenomenon arise at 0800, 1400, 1700 BT and 2000 BT, which are observed by manual way, but none according to automatic observations, while the phenomena of haze or mist and haze are totally the opposite. However, characteristics of phenomena judged by automatic and manual observations are of the same, i.e., mist days are the most, haze days are the second, fog days are the least, and the number of mist accompanying haze days is more than that for fog accompanying haze. Comparing visibility values by manual observation with automation indicates that the average relative error between them is 25.1% in all the samples, 54.5% of automatic observation is less than manual observation, 28.5% out of these the difference exceeding 1 km, manual observation meets with automatic observation only for 6.5% of all cases. For differences of visibility in different order of magnitude, 60%-76% of automatic observation is smaller, when the visibility is less than 15.0 km, especially for 0800 BT and 2000 BT. The median of relative error within the threshold ranges of [1.0 km,5.0 km) and [5.0 km,10.0 km), judging the phenomenon of mist and haze, are both about 22%, and larger range of [10.0 km,15.0 km) and [15.0 km,+∞) are only about 15%. Accordingly, observation error of visibility is an important cause leading to discrepancies of mist, fog and haze phenomena by automatic and manual observations, in the case of relative humidity to meet suitable conditions.

fog and haze; automatic observation; manual observation; comparative evaluation

10.11898/1001-7313.20150212

国家科技支撑项目(2014BAC16B04)，天津市科技支撑项目(13ZCZDSF02100)

司鹏，高润祥. 天津雾和霾自动观测与人工观测的对比评估. 应用气象学报，2015，26(2)：240-246.

2014-04-29收到， 2015-01-08收到再改稿。

* email: sipengsbox@163.com