能见度自动与人工观测在大雾中的分析与比较

窦以文，丁青兰，胡保昆，史君卿

(1.北京市气象信息中心，北京100089;2.北京市气象台，北京100089;3.北京农业职业学院，北京100093)

能见度是气象观测的一项基本观测要素，在天气预报和环境监测中具有重要意义。目前我国台站能见度主要是人工观测为主，而人工目测估计受主观判别、视力、光照条件和目标物视角的大小等影响［1-2］，另外，人工观测无法做到分钟级加密观测。北京市气象局作为2012年8个国家级地面气象观测台站之一，开展地面气象观测自动化试点工作，自动观测能见度资料应用评估是其中重要内容。已经有很多文献对能见度自动观测与人工观测的差异［3-7］和能见度变化趋势等［8-12］进行了分析。笔者针对2013年1月一次持续较长时间的大雾天气，从能见度自动观测与人工观测对比、自动观测与道面观测对比、能见度的时间序列应用、空间应用4个角度来对比分析能见度自动观测与人工观测。

1 资料与方法

1.1 大雾天气过程概况 选取的天气过程为一次持续时间较长的低能见度天气过程，发生于2013年1月20日08:00～23日20:00。1月20日白天受低空切变线影响，北京出现降雪天气，500 hPa高空槽于20日夜间过境，观象台夜间仍出现零星降水。降雪使近地层水汽进一步增加，由于20日夜间冷空气还没有影响到北京，北京地面风小，人工观测的能见度仅有2～4 km，出现轻雾天气。21日白天冷空气东移南压，地面北风加大，北京天气转晴，能见度好转，但随着夜间气温下降，22日早晨北京东南部平原地区出现能见度不足1 km的大雾天气，22日白天能见度略有好转，以轻雾天气为主，入夜后再次出现大雾天气，直到23日后半夜又有一股冷空气南下，大雾天气才彻底结束。

1.2 数据与方法 由于组网试验期间只有南郊观象台、密云、顺义、平谷4个站开展能见度自动观测，因此选择观象台、密云、顺义、平谷这4个人工站进行自动观测与人工观测的对比分析。以南郊观象台作为代表站，分析自动观测的能见度与相对湿度的相关性，以考察自动观测的能见是否合理可用。除了以上4个能见度自动观测站外，北京地区还有28个道面观测站也提供能见度数据，依然以南郊观象台为代表站，选择离它最近的六道口桥道面观测站分析二者的一致性，二者一致则表明可以组成覆盖北京地区的高时间分辨率的能见度观测网，在雾霾天气的精细化预报与服务中发挥重要作用。

能见度观测主要有器测和目测2种方法。目测能见度是指四周视野中二分之一以上的范围能看到的目标物的最大水平距离;器测能见度是指观测仪测定的一定基线范围内的能见度，器测能见度仪主要有透射能见度仪、散射能见度仪、激光能见度测量仪和数字摄像能见度仪［13-16］。这里主要是对比目测和DNQ1/V35前向散射式能见度仪。

针对能见度观测项目进行自动与人工观测资料之间的对比差值统计，即自动与人工能见度的差值为自动观测值减去人工观测值。设Zi为第i时自动观测值，Ri为第i人工观测值，则第i时的对比差值X为:Xi=Zi-Ri，设观测次数为n，则对比差值的平均值为，自动与人工观测能见度的相对差值为Ni=(Zi-Ri)/Zi。

2 结果与分析

2.1 与人工能见度对比分析 经统计，自动与人工能见度的差值平均为2 957 m，它们对比差值标准差为3 989，其差值在许可范围内，表明自动与人工能见度的差值偏差一致，稳定性较好。

从图1可以看到，人工观测数据明显大于自动观测数据。观象台 02:00、05:00、08:00、11:00、14:00、17:00、20:00、23:00各时次人工与自动能见度差平均值分别为3 041、2 081、1 375、2 554、2 749、4 176、4 309、3 236 m，可见人工观测与自动观测差异较大的是20:00，其次为17:00，差异最小是08:00，可能是因为北京观象台附近20:00前有燃烧垃圾和锅炉冒烟导致一定范围环境能见度较低，影响观测员能见度观测，而自动观测在观测场范围较小，所以影响较小。从平谷、顺义、密云人工与自动的对比来看，人工观测不同时次平均值均大于自动观测站，两者的变化趋势一致。

图1 2013年1月20日08:00～23日20:00观象台自动与人工能见度观测对比

2.2 与道面自动观测能见度对比分析 从道面自动观测和台站自动观测2种能见度测量值随时间的演变(图2)可以看到，两者一致性较好，差别较小。从顺义台站和距离较近的管头大桥道面站、平谷台站和距离较近的崔庄桥也可以明显得出此结论。由此可以看到道面观测站也可以与观测台站组成网络监控全市能见度情况。

图2 2013年1月20日08:00～23日20:00台站和道面观测能见度对比

2.3 时间序列应用分析 从2013年1月20～23日北京南郊观象台温度、露点温度、能见度随时间变化(图3)可以看出，能见度与相对湿度关系密切，20日夜间随着气温的降低，温度露点差减小，相对湿度增大，能见度减小，相反，白天气温升高，能见度增大，可见能见度与温度露点差有很高的相关性。1月20日夜间观象台温度露点差只有1～2℃，相对湿度大，人工观测为轻雾天气，自动观测的能见度维持1～2 km;21日白天随着冷空气南下，露点温度降低，气温随着太阳辐射而升高，导致温度露点差增大，14:00达最大，为11℃，相应的2种自动观测的能见度也逐渐增大，14:00左右也达到最大值，但比人工观测的能见度小，不足10 km;21日下午平流降温和辐射降温导致观象台气温迅速降低，温度露点差又迅速减小，对应自动观测的能见度也很快减小，22日05:00能见度不足1 km，出现大雾天气，与人工观测结果一致;22日中午温度露点差和能见度再次出现峰值;22日下午观象台温度露点差和能见度又开始减小，22日夜间再次出现能见度不足1 km的大雾天气;23日由于云覆盖，气温上升幅度小，且地面露点增大，温度露点差只有1～2℃，相应的能见度变化也较小，稳定维持在1.5 km以下。由此可见，自动观测的能见度变化与温度露点差的变化是一致的，体现了能见度与相对湿度高度相关性，表明能见度自动观测结果合理可用。

图3 2013年1月20～23日北京观象台温度、露点温度、相对湿度随时间变化

2.4 空间应用分析 2013年1月20日根据能见度实况与天气情况，在17:00的预报及服务中，提示夜间能见度差。从能见度的分布来看，21日04:00北京地区能见度大多低于5 km，西部能见度高于东部能见度(图4a);21日05:00京藏高速上的居庸关能见度加大，表明冷空气开始影响到北京西北部，但东部地区能见度持续降低，尤其是平谷、顺义及大兴一带能见度已不足1 km(图4b)。考虑冷空气移动较慢，06:00预报东部地区有雾，并发布了大雾黄色预警信号，交管部门对高速公路采取了封路措施。21日10:00除东南部大兴的梨花桥外，其他地区的能见度均在好转，东北部平谷、顺义一带的能见度也超过了1 km(图4c)，表明冷空气东移南压，即将影响全市，能见度对交通影响即将在中午前后结束。

21日夜间北京西部能见度比较高，大多在10 km以上，但随着夜间气温降低，东部平原一带能见度不断下降，22日05:00观象台能见度不足1 km，平谷及通州一带能见度甚至低于100 m(图4d)，据此，气象台又发布了大雾黄色预警信号，并做了相关的气象服务。22日11:00能见度普遍好转，但东北部平谷能见度仍不足1 km(图4e)。22日下午能见度又开始下降，16:00不仅平谷、顺义一带的能见度不足1 km，观象台的能见度也降至1 km以下(图4f)，因此气象台22日16:30继续发布大雾黄色预警信号。22日夜间北京平原地区的能见度大多不足1 km(图4g)，23日早晨气象台继续发布大雾预报和预警。

图4 2013年1月21～23日北京地区能见度分布

由此可见，台站观测和道面观测组成同一能见度观测网，能够很好地反映北京能见度情况，对于预报和服务具有重要作用。

3 结论

(1)北京南郊观象台、密云观测站、顺义观测站、平谷观测站人工观测不同时次平均值均大于自动观测站，但两者的变化趋势一致。

(2)观测台站和较近的道面观测站随着时间的演变，两者有较好的一致性。

(3)从时间序列角度分析，自动观测的能见度变化与温度露点差的变化是一致的，体现了能见度与相对湿度高度相关性，表明能见度自动观测结果合理可用。

(4)从空间应用分析可以看到，台站观测和道面观测组成同一能见度观测网，能够很好地反映北京能见度情况，对于预报和服务具有重要作用。

(5)台站和道面自动观测数据能够反应雾霾天气过程，自动代替人工是可行的。但由于自动观测数据明显小于人工观测数据，对于预报服务中雾霾的标准与能见度有关的部分需要修订。

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