各类能见度仪的观测值之间差异浅析和仪器维护

阮顺贤 王京丽

摘 要：根据日常工作中，总结各能见度仪器之间人为或客观原因形成的误差，分析发生差异的原因。从而尽量减少误差，确保能见度数据正确有效，从而各能见度仪长期处于正常工作状态，更好地服务于科研和业务工作。

关键词：能见度；原理；仪器维护

中图分类号：TH765 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）20-0056-02

能见度是3大基本气象观测的要素之一，是一个对航空、航海、陆上交通以及军事活动等都有重要影响的气象要素。[1]能见度的准确测量在电力供应、通讯工程、工农业生产等众多领域有着极其重要的意义，能见度是关系到人员和设备安全的重要气象要素；在环保方面的研究、水利部门和雾霾监测治理等部门，能见度也是重要的气象指标。能见度与每个人的生活息息相关，最近几年由于雾霾天气经常困扰北京，大家也越来越关心环境问题和能见度的相关问题。

由于数字摄像能见度项目的需要，透射能见度仪、前散能见度仪、数字能见度仪在北京市观象台已经运行的6年多的时间。目前运行良好。但在透射能见度仪、前散能见度仪、数字能见度仪对比分析中发现存在一些差异。本人对各能见度仪器的维护和参与数字能见度仪的开发工作有8年多了。通过对各能见度仪的观测值之间差异分析，以及根据以往的对各能见度仪维护的经验，进行归纳总结。以便平时观测时更好的避免误差的产生，更准确的获取数据。

1 各能见度仪的基本原理及性能的差异

目前国内用于气象探测的能见度仪器主要有前散能见度仪、透射能见度仪、数字能见度仪。

首先，VAISALA公司生产的前散能见度仪是一款适用于自动气象站系统的智能多变量传感器（例如型号为：PW D20，PWD22）。仪器测量方法是光变送器通过45度发出散射光，由光接受器来测量与发射光束成45度的散射光束，利用该光束推算出相关消光系数，再利用Koschmieder能见度的公式，就可以得出大气水平能见度值。

R为能见度值；σ表示消光系数；ε表示对比感阈，通常取0.02。

其次，VAISALA公司生产的透射能见度仪（例如型号为：LT31），该仪器直接测量光发射机和光接收机之间的大气透射率，代入公式中计算得到能见度值。

其中：

V表示能见度值；

ε表示对比感阈值，仍然只能由观察者感知，通常取0.02；

T表示透射比；

B表示基線距离。

最后，数字摄像能见度仪采用先进的数字摄像技术，研制数字摄像能见度自动监测仪，即基于数字摄像机，根据能见度定义结合图像处理技术探测大气能见度，这是一种新的能见度观测方法。本方法用数字摄像机模拟人眼，直接摄取选定目标物的图像。计算机再对所获取的图像信息进行分析处理，并代入能见度定义公式进行计算，从而自动获取能见度观测值。[2]其测量方法非常类似于人眼观测和人对能见度的真实感受，因此数字能见度仪无疑是最科学的能见度探测仪器，更是取代人工观测能见度的最佳仪器。数字摄像能见度仪所采用观测的方法是由中国科学院院士、著名大气物理学家周秀骥先生提出的；该仪器是由中国气象局北京城市气象研究所的王京丽研究员研制发明的。通过图片处理来测量能见度值，这项核心技术在国内外属于首创。数字摄像机的工作原理是先建立2个黑体和2个光源，通过数字摄像机拍照，然后通过相关公式计算出能见度值。

各仪器安装的区别：数字摄像能见度仪安装时要注意，南北朝向安装，因为如果东西朝向安装的话会受到太阳光线的影响，从而引起数据的偏差；摄像机距离第一个目标的距离是15米，距离第二个目标的距离是50米。前散能见度PWD22安装的位置应没有会干扰光学的障碍物或反射面，不然会引起数据的偏差。透射能见度仪LT31发射机和接收机之间的距离建议是30米，安装的位置不应有干扰光学测量的障碍物。

2 各种仪器观测差异

观测采集时间的区别：前散能见度仪（如PWD22）每分钟采集生成一个数据；透射能见度仪（如LT31）每十秒采集生成一个数据；而数字能见度仪（dpvs）则是每分钟采集生成一个数据，并且每分钟采集一张图片。

根据2018年观象台的透射能见度仪、前散能见度仪、数字能见度仪的一些数据进行对比分析，通过分析发现，3种能见度仪存在着一些差异。当处于低能见度时，各仪器的观测数据趋于一致，如图1，图2所示。

当处于中能见度时，各仪器的观测数据出现一些差异，如图3所示。

当处于高能见度时，各仪器的观测数据也趋于一致，因为在高能见度时（能见度值超过15000m）通常取15000m，如图4所示。

3 仪器故障维护

3.1 数据误差引起的常规原因

3.1.1 前散能见度仪PWD22

能见度数据连续出现过高的异常情况，常见的问题原因有：光变送器或光接受器的镜头过脏；护罩中是否有冰、雪、树叶、树枝等赃物。

能见度数据连续出现过低的异常情况，常见的问题原因有：光变送器或光接受器的的发射和接收光的区域是否有蜘蛛网、障碍物、反光的区域、变送器或接受器的电子器件出现故障。

能见度数据缺测时，常见的问题原因有：变送器或接受器的电子器件出现故障、出现停电状况或者是传输数据的信号线出现故障，比如雷击引起的故障等情况。

3.1.2 透射能见度仪LT31

能见度数据连续出现过高的异常情况，常见的问题原因有：光变送器或光接受器的镜头过脏。还有可能突然断电引起的，因为断电后重新来电时，透射仪系统会通过自检来纠正断电引起的错误。

能见度数据连续出现过低的异常情况，常见的问题原因有：光变送器或光接受器的的发射和接收光的区域是否有障碍物、反光的区域、变送器或接受器的电子器件出现故障，比如雷击引起的故障等情况。

能见度数据缺测时，常见的问题原因有：是否出现停电状况或者是传输数据的信号线出现故障的情况，比如雷击引起的故障等情况。

3.1.3 数字摄像能见度仪

能见度数据连续出现过高的异常情况，常见的问题原因有：

夜间光源处于饱和状态；暴光量出现饱和状态；相机罩前出现水汽、结冰、赃物。

能见度数据连续出现过低的异常情况，常见的问题原因有：夜间光源系统出现故障，造成光源不亮，目标定标的位置发生偏移。

能见度数据缺测时，常见的问题原因有：出现停电情况；传输数据的信号线出现故障；相机系统的电子元器件出现故障，比如雷击引起的故障等情况。

3.2 减少仪器故障的办法

为了避免各能见度仪出现数据异常和缺测情况的出现，观测员平时应该至少一个月对仪器进行一次维护（包括标校，清洁等工作）；对仪器配备UPS，定期检查电源设备，确保电源的稳定输入，减少断电情况的出现；如遇到仪器电子元器件故障，尽快找到原因处理恢复。

4 结语

综上所述，引起各能见度仪的观测值差异的原因有很多，比如：仪器的原理和性能的差异，数据采集频率的区别，空气污染的不均匀，仪器维护人员的操作不当和其它原因引起的数据采集偏差。所以，在我们日常工作中要严格按照规定维护仪器，避免出现人为的失误引起的数据偏差，唯有这样才能更好的把观测数据服务于科研和业务工作中去。

参考文献

[1]王京丽，刘旭林，雷鸣，阮顺贤，缪宇鹏，聂凯.新型能见度自动观测系统研究[J].电子测量与仪器学报，2013，27（7）：597-603.

[2]王京丽，雷鸣，阮顺贤，缪宇鹏，聂凯.雾霾及能见度自动观测系统问世[J].世界环境，2013，（03）：58-59.