机场气象站能见度自动观测和人工观测的对比分析

何 飞，袁业畅

(湖北省气象服务中心，湖北 武汉 430000)

1 引言

能见度是气象学中反映大气浑浊度的一个指标，不仅能指示一个地区的大气环境质量，而且与交通运输行业关系密切。随着航空事业的迅速发展，国际民航组织要求降低机场最低运行标准，对机场能见度的观测提出了更高要求[1]。

能见度通常用气象光学视程表示，气象光学视程是指白炽灯发出色温为2700 K的平行光束的光通量在大气中削弱至初始值的5%所通过的路途长度，也指白天视力正常(对比感阈为0.05)的人，在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认的目标物(黑色、大小适度)的最大距离，通常人工目测距离为一束光的强度衰减至原始强度的0.6%～8.0%，取值2.0%。能见度可以通过人工和自动两种方式进行观测，人工观测能见度观测次数较少(国家一般气象站一天观测3次，国家基准气象站一天观测24次)，主观性强，为估测值，而仪器观测一般采用透射能见度仪、散射能见度仪进行连续、实时的观测，可比性强。对于能见度两种不同的观测方法，有不少的对比分析[2～7]，研究表明：在不同天气条件影响下，两种观测方法存在一定的差异，当能见度较低时，二者结果较为接近，当能见度较高时，二者存在明显的误差。

本研究对比鄂州国际物流核心枢纽机场的临时气象站的前向散射能见度仪与同期人工观测数据，以期探求两种观测数据的一致性及差异，为人工观测能见度向仪器观测能见度过度提供依据。

2 资料说明

鄂州国际物流核心枢纽机场为顺丰集团预在鄂州建立4E级全货机机场，目标是建成全球第四、亚洲第一的航空物流枢纽。从选址开始，在拟定机场跑道的北端建立起临时的气象观测站。能见度观测资料为2016年4月至2017年3月一整个观测年，人工能见度观测仅在白天时段(北京时的08时至20时)进行，观测频率为每小时一次；自动能见度观测选用华云升达(北京)气象科技公司生产的DNQ1/V35型号的前散射能见度传感器，进行24 h观测，通过民用机场地面系统每小时读取一个数据。本文结合机场临时气象站天气现象观测记录，分析在不同视程障碍下两种能见度数据的差异。

由于人工观测能见度只有观测年白天时段(08时至20时)的数据，因此自动站也选取同时段的小时数据进行对比分析。人工观测与自动观测应测数据4745个，其中人工观测缺测23个时次，自动观测完整，采用4722组有效数据对比人工观测和自动观测结果。

3 两种观测方法的理论差异

3.1 人工观测能见度

人工观测的能见度分白天和夜间两类条件，本研究仅涉及白天能见度。白天能见度是指视力正常(对比感阈为0.05)的人，在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认的目标物(黑色、大小适度)的最大距离。人工观测能见度，通过指的是有效水平能见度，即四周视野中1/2以上范围内能看到的目标物的最大水平距离。观测员在一天中的特定时刻进行观测，通过目测不同距离目标物的清晰程度对能见度进行判别。

3.2 自动观测能见度

本研究自动观测能见度是由前向散射能见度仪获取。散射仪的原理是通过测量小体积空气对光的散射系数，从而估算出消光系数，再根据柯西米德定律计算气象光学视程[8]。前向散射能见度仪主要是利用光在大气中传播会发生衰减和各种散射吸收，其中空气中的水滴是造成散射的主要因素，也是影响能见度的主要因素[9]。散射仪对大气光学距离的观测和计算基于3点假设：①假定大气是均质的；②假定散射系数与消化系数相等；③假定散射仪测量的散射光强正比与散射系数。

3.3 人工观测值与仪器观测值的理论计算

根据比尔-朗伯定律F=Fo.exp(-σx)计算自动化观测数据(MOR)，由WMO定义的MOR为：F/Fo=5%=0.05,由消化系数计算得出MOR如下：

(1)

人工观测值的计算方法，同样利用比尔-朗伯定律，人工观测值定义F/Fo=2%=0.02,由此消光系数计算得到如下：

(2)

式(2)中X表示距离，F代表X距离处的光通量，Fo代表X=0时的原始光通量，s表示消光系数，将(2)式比(1)式可得，MOR/X=3.9/3=1.3，从理论上人工目测距离是能见度仪测量距离的1.3倍[10]。

4 人工观测数据与仪器观测数据分析

4.1 能见度总体差异

根据《对比观测期间监测资料评估技术方法》[11]，一致率(Cr)应大于80%，粗差率(Gr)应小于3%。一致率表示自动观测与人工观测的一致性程度，用对比差绝对值小于等于2倍标准差的样本数与有效样本数的比值表示,而粗差率表示差值的多寡,其值越大表示存在异常的数据越多[12]，用对比差减去对比差平均值的绝对值小于等于3倍标准差的样本数与有效样本数的比值表示。统计得到观测年内人工观测与仪器观测的一致率Cr为88.7%，粗差率Gr为1.3%，由于人工观测最大值为10 km，因此本研究特地分析了人工观测能见度<10km的两种观测值，得到一致率Cr为91.4%，粗差率Gr为0.9%，两组数据均满足规范要求，说明人工观测与自动观测的结果较一致，异常值较少。

图1给出了观测年内人工能见度和仪器观测能见度的平均值的年变化情况，由各月白天时段的平均能见度可见，仪器观测能见度与人工观测能见度有类似的变化规律，除1月和12月外，仪器观测的各月能见度平均值均大于人工观测值。

图1 人工能见度和仪器观测能见度的平均值的年变化

所有有效样本中，能见度的人工观测与仪器观测对比的平均差值为-3.1 km，标准偏差为6.9 km，平均相对误差为-27.5%，人工观测能见度<10 km的所有样本中，人工观测与仪器观测的平均差值为1.0 km，标准偏差为1.1 km，相对偏差为19.3%。由此可见，小于10 km人工观测能见度与仪器观测能见度的偏差较小，在人工能见度5～10 km相对误差最小，人工能见度10 km相对误差最大，因此本研究将人工观测能见度进行分段，表1比较了两种观测数据的差异。

表1 人工与自动观测能见度正负偏差统计

由表1统计结果可见，在人工观测能度5～10 km段两种能见度相等比例最大，为11.3%，其次为人工观测能见度10 km时，相等比例为8.5%，人工观测能见度小于1 km内两种能见度无相等，可见人工能见度在5 km之内，人工和仪器相等比例较低，5 km以上两者相等比较有所增加；人工能见度小于10 km时，人工观测结果多大于仪器观测结果，正偏差比例均在84%以上，由于本气象站人工观测最大值为10 km，能见度情况较好时均记为10 km，仪器观测能见度最大值为45 km，人工观测能见度为10 km时，人工观测结果多小于仪器观测结果，正偏差比例均为19.8%。由于人工能见度为10 km的样本数最多，为2666个，导致各月白天能见度平均基本表现为人工观测结果小于仪器观测结果(图1)。

4.2 能见度相关性分析

利用观测年内的能见度仪观测数据与人工观测数据作相关(图2)，得到相关系数为0.68，由于机场临时气象观测站最大能见度为10 km，对应仪器观测能见度数据范围从2.8～45 km，人工能见度10 km以下的观测数据与仪器观测能见度相关性较好，相关系数为0.87，因此本研究选取人工观测能见度小于10 km的数据对两种能见度数据进行相关分析(图3)。

表2分析了不同时次人工观测能见度与自动观测能见度的相关性，可见白天时段各个不同时次人工观测能见度与自动观测能见度均有较好的相关性，相关系数08时和09时最大，逐渐减小至15时后，有所上升。

4.3 不同天气现象时能见度一致性比较

本研究在造成视程障碍的天气现象中选取3类来分析两种能见度资料，分别是大雾、霾和雨。在机场临时气象站观测年中分别选取这3种天气现象的时次作为样本，由于各种天气现象出现的频率不同，因此样本数量有较大差别，其中大雾时次样本为27个，霾的样本为326个，雨的样本数最多为646个。

图2 人工观测能见度与自动观测能见度相关分析

图3 人工观测能见度(<10 km)与自动观测能见度相关分析

对不同天气现象两种能见度一致性对比得到表3。在3种视程障碍天气现象下两种观测能见度的相关性均通过了P=0.001的检验，大雾时，相关系数最大，为0.95，霾和雨的相关系数相对较小。

3种天气现象下人工观测能见度的正偏差比例均占到一半以上，其中大雾天气下人工观测的正偏差比例最大，为88.9%。大雾时两者的平均差值最小，为0.06 km，霾日两者的平均差值为1.15 km，仅在雨日平均差值为负，为-0.42 km。

表2 不同时次人工观测能见度与自动观测能见度

分别计算3种天气现象下，人工观测能见度和仪器观测能见度的标准差，人工观测能见度的标准差均小于仪器观测能见度，说明仪器观测的数据起伏较大，稳定性弱于人工观测。其中大雾日时，两种观测数据的标准差最小，霾其次，雨日的标准差最大，同时雨日仪器观测的标准差远大于人工观测。说明在雾和霾相对均匀而持续的天气现象中，人工观测和仪器观测的能见度数据也较为稳定，能见度较易受雨势变化影响，仪器观测受影响较大，标准差更大。

表3 不同视程障碍天气现象的两种能见度一致性对比

5 结语

(1)观测年内人工观测与仪器观测能见度的一致率Cr为88.7%，粗差率Gr为1.3%，说明人工观测与自动观测的结果较一致，总体来说在机场临时站白天时段，仪器观测的能见度能较好的代表人工观测能见度。

(2)观测年内，除1月和12月外，人工能见度均小于仪器观测能见度。对人工观测能见度进行分段，能见度<10 km以下的，人工观测能见度相比仪器观测能见度的正值偏比例较高，在80%以上，能见度为10 km时，人工观测能见度相比仪器观测能见度的正值偏比例较低。

(3)人工能见度10 km以下的观测数据与仪器观测能见度相关性较好，各时次相关性均较好，相关系数从08时和09时最大，逐渐减小至15时后，有所上升。

(4)两种能见度在大雾日的相关性最好，人工观测和仪器观测稳定性也最好；在雨日的相关性最次，稳定性最弱。仪器相对人工观测的数据稳定性较差，特别是在雨日。