前向散射式能见度仪现场核查方法与应用

李生慧，徐泽东，代永光，廖 鑫

（青海省大气探测技术保障中心，青海 西宁 810000）

气象能见度指在通常的天气情况下，视力正常的人可以从天空背景中看到并识别的最大水平距离[1]。能见度观测对开展天气预报，进行气候变化分析和开展气象公众服务至关重要。能够实现能见度自动观测的仪器被称为能见度仪。其中，前向散射式能见度仪被广泛应用于全国各个自动气象站[2]。在实际应用中，能见度仪观测数据的准确性随着环境的变化、使用时间的增加，不可避免地会发生变化，定期对能见度仪测量性能进行核查是保证测量数据准确性的重要工作[3-4]。

根据《前向散射式能见度仪核查方法（试行）》中关于“观测站能见度仪现场核查”工作的要求，本文选用青海各气象台站普遍使用的华云升达（北京）气象科技有限公司生产的DNQ1 型前向散射式能见度仪（下简称“能见度仪”），使用PWA12 校准套件对能见度仪进行核查，并结合实际核查工作中的实际操作步骤、注意事项进行了介绍[5]。

1 能见度仪的原理及构成

1.1 能见度仪的原理

能见度仪由传感器、采集器以及外围设备三部分构成，其中传感器包括发射镜头和接收镜头。其探测原理是红外光经过发射镜头在大气中形成接近平行的光束，接收镜头将采样区内特定方向的前向散射光汇集到接收机的光电传感器上，并将其转换为电信号。该信号经处理、取样和计算后得到采样区内特定方向的前向散射光强度值，由此计算出总散射量及透过量，最终得出能见度值[6]。前向散射能见度仪探测原理如图1 所示。

图1 前向散射能见度仪探测原理图

1.2 能见度仪的构成

能见度仪具体由7 部分构成，如图2 所示。

图2 DNQ1 型前向散射式能见度仪

2 能见度仪核查套件

PWA12 能见度仪核查套件由一个遮光板和两个散射板构成。其中，散射板是两个已知散射特性的不透明玻璃片，核查或校准能见度仪信号强度值；遮光板主要用于遮挡接收光路，接收光路被遮挡时可核查能见度仪标称量程上限值[7]。核查套件如图3 所示。

图3 核查套件

3 现场核查

按照《前向散射式能见度仪核查方法（试行）》中“观测站能见度仪现场核查”方法对能见度仪进行现场核查[8]。

3.1 核查条件

现场核查时，能见度仪需要避免被明亮光线直射，且在天气晴朗、能见度大于10 km 情况下进行。

3.2 核查前的准备

为保证核查结果的可靠性，能见度仪的发射镜头和接收镜头应保持干净，因为镜头被污染得到的能见度值将比实际能见度值更高。因而在进行核查前需要检查镜头区域是否有蛛网等异物，如有异物需及时清除，并用50%的异丙醇或酒精溶液浸湿不起毛的软布擦拭镜头，注意不能划伤镜头表面。检查机罩和镜头是否有积存的冷凝水、冰、雪，并擦去机罩内外表面的灰尘。清洁仪器的同时应检查外观上有无影响仪器观测的损伤。须保证能见度仪外型结构完好且具有仪器型号、出厂编号等明显标识[8]。外观检查合格后才能进行信号强度值核查。

3.3 核查方法

全省国家级地面气象观测站使用的能见度仪通信波特率、校验位、数据位、停止位分别为4 800、N、8、1。现场核查时，首先使用RS-232 标准通信线将电脑与能见度仪进行连接，当电脑端无九针串口时，可使用USB 串口线进行转接。通信接线如图4 所示。

图4 通信接线图

核查时，电脑端使用串口调试软件向能见度仪发送命令，以读取数据[9]。

3.3.1 标称量程核查

本次实际应用中所用的能见度仪标称量程为35 000 m。

完成能见度仪与电脑的通讯线连接，并给能见度仪通电后，输入OPEN 命令，传感器应返回如图5 中所示的信息。

图5 OPEN 命令返回信息

将遮光板放置在接收机护罩内以阻挡光路，等待1 min，输入MES 命令读取能见度仪标称量程，传感器应返回如图6 中所示的信息。

返回数据应为能见度仪标称量程上限值。若未达到标称量程上限值，需终止操作到实验室校准或返厂维修。

完成标称量程读取后，输入如图7 中的ZERO 命令返回信息。

图6 MES 命令返回信息

图7 ZERO 命令返回信息

取出遮光板，进行下一步操作。

3.3.2 信号强度值核查

在完成标称量程上限值读取后，将散射板固定在镜头外罩上，注意散射板玻璃片须与镜头玻璃片平行，不然会引起示值误差。散射板安装如图8 所示。

完成散射板安装，输入CHEC 命令读取能见度仪输出信号值。此时能见度仪会自动返回信号值。CHEC 命令返回信息如图9 所示。

图8 散射板安装示意图

图9 CHEC 命令返回信息

待输出信号值稳定之后，与散射板标定信号值作比较。以散射板标定信号值为基准，若误差小于等于10%，则能见度仪核查结果符合标准；若误差大于10%，则继续修正。误差计算公式如下：

式（1）中：ΔδS为被核查能见度仪信号强度值误差；δS为被核查能见度仪输出信号强度值；δSr为核查套件对应的信号强度标称值[10]。

在本次实际操作中，散射板信号强度标称值为622。根据式（1）计算得到∣ΔδS∣=2.9%，小于10%的误差标准，可判定能见度仪核查结果符合标准。

误差大于10%时，需对能见度仪进行修正。修正时输入命令格式：CAL 622。此处以散射板信号强度标称值为622为例，输入完成后无返回信息。

再次输入CHEC 命令读取信号值，显示的信号值应等于散射板标称信号值。如需修正信号值和原信号值之间相差超过20%（此处假定散射板信号强度标称值为900），那么CAL 命令将会被忽略，能见度仪将返回如图10 中的信息。

图10 CAL 命令返回信息

此时，需检查能见度仪是否有硬件或机械故障[11]。可输入MES 3 或AUTOCHECK 命令，检查能见度仪硬件状态，正常则返回如图11 中的信息。在硬件有故障的情况下可将仪器返厂。

图11 硬件状态信息

完成校准后，可发送mes 2 命令读取当前能见度值，返回格式如图12 所示。

图12 当前能见度值

4 应用实例

2020-06 -02 ，青海省大气探测技术保障中心技术人员对西宁二十里铺气象站现用能见度仪进行了现场核查。

4.1 外观检查

核查当天，天气晴朗，目测能见度在20 km 以上。

核查前，首先对仪器外观进行了检查。检查中发现，接收镜头上覆盖蜘蛛网且镜头上有灰尘，随即使用软布浸泡酒精后对仪器镜头进行了清洁；能见度仪外观完好，标牌和标记完整、清晰，机械结构完整且无变形。经过外观检查与清洁后，能见度仪满足核查要求，可进行现场核查工作。

4.2 标称量程读取

首先使用RS232 标准串口线将笔记本电脑与能见度仪进行连接，然后对能见度仪进行上电，并放置遮光板后读取数据，输出数据35 000 为该设备的标称量程。完成标称量程读取后，输入ZERO 命令。标称量程读取如图13 所示。

图13 标称量程读取

4.3 信号强度值读取

取下遮光板，并放置散射板（核查中所使用的散射板标称信号值为622）后，输入CHEC 命令读取能见度仪信号强度值，如图14 所示。∣ΔδS∣＜10%，核查结果符合《前向散射式能见度仪核查

图14 信号强度值读取

根据式（1）计算可以得到，方法（试行）》要求，可判断该能见度仪合格。

完成核查后，取下散射板，再次对能见度仪进行数据读取，如图15 所示，能见度数据为25 532 m，与目测能见度接近，说明该能见度仪工作正常。

图15 核查完成后能见度数据读取

5 结论

本文结合《前向散射式能见度仪核查方法（试行）》，通过实际操作详细介绍了如何利用PWA12 能见度核查套件开展能见度仪核查工作，并且能见度仪的现场核查方法现在已经应用到全省国家级地面气象观测站实际工作中。但在核查工作中也发现了问题，主要为散射板安装时与镜头不平行带来的人为操作误差。因而在核查中应严格按照核查规范操作，减少人为误差所带来的影响。