分析高海拔地区能见度自动观测仪与人工观测资料对比
来源：UC论文网2016-01-16 21:09
摘要：
摘 要 ：对高海拔地区能见度观测结果进行分析得出，人工观测与自动观测存在很大的相关性，在雾、降水等能见度较低的天气条件下，两者之间的差值就越小，其中雾等影响视程障碍
摘 要：对高海拔地区能见度观测结果进行分析得出，人工观测与自动观测存在很大的相关性，在雾、降水等能见度较低的天气条件下，两者之间的差值就越小，其中雾等影响视程障碍的恶劣天气下，人工观测与自动观测结果具有一致性，降水能影响自动观测数据。
关键词： 能见度数据；能见度自动观测仪；人工目测；对比分析
关键词： 能见度数据；能见度自动观测仪；人工目测；对比分析
能见度的观测在天气、气候的研究上都有着重要意义，与人类的生产生活息息相关。它反映的是大气透明度的一个指标，与当时的天气情况有密切的联系，当出现雾、霾、沙尘暴、降雨等天气过程时，大气透明度下降，能见度就较差。目前，我国气象部门采用自动能见度仪观测，它利用光学设备能见度测量仪传感器镶嵌散射的原理，发射器射出的红外线与接收器的可视区域相交叉，探测出该区域的光线散射情况，以持续监测该区域的能见度，而人工观测能见度的与自动观测标准不完全一致，且不同地区环境差异致使影响能见度的因素也不同。河南蒙古族自治县位于青藏高原东南部，由于海拔较高，能见度的观测受特殊地形及气候等影响较大，本文针对河南县能见度自动观测仪观测数据与人工观测数据对比分析，以期获取更为准确的预报服务产品。
1 能见度观测
1.1 人工观测
人工观测的能见度通常指的是有效水平能见度，即在气象台站四周视野开阔地带，不同方向、不同距离选取若干个固定的能见度目标物，作为判断能见度大小的依据；以能看到所有目标物的地点作为观测点，目测能看到的最远目标物和不能看到的最近目标物；也就是在台站四周视野内1/2以上的范围可看到的目标物的最大水平距离就是人工观测到的能见度值。一个视力正常的人，白天当时条件下能从天空背景中看到和辨认的黑色、大小适度的目标物的最大水平距离为白天能见度；在对夜间能见度人工观测时，可采取2种方法：一是假定总体照明为白天水平，能看到和辨认出适当大小的黑色目标物最大水平距离；二是能看到和识别中等强度的发光体的最大水平和距离。青海省河南县局按照要求，每天进行3次定时观测，即观测员于45～60 min期间观测能见度；若在夜间对能见度进行观测时，要先在黑暗处停留5～15min以适应黑暗环境后再观测。
1.2 能见度自动观测仪观测
与人工观测相比，能见度自动观测仪具有连续性、实时性特点，观测到的数据可比性和稳定性较好，而且在观测精确度和时间分辨率上有了很大的提高。河南县局观测站自安装了能见度自动观测仪开展能见度的自动观测以来，实现了24 h连续观测，每分钟生成1个数据，每月形成A文件，有利于更为快捷的获取到定时、定量、准确的观测数据，提升了能见度预报产品的精细化水平。
2 资料的选择与处理
由于能见度不会在短时间内发生明显性变化，而且挑选的能见度人工和自动观测时间无法达到完全一致。因此，在对能见度自动观测与人工观测数据作对比时，可以人工观测时次为准，取能见度自动观测仪正点10 min平均值与人工观测能见度值进行对比分析。人工观测能见度数据精确度为0.1 km，自动观测仪能见度数据精确度为0.001 km，为了便于计算对比，应钝化能见度自动观测数据精度至0.1 km。本文选取2015年7月1日-10月20日期间08：00、14：00和20：00共336个时次的人工观测记录数据及能见度自动观测仪同步定时数据672个。
3 能见度自动观测仪与人工观测数据对比分析
3.1. 个定点时次相关性分析
对比2015年7月1日-10月31日期间每日08：00、14：00、20：00，3个时次的能见度观测数据可知，这3个时次的能见度自动观测仪与人工观测变化趋势基本一致，80%以上的目测值偏大于自动观测值。对于同一观测站同一观测点同一时次开展能见度自动观测及人工观测，假设自动观测和人工观测数据均正确，那么它们的相关系数应接近于1，利用Excel软件中Correl公式计算得出每一时次能见度自动观测仪数据与人工观测数据的相关系数在0.8～0.9（表1），说明河南县采用能见度自动观测仪观测的能见度数据与人工观测能见度数据存在很好的相关性。分析单个时次，自动观测仪观测数据与人工观测数据的相关系数在14：00最大，08：00最小，这是由于高原地区早上气温偏低，观测站附近居民生火做饭的烟气弥散在大气中，影响了能见度自动观测仪附近的能见度值，这在自动观测数据每个月A文件第一条中均有备注。
3.2 定点时次能见度平均值对比分析
分别对比3个时次平均能见度值可知，08：00、14：00和20：00这3个时次能见度平均差值以14：00最大，其次是08：00，20：00为最小，说明在20：00能见度的自动观测与人工观测数据最接近（下表）。这是因为一天当中14：00为光照条件最好时段，所以此时人的视线也达到了最好，观测员目测数值就会偏大；20：00天已变黑，观测员只能根据天黑前能见度实况及变化趋势，结合20：00气象要素变化情况对能见度进行估测，使得灯光目标物强度及自动观测仪对天气透明度的判断均存在着较大的误差，特别是下雨天，观测员对能见度的把握更难，若前一天下雨，致使第2天湿度偏大，也会致使观测数值偏小，可见外界环境、人主观判别意识等对人工观测能见度有很大的影响，数值误差较大。分析定点时次的日变化趋势可知，3个时次平均能见度值与能见度日变化趋势基本一致，最低能见度和最高能见度发生时间接近，日出前后时段能见度相对较差，正午前后能见度最好。
表1 能见度观测数据相关系数及平均值
3.3 能见度一致性对比分析
在不同的能见度条件下，人工观测的数据与自动观测仪数据有一定的差异。当能见度在1.0 km以内时，人工观测值与自动观测值之间的差值最小，约为0.142 km；能见度在1.0～10.0 km之间时，人工观测值与自动观测值差值最大，为0.870 km；能见度在20.0 km以上、30.0 km以下时，两者差值为0.500km，能见度在10.0～20.0 km时差值为次大值，为0.765 km。由此可见，出现雾、雪暴等视程障碍的恶劣天气能见度低于1.0km时，采用人工观测和自动观测的能见度数据差异不大，观测资料具有一致性。
参考文献
[1]中国气象局.地面气象观测规范[M].北京:气象出版社,2003:17.
[2]中国华云技术开发公司.能见度监测子站监控操作手册V1.0.1版[M].北京:中国华云技术开发公司,2008:1-14.
1 能见度观测
1.1 人工观测
人工观测的能见度通常指的是有效水平能见度，即在气象台站四周视野开阔地带，不同方向、不同距离选取若干个固定的能见度目标物，作为判断能见度大小的依据；以能看到所有目标物的地点作为观测点，目测能看到的最远目标物和不能看到的最近目标物；也就是在台站四周视野内1/2以上的范围可看到的目标物的最大水平距离就是人工观测到的能见度值。一个视力正常的人，白天当时条件下能从天空背景中看到和辨认的黑色、大小适度的目标物的最大水平距离为白天能见度；在对夜间能见度人工观测时，可采取2种方法：一是假定总体照明为白天水平，能看到和辨认出适当大小的黑色目标物最大水平距离；二是能看到和识别中等强度的发光体的最大水平和距离。青海省河南县局按照要求，每天进行3次定时观测，即观测员于45～60 min期间观测能见度；若在夜间对能见度进行观测时，要先在黑暗处停留5～15min以适应黑暗环境后再观测。
1.2 能见度自动观测仪观测
与人工观测相比，能见度自动观测仪具有连续性、实时性特点，观测到的数据可比性和稳定性较好，而且在观测精确度和时间分辨率上有了很大的提高。河南县局观测站自安装了能见度自动观测仪开展能见度的自动观测以来，实现了24 h连续观测，每分钟生成1个数据，每月形成A文件，有利于更为快捷的获取到定时、定量、准确的观测数据，提升了能见度预报产品的精细化水平。
2 资料的选择与处理
由于能见度不会在短时间内发生明显性变化，而且挑选的能见度人工和自动观测时间无法达到完全一致。因此，在对能见度自动观测与人工观测数据作对比时，可以人工观测时次为准，取能见度自动观测仪正点10 min平均值与人工观测能见度值进行对比分析。人工观测能见度数据精确度为0.1 km，自动观测仪能见度数据精确度为0.001 km，为了便于计算对比，应钝化能见度自动观测数据精度至0.1 km。本文选取2015年7月1日-10月20日期间08：00、14：00和20：00共336个时次的人工观测记录数据及能见度自动观测仪同步定时数据672个。
3 能见度自动观测仪与人工观测数据对比分析
3.1. 个定点时次相关性分析
对比2015年7月1日-10月31日期间每日08：00、14：00、20：00，3个时次的能见度观测数据可知，这3个时次的能见度自动观测仪与人工观测变化趋势基本一致，80%以上的目测值偏大于自动观测值。对于同一观测站同一观测点同一时次开展能见度自动观测及人工观测，假设自动观测和人工观测数据均正确，那么它们的相关系数应接近于1，利用Excel软件中Correl公式计算得出每一时次能见度自动观测仪数据与人工观测数据的相关系数在0.8～0.9（表1），说明河南县采用能见度自动观测仪观测的能见度数据与人工观测能见度数据存在很好的相关性。分析单个时次，自动观测仪观测数据与人工观测数据的相关系数在14：00最大，08：00最小，这是由于高原地区早上气温偏低，观测站附近居民生火做饭的烟气弥散在大气中，影响了能见度自动观测仪附近的能见度值，这在自动观测数据每个月A文件第一条中均有备注。
3.2 定点时次能见度平均值对比分析
分别对比3个时次平均能见度值可知，08：00、14：00和20：00这3个时次能见度平均差值以14：00最大，其次是08：00，20：00为最小，说明在20：00能见度的自动观测与人工观测数据最接近（下表）。这是因为一天当中14：00为光照条件最好时段，所以此时人的视线也达到了最好，观测员目测数值就会偏大；20：00天已变黑，观测员只能根据天黑前能见度实况及变化趋势，结合20：00气象要素变化情况对能见度进行估测，使得灯光目标物强度及自动观测仪对天气透明度的判断均存在着较大的误差，特别是下雨天，观测员对能见度的把握更难，若前一天下雨，致使第2天湿度偏大，也会致使观测数值偏小，可见外界环境、人主观判别意识等对人工观测能见度有很大的影响，数值误差较大。分析定点时次的日变化趋势可知，3个时次平均能见度值与能见度日变化趋势基本一致，最低能见度和最高能见度发生时间接近，日出前后时段能见度相对较差，正午前后能见度最好。
表1 能见度观测数据相关系数及平均值
| 时次 | 08：00 | 14：00 | 20：00 |
| 相关系数 | 0.848 | 0.937 | 0.898 |
| 人工观测数据平均值 | 5.602 | 12.849 | 9.412 |
| 能见度仪观测平均值 | 3.649 | 9.114 | 8.012 |
| 平均差值 | 1.953 | 3.735 | 1.400 |
在不同的能见度条件下，人工观测的数据与自动观测仪数据有一定的差异。当能见度在1.0 km以内时，人工观测值与自动观测值之间的差值最小，约为0.142 km；能见度在1.0～10.0 km之间时，人工观测值与自动观测值差值最大，为0.870 km；能见度在20.0 km以上、30.0 km以下时，两者差值为0.500km，能见度在10.0～20.0 km时差值为次大值，为0.765 km。由此可见，出现雾、雪暴等视程障碍的恶劣天气能见度低于1.0km时，采用人工观测和自动观测的能见度数据差异不大，观测资料具有一致性。
参考文献
[1]中国气象局.地面气象观测规范[M].北京:气象出版社,2003:17.
[2]中国华云技术开发公司.能见度监测子站监控操作手册V1.0.1版[M].北京:中国华云技术开发公司,2008:1-14.
