數(shù)字能見(jiàn)度儀與光學(xué)能見(jiàn)度儀的觀測(cè)差異

1、數(shù)字能見(jiàn)度儀與光學(xué)能見(jiàn)度儀的觀測(cè)差異王京麗（中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所，北京，100089）摘 要目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)能見(jiàn)度的觀測(cè)大都還是以人工目測(cè)為主，規(guī)范性和客觀性較差。在能見(jiàn)度儀器測(cè)量方 面，采用的設(shè)備主要有透射能見(jiàn)度儀、激光能見(jiàn)度自動(dòng)測(cè)量?jī)x和前項(xiàng)散射能見(jiàn)度儀；這些儀器在對(duì)能見(jiàn)度 測(cè)量時(shí)，依賴(lài)一定的假設(shè)條件，具有較大的局限性。上世紀(jì)末開(kāi)始研制的數(shù)字?jǐn)z像法測(cè)量能見(jiàn)度儀器系統(tǒng) （DPVS，是采用先進(jìn)的數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)，且完全仿照人眼觀測(cè)能見(jiàn)度的原理，根據(jù)能見(jiàn)度的 定義研制的。目前該儀器軟硬件運(yùn)行穩(wěn)定可靠，觀測(cè)效果良好。文章簡(jiǎn)單介紹了大氣能見(jiàn)度定義、能見(jiàn)度的目測(cè)和器測(cè)方法，闡述了DPVS

2、勺基本原理，展示了數(shù)字能見(jiàn)度儀與光學(xué)能見(jiàn)度儀之間在復(fù)雜氣象條件下的比對(duì)結(jié)果和觀測(cè)差異，并對(duì)觀測(cè)差異進(jìn)行了具體分析。比 對(duì)結(jié)果顯示：短時(shí)強(qiáng)降雨情況，DPVS與人工觀測(cè)比較接近，而 FD12觀測(cè)值明顯偏低；連續(xù)強(qiáng)降雨情況， DPVS與人工觀測(cè)比較接近，而 FD12觀測(cè)值震蕩很大，會(huì)有較大的誤差；降雨連續(xù)而均勻、強(qiáng)度低并伴有 霧情況，DPVS人工觀測(cè)、FD12三者均比較接近；在無(wú)降雨低能見(jiàn)度范圍、無(wú)降雨中等能見(jiàn)度范圍、能見(jiàn) 度由低到高和由高到低快速過(guò)渡情況下，隨著能見(jiàn)度的變化，DPVS人工與 FD12的觀測(cè)結(jié)果在白天數(shù)值接近、變化趨勢(shì)一致；從總體趨勢(shì)看，人工觀測(cè)有時(shí)會(huì)岀現(xiàn)大起大落的現(xiàn)象。分析結(jié)果表明

3、：與前向散射儀 及人工觀測(cè)比對(duì)，三者具有相同的變化趨勢(shì)。 但在降雨等復(fù)雜氣象條件下 DPVS與前向散射儀之間存在一定 觀測(cè)差異的，而與人工觀測(cè)較為接近。這是因?yàn)镈PVS與人工觀測(cè)具有相同的原理，都是根據(jù)能見(jiàn)度定義進(jìn)行能見(jiàn)度觀測(cè)的，而它們與前向散射儀觀測(cè)原理完全不同。但人工觀測(cè)存在視力差異，具有較大主觀性。 顯然數(shù)字能見(jiàn)度儀是取代人工觀測(cè)能見(jiàn)度的最佳儀器，也是大勢(shì)所趨。關(guān)鍵詞：數(shù)字?jǐn)z像能見(jiàn)度儀器系統(tǒng)（DPVS，能見(jiàn)度，人工觀測(cè)，儀器觀測(cè)，觀測(cè)差異。引言能見(jiàn)度是三大基本氣象觀測(cè)要素之一，是一個(gè)對(duì)航空、航海、陸上交通以及軍事活動(dòng)等都有重要影響的氣象要素。特別是近年來(lái)，隨著北京向國(guó)際化大都市邁進(jìn)步伐的

4、加快，許多領(lǐng)域已經(jīng)把能見(jiàn)度的日常觀測(cè)逐漸提到日程上來(lái)，如高速公路的關(guān)閉、 車(chē)輛的限速、飛機(jī)的起降等等。可以說(shuō)對(duì)能見(jiàn)度的實(shí)時(shí)觀測(cè)和預(yù)報(bào)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)生活中不可缺少的重要內(nèi)容。能見(jiàn)度觀測(cè)分為目測(cè)和器測(cè)兩種。目測(cè)規(guī)范性和客觀性較差。器測(cè)目前采用的都是光學(xué)儀器，是通過(guò)測(cè)量氣柱透射率或消光系數(shù)來(lái)評(píng)估能見(jiàn)度值。它們都建立在大氣是均勻分布 的等前提下，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的。基于國(guó)內(nèi)外能見(jiàn)度觀測(cè)現(xiàn)狀，研制出一種能夠完全取代人工觀測(cè)的能見(jiàn)度自動(dòng)化觀測(cè)儀迫在眉睫。上世紀(jì)末在我國(guó)開(kāi)始研制的數(shù)字?jǐn)z像能見(jiàn)度自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀（Digital PhotographicVisibility System ，簡(jiǎn)稱(chēng) DPVS，即數(shù)字能見(jiàn)度儀

5、，就是采用先進(jìn)的數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)，完全 仿照人眼觀測(cè)能見(jiàn)度的原理，根據(jù)能見(jiàn)度的定義研制的，因此是取代人工觀測(cè)能見(jiàn)度的最佳儀器。隨著數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)的高速發(fā)展，特別是CCD camera像素?cái)?shù)早已達(dá)到人眼分辨率（千萬(wàn)像素），而價(jià)格卻在直線下降。用數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)探測(cè)大氣能見(jiàn)度必然是大勢(shì)所趨。*資助課題：城市氣象科學(xué)研究基金項(xiàng)目：數(shù)字?jǐn)z像能見(jiàn)度儀觀測(cè)算法研究（UMRF200906;公益性行業(yè)（氣象）科研專(zhuān)項(xiàng)：新型氣象能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)技術(shù)及其標(biāo)校方法研究（GYHY201106047。1能見(jiàn)度的定義及能見(jiàn)度觀測(cè)1.1能見(jiàn)度定義白天能見(jiàn)度定義為標(biāo)準(zhǔn)視力的人眼， 在當(dāng)時(shí)天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨認(rèn) 出目標(biāo)物輪

6、廓(黑色、大小適度，一般視角在 0.5 5° )的最大距離；夜間能見(jiàn)度定義為假 定總體照明增加到正常白天水平，適當(dāng)大小的黑色目標(biāo)物能被看到和辨認(rèn)出的最大距離。1.2目測(cè)能見(jiàn)度目測(cè)能見(jiàn)度方法為在氣象站四周不同方向、 不同距離上選擇若干固定目標(biāo)物， 顏色應(yīng)當(dāng) 越深越好。盡可能以天空為背景，目標(biāo)物大小要適度， 以視角表示，0.5。5.0。之間為宜。 能見(jiàn)度值根據(jù)人眼觀測(cè)到的目標(biāo)物距離及清晰程度決定，不同能見(jiàn)度示意圖見(jiàn)圖1。fc)圖1不同能見(jiàn)度示意圖1.3器測(cè)能見(jiàn)度傳統(tǒng)的器測(cè)能見(jiàn)度設(shè)備都是光學(xué)能見(jiàn)度儀。這些儀器在對(duì)能見(jiàn)度測(cè)量時(shí)，不僅依賴(lài)一定的假設(shè)條件，且具有較大的局限性。1數(shù)字能見(jiàn)度儀用數(shù)字

7、攝像法測(cè)量能見(jiàn)度系統(tǒng)是是通過(guò)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)CCD-camera (Charge CoupledDevices - camera )直接攝取選定目標(biāo)物的圖像并輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)再對(duì)所獲取的圖像 信息進(jìn)行分析處理，從而自動(dòng)獲取能見(jiàn)度的數(shù)值1。數(shù)字能見(jiàn)度儀原理圖見(jiàn)圖2-a,實(shí)物圖見(jiàn)圖2-b。顯然它是根據(jù)人工測(cè)量能見(jiàn)度的原理研制的，因此是取代人工觀測(cè)能見(jiàn)度的最佳儀 器。2a計(jì)豐能見(jiàn)度 軟件系統(tǒng)目 標(biāo) 物號(hào) 標(biāo) 物1采集卡攝像機(jī)目標(biāo)物2圖2-a數(shù)字能見(jiàn)度儀系統(tǒng)原理圖圖2-b數(shù)字能見(jiàn)度儀系統(tǒng)實(shí)物圖3#2在復(fù)雜氣象條件下的比對(duì)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組在2009年6月30日至8月31日在密云開(kāi)展了 DPVS與前向散射儀（V

8、aisala FD12及人工觀測(cè)比對(duì)實(shí)驗(yàn)， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示三者具有相同的變化趨勢(shì)。但在復(fù)雜氣象條件下DPVS與前向散射儀及人工觀測(cè)之間還是存在一定差異的。3.1發(fā)生降雨過(guò)程條件下的比對(duì)結(jié)果與分析大氣能見(jiàn)度與降雨量大小沒(méi)有直接的關(guān)系，而與雨滴中包含的氣溶膠的多少以及成分有關(guān)。當(dāng)雨滴中沒(méi)有裹挾較多氣溶膠時(shí)降雨不會(huì)造成能見(jiàn)度的較大下降，相反如果雨滴中裹挾了大量雜質(zhì)會(huì)使雨水變得渾濁，這樣就會(huì)影響到大氣透明度，造成大氣能見(jiàn)度明顯降低。Vaisala FD12能見(jiàn)度儀采用的是散射原理測(cè)量大氣能見(jiàn)度，當(dāng)有雨滴進(jìn)入FD12的采樣區(qū)時(shí),就會(huì)加劇散射，不論能見(jiàn)度是否降低，F(xiàn)D12 反演的測(cè)量結(jié)果都會(huì)降低。因此在有降

9、雨的條 件下DPVS與 FD12會(huì)有較大的差異。降雨與顆粒物的物理、化學(xué)、光特性均有關(guān)，即與顆粒物大小、成分、以及該物種在該波長(zhǎng)下的消光、散射和吸收有關(guān)。顆粒物不同化學(xué)組分在不同相對(duì)濕度下對(duì)能見(jiàn)度的消弱的 貢獻(xiàn)是不同的。與顆粒物不同化學(xué)成分的數(shù)濃度譜分布有關(guān)，與該物種在該波長(zhǎng)下的消光、 散射和吸收有關(guān)。在2009年7月5日下午密云有兩次短時(shí)強(qiáng)降雨發(fā)生，當(dāng)天能見(jiàn)度變化見(jiàn)圖3-a，小時(shí)累積降雨量如圖 3-b所示，降雨過(guò)程中人工、DPVS和FD12的觀測(cè)結(jié)果變化見(jiàn)圖 3-c和3-d。 這種短時(shí)強(qiáng)降雨天氣的特征是在降雨前天空迅速轉(zhuǎn)陰烏云密布能見(jiàn)度迅速降低，初期降雨強(qiáng)度大隨后減弱，隨著降雨的持續(xù)天空逐漸

10、轉(zhuǎn)白能見(jiàn)度也慢慢升高。由圖3-a b可知，DPVS如實(shí)反映了這種氣象條件下能見(jiàn)度的變化。降雨前后DPVS和FD12的測(cè)量值都出現(xiàn)波動(dòng)，但DPVS的波動(dòng)幅度較小，F(xiàn)D12波動(dòng)較大。在降雨強(qiáng)度比較大的17時(shí)至18時(shí)以及19時(shí)至20時(shí)，F(xiàn)D12的觀測(cè)數(shù)值明顯偏低，見(jiàn)圖3-c和4-d，這與其前散測(cè)Vaisala(m) DPVS(m)人工(m)量原理有關(guān)，這種情況下 DPVS的觀測(cè)數(shù)值與FD12的數(shù)值存在較大差異。4000035000m/度見(jiàn)能30000250002000015000100005000016:0017:0018:0019:0020:0021:00時(shí)間/min圖3-a 2009年7月5日D

11、PVS人工與 FD12能見(jiàn)度對(duì)比I I降雨量(mm)5 0 5 0 5 02 2 11 用/量雨降20.916:0017:0018:0019:0020:0021:00時(shí)間/h圖3-b 2009年7月5日密云小時(shí)累積降雨量嚴(yán)度見(jiàn)能120001000080006000400020000Vaisala(m)DPVS(m)一.一人工(m)17:0017:1017:2017:3017:4017:5018:00時(shí)間/min25000Vaisala(m) :DPVS(m) -人工(m)嚴(yán)度見(jiàn)能圖3-c 17時(shí)至18時(shí)DPVS人工與FD12能見(jiàn)度對(duì)比5#19:0019:1019:2019:3019:4019:

12、5020:00時(shí)間/min圖3-d 19時(shí)至20時(shí)DPVS人工與FD12能見(jiàn)度對(duì)比8月16日11:05至15:10的降雨過(guò)程與7月5日類(lèi)似。當(dāng)天能見(jiàn)度變化見(jiàn)圖 4-a ,小時(shí) 累積降雨量如圖 4-b所示，降雨過(guò)程中人工、DPVS和FD12觀測(cè)值的變化見(jiàn)圖 4-c。從圖4-b、 9-c可明顯看出，在降雨強(qiáng)度較大的 11時(shí)至12時(shí)、13時(shí)左右以及14時(shí)左右，F(xiàn)D12觀測(cè)數(shù) 值跳變很大且嚴(yán)重偏低，而 DPVS的觀測(cè)數(shù)值相對(duì)較為平穩(wěn)更接近人工。嚴(yán)度見(jiàn)能900080007000600050004000Vaisala(m) DPVS(m)-人工(m)3000200010000:004:008:00 12:

13、00 16:00 20:00 0:00 時(shí)間/min圖4-a 2009年8月16日DPVS人工與 FD12能見(jiàn)度對(duì)比20降雨量(mm)165 0 5 0 mm/量雨降11:0012:0013:0014:0015:0016:00時(shí)間/h圖4-b 2009年8月16日密云小時(shí)累積降雨量m/度見(jiàn)能Vaisala(m) DPVS(m) -人工(m)oooo O oooo O oooo O 9 8 7 6 5oo o oo o oo o4 3 2o oo o11:00 12:0013:0014:00時(shí)間/min15:0016:006圖4-c降雨過(guò)程中DPVS人工與FD12能見(jiàn)度對(duì)比3.2無(wú)降雨條件下的對(duì)

14、比結(jié)果與分析圖5所示分別為2009年7月27日-7月28日以及8月2-4日在無(wú)降雨氣象條件下， 在 低中高不同能見(jiàn)度范圍內(nèi) DPVS人工與FD12觀測(cè)能見(jiàn)度的對(duì)比曲線。 由圖5可知，在10km 以下的能見(jiàn)度范圍內(nèi) DPVS與 FD12的觀測(cè)結(jié)果數(shù)值接近、變化趨勢(shì)一致。嚴(yán)度見(jiàn)能0:004:008:0012:0016:0020:000:00時(shí)間/min圖5-a 7月27日DPVS人工與FD12能見(jiàn)度數(shù)據(jù)對(duì)比円度見(jiàn)能1000080006000400020000-Vaisala(m)一一 DPVS(m)人工(m)4:000:008:00 12:00 16:00 20:00 0:00 時(shí)間/min圖5-

15、b 7月28日DPVS 人工與FD12能見(jiàn)度數(shù)據(jù)對(duì)比圖5-a b表明在低能見(jiàn)度范圍內(nèi) 致。DPVS人工與FD12的觀測(cè)結(jié)果數(shù)值接近、變化趨勢(shì)m/度見(jiàn)能0:004:008:0012:0016:0020:000:00時(shí)間/min圖5-c 8月2日DPVS人工與FD12能見(jiàn)度數(shù)據(jù)對(duì)比斡度濕對(duì)相0:004:008:0012:0016:0020:00353025/c1510溫氣50時(shí)間/h圖5-d 8月2日 溫濕度變化曲線圖5-c所示為2009年8月2日DPVS人工與FD12能見(jiàn)度數(shù)據(jù)對(duì)比。當(dāng)天的氣象條件 是早晚有霧，當(dāng)天的溫濕度變化曲線如圖5-d所示，早晚相對(duì)濕度很高，溫度較低，而在中午溫度較高濕度明

16、顯下降。從圖5-c中可以看出在能見(jiàn)度由低至高和由高至低的快速變化過(guò)程中，DPVS的變化趨勢(shì)與人工和 FD12保持一致。3結(jié)論與分析上述對(duì)復(fù)雜氣象條件下觀測(cè)數(shù)據(jù)分析表明:(1) 短時(shí)強(qiáng)降雨情況，DPVS與人工觀測(cè)比較接近，而 FD12觀測(cè)值明顯偏低；(2) 連續(xù)強(qiáng)降雨情況，DPVS與人工觀測(cè)比較接近，而 FD12觀測(cè)值震蕩很大，會(huì)有較 大的誤差；(3) 降雨連續(xù)而均勻、強(qiáng)度低并伴有霧情況，DPVS人工觀測(cè)、FD12 三者均比較接 近；(4) 在無(wú)降雨低能見(jiàn)度范圍、無(wú)降雨中等能見(jiàn)度范圍、能見(jiàn)度由低到高和由高到低快速過(guò)渡情況下，隨著能見(jiàn)度的變化， DPVS人工與 FD12的觀測(cè)結(jié)果在白天數(shù)值接近、變

17、 化趨勢(shì)一致；(5) 從總體趨勢(shì)看，人工觀測(cè)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)大起大落的現(xiàn)象。造成上述誤差的主要原因是： 前向散射儀與數(shù)字能見(jiàn)度儀及人工觀測(cè)原理不同； 數(shù)字能 見(jiàn)度儀與人工觀測(cè)雖然原理相同， 但人工觀測(cè)存在視力差異， 具有較大主觀性；夜間用于人 工觀測(cè)光源亮度存在不確定性。4 結(jié)束語(yǔ)數(shù)字能見(jiàn)度儀與前向散射儀及人工觀測(cè)比對(duì)， 三者具有相同的變化趨勢(shì)。 在降雨等復(fù)雜 氣象條件下，由于數(shù)字能見(jiàn)度儀與人工具有相同的觀測(cè)原理， 觀測(cè)結(jié)果較為接近；它們與前 向散射儀原理不同， 觀測(cè)結(jié)果存在一定的觀測(cè)差異。 人工觀測(cè)存在視力差異， 具有較大主觀 性。顯然數(shù)字能見(jiàn)度儀是取代人工觀測(cè)能見(jiàn)度的最佳儀器，也是大勢(shì)所趨。致 謝 數(shù)字能見(jiàn)度儀研制得到中國(guó)科技部?jī)x器升級(jí)改造項(xiàng)目( JG-2003-21 ) 、中國(guó)氣象局氣象 新技術(shù)推廣項(xiàng)目(CMATG2006M)13、中國(guó)財(cái)政部修繕購(gòu)置項(xiàng)目(401)、城市氣象科學(xué)研究基 金項(xiàng)目(UMRF200906、