1、能見度的觀測1、教學內(nèi)容本章主要介紹能見度和有效水平能見度的定義、能見度目標物（燈）的選擇規(guī)定、能見度的觀測和記錄方法及能見度觀測儀器的維護方法，并簡要介紹影響能見度的因子。2、教學要求本章總的要求是:了理解能見度的概念，隹確測量能見度目標物（燈）參數(shù)，掌握能見度觀測方法，了解能見度自動觀測儀的工作原理。3、本章重點知識點在本章的知識點中，重點是：能見度的觀測方法。1概述能見度觀測是氣象站判斷某些天氣現(xiàn)象及強度的重要指標，其在保障航空和地面交通安全及大氣污染研究方面發(fā)揮著重要作用。能見度是表征氣團特性的要素之一。氣層穩(wěn)定時，氣溶膠多分布在低層大氣中，使能見度變壞；而當氣層不穩(wěn)定時，由于對流和亂

2、流的作用，將水汽雜質(zhì)帶至高層，使近地層能見度變好。所以，從能見度的好壞可以大致判斷大氣的穩(wěn)定程度。一般冷空氣中因含水汽雜質(zhì)少，能見度較好；暖空氣中水汽雜質(zhì)較多，能見度較差。所以，根據(jù)能見度也可以大致判斷氣團的性質(zhì)。能見度的觀測分目測和器測兩種。由于其主要受制于懸浮在大氣中的固體和液體微粒決定的大氣消光系數(shù)，其估計值依從于個人的視覺和對可見的理解水平而變化，同時受光源特征和透射因數(shù)的影響。因此，能見度的目測估計值具有主觀性2能見度的定義和影響因子定義人們通常所說的能見度是指能夠在水平和垂直方向看到的最遠的距離，由于沒有條件限制，反映的當時的狀況也比較復雜。氣象上所用的能見度則是有條件的概念，它為

3、了反映近地層大氣的透明狀況，規(guī)定了照度、目標物的大小和顏色、背景的顏色等，具體的概念有：氣象光學視程、氣象能見度、有效水平能見度等。WMO規(guī)定能見度用氣象光學視程表示。氣象光學視程是指白熾燈發(fā)出色溫為2700K的平行光束的光通量在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路徑長度。氣象能見度定義為：白天能見度是指視力正常（對比感閾為0.05）的人，在當時天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨認的目標物（黑色、大小適度）的最大水平距離。實際上也是氣象光學視程。夜間能見度是指：（1）假定總體照明增加到正常白天水平，適當大小的黑色目標物能被看到和辨認出的最大水平距離。（2）中等強度的發(fā)光體能被看到和識別的最大水

4、平距離。所謂“能見”，在白天是指能看到和辨認出目標物的輪廓和形體；在夜間是指能清楚看到目標燈的發(fā)光點。凡是看不清目標物的輪廓，認不清其形體，或者所見目標燈的發(fā)光點模糊，燈光散亂，都不能算“能見”。由于各種因素的影響，臺站四周大氣透明度往往不一致，使各個方向的水平能見距離產(chǎn)生差異。為了表示臺站四周多數(shù)能見距離，人工觀測能見度時，則以有效水平能見度為準。還有最小能見度，臺站四周視野范圍內(nèi)能見到的最小的距離。一般在能見度小于1km時觀測。所謂有效水平能見度，是指四周視野中二分之一以上的范圍里都能看到的目標物的最大水平距離，簡稱“能見度”（在后述章節(jié)中，凡沒有特殊標明的都指有效水平能見度）。各方向能見

5、度相同時，則任何一方的能見度就是有效水平能見度。各方向能見度不相同時，按照能見度的實際情況劃分為若干區(qū)域，要求每個扇形區(qū)域內(nèi)能見度基本一致，然后將扇形區(qū)的能見度數(shù)值由大至小依次排列，并按這種順序?qū)⒏魃刃螀^(qū)所占的面積或角度相加起來，直到剛好大于四周面積的1/2為止。然后從相加的區(qū)域中，挑出能見度數(shù)值最小的即為有效水平能見度。如圖1，能見度分分別取12km、12km和10km。記錄規(guī)定（1）人工目測能見度：以千米（km）為單位，取一位小數(shù)，第二位小數(shù)舍去，不足0.1km記0.0。（2）儀器測量能見度：以米（m）為單位，取整數(shù)。影響能見度的因子影響能見度的主要因子有大氣透明度、目標物和背景（指地平天

6、空背景）的亮度對比和觀測者的視覺感應能力。（1）大氣透明度大氣透明度是影響能見度的直接因子。氣層中所含的空氣分子和氣溶膠粒子能夠削弱透過大氣層的光線的能量，空氣中水汽雜質(zhì)愈多，愈混濁，能見度就愈差；反之，能見度就愈好。因此，大氣及其所含雜質(zhì)對陽光的散射和吸收是決定大氣透明度的基本因素。例如：霧、霾、沙塵暴等天氣。（2）目標物和背景的亮度對比由于能見度是根據(jù)目標物的“能見”與“不能見”來確定的，因此，就受到目標物的大小、形狀、色彩和亮度以及背景色彩和亮度的影響。地平天空背景亮度是由沿觀測者視線的大氣散射的空氣光產(chǎn)生的。設(shè)目標物亮度為-,地平天空背景亮度為IB,則對于白天氣象能見度，目標物與背景間

7、的亮度對比值C為：C=44卩=0,C二1|I11=I,C二01BBT若目標物比地平天空背景暗，則C為負值，特別地，若目標物是黑色的（IT=0），則C=1,此時目標物最清晰。當目標物與地平天空背景亮度一致，即1B=IT時，C=0，此時目標物和背景融合，在背景襯托下不能辨別目標物。C值與目標物和背景本身亮度的絕對值無關(guān)，不論它們的亮度多大，目標物并不一定能見。只有它們的亮度對比值C的大小，才能決定目標物的能見與否。對于夜間氣象能見度，夜間作為能見度標記的發(fā)光體能被看到的距離并非簡單地與氣象光學視程相關(guān)。它不但取決于氣象光學視程和發(fā)光體光的強度，還取決于觀測者眼睛處從其它光源來的照度。（3）目測視覺

8、能力目測視覺基于人眼在可見光譜中相對于單色輻射的適當效率的測量。適光和暗光分別指白天和夜間的情況。適光指白天光照環(huán)境下，眼睛的適應狀態(tài)。準確地說，適光狀態(tài)定義為具有正常視力的觀測者對光線射入視網(wǎng)膜中央凹（視網(wǎng)膜最敏感的中樞部分）的刺激所作出的反應。在這種適應條件下，中央凹可區(qū)別出細微的清晰度和顏色。在適光的視覺下，眼睛的相對感光效率隨入射光的波長而變化。在適光條件下眼睛的感光效率在波長為550nm時達到最大值。以波長為550nm時的效率作為參照值，可以建立人眼在可見光譜中各種波長相對效率的反應曲線，即正常觀測者的平均相對感光效率。圖2中的曲線就是如此得出的。4W450500S5O50?)垃K.

9、8642&.0.6O圖2人眼對單色光的相對感光效率實線表示白天的視覺，虛線表示夜間的視覺夜間視覺視作是暗光的（以視網(wǎng)膜的視桿細胞取代中央凹產(chǎn)生視覺），視桿細胞作為視網(wǎng)膜上的外圍部分對顏色和細微清晰度不敏感，但對低的光強度特別敏感。在暗光視覺中，最大感光效率與507nm波長相對應。暗光視覺需要長時間的適應過程，長達30min，而適光視覺只需2min。事實上，目標物與背景不僅在亮度完全相同時（C=0）不能區(qū)別，而且當亮度對比值小于某一極限值時，也不能區(qū)別。人眼能察覺的最小亮度對比值叫做人眼的對比感閾值（），用以表示觀測者的視覺感應能力。對比感閾值因人而異，WMO推薦日間測定能見度時，取對比感閾值為

10、0.02，航空部門取0.05因此，在當時天氣條件下，當Cs時，目標物才能見；當C50.0M主木木清楚20.050.0勉強可以看清10.020.020.0-50.0隱約可辨4.0-10.010.0-20.0完全看不清4.010.04夜間能見度觀測夜間觀測能見度時，觀測員應先在黑暗處停留515min，待眼睛適應環(huán)境后再進行觀測，根據(jù)最遠目標燈能見與否確定能見距離。夜間由于光照條件限制，能見度觀測最好用發(fā)光物體（如燈光）作為目標物，再根據(jù)燈光強度和距離，查出相應的能見距離。4.1燈光目標物的選擇有條件的地方，均應在各方位選擇一些固定的目標燈來作為觀測能見度的依據(jù)。確定目標燈時應注意：（1）應選擇孤立

11、的點光源作為目標燈，不宜選擇成群、成帶、重疊的燈光；（2）目標燈的燈光強度應固定不變；（3）燈光應是不帶顏色，沒有燈罩的白色光源（除白熾燈外，碘鎢燈、汞燈等均不適宜）；（4）應位于開闊地帶，不受地方性煙霧的影響。選擇目標燈后（包括專設(shè)的目標燈），應測定目標燈至觀測點的距離，并了解其功率，按表3查出其相當?shù)陌滋炷芤娋嚯x，并登記、填繪（與白天同）制成燈光目標物圖，以此作為觀測的依據(jù)。或?qū)⒛繕宋?、目標燈一起填繪“能見度目標物（燈）分布圖”，標明適用于白天觀測和夜間觀測。表3燈光能見距離與白天能見距離的關(guān)系白天能見距離（km）在白天能見距離上應設(shè)的燈光強度（cd）注相應白天能見距離100cd光源應設(shè)距

12、離（m）ABCABC0.10.20.040.0062502903450.20.80.160.0254205006050.5510.16830103012701.02040.631340172021702.080162.52090278036505.05001001635005000697010.0200040063485074001090020.0800016002536260103001640050.05000010000158079001450025900注：一個普通100W白熾燈發(fā)出的光強大約為100cd（坎德拉）。表3中A、B、C分別代表不同條件下，對于視力正常的觀測員，目測感受的燈光

13、照度的閾值Et，可取下值：A類，黃昏和凌晨時分Et=10-6LxB類，月夜或當天空并不十分黑暗時Et=10-6.7LxC類，黑夜或除了星光外無其它光Et=10-7.6Lx公式（3.3）、（3.4）、（3.5）中，Lx為照度單位。例：一個普通100W白熾燈安裝在5.0km處，若剛好“能見，則查表3.3可知，A類狀況下能見度為3.5km，B類狀況下能見度為5.0km，C類狀況下能見度為6.9km。不是選定的目標燈（如廠礦、居民點、街道等照明用燈），由于強度不一，且互相影響，形成光帶，不易辨認，故不能用作觀測能見度的依據(jù)。但可通過觀測這些光源的能見與否及其清晰程序，作為判斷能見度變化趨勢的參考。應當

14、注意的是，這些光源與測點的距離并非能見度數(shù)值。無目標燈情況下的觀測（1）月光較明亮時，可根據(jù)目標物的能見與否來判定能見度。由于光照條件差，不可能像白天那樣看清目標物的形體、輪廓，因而只要能隱約地分辨出比較高大目標物的輪廓，該目標物距離就可定為能見距離；如能清楚分辨時，能見距離就可定為大于該目標物的距離。（2）月光暗淡或無月光時，只能根據(jù)天黑前能見度的實況和變化趨勢，通過連續(xù)觀測，并結(jié)合天氣現(xiàn)象、濕度、風等氣象要素的變化情況以及實踐經(jīng)驗等，首先分析能見度是增大還是減小，然后加以判定。目前，夜間能見度觀測幾乎都是在沒有目標燈的情況下進行的。在實際估測中，若能總結(jié)出測站在各種照度下，夜間能見度與白天

15、能見度的相互關(guān)系，作為判定的依據(jù)，這對提高夜間能見度的估測質(zhì)量是大有益處的。一般說來，當測站處于同一性質(zhì)的氣團控制下，且無視程障礙現(xiàn)象產(chǎn)生時，能見度在短時間內(nèi)的變化是很小的。夜間能見度觀測中就利用這一特點，在氣層穩(wěn)定且無視程障礙現(xiàn)象產(chǎn)生時，分別對不同月光（滿月、半月、無月等）、不同云天（碧空、少云、蔽光云等）、入夜（或黎明）前后的能見度進行多次對比觀測，總結(jié)出經(jīng)驗值供參考，以減少盲目性，增加可靠性。5能見度的儀器測量現(xiàn)在氣象觀測站測定的能見度，遠沒有滿足氣象光學視程的定義要求，存在的問題較多。首先是大部分臺站受地方條件的限制，其采用的目標物不具備能見度目標物的條件，大小、視角、亮度等都不符合要

16、求。其次是沒有足夠的目標物，且分布不合理，導致觀測員單憑經(jīng)驗估計，造成能見度主觀誤差較大。同時目測能見度的影響因子很多，如觀測員是否經(jīng)過適當?shù)挠柧?、是否具有通常所指的正常視力、對可見的理解水平、以及觀測員的眼睛對于當時照度情況的適應程度和目測視覺感應能力的不斷變化等，都影響能見度觀測的精確度。而夜間觀測能見度，既沒有足夠的目標燈，又沒有完善的方法，存在的問題更多，觀測員主觀成分更高。為精確測定能見度，發(fā)展能見度器測顯得尤為重要。目前能見度自動觀測儀主要有透射能見度儀和散射能見度儀，現(xiàn)在也有激光雷達式能見度儀和CCD攝影式能見度儀。能見度儀雖然能客觀準確地記錄測點的大氣透視狀況，但它用單點的記錄

17、代表測站四周大范圍的透視狀況，在能見度分布差別較大時，誤差就較大。能見度儀的實時記錄和日最小能見度記錄均以米（m）為單位，取整數(shù)。5.1散射能見度儀透射能見度儀采用在發(fā)射器和接收器之間測量水平空氣柱的平均消光系數(shù)的最普通的方法，發(fā)射器提供一個經(jīng)過調(diào)制的定常平均功率的光通量源，接收器主要由一個光檢測器組成（一般是在一個拋物面鏡或透鏡的焦點上放置一個光電二極管）。最常使用的光源是鹵燈或氙氣脈沖放電管。調(diào)制光源以防來自太陽光的干擾。透射因數(shù)由光檢測器輸出決定，并據(jù)此計算消光系數(shù)和氣象光學視程。因為透射能見度儀測量氣象光學視程是根據(jù)準直光束的散射和吸收導致光損失的原理，所以它們與氣象光學視程的定義緊密

18、相關(guān)，一個優(yōu)良的、維護好的透射能見度儀，在其最高準確度范圍內(nèi)工作時對氣象光學視程的真值能給出非常好的近似。目前有兩種類型的透射能見度儀：（1）發(fā)射器和接收器分處于兩個單元內(nèi)且彼此之間的距離已知，如圖4所示：（2）發(fā)射器和接收器在同一單元內(nèi)，發(fā)射的光由相隔很遠的鏡面或后向反射器（光束射向反射鏡并返回）反射。如圖5所示。發(fā)射器和接收器之間光束傳遞距離稱為基線，可從幾米到150m。它取決于氣象光學視程值的范圍與測量結(jié)果的應用情況。透射能見度儀能自動采樣，取平均值輸出能見度連續(xù)變化。散射能見度儀散射能見度儀是測量散射系數(shù)從而估算出氣象光學視程的儀器。它利用光的散射原理，在發(fā)送端發(fā)出一束紅外光，經(jīng)過空中

19、空氣分子、氣溶膠粒子、雨霧滴等微粒時發(fā)生散射，接收端收到散射光后將光強轉(zhuǎn)化為電信號，再通過專門算法轉(zhuǎn)換為氣象光學能見度（MOR）。散射能見度儀可以分為前向散射型、后向散射型和側(cè)向散射型三種類型，而前向散射型的工作原理最接近透射能見度儀，圖6。為一個前向散射能見度儀，由發(fā)送器、接收器與處理器組成。發(fā)射器發(fā)出近紅外光脈沖，接收器測量的是與發(fā)射光束成33角的散射光束，然后由處理器計算出MOR。實驗和計算都表明當前向散射角在20。50范圍內(nèi)時，不同大氣模式的前向散射相函數(shù)曲線是相重疊的；在25。45。之間，前向散射相函數(shù)隨散射角變化趨于線性，而且在同一散射角、不同粒徑分布下，散射強度和總消光系數(shù)的比值

20、幾乎不變，二者之間的相關(guān)度大于99%。也就是說，不論是濃度改變還是粒徑分布不同，在25。45。范圍內(nèi)伺一散射角的散射強度和消光系數(shù)總成正比。取前向散射角25。45。之間，由接收器接收到的散射光的強度，計算被采樣大氣的消光系數(shù)6根據(jù)柯西米德定律計算氣象光學視程（MOR）:式中，為對比閾值，當=0.05時，MOR=2.996/0。散射能見度儀的基線長度很短，光源與接收器安在同一支架上，避免了透射能見度儀基線難以對準的缺陷。散射能見度儀也是自動采樣，采樣頻率為每分鐘不少于4次，將有效數(shù)據(jù)求1min算術(shù)平均值，取1min平均值為瞬時值輸出能見度連續(xù)變化的情況。激光雷達式能見度儀和后向散射儀相似。激光雷

21、達發(fā)射激光脈沖，激光脈沖在大氣中傳輸時，會因大氣中的空氣分子和氣溶膠粒子而產(chǎn)生散射和吸收。通過接收和測量大氣后向散射光信號，提取不同距離處空氣分子和氣溶膠粒子光學參數(shù)的有關(guān)信息，進一步反演獲取大氣消光系數(shù)和大氣水平能見度?？梢詼y量傾斜能見度和垂直能見度圖9激光雷達式能見度儀CCD攝像能見度儀CCD攝像能見度儀，數(shù)字攝影頭，仿照人眼觀測能見度原理、根據(jù)人工觀測能見度定義研制而成的，是取代人工觀測能見度的最佳儀器。具體做法：在CCD的正前方從近到遠選定幾個目標物，作為本系統(tǒng)用于觀測能見度的參考目標，并對這些選定的目標的距離、亮度等相關(guān)信息進行測定并存儲作為參考信息（能見度目標物分布圖）。觀測時，C

22、CD直接攝取這些選定的目標物圖像，通過圖像采集卡將圖像傳輸送至計算機，計算機再對這些目標物的圖像信息分別進行處理（得到目標物及其背景物的視亮度），然后帶入能見度計算公式進行計算，得到能見度值。系統(tǒng)可以準確測量2000m以內(nèi)的能見度，廣泛用高速公路的能見度監(jiān)測。成本底、體積小、方便可靠，以后一定會在高速公路的關(guān)閉、車輛的限速、機場飛機的起降甚至人們的日常出行和野外施工作業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛的應用。5.4儀器的安裝、使用與維護能見度觀測儀應安裝在遠離局地大氣污染的地方，例如煙、工業(yè)污染、多塵路面等，周圍不要有高大的障礙物。發(fā)射器和接收器都不能朝著強光源（如太陽光）或強的反射面（如積雪）等，因為在強光下

23、，接收機線路可能飽和，而發(fā)出錯誤的污染警告，并且可能提高接收機內(nèi)的噪音水平。在北半球，將接收機的光學部件指向北方，也可采取屏蔽或擋板來達到防強光源的要求。安裝高度為2.8m左右，儀器底座要十分牢固。透射能見度儀基線要測準，并對準光軸。電源和通訊電纜要可靠。透視能見度儀應定期校準基線，才能保證測量氣象光學視程的準確度。校準時應在非常好的能見度(10.015.0km)下進行。必須避免由于大氣狀況不同而導致的錯誤校準，例如，當有強大的上升氣流或暴雨之后，接近地面的氣層中的消光系數(shù)會有明顯的改變。透鏡被灰塵過度污染，或在透鏡表面有一些凝水，或遮光板之一被雪、樹葉或其它物體覆蓋等都可能使儀器給出太好的能見度值，所以平時要注意維護發(fā)射器和接收器鏡面。注意檢查機蓋組件和光學部件有沒有積塵、凝水、蛛網(wǎng)、冰和雪的污染，如有則要清除，并將機蓋內(nèi)外表面的灰塵擦去。一般應該每天維護一次、每六個月進行一次全面地清潔維護，或者根據(jù)實際情況增加次數(shù)(比如設(shè)備附近有多塵的公路)