阮順賢 王京麗

摘 要：根據(jù)日常工作中，總結(jié)各能見(jiàn)度儀器之間人為或客觀原因形成的誤差，分析發(fā)生差異的原因。從而盡量減少誤差，確保能見(jiàn)度數(shù)據(jù)正確有效，從而各能見(jiàn)度儀長(zhǎng)期處于正常工作狀態(tài)，更好地服務(wù)于科研和業(yè)務(wù)工作。

關(guān)鍵詞：能見(jiàn)度；原理；儀器維護(hù)

中圖分類號(hào)：TH765 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）20-0056-02

能見(jiàn)度是3大基本氣象觀測(cè)的要素之一，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。[1]能見(jiàn)度的準(zhǔn)確測(cè)量在電力供應(yīng)、通訊工程、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等眾多領(lǐng)域有著極其重要的意義，能見(jiàn)度是關(guān)系到人員和設(shè)備安全的重要?dú)庀笠?；在環(huán)保方面的研究、水利部門(mén)和霧霾監(jiān)測(cè)治理等部門(mén)，能見(jiàn)度也是重要的氣象指標(biāo)。能見(jiàn)度與每個(gè)人的生活息息相關(guān)，最近幾年由于霧霾天氣經(jīng)常困擾北京，大家也越來(lái)越關(guān)心環(huán)境問(wèn)題和能見(jiàn)度的相關(guān)問(wèn)題。

由于數(shù)字?jǐn)z像能見(jiàn)度項(xiàng)目的需要，透射能見(jiàn)度儀、前散能見(jiàn)度儀、數(shù)字能見(jiàn)度儀在北京市觀象臺(tái)已經(jīng)運(yùn)行的6年多的時(shí)間。目前運(yùn)行良好。但在透射能見(jiàn)度儀、前散能見(jiàn)度儀、數(shù)字能見(jiàn)度儀對(duì)比分析中發(fā)現(xiàn)存在一些差異。本人對(duì)各能見(jiàn)度儀器的維護(hù)和參與數(shù)字能見(jiàn)度儀的開(kāi)發(fā)工作有8年多了。通過(guò)對(duì)各能見(jiàn)度儀的觀測(cè)值之間差異分析，以及根據(jù)以往的對(duì)各能見(jiàn)度儀維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行歸納總結(jié)。以便平時(shí)觀測(cè)時(shí)更好的避免誤差的產(chǎn)生，更準(zhǔn)確的獲取數(shù)據(jù)。

1 各能見(jiàn)度儀的基本原理及性能的差異

目前國(guó)內(nèi)用于氣象探測(cè)的能見(jiàn)度儀器主要有前散能見(jiàn)度儀、透射能見(jiàn)度儀、數(shù)字能見(jiàn)度儀。

首先，VAISALA公司生產(chǎn)的前散能見(jiàn)度儀是一款適用于自動(dòng)氣象站系統(tǒng)的智能多變量傳感器（例如型號(hào)為：PW D20，PWD22）。儀器測(cè)量方法是光變送器通過(guò)45度發(fā)出散射光，由光接受器來(lái)測(cè)量與發(fā)射光束成45度的散射光束，利用該光束推算出相關(guān)消光系數(shù)，再利用Koschmieder能見(jiàn)度的公式，就可以得出大氣水平能見(jiàn)度值。

R為能見(jiàn)度值；σ表示消光系數(shù)；ε表示對(duì)比感閾，通常取0.02。

其次，VAISALA公司生產(chǎn)的透射能見(jiàn)度儀（例如型號(hào)為：LT31），該儀器直接測(cè)量光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)之間的大氣透射率，代入公式中計(jì)算得到能見(jiàn)度值。

其中：

V表示能見(jiàn)度值；

ε表示對(duì)比感閾值，仍然只能由觀察者感知，通常取0.02；

T表示透射比；

B表示基線距離。

最后，數(shù)字?jǐn)z像能見(jiàn)度儀采用先進(jìn)的數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)，研制數(shù)字?jǐn)z像能見(jiàn)度自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，即基于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，根據(jù)能見(jiàn)度定義結(jié)合圖像處理技術(shù)探測(cè)大氣能見(jiàn)度，這是一種新的能見(jiàn)度觀測(cè)方法。本方法用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)模擬人眼，直接攝取選定目標(biāo)物的圖像。計(jì)算機(jī)再對(duì)所獲取的圖像信息進(jìn)行分析處理，并代入能見(jiàn)度定義公式進(jìn)行計(jì)算，從而自動(dòng)獲取能見(jiàn)度觀測(cè)值。[2]其測(cè)量方法非常類似于人眼觀測(cè)和人對(duì)能見(jiàn)度的真實(shí)感受，因此數(shù)字能見(jiàn)度儀無(wú)疑是最科學(xué)的能見(jiàn)度探測(cè)儀器，更是取代人工觀測(cè)能見(jiàn)度的最佳儀器。數(shù)字?jǐn)z像能見(jiàn)度儀所采用觀測(cè)的方法是由中國(guó)科學(xué)院院士、著名大氣物理學(xué)家周秀驥先生提出的；該儀器是由中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所的王京麗研究員研制發(fā)明的。通過(guò)圖片處理來(lái)測(cè)量能見(jiàn)度值，這項(xiàng)核心技術(shù)在國(guó)內(nèi)外屬于首創(chuàng)。數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的工作原理是先建立2個(gè)黑體和2個(gè)光源，通過(guò)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍照，然后通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算出能見(jiàn)度值。

各儀器安裝的區(qū)別：數(shù)字?jǐn)z像能見(jiàn)度儀安裝時(shí)要注意，南北朝向安裝，因?yàn)槿绻麞|西朝向安裝的話會(huì)受到太陽(yáng)光線的影響，從而引起數(shù)據(jù)的偏差；攝像機(jī)距離第一個(gè)目標(biāo)的距離是15米，距離第二個(gè)目標(biāo)的距離是50米。前散能見(jiàn)度PWD22安裝的位置應(yīng)沒(méi)有會(huì)干擾光學(xué)的障礙物或反射面，不然會(huì)引起數(shù)據(jù)的偏差。透射能見(jiàn)度儀LT31發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離建議是30米，安裝的位置不應(yīng)有干擾光學(xué)測(cè)量的障礙物。

2 各種儀器觀測(cè)差異

觀測(cè)采集時(shí)間的區(qū)別：前散能見(jiàn)度儀（如PWD22）每分鐘采集生成一個(gè)數(shù)據(jù)；透射能見(jiàn)度儀（如LT31）每十秒采集生成一個(gè)數(shù)據(jù)；而數(shù)字能見(jiàn)度儀（dpvs）則是每分鐘采集生成一個(gè)數(shù)據(jù)，并且每分鐘采集一張圖片。

根據(jù)2018年觀象臺(tái)的透射能見(jiàn)度儀、前散能見(jiàn)度儀、數(shù)字能見(jiàn)度儀的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，3種能見(jiàn)度儀存在著一些差異。當(dāng)處于低能見(jiàn)度時(shí)，各儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)趨于一致，如圖1，圖2所示。

當(dāng)處于中能見(jiàn)度時(shí)，各儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)一些差異，如圖3所示。

當(dāng)處于高能見(jiàn)度時(shí)，各儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)也趨于一致，因?yàn)樵诟吣芤?jiàn)度時(shí)（能見(jiàn)度值超過(guò)15000m）通常取15000m，如圖4所示。

3 儀器故障維護(hù)

3.1 數(shù)據(jù)誤差引起的常規(guī)原因

3.1.1 前散能見(jiàn)度儀PWD22

能見(jiàn)度數(shù)據(jù)連續(xù)出現(xiàn)過(guò)高的異常情況，常見(jiàn)的問(wèn)題原因有：光變送器或光接受器的鏡頭過(guò)臟；護(hù)罩中是否有冰、雪、樹(shù)葉、樹(shù)枝等贓物。

能見(jiàn)度數(shù)據(jù)連續(xù)出現(xiàn)過(guò)低的異常情況，常見(jiàn)的問(wèn)題原因有：光變送器或光接受器的的發(fā)射和接收光的區(qū)域是否有蜘蛛網(wǎng)、障礙物、反光的區(qū)域、變送器或接受器的電子器件出現(xiàn)故障。

能見(jiàn)度數(shù)據(jù)缺測(cè)時(shí)，常見(jiàn)的問(wèn)題原因有：變送器或接受器的電子器件出現(xiàn)故障、出現(xiàn)停電狀況或者是傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)線出現(xiàn)故障，比如雷擊引起的故障等情況。

3.1.2 透射能見(jiàn)度儀LT31

能見(jiàn)度數(shù)據(jù)連續(xù)出現(xiàn)過(guò)高的異常情況，常見(jiàn)的問(wèn)題原因有：光變送器或光接受器的鏡頭過(guò)臟。還有可能突然斷電引起的，因?yàn)閿嚯姾笾匦聛?lái)電時(shí)，透射儀系統(tǒng)會(huì)通過(guò)自檢來(lái)糾正斷電引起的錯(cuò)誤。

能見(jiàn)度數(shù)據(jù)連續(xù)出現(xiàn)過(guò)低的異常情況，常見(jiàn)的問(wèn)題原因有：光變送器或光接受器的的發(fā)射和接收光的區(qū)域是否有障礙物、反光的區(qū)域、變送器或接受器的電子器件出現(xiàn)故障，比如雷擊引起的故障等情況。

能見(jiàn)度數(shù)據(jù)缺測(cè)時(shí)，常見(jiàn)的問(wèn)題原因有：是否出現(xiàn)停電狀況或者是傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)線出現(xiàn)故障的情況，比如雷擊引起的故障等情況。

3.1.3 數(shù)字?jǐn)z像能見(jiàn)度儀

能見(jiàn)度數(shù)據(jù)連續(xù)出現(xiàn)過(guò)高的異常情況，常見(jiàn)的問(wèn)題原因有：

夜間光源處于飽和狀態(tài)；暴光量出現(xiàn)飽和狀態(tài)；相機(jī)罩前出現(xiàn)水汽、結(jié)冰、贓物。

能見(jiàn)度數(shù)據(jù)連續(xù)出現(xiàn)過(guò)低的異常情況，常見(jiàn)的問(wèn)題原因有：夜間光源系統(tǒng)出現(xiàn)故障，造成光源不亮，目標(biāo)定標(biāo)的位置發(fā)生偏移。

能見(jiàn)度數(shù)據(jù)缺測(cè)時(shí)，常見(jiàn)的問(wèn)題原因有：出現(xiàn)停電情況；傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)線出現(xiàn)故障；相機(jī)系統(tǒng)的電子元器件出現(xiàn)故障，比如雷擊引起的故障等情況。

3.2 減少儀器故障的辦法

為了避免各能見(jiàn)度儀出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常和缺測(cè)情況的出現(xiàn)，觀測(cè)員平時(shí)應(yīng)該至少一個(gè)月對(duì)儀器進(jìn)行一次維護(hù)（包括標(biāo)校，清潔等工作）；對(duì)儀器配備UPS，定期檢查電源設(shè)備，確保電源的穩(wěn)定輸入，減少斷電情況的出現(xiàn)；如遇到儀器電子元器件故障，盡快找到原因處理恢復(fù)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，引起各能見(jiàn)度儀的觀測(cè)值差異的原因有很多，比如：儀器的原理和性能的差異，數(shù)據(jù)采集頻率的區(qū)別，空氣污染的不均勻，儀器維護(hù)人員的操作不當(dāng)和其它原因引起的數(shù)據(jù)采集偏差。所以，在我們?nèi)粘９ぷ髦幸獓?yán)格按照規(guī)定維護(hù)儀器，避免出現(xiàn)人為的失誤引起的數(shù)據(jù)偏差，唯有這樣才能更好的把觀測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)于科研和業(yè)務(wù)工作中去。

參考文獻(xiàn)

[1]王京麗，劉旭林，雷鳴，阮順賢，繆宇鵬，聶凱.新型能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2013，27（7）：597-603.

[2]王京麗，雷鳴，阮順賢，繆宇鵬，聶凱.霧霾及能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)問(wèn)世[J].世界環(huán)境，2013，（03）：58-59.