郭金河

(張家口市氣象局，河北 張家口 075000)

0 引言

能見(jiàn)度是反映地面大氣環(huán)境渾濁程度的重要天氣影響因子,也是反映近地表大氣環(huán)境清潔度和空氣質(zhì)量的主要技術(shù)指標(biāo)，能夠在特定環(huán)境下判斷空氣污染的嚴(yán)重性程度，對(duì)于航空、航海、鐵路、道路運(yùn)輸、目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別及軍事活動(dòng)都具有非常關(guān)鍵的作用[1-4]。能見(jiàn)度可以被客觀地測(cè)量，并用氣象光學(xué)視程(MOR)表示。氣象光學(xué)視程是指白熾燈產(chǎn)生的色溫為2700K的平行光束的光通量衰減至大氣初始值的5%的路徑長(zhǎng)度[5]。早期，氣象能見(jiàn)度觀測(cè)大多采用人工觀測(cè)法，由觀測(cè)人員根據(jù)四周視野1/2以上范圍內(nèi)不同距離物體的清晰度，在一天中的幾個(gè)特定時(shí)間進(jìn)行估算[6]，觀測(cè)結(jié)果往往與定義標(biāo)準(zhǔn)誤差很大,甚至具有主觀性，尤其是夜間能見(jiàn)度的人工觀測(cè)結(jié)果誤差更大，不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要[7]。2011年以來(lái)，隨著自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備的發(fā)展，河北省國(guó)家級(jí)氣象臺(tái)站能見(jiàn)度觀測(cè)已逐步由自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備取代人工觀測(cè)。

目前，自動(dòng)氣象站主要使用前向散射式能見(jiàn)度傳感器，根據(jù)大氣分子和顆粒物對(duì)光的散射消光評(píng)估來(lái)確定能見(jiàn)距離，具有成本低、體積小、安裝方便、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)氣象觀測(cè)中得到了廣泛的研究和應(yīng)用[8-9]。但也有學(xué)者指出，在雨、霧、雪等低能見(jiàn)度氣候,以及大氣痕量氣體發(fā)生變化的情況下,能見(jiàn)度儀的讀數(shù)極易產(chǎn)生偏差[10]。因此,有必要研究能見(jiàn)度觀測(cè)設(shè)備在不同天氣條件下的探測(cè)性能。

北京冬奧張家口賽區(qū)位于崇禮區(qū)云頂滑雪公園和古楊樹場(chǎng)館，屬于大陸性季風(fēng)氣候，氣溫、降水年際差異較大，冬季氣溫較低，且常伴隨有大風(fēng)和較高的相對(duì)濕度，其所屬地形山連山、溝套溝，局地小氣候復(fù)雜。云頂滑雪公園位于三面環(huán)山的半封閉山谷中，最高海拔2098m。古楊樹賽場(chǎng)地處云頂東南部，屬于盆地地形，海拔高度1500～1700m。2014年以來(lái)，張家口賽區(qū)先后建成了裝有不同觀測(cè)氣象要素的地面自動(dòng)氣象站44套，能夠觀測(cè)溫度、氣壓、相對(duì)濕度、風(fēng)向風(fēng)速、積雪深度、積雪溫度、降水量、能見(jiàn)度等氣象要素。本文選取2022年2月11—14日北京冬奧會(huì)期間的一次降雪天氣過(guò)程，對(duì)比分析北京冬奧張家口賽區(qū)4個(gè)自動(dòng)氣象觀測(cè)站和崇禮區(qū)國(guó)家氣象觀測(cè)站能見(jiàn)度的變化特征，以及能見(jiàn)度與氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、風(fēng)速之間的相互關(guān)系，探討前向散射式能見(jiàn)度儀在北京冬奧張家口賽區(qū)運(yùn)用的探測(cè)性能，為評(píng)估能見(jiàn)度觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供實(shí)踐參考。

1 前向散射式能見(jiàn)度儀的工作原理

前向散射式能見(jiàn)度傳感器由發(fā)射器、接收器和數(shù)據(jù)處理器組成，采用前向散射方式，取前向散射角25°～45°。當(dāng)前向散射角為20°～50°時(shí),在同一散射角下的散射強(qiáng)度與消光系數(shù)的正比關(guān)系并不隨采樣大氣濃度和粒徑分布的改變而發(fā)生變化[11]。

前向散射式能見(jiàn)度儀的發(fā)射器和接收器位于特定角度和固定距離的兩個(gè)位置。接收器不能接收由發(fā)射器直接發(fā)射和后向散射的光信號(hào)，只能接收來(lái)自采樣空氣柱內(nèi)懸浮顆粒散射且被鏡頭聚集的光脈沖[5](見(jiàn)圖1)。由發(fā)射器發(fā)射紅外脈沖光，通過(guò)鏡頭在大氣中形成近似平行的光束[12]，對(duì)其45°角0.1L單位采樣容積進(jìn)行照射，而大氣中的各種懸浮微粒對(duì)照射光進(jìn)行散射，在采樣區(qū)域中，前向散射光由大氣中特定的方向傳來(lái)，并通過(guò)接收器傳到光電傳感器的接收面，再轉(zhuǎn)化為與大氣能見(jiàn)度成反比關(guān)系的光電脈沖信號(hào)。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，信號(hào)將發(fā)送至中央傳感器的信息收集模塊。在采樣區(qū)域范圍內(nèi)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理板的CPU取樣和運(yùn)算處理得到大氣特定方向上的前向散射光的強(qiáng)度值，估算出總的散射量，從而得到透過(guò)量并計(jì)算出大氣能見(jiàn)度的數(shù)值。能見(jiàn)度的采樣頻率為4次/min，1min平均能見(jiàn)度采用1min內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值；10min平均能見(jiàn)度是以1min為單位時(shí)間步長(zhǎng)，對(duì)每分鐘的1min平均值求每分鐘的10min滑動(dòng)平均[11]。

圖1 前向散射式能見(jiàn)度儀光學(xué)原理

2 資料來(lái)源與研究方法

本研究選用北京冬奧張家口賽區(qū)4個(gè)氣象觀測(cè)站(以下簡(jiǎn)稱“冬奧站”)和崇禮區(qū)國(guó)家氣象觀測(cè)站(以下簡(jiǎn)稱崇禮站)2022年2月11—14日的氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、能見(jiàn)度分鐘數(shù)據(jù)和兩分鐘平均風(fēng)速等觀測(cè)資料。站點(diǎn)包括云頂滑雪公園山頂站(海拔2098m)、云頂滑雪公園山腰站(海拔1836m)、云頂滑雪公園山底站(海拔1733m)、冬兩賽道靶場(chǎng)站(海拔1650m)、崇禮站(海拔1240m)。

本文利用2022年2月11—14日冬奧站、崇禮站的10min能見(jiàn)度觀測(cè)資料進(jìn)行分析。另外，根據(jù)2月12—13日的降雪天氣過(guò)程,使用SPSS軟件對(duì)能見(jiàn)度值與氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象因子進(jìn)行簡(jiǎn)單相關(guān)和偏相關(guān)分析，并計(jì)算相關(guān)系數(shù)，以此探討地面氣象要素對(duì)大氣能見(jiàn)度的影響程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 冬奧站與崇禮站能見(jiàn)度變化特征

崇禮站是國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站，也是國(guó)家天氣氣候臺(tái)站網(wǎng)的重要組成部分，根據(jù)臺(tái)站天氣現(xiàn)象觀測(cè)資料顯示，12日8—11時(shí)、13日均有雪，結(jié)合圖2冬奧站、崇禮站能見(jiàn)度變化曲線可以看出，天氣晴好時(shí)，能見(jiàn)度都在14000m以上，但冬奧站的能見(jiàn)度大于崇禮站，主要原因是冬奧站建在山上，海拔高，空氣流通快，而崇禮站建在市區(qū)，人口眾多，能見(jiàn)度的觀測(cè)會(huì)受人為活動(dòng)影響，空氣質(zhì)量相對(duì)比較差。在有降雪天氣條件時(shí)，能見(jiàn)度會(huì)迅速下降，且崇禮站能見(jiàn)度波動(dòng)大于冬奧站。冬奧站與崇禮站能見(jiàn)度的相關(guān)系數(shù)為0.683，能見(jiàn)度在0.01水平上顯著相關(guān)。這說(shuō)明前向散射式能見(jiàn)度儀在北京冬奧張家口賽區(qū)有很好的應(yīng)用，可以較為準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)降雪過(guò)程中能見(jiàn)度的變化特征。

圖2 冬奧站、崇禮站能見(jiàn)度變化曲線

3.2 氣象要素對(duì)張家口賽區(qū)能見(jiàn)度的影響

選取2022年2月11—14日的一次降雪天氣過(guò)程，分析冬奧站能見(jiàn)度的變化曲線結(jié)果顯示，2月12日8時(shí)降雪過(guò)程發(fā)生前，能見(jiàn)度在15000m左右；下雪后，能見(jiàn)度迅速降低，最小能見(jiàn)度僅1000m左右，一直持續(xù)到11時(shí)，雪停后，能見(jiàn)度迅速提高到3000m左右；13日再次降雪，能見(jiàn)度又降到了5000m以下，最低能見(jiàn)度只有300m。14日，降雪漸漸停止，能見(jiàn)度逐漸提高。

表1～表4為冬奧站能見(jiàn)度與氣象要素間的簡(jiǎn)單相關(guān)與偏相關(guān)分析，相關(guān)結(jié)果表明，云頂滑雪公園山腰站、云頂滑雪公園山底站、冬兩賽道靶場(chǎng)站能見(jiàn)度與相對(duì)濕度、風(fēng)速呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān)，與氣溫、氣壓呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性；云頂滑雪公園山頂站能見(jiàn)度與相對(duì)濕度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速、氣溫、氣壓呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。Pearson的相關(guān)分析結(jié)論不但表明了兩個(gè)變量之間的相互作用程度，還包括了其他相關(guān)變量的影響程度。于是,在分別研究?jī)蓚€(gè)變量之間的相互關(guān)系時(shí),必須限制其余變量的影響程度，并進(jìn)行偏相關(guān)分析。偏相關(guān)分析結(jié)論表明，在不受其他變量控制的情況下，相對(duì)濕度與能見(jiàn)度之間仍然存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.488、-0.732、-0.673、-0.692。這是因?yàn)楫?dāng)空氣中含有大量水汽時(shí)，很容易凝結(jié)而形成大量的小水滴，從而降低能見(jiàn)度[13]。

表1 云頂滑雪公園山頂站能見(jiàn)度與氣象要素間的簡(jiǎn)單相關(guān)與偏相關(guān)分析

表2 云頂滑雪公園山腰站能見(jiàn)度與氣象要素間的簡(jiǎn)單相關(guān)與偏相關(guān)分析

表3 云頂滑雪公園山底站能見(jiàn)度與氣象要素間的簡(jiǎn)單相關(guān)與偏相關(guān)分析

表4 冬兩賽道靶場(chǎng)站能見(jiàn)度與氣象要素間的簡(jiǎn)單相關(guān)與偏相關(guān)分析

在排除其他氣象因子影響的前提下，風(fēng)速與能見(jiàn)度的相關(guān)系數(shù)分別為0.032、-0.311、-0.246、-0.260，只有云頂滑雪公園山頂站能見(jiàn)度呈正相關(guān)，其余站均為負(fù)相關(guān)。山頂站海拔在2000m以上，山高風(fēng)大，有利于霧和雪的擴(kuò)散，能見(jiàn)度應(yīng)有所提高。冬奧其他3個(gè)站能見(jiàn)度與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這和站點(diǎn)位置相關(guān)，這3個(gè)冬奧站均建在雪道旁邊，并且海拔不高，風(fēng)大不僅不利于霧雪的擴(kuò)散，而且還會(huì)把雪道的積雪吹起，從而影響能見(jiàn)度。

在排除其他氣象因子影響的情況下，氣溫與大氣能見(jiàn)度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.545、-0.470、-0.558、-0.470，由顯著正相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)相關(guān)，說(shuō)明氣溫對(duì)能見(jiàn)度具有雙重影響。氣溫的上升可以加劇大氣環(huán)境中的二次化學(xué)反應(yīng)。二次氣溶膠增多，特別是具有強(qiáng)烈消光效應(yīng)的硫酸鹽和硝酸鹽增加，更加劇了氣溶膠的消光效應(yīng)，降低了能見(jiàn)度。同時(shí)，氣溫升高也說(shuō)明大氣層對(duì)流活動(dòng)加強(qiáng)，有利于污染物的稀釋、擴(kuò)散，從而提高能見(jiàn)度。

在未有其他氣象因子影響的條件下，氣壓與大氣能見(jiàn)度的相關(guān)系數(shù)分別為0.393、0.177、0.418、0.442，并具有明顯的正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)大氣環(huán)境受低壓控制時(shí)，大氣層趨于穩(wěn)定，大氣層容易沉降，從而抑制低水平大氣層污染物的上升傳播，產(chǎn)生沉降反演或輻射反演，導(dǎo)致大氣污染物積聚在地表面附近，降低了能見(jiàn)度。但是，當(dāng)大氣環(huán)境受到高壓控制時(shí)，大氣層的穩(wěn)定性趨向中性甚至不平衡。在這種天氣系統(tǒng)的影響下，陽(yáng)光輻射很強(qiáng)烈,熱對(duì)流也很強(qiáng)烈。在外界能量的直接影響下,中低空大氣環(huán)境很容易在靠近地表的區(qū)域產(chǎn)生大量污染物，這將促進(jìn)中高空的上升、混合、擴(kuò)散和稀釋，進(jìn)而減少靠近地球表面的污染物濃度，提高能見(jiàn)度[14]。

4 結(jié)論

①對(duì)比分析冬奧站與崇禮站能見(jiàn)度觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，冬奧站能見(jiàn)度儀在北京冬奧張家口賽區(qū)應(yīng)用較好，相關(guān)系數(shù)為0.683，能見(jiàn)度在0.01水平上呈顯著相關(guān)。在有降雪天氣過(guò)程時(shí)，能見(jiàn)度迅速下降，崇禮站能見(jiàn)度波動(dòng)較大，且大于冬奧站，但是能見(jiàn)度的變化趨勢(shì)一致。

②當(dāng)降雪現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，溫度降低，氣壓升高，相對(duì)濕度上升，雖然風(fēng)力增強(qiáng),能見(jiàn)度本應(yīng)提高，但因山腰站、山底站、冬兩賽道靶場(chǎng)站址所處位置，能見(jiàn)度反而較小。Person相關(guān)和偏相關(guān)的數(shù)據(jù)表明，云頂滑雪公園山腰站、云頂滑雪公園山底站、冬兩賽道靶場(chǎng)站能見(jiàn)度與相對(duì)濕度、風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，與氣壓呈顯著正相關(guān)；而云頂滑雪公園山頂站能見(jiàn)度與相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速、氣壓呈顯著正相關(guān)；4個(gè)冬奧站的能見(jiàn)度與氣溫的相關(guān)系數(shù)為正，偏相關(guān)系數(shù)為負(fù)，表明氣溫對(duì)能見(jiàn)度的影響具有雙重性。

綜上所述，前向散射能見(jiàn)度儀在北京冬奧會(huì)張家口賽區(qū)得到了很好的應(yīng)用，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能見(jiàn)度的變化，尤其是降雪期間能見(jiàn)度的變化。