李志乾 张志伟 成 文 漆随平 王东明

(山东省科学院海洋仪器仪表研究所1，山东 青岛 266001；山东省海洋环境监测技术重点实验室2，山东 青岛 266001)

海上能见度观测研究进展

李志乾1，2张志伟1，2成 文1，2漆随平1，2王东明1，2

(山东省科学院海洋仪器仪表研究所1，山东 青岛 266001；山东省海洋环境监测技术重点实验室2，山东 青岛 266001)

海上能见度的观测对航海安全日益重要。从能见度影响因素和测量原理出发，介绍了大气能见度观测方法，对海上能见度观测研究现状进行了汇总，提出了海上能见度观测中存在的问题和难点，认为能见度定义的准确性、光学系统污染会对能见度观测结果产生重要影响。由于搭载平台空间有限及自身的特殊性，海上能见度通常采用"以点代面"的方式进行观测，而搭载平台的自身发热和运动是测量不准的主要原因。最后对海上能见度观测的趋势和方向进行了展望。

海上能见度 消光系数 能见度影响因素 能见度测量方法 能见度仪 安装平台

0 引言

海上能见度是指在人的正常视力下，能看清海上最远目标物轮廓和形状的最大距离，它是海上天气观测的一项重要内容。当海上能见度低时，由于肉眼看不清远距离的障碍物，海上尤其是在近岸或狭水道航行的船舶容易发生碰撞、搁浅或触礁等事故，对海上航行安全造成严重威胁。当能见度低时，无法保证舰载机安全起降，将会影响军事训练与海上救援行动。我国海域面积辽阔，海上能见度的监测对维护我国海洋权益有重要的意义，因此，加强海上能见度的观测至关重要。

1 能见度观测原理

空气中存在的大量颗粒物，会对通过的光线产生散射作用和选择性吸收，即消光作用，从而影响人眼视程。

1.1 能见度解算原理

Koschmieder[1]于1924年提出了Koschmieder定律，以水平天空为背景的黑体目标物，正常人眼的视觉对比度与目标物距离(即能见度)的变化规律为：

(1)

式中：σ为消光系数。

可见，在视觉对比度ε为常数的情况下，只要求得大气的消光系数σ，就能计算出能见度V，通常取ε=0.02[2]。式(1)通常用来计算白天能见度。

夜间能见度是指能看清楚的中等强度目标光源的水平距离。夜间能见度可采用Allard于1986年提出的Allard定律[3]计算：

(2)

式中：EB为背景亮度；V为能见度；σ为消光系数。

从白天和夜间的能见度计算公式可以看出，能见度V是消光系数σ的函数，只要测定σ即能计算出能见度V。能见度的影响因子主要是通过调节消光系数σ来影响能见度V，如Roberto Nebuloni[4]研究了消光系数和能见度的经验关系。

在可见光和近红外波段，大气对光的吸收作用可忽略不计[ 5]。在干洁大气下，认为大气中只存在分子散射对消光的贡献，所以分子的散射作用也通常忽略。由此可见，在可见光和近红外波段，气溶胶粒子的散射是大气消光的主要因素[6]。

以上是基于陆地大气能见度的推理过程。目前海上能见度也沿用陆上模式，但这一模式没有充分考虑海陆下垫面的差异性，若不加修正地直接套用陆地模式，势必会出现新问题。

1.2 能见度影响因子研究

李学彬等[7]分析了气溶胶粒子，特别是细粒子(PM2.5)对能见度的影响。陈义珍等[8]研究了相对湿度和颗粒物对能见度的影响。姚剑等[9]比较了不同粒径大气颗粒物质量浓度与空气水平能见度和颗粒物消光系数的相关性。马志强等[10]分析了雾和霾对北京地区大气能见度的影响。林盛群等[11]采用多元回归法，分析了香港地区大气能见度与大气污染物变化的关系。程叙耕等[12]分析了中国区域低能见度下风速的空间分布、能见度与风速之间的关系、风速变化对能见度变化的影响，讨论了城市化效应和近海位置对其影响程度。刘西川等[13]研究了降水现象对大气消光系数和能见度的影响。

2 能见度观测方法

大气能见度在天气监测和气候分析中有着重要的作用，其主要观测方法有人工目测法、数字摄像法、视频检测法、遥感反演法、仪器自动观测法。

2.1 目测法

能见度的测量目前还是以人工目测为主，很多气象观测站仍沿用这一传统观测方法，但人工观测易受人眼感官疲劳影响。尹淑娴等[14]分析了东莞市能见度人工观测资料。

2.2 数字摄像法

数字摄像法主要是通过亮度对比度来计算能见度。李屹等[15]研究了一种基于数字摄像技术的能见度检测方法。常峰等[16]设计了数字摄像能见度仪算法，能测量白天和夜间能见度。王京丽等[17]采用数字摄像技术，根据人工能见度观测原理，研制了新型的数字能见度仪。

2.3 视频检测法

郭尚书等[18]对基于暗通道先验的视频能见度测量方法进行了研究，根据暗通道先验知识估算出透过率，进而算出消光系数，最终求得能见度。安明伟等[19]在分析能见度值的计算模型的基础上，提出了利用图像对比度进行视频能见度检测的算法。陈钊正等[20]提出了基于摄像机自标定的视频能见度检测方法，并构建了能见度检测系统。

2.4 遥感反演法

钱俊屏等[21]基于MODIS资料得到了海上能见度反演的经验模型。李旭文等[22]利用Landsat-7 ETM影像反演了能见度，并与地面空气质量自动监测结果取得了很好的一致性。王骥鹏等[23]利用MODTRAN辐射传输模式模拟不同能见度等级下的MODIS水汽通道辐射值，进行不同能见度等级条件下MODIS水汽通道的光谱特征及其与能见度的相关特性分析研究，初步得出水汽通道光谱特征与海上能见度的相关性。

2.5 仪器自动观测法

光线在传播中遇到粒子会发生散射现象，如图1所示，仪器接收透射光(如箭头1)或散射光(如箭头2、3)，通过计算透过率或散射光强，得到消光系数，进而可求得能见度。在能见度测量仪研制方面，芬兰、美国、日本和德国等走在世界前列。

图1 粒子散射示意图

2.5.1 大气透射仪

如图1所示，若接收箭头1所示的透射光，通过测量大气透明度来计算能见度，这种工作方式的仪器称为大气透射仪，可分为单端式和双端式两种。两者的探测原理相同，均为通过测量光的透过率来求得消光系数，从而确定能见度值；其区别在于发射器和接收器之间是否需要基线。单端式透射仪由于结构庞大且安置复杂，实际使用较少；双端式透射仪测量精度高，但需要较长的基线且占地面积大。大气透射仪一般用在机场或高速公路上，也用来进行其他类型的能见度仪标定。具有代表性的产品如芬兰Vaisala公司生产的LT31型透射式能见度仪。

2.5.2 后向散射仪

如图1所示，若接收箭头2所示的后向散射光，可通过测量后向散射光强来计算消光系数，进而得到能见度。这种工作方式的仪器称为后向散射仪，一般激光雷达采用这种工作方式。由于激光雷达后散射仪设备存在体积庞大、成本昂贵、维护费用高等特点，限制了其在气象能见度测量中的广泛应用。

2.5.3 侧向散射仪

侧向散射仪[24]原理示意图如图2所示。图中，在光源L前置一乳白玻璃，产生漫射光，漫射光照射到采样体(阴影部分)上被散射，R为接收器，V为一光阱。由发射光强和散射光强得到散射系数，进而求得能见度。侧向散射仪测量散射光范围大、理论精度高，在实际使用中精度差、灵敏度低，已很少使用。

图2 侧向散射仪原理示意图

2.5.4 前向散射仪

如图1所示，若接收如箭头3所示的前向散射光，通过测量前向散射光强来计算消光系数，进而得到能见度。这种工作方式的仪器称为前向散射仪，其可分为单光路和双光路两种[25]，如芬兰Vaisala公司生产的FD12P型单光路式前向散射仪(如图3所示)，美国Qualim itrics公司生产的VS8364型双光路式前向散射仪如图4所示。

图3 FD12P型单光路式原理图

图4 VS8364型双光路式原理图

前向散射仪具有体积小、安置简单、便于维护等特点，一般用于码头、航空、高速公路等系统。

2.5.5 总散射仪

严格来说，没有真正意义上的总散射仪，只是其测量的角度范围很宽，但因其测量精度差、反应不灵敏，已经很少在实际中应用[26]。

3 海上能见度观测平台

前文所述的能见度观测方法或仪器一般用于陆地上，到了海上则仪器的安置较为困难，因此一般可考虑在下列载体上安置能见度仪，进行气象观测。

3.1 海岛(岸)站

陶伟[27]分析了广西海岛站能见度仪PWD20常见故障的原因，并提出了具体的处理方法。

3.2 浮标、海洋台站

山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制的大型海洋资料浮标、海上台站都可根据需要加装能见度传感器。

3.3 海上平台站

对于海上钻井平台、石油平台、灯塔等，都可根据需要安置自动气象观测站，提供能见度观测参数。

3.4 船舶站

山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制的气象要素观测设备也提供能见度自动观测功能，为船舶航行等提供能见度保障服务。

4 海上能见度观测存在的问题

海上观测平台空间有限，不宜安置体积庞大或需要很长基线的能见度观测设备。前向散射型能见度仪具有体积小、维护方便等特点，海上观测平台适宜安装采用这种工作方式的能见度观测设备。能见度仪一般都在陆基使用，由于海上环境与陆地的差异性，把能见度仪直接安置到海上平台观测，将不可避免地出现一些问题。由于船舶平台的特殊性，下面以船舶为例讨论海上能见度观测的局限性。

4.1 准确性问题

由于能见度定义的主观性，以及能见度本身是一个受诸多因素影响的物理量，使得目前世界上对能见度这一量值尚无溯源，对能见度测量仪器也缺乏相应的校准规范和检定规程。能见度仪器所谓的标定也是通过严格的人工观测来进行的，虽然人工观测的主观性较强，但能见度测量领域依然离不开人工观测。

4.2 光学污染问题

保持能见度仪的光学系统干净、清洁对能见度测量至关重要。由于船舶烟囱出烟、海上盐雾等污染物容易附着在发射端与接收端的镜筒上，因此能见度仪的光学系统需要经常维护，目前还不能真正做到无人值守。

4.3 平台发热问题

相比海平面而言，船舶是个巨大热源，海上航/泊的船舶由于受太阳辐射散热及自身发热，会比周围海域环境温度高，形成一个孤立的“热岛”。发热体会对周围的空气粒子或细微颗粒物的分布产生扰动影响，从而使空气的光学散射特性发生改变，影响消光系数，进而影响能见度值。散射型能见度仪是基于“一定范围内，大气均质稳定”这一假设[25]而研制的一种以点代面式的能见度测量仪，考虑到船体热因素的影响，这一假设将不再成立。散射式能见度仪采样空间有限，若直接把陆上散射式能见度仪安置到船上，相当于能见度仪处在“热岛”中观测能见度，其测量值与海上环境实际值势必会存在较大的偏差。

4.4 平台运动问题

风速大小对能见度也有影响[12]，主要影响大气中粒子的扩散速度。粒子扩散越快，通过能见度仪采样的空间内的空气越“纯净”，能见度就越好，反之则差。船舶航行会与空气产生相对运动。通常而言，相对风(或航行风与真风的合成风)比真风大很多，安装在船上的能见度仪测得的是在相对风环境下的能见度值，而实际需要的是海上能见度(即海上真风下的能见度观测值)，两者必然存在偏差。

5 结束语

本文简要概述了能见度的测量原理、影响因素、测量方法及测量仪器，对海上能见度观测存在的问题进行了探讨。总体而言，海上能见度观测误差受数学模型误差、光敏元器件污染、制造工艺误差、天气因素带来的误差等诸多因素的影响。

随着制造工艺的不断进步和能见度理论的不断完善，能见度测量仪器日趋成熟。未来海上能见度观测的研究重点应放在平台发热(非均质大气能见度模型)和平台运动的问题上，将考虑如何修正采样空间内的消光系数，使之适用于大范围的海上能见度。

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Research Progress of Observation of Visibility at Sea

Observation of visibility a sea has become increasingly important to the safety of navigation. From the influence factors and measuring principle of visibility, the observation method for atmospheric visibility is introduced, and the present situations of research on visibility at sea are summarized, the problems and difficulties existing in observation of visibility at sea are pointed out. it’s considered that the accuracy and the pollution of the optical system will have an important influence on the results, due to the limited space of the platform and its own particularity, the visibility is usually “consider point as plane”, so the heating and movement of the platform is the main reason for the measurement. Finally the trend and direction about observation of visibility a sea are looked ahead.

Visibility at sea Extinction coefficient Influencing factors of visibility Measuring method of visibility Visibility meter Installation platform

国家高技术研究发展计划基金资助项目(863计划)(编号：2012AA091801)；

山东省自主创新及成果转化专项基金资助项目(编号：2014CGZH1203);

青岛市科技计划基础基金资助项目(编号：12-1-4-10-(1)-jch)。

李志乾(1983-)，男，2012年毕业于中科院上海技术物理研究所电磁场与微波技术专业，获博士学位，助理研究员；主要从事船舶气象技术方面的研究。

TH766

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510008

修改稿收到日期：2015-03-03。