能见度自动观测与人工观测数据比较分析

2017-03-08刘萱荣洪竹芳

中低纬山地气象 2017年6期

刘萱荣，刘琥，洪竹芳，覃毅

(湖南省武冈市气象局，湖南邵阳 422400)

1 引言

能见度是地面气象观测的要素之一，它可以反映气团的某些特性，以满足天气学和气候学的需要，更为直观的是，它不仅可用来表征气象变化，还可以用来体现一地空气环境的好坏，尤其是在我们国家对环境保护极为重视的当下，做好能见度观测方法的比较研究，为以后能见度资料的应用提供理论上的参考依据，是很有意义的，也是必要的。能见度自动观测与人工观测的比较研究，国内已然做了许多[1]-[6]，就其成果而言，只能借鉴，不能推广应用。可以说，每个台站在一定的时间序列里，用自动观测与人工观测两种不同方法，所采集到的能见度数据，将其比较都会有差异，这些差异因人而异，因站而异，要想连续应用它都应该作比较分析研究。武冈站从2014年12月停止人工观测能见度，同时启用自动观测能见度取代了人工观测能见度，而在这之前的能见度是人工观测的，由此积累的资料也是人工观测得来的，这样因为观测方法的不同而得来的资料，如果用来研究本地区的气候状况，或者空气质量状况，要是事先不对它们进行比较分析，一定会对研究结果带来偏差。故此，本文试图通过对自动观测能见度与人工观测能见度资料进行比较，找出它们之间的差异，分析差异产生的原因，从中找出规律，为本站以后能见度资料的连续应用提供理论上的参考依据。当然，这对其它站而言只能起到借鉴的作用。

2 资料来源与数据处理

本文采用的是武冈国家基本气象站2015年4月—2016年3月(含4月，下同)的人工观测与自动观测能见度资料，每天开展5次(北京时间08、11、11、14、17、20时)一共有1 830组数据，考虑到这期间因为自动站的能见度仪器发生故障有数据缺测的情况，所以将其中缺测的93组数据去掉，还剩下1 737组有效数据可供分析研究。去掉的缺测资料如下：4月7日20时，6月18—30日(含18日)08时、11时、14时、17时和20时，7月1—5日(含1日)08时、11时、14时、17时和20时以及6日08时、11时。另外考虑到自动能见度观测的最大值为30.0 km，而人工观测能见度有大于30.0 km的情况，故将人工观测能见度大于30.0 km的均按30.0 km处理，它们是7月28日17时和20时，8月11日的17时。另外，人工观测能见度是以千米为单位，保留一位小数，而自动观测能见度则是以米为单位取整数，为了便于比较，自动观测能见度舍去个位和十位数，保留的百位数前取小数。

3 数据分析

3.1 定时数据比较

采用本站2015年4月—2016年3月08时、11时、14时、17时和20时5次定时观测的自动与人工能见度数据，制作成比较趋势图1，从中可以看出人工观测数据基本上要大于自动观测数据。下图中的能见度数值扩大了10倍。

图1 2015年4月—2016年3月自动与人工观测能见度定时数据比较趋势图Fig.1 Visibility Timing Data Comparison between Automatic and Manual Observation from April,2015 - March,2016

3.2 平均值比较

将本站2015年4月—2016年3月08时、11时、14时、17时和20时定时自动与人工观测能见度的平均值制成图2，从中可以清楚的看出：一是人工能见度要大于自动能见度，这与上面定时趋势图分析的结果相一致。二是它们的平均日变化规律基本一致，且08时能见度小，然后逐渐加大到午后，并持续至下午，再下降至20时。三是它们的平均能见度的最小出现时间一致，最大出现时间相近，平均差11时最小为0.5 km，20时最大为1.1 km，总的趋势是正午前后能见度较好，早晚较差。

3.3 相关性分析

计算本站2015年4月—2016年3月自动与人工观测能见度各定时观测的相关系数如表1，从中可得14时相关性最好，17时的相关性次之，20时的相关性最差，它们的相关系数都在0.9以上，表明本站自动观测与人工观测的相关性较好。

图2 2015年4月—2016年3月自动与人工观测能见度定时变化均值图Fig.2 Visibility Time-Varying Mean Map of Automatic and Manual Observation from April,2015 - March,2016

表1 2015年4月—2016年3月各定时相关系数表Tab.1 The Timing correlation Coefficient Table from April,2015-March,2016

3.4 能见度一致性比较分析

将本站2015年4月—2016年3月08时、11时、14时、17时和20时定时自动与人工观测能见度资料分为vv<1.0、1.0≤vv<5.0、5.0≤vv<10.0、10.0≤vv<20.0和20.0≤vv<30.0等5段，分别计算出它们的平均对比差值如表2，从中可以看出：一方面能见度小于1.0 km时平均误差最小，随着能见度的增大其平均误差也逐渐加大，变化幅度无规律性。另一方面自动与人工观测能见度在0.0～10.0 km一致性较好，大于10.0 km开始一致性变差，也就是说低能见度一致性较好，高能见度一致性较差。

3.5 能见度出现频率分析

沿袭上一节的自动与人工观测能见度资料分段，制成2015年4月—2016年3月能见度出现频率比较图3，从中可以看出，本站自动观测能见度与人工观测能见度一样，大多集中在1.0～20.0 km之间，但是它们在1.0～20.0 km之间内的小区间里，各自出现的频率有差异，自动能见度1.0≤vv<5.0 km区间最多为764次，其次是5.0≤vv<10.0 km区间为567次，然后是10.0≤vv<20.0 km区间为294次，这三者占总观测次数的93.6%；人工能见度5.0≤vv<10.0 km区间最多为680次，其次是1.0≤vv<5.0 km区间为468次，然后是10.0≤vv<20.0 km区间为451次，这三者占总观测次数的92.1%。

表2 2015年4月—2016年3月自动与人工观测能见度平均对比差值Tab.2 Average Contrast Differences of Visibility of Automatic and Manual Observation from April,2015 - March,2016

图3 2015年4月—2016年3月能见度出现频率比较Fig.3 Visibility Occurring frequency Comparisons from April,2015-March,2016

4 产生差异的原因分析

能见度自动观测与人工观测因为观测方法的不同所采集的数据，将其比较都会有差异。产生差异的原因主要是，①观测原理不同：人工观测能见度，是观测员参照能见度目标物的能见与否，依据观测经验对距离作出的估算值，而自动观测能见度，则是通过仪器测量光在大气中的散射系数，估算气象光学视程经换算后的值。②观测时间不同:人工观测能见度在定时观测时段内只有1～2 min的时间，而自动观测能见度则是正点10 min的滑动平均值。③观测范围不同:人工观测能见度是指四周视野中1/2以上的范围能看到的目标物的最大水平距离，而自动观测能见度是发射器与接收器之间相当小范围的大气取样测量的结果。④主客观因素：人工观测能见度，受观测员视力条件和观测经验的影响，主观色彩较浓，随意性较大。自动观测能见度，因为仪器受客观环境的影响，比如观测场周边烧草，产生的烟幕，造成采样区大气悬浮粒子的改变，或者仪器光学镜片前的蜘蛛网等遮挡物，影响测量光的接收，诸如此类客观因素，如果不加以及时排除，则容易造成数据失真。因为上述原因，使得本站能见度人工观测数据一般要大于自动观测数据。本站能见度自动与人工观测的一致性，当能见度小于10.0 km时一致性较好，尤其是小于1.0 km时最好，而当能见度大于10.0 km时一致性逐渐变差，究其原因大抵在于低能见度观测目标物设置多，观测员重视程度高且观测次数多熟练程度也高，而高能见度观测目标物设置小，观测员观测时随意性大。