明 虎 陳麗杰 高聯(lián)輝 王 奇

1)(中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002)2)(中國民用航空西北地區(qū)空中交通管理局氣象中心，西安 710082)

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機場低能見度自動觀測設(shè)備測量數(shù)據(jù)對比

明 虎1)2)*陳麗杰2)高聯(lián)輝2)王 奇2)

1)(中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002)2)(中國民用航空西北地區(qū)空中交通管理局氣象中心，西安 710082)

基于民航機場的實際應用，對比安裝在陜西省西安咸陽國際機場跑道一端的大氣透射儀和前向散射儀2013年1月—2014年8月測量的跑道視程數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：整體上，當跑道視程R>400 m時，前向散射儀測量數(shù)據(jù)大于大氣透射儀數(shù)據(jù)的比例高；當跑道視程R≤400 m時，大氣透射儀測量數(shù)據(jù)大于等于前向散射儀數(shù)據(jù)的比例更高。當跑道視程R≤600 m時，兩種設(shè)備測量數(shù)據(jù)具有很好的相互替代性；當跑道視程R>1000 m時，兩種設(shè)備測量數(shù)據(jù)差距較大。在霧、凍霧、霾和暴雨天氣時，兩種設(shè)備測量數(shù)據(jù)在時間上具有很好的一致性，且在跑道視程R≤1000 m時，兩種設(shè)備測量數(shù)據(jù)具有很好的相互替代性，而在雪、煙和揚沙天氣時兩種設(shè)備測量的數(shù)據(jù)差距較大。

大氣透射儀；前向散射儀；跑道視程；天氣現(xiàn)象

引 言

低能見度直接影響航空器的起飛和降落，準確觀測低能見度對保障航空飛行具有重要的意義。當?shù)湍芤姸劝l(fā)生時，航空管制員以跑道視程(RVR)的大小對飛機進行指揮。跑道視程[1]指在跑道中線的航空器上的飛行員能看到跑道面上的標志或跑道邊界燈或中線燈的距離。跑道視程主要由氣象光學能見度(MOR)、背景光亮度和跑道燈光強度決定。

我國民航用來觀測跑道視程的設(shè)備[2]主要有大氣透射儀和前向散射儀兩種，針對兩種設(shè)備測量效果的比較，世界氣象組織于1989年在美國進行了透射儀與人工目測能見度的對比試驗[3]；法國氣象研究所在1994年也進行了一次較大規(guī)模的對比試驗[4-5]。20世紀90年代國內(nèi)開始了對能見度和兩種觀測跑道視程的設(shè)備的研究：劉西川等[6]分析了降水對消光系數(shù)和能見度的影響，呂偉濤等[7]、馬舒慶等[8]、杜傳耀等[9]分析研究了雙亮度能見度測量儀的原理和參數(shù)，曾書兒等[10]在理論上比較了兩種設(shè)備；濮江平等[11-12]在1998年對5套分別由Vaisala公司和Presentey公司生產(chǎn)的大氣透射儀和前向散射儀進行對比試驗，得到當能見度在4000 m以上時，前向散射儀測量值明顯偏高，且測量結(jié)果比較好，當能見度在4000 m以下，兩種設(shè)備測量結(jié)果差距較小；2009年田麗[13]對比了兩種設(shè)備在霧、雨和雪3種天氣現(xiàn)象的觀測結(jié)果，整體上前向散射儀測量值要大于大氣透射儀。這些研究存在取樣時間短、對比樣本量少的不足，且沒有具體分析對航空飛行有直接影響的1500 m以下兩種設(shè)備的觀測效果。

本文利用陜西省西安咸陽國際機場的跑道同一端大氣透射儀和前向散射儀，對2013年1月1日—2014年8月31日連續(xù)觀測的跑道視程數(shù)據(jù)進行比較。

1 大氣透射儀和前向散射儀工作原理

大氣透射儀和前向散射儀是機場常用的測量跑道視程的設(shè)備，均通過計算消光系數(shù)得到光學能見度(MOR)，再利用當時機場跑道的背景光強度和跑道燈級數(shù)計算得到跑道視程。

1.1 大氣透射儀測量原理

大氣透射儀通過測量兩點之間的大氣透射率計算能見度。當發(fā)射機發(fā)射一束強度為I0的光后，通過一定基線長度b(不同地點可能不同，本研究中設(shè)備基線長度為30 m)到接收機，接收機接收的光強I[14]可表示為

I=I0exp(-σb)，

(1)

式(1)中，σ為消光系數(shù)，通過將式(1)變形， 可表示為

σ=-(1/b)ln(I/I0)，

(2)

再根據(jù)Koschmic原理，光學能見度L可以通過式(3)計算得到，

L=-ln(0.05/σ)。

(3)

1.2 前向散射儀測量原理

利用前向散射儀測量[15]時需3個假設(shè)：①假定大氣是均質(zhì)的，即大氣分布均勻；②假定分子的吸收、散射或分子內(nèi)部交互光學效應為零，且假定大氣消光系數(shù)等于大氣中霧、霾、雨和雪的散射；③假定散射儀測量的散射光強正比于散射系數(shù)，一般情況下，選擇合適的角度，散射信號近似正比于散射系數(shù)。測量來自一個小的采樣容積的散射光強，利用測得的散射光強計算消光系數(shù)σ，最后根據(jù)Koschmic原理，通過式(3)得到光學能見度。

由于前向散射儀測量的是散射系數(shù)，而不是直接測量消光系數(shù)，因此，在進行計算光學能見度時要根據(jù)不同的天氣現(xiàn)象進行修正。

1.3 設(shè)備比較

1.3.1 測量原理比較

大氣透射儀取樣空間大且可以直接計算得到消光系數(shù)，而前向散射儀需要假設(shè)大氣是均勻分布和粒子吸收為零，大氣透射儀在原理上優(yōu)于前向散射儀，但經(jīng)過前向散射儀不斷的修正改良，測量精度得到很大提高。

1.3.2 成本和維護比較

前向散射儀體積小，安裝方便，設(shè)備成本遠低于大氣透射儀；前向散射儀克服了光學污染和光源老化等問題，運行穩(wěn)定度更高，維護維修更方便。

2 測量設(shè)備與數(shù)據(jù)

在實際民航應用中，由于有時空間尺度比較小以及跑道燈光強度和背景光的不一致性，不同位置的跑道視程數(shù)據(jù)不能相互替代，對比設(shè)備必須選擇跑道同一端。根據(jù)中國民航局統(tǒng)計，我國中型和大型民航機場應用Vaisala公司生產(chǎn)設(shè)備在80%以上，選用西安咸陽國際機場南跑道05R端Vaisala公司生產(chǎn)的大氣透射儀(LT31)和前向散射儀(FS11P)具有很好的代表性(具體位置如圖1所示，圖中05L，23R和05R，23L分別是北跑道和南跑道兩端的命名，MITRAS是大氣透射儀，F(xiàn)D12P是前向散射儀)。

圖1 西安咸陽國際機場大氣透射儀和前向散射儀位置示意圖Fig.1 Location of atmospheric transmission meters and forward scatter meters at Xi’an Xianyang international airport

由于兩套設(shè)備在跑道同一端，設(shè)備的水平直線距離小于20 m，滿足大氣均勻分布。利用2013年1月1日—2014年8月31日連續(xù)測量的跑道視程R，設(shè)備每分鐘生成1組數(shù)據(jù)，總有效樣本量為872800，R≤1600 m的樣本量為51243。對R≤1600 m的數(shù)據(jù)進行整體計算分析，并對7種天氣現(xiàn)象下兩種設(shè)備測量結(jié)果進行對比。

3 數(shù)據(jù)整體比較

數(shù)據(jù)處理以大氣透射儀測量的跑道視程為參考標準，將對應時刻的大氣透射儀和前向散射儀測量數(shù)據(jù)以不同的距離間隔、按照時間前后順序生成兩組數(shù)據(jù)，再對兩組數(shù)據(jù)處理分析。

3.1 差值區(qū)間分布

差值區(qū)間分布可以描述兩組數(shù)據(jù)差值的分布情況。將R≤1600 m數(shù)據(jù)以200 m的間距分別將大氣透射儀和前向散射儀數(shù)據(jù)形成數(shù)組，利用前向散射儀數(shù)據(jù)減去對應時刻大氣透射儀數(shù)據(jù)，按照差值大小在不同差值范圍內(nèi)，分別進行數(shù)據(jù)樣本量的累加再除以總樣本量得到相應的占空比(如圖2所示)。

圖2 R≤1600 m差值區(qū)間分布Fig.2 Difference intervals of R≤1600 m

由圖2可知，在0

3.2 平均差值

100(n-1)

(4)

由圖3可見，整體上隨著跑道視程的增大，平均差值也逐漸增大。當R≤200 m時，平均差值小于20 m；當200 m

圖3 R≤1500 m平均差值分布Fig.3 The average difference of R≤1500 m

3.3 相關(guān)系數(shù)

相關(guān)系數(shù)是表示兩組數(shù)據(jù)線性變化相關(guān)程度的指標[16]。為了保證足夠的樣本量，使相關(guān)系數(shù)更能真實地反映兩種設(shè)備的相關(guān)程度，分別將大氣透射儀和前向散射儀測量的R≤1800 m數(shù)據(jù)以300 m間隔生成數(shù)組，按式(5)計算得到表1。

(5)

式(5)中，r(n)表示兩個設(shè)備第n個距離段300(n-1)

由表1可知，整體上，隨著跑道視程的增大，相關(guān)系數(shù)逐漸變小。當R≤600 m時，相關(guān)系數(shù)大于0.85，大氣透射儀和前向散射儀數(shù)據(jù)極高相關(guān)；當600 m1500 m時，相關(guān)系數(shù)迅速下降到0.36，但均達到0.01顯著性水平。

3.4 應用分析

《民用航空氣象地面觀測技術(shù)手冊》[17]中觀測或測量的精度要求跑道視程小于或等于150 m，誤差為±25 m；大于150 m且小于等于500 m，誤差為±50 m；大于500 m且小于等于2000 m，誤差為±10%。

表1 大氣透射儀和前向散射儀的相關(guān)情況Table 1 the coefficient of atmospheric transmisson meter and forward scatter meter

以大氣透射儀觀測數(shù)據(jù)為參考標準，當R≤200 m 時，兩種設(shè)備平均差值小于20 m，差值為 [-25 m,25 m]的比例為97%，當200 m1000 m時，平均差距遠大于10%，差值分布散，相關(guān)系數(shù)小，兩種設(shè)備測量差距較大。

4 不同天氣現(xiàn)象數(shù)據(jù)分析

由于不同粒子的透射率和散射率不同，所以在不同天氣現(xiàn)象下大氣透射儀和前向散射儀的測量結(jié)果有一定差距[18]。統(tǒng)計西安咸陽國際機場2013年1月—2014年8月R≤1500 m各種天氣現(xiàn)象發(fā)生次數(shù)如圖4所示。

圖4 2013年1月—2014年8月R≤1500 m時西安咸陽國際機場各種天氣現(xiàn)象發(fā)生次數(shù)Fig.4 The frequency of all kinds of weather at Xi’an Xianyang international airport from Jan 2013 to Aug 2014

由圖4可知，影響西安咸陽國際機場能見度的主要天氣現(xiàn)象是霧(包括輕霧、大霧和凍霧)、霾和煙，其他天氣現(xiàn)象影響相對較小。以下對霧、凍霧、暴雨、雪、霾、煙和揚沙7種天氣典型個例按照時間順序?qū)Ρ却髿馔干鋬x和前向散射儀數(shù)據(jù)。

4.1 霧和凍霧

選擇2013年5月17日18:30—21:00(北京時，下同)大霧天氣和2013年1月20日00:00—06:00凍霧天氣，分析大氣透射儀(LT31)和前向散射儀(FS11P)測量數(shù)據(jù)，并利用前向散射儀測量數(shù)據(jù)減去大氣透射儀測量數(shù)據(jù)，得到相應的差值分布(圖5)。

由圖5可知，在霧天氣下，當R>1500 m時，前向散射儀測量數(shù)據(jù)大于大氣透射儀測量數(shù)據(jù)，差值較大；當1000 m1000 m時，差值較大；當R≤1000 m時，差值較小，基本在10%以內(nèi)。再將前向散射儀和大氣透射儀測量數(shù)據(jù)按照時間順序分別形成數(shù)組，通過式(5)得到在霧天氣下相關(guān)系數(shù)為0.97，在凍霧天氣下相關(guān)系數(shù)為0.95，兩個設(shè)備均具有極高相關(guān)性。因此，當R≤1000 m時，兩種設(shè)備在霧和凍霧天氣測量數(shù)據(jù)相互替代性好。

圖5 2013年5月17日霧、2013年1月20日凍霧天氣LT31和FS11P數(shù)據(jù)及相應差值隨時間變化Fig.5 Variations of measurements from LT31 and FS11P with their difference under fog on 17 May 2013 and freezing fog on 20 Jan 2013

4.2 雨和雪

西安咸陽國際機場在2013年1月—2014年8月共出現(xiàn)93次降雨(圖4)，而影響跑道視程低于1500 m的次數(shù)僅兩次，且兩次日降水量均超過50 mm， 達到暴雨量級。因此，當小雨或中雨時，對能見度影響不大，而當大雨和暴雨時，會產(chǎn)生比較大的影響。連續(xù)性降雪會造成空氣比較潮濕，特別容易產(chǎn)生凍霧造成能見度快速下降，此時凍霧就成為影響能見度的主要天氣。

選擇2014年7月14:20—15:20(降水量為56 mm)暴雨天氣和2014年2月18日16:00—21:00(該時段沒有霧)雪天氣，分析大氣透射儀和前向散射儀測量數(shù)據(jù)和前向散射儀減去大氣透射儀數(shù)據(jù)差值(圖6)。由圖6可知，下雨時大氣透射儀測量數(shù)據(jù)基本上大于前向散射儀數(shù)據(jù)，且差值多在200 m以內(nèi)，隨時間的連續(xù)變化也比較一致，兩種設(shè)備的相互替代性較好。由圖6可知，下雪時前向散射儀測量數(shù)據(jù)大于大氣透射儀測量數(shù)據(jù)，且差值偏大多在300 m以上。

4.3 霾、煙和揚沙

選擇2013年3月25日18:40—26日03:40霾天氣、2013年1月30日00:00—09:00煙天氣和2013年3月31日22:10—4月1日01:00揚沙天氣，分析大氣透射儀和前向散射儀測量數(shù)據(jù)和前向散射儀減去大氣透射儀數(shù)據(jù)差值(圖7)。

圖6 2014年7月22日暴雨、2014年2月18日雪 LT31和FS11P數(shù)據(jù)隨時間變化和相應差值隨時間變化Fig.6 Variations of measurements from LT31 and FS11P with their difference under heavy rain on 22 Jul 2014 and snow on 18 Feb 2014

圖7 2013年3月25日霾、2013年1月30日煙和2013年3月31日揚沙LT31和FS11P數(shù)據(jù)隨時間變化和相應差值隨時間變化Fig.7 Variations of measurements from LT31 and FS11P with their difference under haze on 25 May 2013,smoke on 30 Jan 2013 and blowing sand on 31 May 2013

續(xù)圖7

由圖7可知，在霾天氣下整體上兩種設(shè)備數(shù)據(jù)一致性較好，當R>1500 m時，前向散射儀觀測數(shù)據(jù)大于大氣透射儀數(shù)據(jù)，且差值均大于300 m，兩種設(shè)備觀測差距較大。當R≤1000 m時，大氣透射儀測量數(shù)據(jù)大于前向散射儀數(shù)據(jù)，差值均小于50 m，兩種設(shè)備的測量數(shù)據(jù)具有很好的相互替代性。由圖7可知，在煙天氣下，整體上數(shù)據(jù)均大于600 m，前向散射儀測量數(shù)據(jù)大于大氣透射儀數(shù)據(jù)，差值多在500 m以上，兩種設(shè)備測量差距很大。由圖7可知，在揚沙天氣下跑道視程一般在1000 m以上，前向散射儀測量數(shù)據(jù)大于大氣透射儀數(shù)據(jù)，且差值為500 m 左右，兩種設(shè)備的測量差距很大。

4.4 對比結(jié)果原理分析

前向散射儀測量數(shù)據(jù)與氣象粒子的散射波強度成反比，大氣透射儀測量數(shù)據(jù)與透射波強度成正比。散射波強度大小主要由氣象粒子的介電常數(shù)和粒子的濃度決定，介電常數(shù)[19]越大，散射波強度越大，測量結(jié)果越小，粒子濃度越大時，散射波強度越大，相應的測量結(jié)果就越小。透射波強度主要由粒子濃度決定，粒子濃度越大，透射波強度越小，測量結(jié)果越小，散射波強度隨粒子濃度的變化梯度比透射波強度的變化梯度大，即當粒子濃度變小時，前向散射儀測量數(shù)據(jù)與大氣透射儀數(shù)據(jù)差值變大。

5 小 結(jié)

本文通過分析安裝在西安咸陽國際機場跑道同一端的大氣透射儀和前向散射儀2013年1月—2014年8月連續(xù)測量的跑道視程，得到以下主要結(jié)果：

1) 當R≤400 m時，大氣透射儀測量數(shù)據(jù)大于等于前向散射儀測量數(shù)據(jù)的比例在90%以上；當R>400 m時，前向散射儀測量數(shù)據(jù)大于等于大氣透射儀測量數(shù)據(jù)的比例更大。

2) 當R≤600 m時，兩種設(shè)備觀測數(shù)據(jù)相互替代性較好；當600 m1000 m時，兩種設(shè)備測量數(shù)據(jù)差距較大。

3) 在霧、凍霧、霾和暴雨天氣時，大氣透射儀和前向散射儀測量數(shù)據(jù)在時間上具有很好的一致性，且當R≤1000 m時，兩種設(shè)備的測量結(jié)果相互替代性好；在雪、煙和揚沙天氣下，大氣透射儀和前向散射儀測量數(shù)據(jù)差距較大。

4) 在雪、煙和揚沙天氣時，前向散射儀測量數(shù)據(jù)大于大氣透射儀數(shù)據(jù)；在大雨天氣下，大氣透射儀測量數(shù)據(jù)大于前向散射儀數(shù)據(jù)。

5) 在霧和霾天氣，當R≤1000 m時，大氣透射儀測量數(shù)據(jù)大于前向散射儀數(shù)據(jù)；當R>1000 m時，前向散射儀數(shù)據(jù)大于大氣透射儀數(shù)據(jù)。

本文對比數(shù)據(jù)雖然具有取樣時間長、樣本量大的特點，但由于只取樣于西安咸陽國際機場，有一定地區(qū)局限性，在不同地區(qū)各種天氣現(xiàn)象下，兩種設(shè)備測量結(jié)果與本文存在差異。

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Comparison on Measurements by Airport Visibility Automatic Observation Instruments in Low Visiblity Weather

Ming Hu1)2)Chen Lijie2)Gao Lianhui2)Wang Qi2)

1)(InstituteofDesertMeteorology,CMA,Urumqi830002)2)(NorthwestRegionalAirTrafficManagementBureauofCAAC,Xi’an710082)

The runway visual range measurements form January 2013 to August 2014 by atmospheric transmission meter and forward scattering meter installed on the same end of Xi’an Xianyang international airport south runway are compared. Conclusions are as follows: When the visual range is greater than 400 m, measurements by forward scattering meter are likely to be greater than those by atmospheric transmission meter, while when the runway visual range is less than or equal to 400 m, measurements by atmospheric transmission meter are likely to be greater. Overall, when the runway visual range is less than or equal to 600 m, both two sets of equipment can be replaced by each other as their bias is accord with requirements of Civil Aviation Observation and Measurement. However, when the runway visual range is between 600 m and 1000 m, whether observations from two sets of equipment can be replaced mainly depends on weather conditions. When the runway visual range is greater than 1000 m, differences between two sets of equipment exceeds requirements of Civil Aviation Observation and Measurement.

In fog, freezing fog, haze or big rain weather, observations show very good consistency and can be replaced with each other when runway visual range is less than or equal to 1000 m. In snow, smoke or floating sand weathers, measurements by forward scattering meter are much greater; while in big rain weather, it is found that measurements by atmospheric transmission meter are greater than that by forward scattering meter. In fog weather and haze weathers, it is found that measurements by atmospheric transmission meter are greater when the runway visual range is less than or equal to 1000 m, but less than data measured by forward scattering meter when visual range is greater than 1000 m.

atmospheric transmission meter; forward scattering meter; runway visual range; the weather phenomenon

10.11898/1001-7313.20150612

中國沙漠氣象科學研究基金項目(Sqj2014003)， 國家自然科學基金項目(41475029)

明虎,陳麗杰,高聯(lián)輝,等. 機場低能見度自動觀測設(shè)備測量數(shù)據(jù)對比. 應用氣象學報，2015，26(6)：750-758.

2015-03-21收到，2015-09-21收到再改稿。

* email: minghu0538@126.com