劉萱榮，劉 琥，洪竹芳，覃 毅

(湖南省武岡市氣象局，湖南 邵陽(yáng) 422400)

1 引言

能見(jiàn)度是地面氣象觀測(cè)的要素之一，它可以反映氣團(tuán)的某些特性，以滿足天氣學(xué)和氣候?qū)W的需要，更為直觀的是，它不僅可用來(lái)表征氣象變化，還可以用來(lái)體現(xiàn)一地空氣環(huán)境的好壞，尤其是在我們國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)極為重視的當(dāng)下，做好能見(jiàn)度觀測(cè)方法的比較研究，為以后能見(jiàn)度資料的應(yīng)用提供理論上的參考依據(jù)，是很有意義的，也是必要的。能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)的比較研究，國(guó)內(nèi)已然做了許多[1]-[6]，就其成果而言，只能借鑒，不能推廣應(yīng)用?？梢哉f(shuō)，每個(gè)臺(tái)站在一定的時(shí)間序列里，用自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)兩種不同方法，所采集到的能見(jiàn)度數(shù)據(jù)，將其比較都會(huì)有差異，這些差異因人而異，因站而異，要想連續(xù)應(yīng)用它都應(yīng)該作比較分析研究。武岡站從2014年12月停止人工觀測(cè)能見(jiàn)度，同時(shí)啟用自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度取代了人工觀測(cè)能見(jiàn)度，而在這之前的能見(jiàn)度是人工觀測(cè)的，由此積累的資料也是人工觀測(cè)得來(lái)的，這樣因?yàn)橛^測(cè)方法的不同而得來(lái)的資料，如果用來(lái)研究本地區(qū)的氣候狀況，或者空氣質(zhì)量狀況，要是事先不對(duì)它們進(jìn)行比較分析，一定會(huì)對(duì)研究結(jié)果帶來(lái)偏差。故此，本文試圖通過(guò)對(duì)自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度與人工觀測(cè)能見(jiàn)度資料進(jìn)行比較，找出它們之間的差異，分析差異產(chǎn)生的原因，從中找出規(guī)律，為本站以后能見(jiàn)度資料的連續(xù)應(yīng)用提供理論上的參考依據(jù)。當(dāng)然，這對(duì)其它站而言只能起到借鑒的作用。

2 資料來(lái)源與數(shù)據(jù)處理

本文采用的是武岡國(guó)家基本氣象站2015年4月—2016年3月(含4月，下同)的人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度資料，每天開(kāi)展5次(北京時(shí)間08、11、11、14、17、20時(shí))一共有1 830組數(shù)據(jù)，考慮到這期間因?yàn)樽詣?dòng)站的能見(jiàn)度儀器發(fā)生故障有數(shù)據(jù)缺測(cè)的情況，所以將其中缺測(cè)的93組數(shù)據(jù)去掉，還剩下1 737組有效數(shù)據(jù)可供分析研究。去掉的缺測(cè)資料如下：4月7日20時(shí)，6月18—30日(含18日)08時(shí)、11時(shí)、14時(shí)、17時(shí)和20時(shí)，7月1—5日(含1日)08時(shí)、11時(shí)、14時(shí)、17時(shí)和20時(shí)以及6日08時(shí)、11時(shí)。另外考慮到自動(dòng)能見(jiàn)度觀測(cè)的最大值為30.0 km，而人工觀測(cè)能見(jiàn)度有大于30.0 km的情況，故將人工觀測(cè)能見(jiàn)度大于30.0 km的均按30.0 km處理，它們是7月28日17時(shí)和20時(shí)，8月11日的17時(shí)。另外，人工觀測(cè)能見(jiàn)度是以千米為單位，保留一位小數(shù)，而自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度則是以米為單位取整數(shù)，為了便于比較，自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度舍去個(gè)位和十位數(shù)，保留的百位數(shù)前取小數(shù)。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 定時(shí)數(shù)據(jù)比較

采用本站2015年4月—2016年3月08時(shí)、11時(shí)、14時(shí)、17時(shí)和20時(shí)5次定時(shí)觀測(cè)的自動(dòng)與人工能見(jiàn)度數(shù)據(jù)，制作成比較趨勢(shì)圖1，從中可以看出人工觀測(cè)數(shù)據(jù)基本上要大于自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。下圖中的能見(jiàn)度數(shù)值擴(kuò)大了10倍。

圖1 2015年4月—2016年3月自動(dòng)與人工觀測(cè)能見(jiàn)度定時(shí)數(shù)據(jù)比較趨勢(shì)圖Fig.1 Visibility Timing Data Comparison between Automatic and Manual Observation from April,2015 - March,2016

3.2 平均值比較

將本站2015年4月—2016年3月08時(shí)、11時(shí)、14時(shí)、17時(shí)和20時(shí)定時(shí)自動(dòng)與人工觀測(cè)能見(jiàn)度的平均值制成圖2，從中可以清楚的看出：一是人工能見(jiàn)度要大于自動(dòng)能見(jiàn)度，這與上面定時(shí)趨勢(shì)圖分析的結(jié)果相一致。二是它們的平均日變化規(guī)律基本一致，且08時(shí)能見(jiàn)度小，然后逐漸加大到午后，并持續(xù)至下午，再下降至20時(shí)。三是它們的平均能見(jiàn)度的最小出現(xiàn)時(shí)間一致，最大出現(xiàn)時(shí)間相近，平均差11時(shí)最小為0.5 km，20時(shí)最大為1.1 km，總的趨勢(shì)是正午前后能見(jiàn)度較好，早晚較差。

3.3 相關(guān)性分析

計(jì)算本站2015年4月—2016年3月自動(dòng)與人工觀測(cè)能見(jiàn)度各定時(shí)觀測(cè)的相關(guān)系數(shù)如表1，從中可得14時(shí)相關(guān)性最好，17時(shí)的相關(guān)性次之，20時(shí)的相關(guān)性最差，它們的相關(guān)系數(shù)都在0.9以上，表明本站自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)的相關(guān)性較好。

圖2 2015年4月—2016年3月自動(dòng)與人工觀測(cè)能見(jiàn)度定時(shí)變化均值圖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月各定時(shí)相關(guān)系數(shù)表Tab.1 The Timing correlation Coefficient Table from April,2015-March,2016

3.4 能見(jiàn)度一致性比較分析

將本站2015年4月—2016年3月08時(shí)、11時(shí)、14時(shí)、17時(shí)和20時(shí)定時(shí)自動(dòng)與人工觀測(cè)能見(jiàn)度資料分為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，分別計(jì)算出它們的平均對(duì)比差值如表2，從中可以看出：一方面能見(jiàn)度小于1.0 km時(shí)平均誤差最小，隨著能見(jiàn)度的增大其平均誤差也逐漸加大，變化幅度無(wú)規(guī)律性。另一方面自動(dòng)與人工觀測(cè)能見(jiàn)度在0.0～10.0 km一致性較好，大于10.0 km開(kāi)始一致性變差，也就是說(shuō)低能見(jiàn)度一致性較好，高能見(jiàn)度一致性較差。

3.5 能見(jiàn)度出現(xiàn)頻率分析

沿襲上一節(jié)的自動(dòng)與人工觀測(cè)能見(jiàn)度資料分段，制成2015年4月—2016年3月能見(jiàn)度出現(xiàn)頻率比較圖3，從中可以看出，本站自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度與人工觀測(cè)能見(jiàn)度一樣，大多集中在1.0～20.0 km之間，但是它們?cè)?.0～20.0 km之間內(nèi)的小區(qū)間里，各自出現(xiàn)的頻率有差異，自動(dòng)能見(jiàn)度1.0≤vv<5.0 km區(qū)間最多為764次，其次是5.0≤vv<10.0 km區(qū)間為567次，然后是10.0≤vv<20.0 km區(qū)間為294次，這三者占總觀測(cè)次數(shù)的93.6%；人工能見(jiàn)度5.0≤vv<10.0 km區(qū)間最多為680次，其次是1.0≤vv<5.0 km區(qū)間為468次，然后是10.0≤vv<20.0 km區(qū)間為451次，這三者占總觀測(cè)次數(shù)的92.1%。

表2 2015年4月—2016年3月自動(dòng)與人工觀測(cè)能見(jiàn)度平均對(duì)比差值Tab.2 Average Contrast Differences of Visibility of Automatic and Manual Observation from April,2015 - March,2016

圖3 2015年4月—2016年3月能見(jiàn)度出現(xiàn)頻率比較Fig.3 Visibility Occurring frequency Comparisons from April,2015-March,2016

4 產(chǎn)生差異的原因分析

能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)因?yàn)橛^測(cè)方法的不同所采集的數(shù)據(jù)，將其比較都會(huì)有差異。產(chǎn)生差異的原因主要是，①觀測(cè)原理不同：人工觀測(cè)能見(jiàn)度，是觀測(cè)員參照能見(jiàn)度目標(biāo)物的能見(jiàn)與否，依據(jù)觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)對(duì)距離作出的估算值，而自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度，則是通過(guò)儀器測(cè)量光在大氣中的散射系數(shù)，估算氣象光學(xué)視程經(jīng)換算后的值。②觀測(cè)時(shí)間不同:人工觀測(cè)能見(jiàn)度在定時(shí)觀測(cè)時(shí)段內(nèi)只有1～2 min的時(shí)間，而自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度則是正點(diǎn)10 min的滑動(dòng)平均值。③觀測(cè)范圍不同:人工觀測(cè)能見(jiàn)度是指四周視野中1/2以上的范圍能看到的目標(biāo)物的最大水平距離，而自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度是發(fā)射器與接收器之間相當(dāng)小范圍的大氣取樣測(cè)量的結(jié)果。④主客觀因素：人工觀測(cè)能見(jiàn)度，受觀測(cè)員視力條件和觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)的影響，主觀色彩較濃，隨意性較大。自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度，因?yàn)閮x器受客觀環(huán)境的影響，比如觀測(cè)場(chǎng)周邊燒草，產(chǎn)生的煙幕，造成采樣區(qū)大氣懸浮粒子的改變，或者儀器光學(xué)鏡片前的蜘蛛網(wǎng)等遮擋物，影響測(cè)量光的接收，諸如此類客觀因素，如果不加以及時(shí)排除，則容易造成數(shù)據(jù)失真。因?yàn)樯鲜鲈?，使得本站能?jiàn)度人工觀測(cè)數(shù)據(jù)一般要大于自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。本站能見(jiàn)度自動(dòng)與人工觀測(cè)的一致性，當(dāng)能見(jiàn)度小于10.0 km時(shí)一致性較好，尤其是小于1.0 km時(shí)最好，而當(dāng)能見(jiàn)度大于10.0 km時(shí)一致性逐漸變差，究其原因大抵在于低能見(jiàn)度觀測(cè)目標(biāo)物設(shè)置多，觀測(cè)員重視程度高且觀測(cè)次數(shù)多熟練程度也高，而高能見(jiàn)度觀測(cè)目標(biāo)物設(shè)置小，觀測(cè)員觀測(cè)時(shí)隨意性大。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)本站能見(jiàn)度自動(dòng)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的比較分析，可以得出結(jié)論如下：

①就平均值而言，人工觀測(cè)能見(jiàn)度大于自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度，且它們的趨向性一致；平均能見(jiàn)度的最小出現(xiàn)時(shí)間一致，最大出現(xiàn)時(shí)間相近。

②自動(dòng)與人工觀測(cè)能見(jiàn)度，一日當(dāng)中正午前后偏差相對(duì)要小，而早晨、下午至傍晚偏差相對(duì)要大；平均日變化規(guī)律基本一致，且表現(xiàn)為早晨至午后由差逐漸變好，并持續(xù)至下午，再逐漸變差至傍晚，總的趨勢(shì)是正午前后能見(jiàn)度較好，早晚較差。

③自動(dòng)與人工觀測(cè)能見(jiàn)度，在0.0～10.0 km一致性較好，這區(qū)間內(nèi)尤以0.0 ～1.0 km一致性最好，當(dāng)能見(jiàn)度大于10.0 km時(shí)一致性逐漸變差，20.0～30.0 km時(shí)一致性最差，這與20.0 km以上能見(jiàn)度目標(biāo)物沒(méi)有設(shè)置不無(wú)關(guān)系，這表明了低能見(jiàn)度一致性較好，高能見(jiàn)度一致性較差。

④無(wú)論是自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度，還是人工觀測(cè)能見(jiàn)

度，它們大多集中在1.0～20.0 km之間，其間1.0～10.0 km尤為居多。

總體而言，自動(dòng)與人工觀測(cè)能見(jiàn)度相關(guān)性好，資料的可信度高，對(duì)資料的應(yīng)用是沒(méi)有問(wèn)題的，但是，為了能見(jiàn)度資料應(yīng)用的連續(xù)性，在使用過(guò)去的人工觀測(cè)能見(jiàn)度資料時(shí)，需要了解它與現(xiàn)在的自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度資料存在的差異，這是我們今后應(yīng)用它時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的地方。

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