前向散射式能见度仪检测不确定度评定方法

根据能见度计量检测实验室(合肥)前向散射式能见度仪检测实例,展示了前向散射式能见度仪检测结果的测量不确定度评定方法。首先,介绍了能见度检测系统组成和技术要求;其次,建立前向散射式能见度仪示值误差测量模型,分析了测量不确定度来源;最后,依据不同的评定方法,对测量不确定度分量进行评定。研究结果表明:前向散射式能见度仪检测结果的不确定度分量主要有被测能见度仪、测量标准器、试验舱引入的标准不确定度。在50m和200m检测点,示值误差的扩展不确定度U(k=2)分别为4.9m和14.3m;在500～10000m检测点,相对扩展不确定度U(k=2)在8.5%～11.0%之间。     

前向散射式能见度仪示值对比及标定方法研究

实时、准确的能见度测量数据对指导交通监测预警和空气质量评价具有重要意义。叙述前向散射式能见度仪测量原理,介绍能见度实验室内的检测技术和检测方法。基于安徽省大气探测技术保障中心研制的能见度环境模拟方舱,对3个国产厂家的前向散射式能见度仪进行检测,对比了能见度仪示值的一致程度,分析了影响示值偏差的原因。针对我国目前未建立能见度量传体系现状,提出了标定厂家系统常数以减少测量误差的方法。研究结果表明:同一厂家生产的前向散射式能见度仪测量结果一致性相对较好。能见度小于1.5km时,标准偏差均值最大为131.3m。能见度在1.5~10km时,标准偏差均值最大为457.4m。不同厂家生产的能见度仪示值偏差较大,能见度在1.5~10km时,最大相对误差均值达到-40.9%。重新标定系统常数后,能见度仪示值一致性明显提高。     

前散式和透射式能见度仪的综合观测试验及对比分析北大核心

通过在野外观测基地和能见度计量检测实验室开展的前散式和透射式能见度仪对比观测试验,获取了能见度和其他气象与环境要素的同步观测数据,分析了不同大气环境条件下能见度测量值差异及其产生原因。结果表明:在能见度环境模拟舱内,两种能见度仪的测量值具有较好的一致性,但在自然环境中,两种能见度仪的测量值差异随能见度上升而快速增大。在不同天气现象出现时,前向散射仪与大气透射仪的测量值比值(VIS_(FS)/VIS_(T))规律性变化明显,总体呈现随能见度上升而增大的趋势。无降水时,低湿情况下大气颗粒物吸收作用明显,透射能见度仪测量值远小于前散能见度仪测量值,两者均随PM_(2.5)质量浓度的增加而下降,且其差异也随之减小;高湿情况下大气颗粒物的散射作用在大气消光中占绝对优势,两种能见度仪测量值趋近。     

前向散射能见度仪测试模拟环境与试验

能见度是气象、环境和交通观测重要要素,目前不同原理和型号的前向散射能见度仪没有统一的测试环境和定标标准,导致测量结果差别大。为实现前向散射能见度仪统一测试环境,研制了雾环境模拟舱,采用造雾器和净化器组合实现能见度10m到50km模拟。寻找模拟舱内空气均匀度监控方法,消除由空气不均匀带来的误差。测试不同型号的前向散射能见度仪和相同型号能见度仪,结果显示不同型号能见度仪测量值差别大于一倍,同一型号的能见度仪测量值相对误差在±5%内。尝试不同型号能见度仪修正方法,并且验证修正方法可行,修正后的不同型号仪器相对误差在±10%内。     

能见度自动观测系统性能对比及分析

1998年6月至9月间在北京进行了一次透射表能见度仪与前向散射式能见度仪的对比试验。参加试验的能见度自动观测系统有：透射表两套、前向散射能见度仪一套和双光路前向散射能见度仪两套。五套参试仪器分别被安装在南苑机场南北向主跑道的东侧。试验收集数据的起止时间为1998年7月25日09h至8月25日08h，时间间隔为1min。从总体误差分布分析，VAISALA公司的前向散射FD－12表现最好；其次是跑道中段的PRESENTEY公司的PEP9012双光路前向散射仪；而传统上认为测量结果较好的MITRAS透射表在高能见度时表现均不佳。所有参试仪器在能见度低于2000m时表现都不错，能见度4000m以上时，散射仪的测量值明显偏高。因此可以认为能见度在4000m以下时，参试的五套仪器均能满足航空气象保障要求，4000m以上测量结果的离散性较大，不确定性均大，但对飞行安全影响也较小，可以作为参考使用。     

前向散射能见度仪校准技术

基于前向散射能见度仪的工作原理、结构特点及使用环境,分析了前向散射能见度仪的测量误差来源、产生测量误差原因及误差模型,归纳了前向散射能见度仪出厂标定方法、标定参数及标定参数修正方法。为确保能见度观测数据具有准确性,并根据将来量值传递需要,在分析了能见度量值传递参数基础上,提出了前向散射能见度仪的实验室标定条件和方法,梳理了前向散射能见度仪现场光学装置校准、校准板校准及人工校准方法,为今后建立能见度量值传递体系和编写相关校准规范提供参考。     

基于视频监控的能见度测量

针对目前白天气象能见度观测的手段和方法,提出了利用视频监控进行能见度测量的思路,同时设计基于边缘存量的神经网络能见度检测算法并获得了与前向散射能见度仪相近的测量结果,能有效测量气象能见度值,有助于实现利用分布较广的多点监控视频补充前向散射能见度仪的单点测量,从而可得到格点更为精细的能见度测量结果。     

前向散射型能见度仪原理样机的主要性能分析

从对散射强度的测定来估算大气能见度的理论出发,给出了前向散射型能见度仪的测量原理。将能见度仪原理样机的外场实验数据与观测员目测能见度进行分析,基本符合通过测定散射强度,估算大气消光系数,进而确定大气能见度的关系,分析表明该样机设计原理是正确的。同时,从实验数据的统计中发现有时方差较大,动态范围小。经过深入研究认为主要是背景噪声干扰所致,特别在无云晴天,阳光充足时,背景噪声十分显著,严重影响测量结果。对原理样机存在的问题进行了探讨,进而提出了改进意见。     

以黑体为目标的能见度参考标准试验研究

黑体为目标的能见度测量是从科西米德定律出发,通过工业相机对黑体目标物进行拍摄,建立黑体和背景天空的数学模型,求得能见度。分析表明:当能见度小于30 km,黑体黑度和CCD(change-coupled device)工业相机的面非均匀性对该方法测得的能见度造成的误差约为3.7%。该方法与前向散射能见度仪测量进行对比,能见度变化趋势上具有一致性;但在高能见度时,黑体能见度测量值大于前向散射能见度测量值,低能见度时,黑体测量值小于前向散射能见度测量值。     

Model 6000型前向散射能见度仪性能评估及数据订正

介绍了器测能见度测量仪器的分类与测量原理。通过对目前珠江三角洲布网观测的前向散射式能见度仪的原始信号进行分析,探讨影响能见度测量性能的主要因素。结果显示:发射能量与气温呈反相关,在数据处理中可以通过归一化处理去掉其影响;背景噪声的波动具有明显的日变化,主要受光辐射的影响,安装能见度仪时应注意方向和位置,尽量减少背景噪声,提高仪器信噪比。通过能见度仪测值和人工观测值的比较分析表明:两者的变化趋势基本一致;在能见度小于15 km时,量值比较吻合;在能见度大于15 km时,器测值明显大于人工观测值;利用统计方法对器测值作数据订正,能有效减少高能见度的测量误差。利用激光雷达反演能见度,将其反演值与能见度仪测值进行比较,表明两种探测方法具有较高的相关性。     

基于全视野数字图像的能见度估算方法

基于全视野数字图像的能见度估算方法是将全视野图像大气透射率与大气能见度通过曲线拟合方法建立联系,得到估算模型进行能见度估算。首先通过历史全视野图像和对应时刻的大气能见度建立样本数据集,再利用暗原色先验理论获取全视野图像大气透射率,通过多项式拟合方法建立离散样本数据集中大气透射率与对应时刻大气能见度的关系,即全视野图像能见度估算模型,最终将所需估算时刻的数字图像输入估算模型进行能见度估算,得到大气能见度数值。结果表明:建立的基于全视野数字图像能见度估算模型在环境光照均匀时大气能见度估算值与能见度实测值有较好的一致性,可作为前向散射仪的补充观测方法,弥补其采样存在的局限性。     

DNQ1与FD12型能见度仪观测比对及影响因子研究

DNQ1型前向散射能见度仪是目前我国气象站应用最多的能见度仪之一,但对其观测能力的评估及与国际上同类能见度仪间的比对研究较少。本文利用2015年1—3月北京上甸子国家大气本底站DNQ1和FD12型能见度仪观测资料开展比对研究,分析两种能见度仪的观测差异特征及与关键气象要素和大气成分的关系。结果表明：两种仪器观测的小时平均能见度的变化趋势较为一致,二者相关系数为0.98。除降雨外,DNQ1与FD12型仪器观测的能见度差值受不同天气状况（包括晴天、沙尘、雾、霾、降雨和降雪）的影响较小,但随能见度等级的增加,差值范围和离散程度均有所增大。能见度差值随相对湿度的增加呈指数递减关系,与气温呈线性正相关关系,与气压、风速和风向关系不明显。两种器测能见度与相对湿度呈明显负相关关系,与其他气象要素的关系不明显。DNQ1能见度相对FD12能见度在每日不同时刻的相对偏差平均低于±10%,满足观测需求;二者在夜间的相关性优于白天,可能与相对湿度和气温的日变化有关。     

广州站能见度数据质量评估及其参数化研究

利用广州地面观测站（简称广州站）的两种能见度仪和人工观测的能见度资料,分析两种观测方法之间的一致性和差异性,并对广州站能见度建立参数化模型。研究结果表明,不同的能见度范围和观测时次,两者均有较好的一致性;当能见度为3 km以下及10 km以上时,两者一致率较高;在5次正点观测的器测和目测值一致率均高达90%以上。10~30 km范围内的平均相对误差较低,其余范围均高于20%。在11、14和17时的相对误差低于10%,08和20时的相对误差较高。能见度在1~10 km范围内,随着能见度的增大,器测与目测平均相对误差增大,仪器粗差率增大。另外,基于大气相对湿度、颗粒物数浓度建立广州站能见度参数化模型,能较准确模拟出能见度变化的趋势。实际检验表明,模拟值与实况误差基本小于3 km。因此,该模型可以预报广州站的能见度,为准确判断广州市能见度变化提供一定的参考依据。      

机场主导能见度仪器自动观测方法研究

主导能见度是航空活动能否正常进行的重要标准之一。伴随我国通用机场建设,主导能见度的自动观测具有重要的实际意义。本文使用中值法、图形比例法和均值法3种方法,利用机场现有多套能见度传感器进行主导能见度自动观测,并使用3种方法研究分析了天津、大连、海拉尔、成都和重庆5个机场2014年12月10日起连续100天的07:00和19:00 2个时间点的多能见度传感器测量值。结果表明:相比于中值法和图形比例法,均值法具有更小的观测偏差;观测原理和方法、能见度传感器数量、地区气候差异和观测位置差异是影响主导能见度自动观测数据质量的主要影响因素。     

大气透射仪与前向散射仪低能见度条件下跑道视程数据对比分析

利用2017年10月26日—2018年3月14日期间,乌鲁木齐机场跑道视程≤600 m时跑道25方向大气透射仪和前向散射仪的跑道视程数据,以及跑道25方向大气透射仪和中间段大气透射仪跑道视程数据进行对比分析,得到以下结论:(1)大气透射仪的跑道视程数据大于等于前向散射仪的跑道视程数据的比例为96%,跑道视程≤400 m时,两种设备相互替代性较好;(2)相比于黑夜,白天情况下前向散射仪的跑道视程数据更接近25方向大气透射仪的跑道视程数据;(3)相比于跑道中间段大气透射仪,跑道25方向前向散射仪跑道视程数据更接近25方向的大气透射仪跑道视程数据。     

能见度Belfort M6000型与Belfort M6400型 观测比对与影响因子研究

Belfort M6400型是Belfort仪器公司在M6000型基础上在软件和硬件方面均作出优化和完善后生产的成本更低的、观测更高效的能见度观测仪。本文利用2021年6月11日至7月11日番禺国家气象观测站的Belfort M6000型能见度仪与Belfort M6400型能见度仪观测数据作比对试验,分析两款能见度仪的观测差异特征及气象要素的关系。结果表明,（1）两款能见度仪观测的分钟平均能见度的变化趋势较为一致,二者相关系数为0.92;（2）随能见度等级的增加,差值范围和离散程度均有所增大;（3）两款能见度仪观测值与相对湿度呈负相关关系,与气压呈正相关关系,与其他气象要素的关系不明显;（4）两款能见度仪在雨天时的日平均相关系数（0.93）比晴天（0.82）时要高。