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。     

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。     

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。     

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。     

前向散射式能见度仪测试方法研究

针对气象行业前向散射式能见度仪检测标准缺失现状,开展了前向散射式能见度仪室内测试方法研究。文中介绍了前向散射式能见度仪的工作原理,阐述了测量标准设备的组成和技术要求,详细论述了前向散射式能见度仪的测试项目和测试方法,展示了多台前向散射式能见度仪室内实测结果。研究表明:利用试验舱模拟能见度进行测量范围和示值误差测试具有可行性,测量标准器可选择透射仪;响应时间可通过放置散射板或遮光板产生突变信号完成测试。     

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。     

环境因素对前向散射能见度仪测定精度的影响研究

研究了环境反射面以及仪器清洁度对前向散射能见度仪测定精度的影响。结果表明,能见度仪周边存在反射面,其观测值与真值的偏差约为12%;未清洁处理则可能造成观测值与真值偏差达70%。由此可见,排除环境因素及人为因素的干扰,可有效提高向前散射能见度仪的测量精度。研究结果为散射型能见度仪的准确观测提供了实践参考。     

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。     

天津夏季大气消光性质的研究

利用2010年夏季天津城市边界层观测站颗粒物、黑碳气溶胶、氮氧化物(NOX)浓度、地面能见度和气象梯度观测资料,分析了天津夏季大气消光特性及低能见度事件产生的原因。结果表明,天津夏季主要污染物为PM10和PM2.5,大气气溶胶消光系数为529.06M.m-1,其中,吸收系数为50.17M.m-1,散射系数为478.89M.m-1,气体吸收系数为7.74M.m-1,气溶胶单次散射反射率为0.87。天津夏季边界层大气状态有近一半的时间为中性或偏稳定层结,当出现中性或偏稳定层结大气时则有接近一半的情况出现低能见度事件(能见度<5km),影响人们的日常生活。     

对比法测量气象能见度的理论分析

本文从能见度定义出发,提出了一种新型的能见度测量方法——对比法。对比测量法就是以自然水平天空为背景,人工设定一个亮度可调的目标物,用同一测量系统分别测量目标物亮度与天空背景亮度的差异,当该差值小于某设定阈值时,就认为该目标物的视亮度与天空背景亮度相同,根据目标物的实际亮度值就可以计算出大气透过率,进而计算气象能见度。采用检测目标物亮度与天空背景亮度对比确定气象光学距离方法的优点在于：理论上采用能见度定义,满足目标物刚好“可见”条件,实际使用中只需要人工目标物设计成亮度多级重复循环变化,对于接收端仅需要测量亮度差是否达到预先设定值进行判断。只要人工目标物有足够的亮度重复精度,就能保证测量结果的准确性,而检测器实质上是一个差分检测放大系统,这种差分电路对于共模信号都有较好的抑制能力,并且不需要测量绝对光强度,可以降低技术工艺方面要求。本文从理论推导人手,根据实际情况进行了必要的简化,得出对比法的计算公式,最后根据实际天空背景亮度变化情况给出了人工目标物亮度的变化范围。     

晴空与有云大气辐射分布的数值模拟及其对全天空图像云识别的应用

全天空图像自动云识别的研究相对来说是一项较新的研究领域。当前国际上较为通用的全天空图像云识别方法主要依靠图像蓝红灰度值对比的阈值方法进行判断。然而非洁净大气中气溶胶的增多给云识别增加了难度,同时太阳高度角不同天空色度分布情况也不同。文中利用Libradtran辐射传输模式,计算了不同能见度不同太阳高度角情况下3个典型波长(450,550,650nm;蓝/绿/红)无云及有云大气的天空辐亮度分布情况,并进行了比较分析。结果表明,相同太阳高度角情况下,无云及有云大气中蓝红比值随能见度的下降呈单调下降趋势。在特定的云光学厚度和能见度情况下,天空色度彼此呈现出类似的分布状况。全天空图像阈值判断云识别自适应算法的建立需要与太阳高度角、地面能见度联系起来。当前尚无法建立一个判断阈值随太阳高度角以及能见度变化的函数关系式。较为可行的办法是建立典型能见度、典型太阳高度角情况下的辐射信息库,在具体云识别时,首先确定太阳高度角,而后根据天空辐射比情况确定天空能见度,并利用辐射信息标准库做云或非云判别。该工作为全天空云识别算法提供判别依据,同时建立云识别随能见度和太阳高度角变化的判别信息库。     

积分浊度计在沙尘暴监测网试验中应用分析

中国气象局在沙尘暴监测网各站点安装了积分浊度计，这是国内首次利用积分浊度计进行大面积气溶胶光学性质的监测。文章选取北京观象台2003年9月2日至11月18日散射系数数据以及部分PMIO质量浓度数据，结合气象资料分析了观测期间散射系数的变化特征，散射系数与PMIO质量浓度以及能见度的关系，得出观测期间散射系数的平均值(标准偏差)为306．2Mm^-1(292．78Mm^-1)；风速对散射系数有重要影响；散射系数与PMIO质量浓度有较好的相关性(r=0．761)，与能见度存在负相关关系(r=-0．716)。     

联合反演大气气溶胶光学特性和地面反照率

利用一种直接由天空亮度的相对分布反演气溶胶光学特性的方法。数值试验表明天空亮度相对分布的变化对地面反照率并不敏感,这样通过地基多个方向天空亮度的测量,并与模式计算结果相比较,定出大气气溶胶的光学厚度和相函数。在得到大气气溶胶的相函数和光学厚度的基础上,用GMS-5气象卫星可见光通道的资料求出了北京地区可见光波段的地面反照率。     

Measurements of desert dust optical characteristics at Porte au Sahara during SAMUM

Main optical characteristics of desert dust, such as phase function and single scattering albedo, have been derived from combinations of sun-/sky-radiometer and satellite measurements during the SAMUM experiment (10 May–10 June 2006) at the site Porte au Sahara (30.237°N, 5.607°W) in South Morocco. Scattering phase functions have been retrieved using combined data of spectral aerosol optical thickness (AOT) and spectral sky brightness in the almucantar, considering non-spherical light scattering. Intercomparisons of modelled top-of-atmosphere (TOA) reflectance with satellite observations of the Medium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS) and Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography () instrument have been used for the estimation of spectral single scattering albedo. For the radiative transfer calculations scattering phase functions and AOT from ground-based observations have been used. The spectral single scattering albedo ranges from 0.93 in the blue to 0.98 at 753 nm.     

CE318型太阳光度计标定方法初探

初步探索了CE318型太阳光度计的室内和野外标定方法, 并对两种方法的标定结果进行对比。基于积分球辐射源的辐亮度标定方法, 对CE318型太阳光度计不同波段天空散射辐射通道进行标定实验; 分别采用Langley标定法和标准仪器相对标定方法, 对CE318型太阳光度计的不同波段太阳直接辐射通道进行了标定实验。实验结果显示:天空散射辐射通道的标定结果在670 nm, 870 nm和1020 nm波段与仪器出厂时给定的标定结果偏差不超过6%, 而440 nm波段处得到的标定结果要高于出厂时给定的结果, 偏离幅度约18.9%。太阳直接辐射各通道的标定结果普遍大于出厂时给定的结果, 说明滤光片老化较为严重, 需要进行更换, 以保证观测精度。由于标准仪器相对标定方法对太阳直接辐射通道的标定结果明显优于Langley法, 因此利用标准仪器相对标定方法对中国气象局太阳光度计站网仪器进行定期标定更能够保证仪器观测数据的准确性。     

双波段大气向下红外辐射云遥感数值模拟

为了将卫星多通道遥感技术应用到地基测云红外遥感中,利用SBDART(平面平行辐射传输模式)模式对双波段(10.3～11.3μm,11.5～12.5μm)大气向下红外辐射进行计算。分析了双波段辐射亮温差的特点,讨论了不同能见度、不同天空状况对两通道亮温差的影响,同时将利用实际测量的亮温差值所判断出来的天空状况与实际天空状况进行了对比。结果表明,在能见度较好时天顶方向辐射率变化比天边方向明显;在高能见度时一定天顶角范围内,可以利用不同天空状况亮温差不同的特点对云进行识别。     

基于亮度对比度和暗原色先验原理的白天道路图像能见度检测方法

低能见度是对道路通行影响最为严重的气象要素之一。随着数字摄像技术和图像识别技术的发展以及气象和交通部门间信息共享工作的开展,利用高速公路沿线摄像头视频数据快速识别能见度成为提高能见度时空监测精度的重要手段。本文提出了一种基于亮度对比度和暗原色先验原理的白天道路图像能见度检测方法。首先根据霍夫变换直线检测方法提取道路兴趣域,然后根据亮度对比度方法检测人眼可分辨最远像素点,将其作为目标点,最后基于暗原色先验原理求取目标点的透射率,并根据能见度与消光系数的关系公式求取图像能见度值。利用安徽省京台高速吴玗北段和宁绩高速宁国互通段视频图像资料和邻近交通气象站能见度监测资料,采用绝对误差和能见度等级误差对能见度检测效果进行检验。结果表明,本方法对能见度的变化较为敏感,能见度等级的检测效果较好,准确度可达95%,对开展公路交通视频图像能见度识别工作具有较好借鉴应用意义。