能见度、天气现象自动观测和人工观测的资料对比

将臣

能见度、天气现象自动观测和人工观测的资料对比
气象与减灾2008年第1期
吴明江 孙 华 魏 俊 梁 杰
(  浙江嘉兴气象局 嘉兴 314001 )

提  要     本文把芬兰FD12P能见度、天气现象传感器与人工目测能见度、天气现象分别作为自动与人工能见度、天气现象的代表，从理论上分析两者之间存在的差异，并取嘉兴气象局生态实验站 2006 年 1月、6月、11月08时的人工与自动能见度、天气现象对比观测资料，进行数值比较。理论分析与实践结果均表明：自动观测能见度比人工观测在0.0—≤10.0KM有更高的灵敏度和分辨率，观测数据也更客观。在10.0—≤20.0KM就存在较大的差别。自动观测的天气现象，主要是降水现象、视程障碍现象与人
关键词  能见度 天气现象 自动观测 人工观测 对比分析

   引 言

    为适应气象观测现代化和自动气象站业务需要，地面气象观测正逐渐由人工观测向自动观测站转换，自动观测比人工观测在观测时次、信息量方面具有更大优势。为了拓展业务需要，掌握城市气象能见度、天气现象要素的变化特征，更好地应用在机场、高速公路、港口等领域对大雾预报服务的需求，2006年1月嘉兴气象局启用了面积为50×25平方米的生态实验观测场，增设了能见度、天气现象等自动观测项目，作为地基综合气象观测试验项目。同期开展业务试运行，是目前国内领先的自动观测项目较为齐全的现代化气象观测场。其中能见度、天气现象观测采用由芬兰维萨拉公司制造的FD12P前散射能见度及天气现象仪。本文旨在分析人工与自动两种不同的观测方式下所得到的能见度、天气现象观测数据的差异及原因，为合理引用自动能见度、天气现象数据提供参考。

1   FD12P前散射能见度仪，天气现象观测仪

1.1   FD12P前散射能见度仪、天气现象观测仪工作原理

    前散射能见度仪、天气现象观测仪是一种智能型多变量传感器，它由一个散射能见度仪，一个降水检测系统传感器以及温度、湿度、风向、风速等传感器组成。通过对这些数据变量的逻辑分析来判定天气现象。散射能见度仪不仅能测量0-50000m气象光学距离的连续变化，而且根据配置的降水检测系统，主要由光学雨量计等组成，其工作原理是测量雨滴经过一束光线时由于雨滴的衍射效应引起的光的闪烁。闪烁光被接收后进行谱分折，其谱分布与单位时间通过光路的雨强有关，以及与雨滴的半径大小和雨滴降落速度也有关系，从而判断降水种类、降水强度与有无降水等。

    根据能见度与相对湿度可判定雾、轻雾还是霾的现象。再参照风及其它资料可判定沙尘暴与扬沙等。

    散射能见度仪的优点是基线长度很短，光源与接收安在同一支架上，避免基线难以对准。缺点是它只是测量一个很小体积的空气样本的散射，来推算周围大气的气象光学视程，其代表性有限。

1.2   FD12P前散射能见度仪、天气现象观测仪性能指标

    能见度仪采样频率：每10秒钟取一个样本值，1分钟内剔除最大、最小值，余者等权算术平均，计算出一分钟算术平均值。再在一分钟算术平均值中滑动计算出十分钟算术平均值。

测量范围：0～50000m
最大允许误差：± 10 %，范围  10 ... 10000 m
± 20 %， 范围   10000 ... 50000 m

    天气现象仪的输出天气现象代码：（降水、视程障碍现象）采用WMO代码表4680（和部分代码表4677、4678），与中国气象局2004版的地面气象观测规范规定的天气现象代码不一致，本文对涉及天气现象代码不一致处，已经过换算。

2   能见度、天气现象人工与自动数据对比分析

2.1   资料的选取及统计特征

    为了便于统计对比结果，本文以2006年1月、6月、11月08时自动站与人工站的同期观测资料为基础对人工与自动观测的能见度、天气现象数据进行对比分析（见下图）。

2.2   能见度对比分析

    由于两种不同观测方法与时间上的不一致，自动站与人工站在能见度数据上存在差异，在能见度0.0至≤10.0KM以内，人工站与自动站能见度相差较小，人工站观测能见度一般大于自动站，平均相差10％；在能见度10.0＜至≤20.0KM段中，观测数据表明人工与自动观测数据两者之间相差30%-50%。

2.3   逐日天气现象资料对比（见表1）

           
2.4   总体统计特征

    对总共以天为单位的2006年1月、6月、11月08时自动站与人工站的同期观测资料的91个样本进行统计（见表2）分析可知：

出现自动观测与人工观测天气现象一致的有72天。在连续性、强度大小变化上不一致的总计有19天。

同样地，因自动化观测仪器有更高的灵敏度和分辨率，导致自动观测天气现象出现能见度0.0至≤10.0KM段中的天气现象有15天。

在剩余的4天样本中，其中1月5日，14日，6月27日08时共计3天中是人工观测天气现象中出现有降水现象代码，而自动观测天气现象未出现。其原因是人工观测有微量降水，自动观测天气现象仪未能及时感应。

只有在1月30日出现了人工观测是大雾，自动观测是连续性小雨的不一致。

3   差值原因分析

3.1   仪器原理差异

    自动气象站中使用的天气现象，能见度气象传感器与人工观测在原理、方法上是不同的。传感器有较小的时间常数，可以观测到大气中比较小的有意义的波动，使所得到的数据更具有代表性，传感器有较高的分辨率，更能满足用户的需求。而在人工观测中，观测员往往有习惯误差，观测时不排除可能出现大的观测误差，并且人工观测的能见度受观测者的视力、观测时的光照条件和目标物视角的大小的影响，自动气象站可以避免人工观测中的主观误差。

3.2   时空差异

    地面气象观测是在近地层中进行的，而在近地层中各气象要素存在较大的时间和空间的波动，也就是说存在较大的梯度变化，根据《地面气象观测规范》的要求：人工观测在 45-60 分观测能见度、天气现象等，由于人工观测是靠观测员逐项进行的，时间跨度较大。在一般情况下，人工观测能见度、天气现象距正点的时间是相差约 13 分钟，在上述相差时段内，气象要素值会有不同程度的变化。而自动气象观测是在正点按气温、湿度、降水、风向、风速、气压、地温、辐射、日照、蒸发的顺序几乎是在瞬间完成的。由此可见，由于两种观测体制在观测时间上不同步，因此观测结果必然会出现差异。显然，自动观测能准确地测得正点值。因此，由于自动气象站观测时间的一致性，资料有更好的可比性。

3.3   样本差异

    人工观测是点读数，就是说观测员在观测能见度或天气现象时只观测一次四周视野中二分之一以上的范围目标物的最大水平距离。而自动观测则不同，它的每一个观测值都是多个样本值的平均值。能见度观测采样频率每10秒钟取一个样本值，1分钟内剔除最大、最小值，余者等权算术平均，计算出一分钟算术平均值。再在一分钟算术平均值中滑动计算出十分钟算术平均值。时间常数不同，样本数目不同，测量结果必然会有差异。自动气象站由于获取了有意义的中小尺度波动，经过预处理后，多个样本值的平均值就能有效地平滑或去除奇异值，因此能更准确地获取有意义的要素值。

4   结 语

    自动观测代替人工观测是探测技术的发展方向，但因为能见度与天气现象观测是目测项目，且目前自动化观测项目仅限于降水现象、视程障碍现象的观测，对人工观测中的地面凝结现象、雷电现象和其他现象还无法进行观测，自动化的步伐要比其他观测项目慢得多，但这种发展趋势是必然的。通过分析嘉兴站一年来使用芬兰制造的FD12P能见度、天气现象仪与人工观测数据表明：自动观测能见度比人工观测在（0.0≤10.0KM）有更高的灵敏度和分辨率，观测数据也更客观。在（10.0≤20.0KM）就存在较大的差别。自动观测的天气现象，主要是降水现象、视程障碍现象与人工观测值有79％的相符率。但在特殊的天气条件下，如对降水、视程障碍现象强度及连续性判别，因受观测员主观意识影响有所差别。尽管两种不同观测方式的测值有一定的差别，但总体来讲，人工观测天气现象、能见度（0.0≤10.0KM）与自动观测之间有非常好的相关性，在（10.0≤20.0KM）如果对自动观测能见度进行线性修正，它与人工观测能见度之间仍有良好的可比较性。


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参考文献
1   地面气象规范．北京：气象出版社，2004．
2   能见度 天气现象数据采集器用户手册．江苏省无线电科学研究所有限公司，2004．