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摘要 利用长沙国家基本气象站人工与自动能见度观测资料，采用差值平均、差值率平均、差值标准差及相关性分析等方法，对2种不同观测数据对比统计分析，结果表明：人工能见度观测值普遍大于自动观测值，其差值、差值率、差值标准差随能见度的增加而增大；人工与自动观测数据的相关性Ⅴ区间（VV≥10 000 m）最好，达到0.834，Ⅱ区间（1 000 m≤VV<3 000 m）次之，达到0.776，其他区间相关性较差；自动能见度观测结果配合其他气象要素记录相关视程天气现象（轻雾、霾、雾）有多记现象，分析并给出了出现多记差异的原因，总结给出了前向散射式自动能见度仪在业务应用中的改进建议，为自动能见度资料数据质量控制、数据服务应用提供参考和数据支持。
关键词 能见度仪；人工观测；视程；差异分析
中图分类号 P412.17 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）15-0249-02
Analysis on Difference Between Forward Scatter Visibility Instrument and Manual Observation Results
ZHONG Jin-lian 1 ZHOU Lu 2 ZHOU Jian-kun 1 WU Jin 3
（1 Changsha Meteorological Bureau in Hunan Province，Changsha Hunan 410205； 2 Ningxiang Meteorological Bureau； 3 Xiangyin Meteorological Bureau）
Abstract By using of the mean difference，difference rate of average，standard deviation and correlation analysis methods，the statistics and comparative analysis for manual and automatic visibility observation data at Changsha National Basic Meteorological station were carried out.The conclusion was obtained as follows：Generally，the manual observation result value was greater than the automatic observation.The difference value，deviation-rate，standard deviation of the difference value increased with the visibility result.The correlation of manual and automatic observation data at Section Ⅴ（VV≥10 000 m）was 0.834，at Section Ⅱ（1 000 m≤VV<3 000 m）the correlation was 0.776，and the relevance of other sections were not significant.Automatic visibility with other meteorological elements to record visibility weather phenomenon（light fog，haze，fog）would have extra record usually，the reasons of extra records were presented.Improving suggestions of the forward scatter visibility instrument in operational application were summarized，and the reference and data sustainment for automatic visibility data quality control and service application was proposed.
Key words visibility instrument；manual observation；visual range；difference analysis
随着我国综合气象观测自动化进程的加快，基层气象台站逐步配备了自动能见度观测仪。长沙国家基本气象站2013年底配备和安装了前向散射式自动能见度仪，于2014年1月正式开始业务运行观测，使自动观测仪逐渐替代人工观测，大大增强能见度观测项目的客观性和数据的一致性[1-2]。但在业务运行过程中，观测员普遍反映自动能见度仪与人工观测的能见度值存在较大的差异。为此，笔者于2014年7月1日至12月31日，每天8：00—20：00进行人工与自动对比观测，值班观测员每个时次正点观测1次人工能见度，并以观测场观测点为中心，在视平面上用课题专用照相机采用自动调焦方式拍摄3～4张观测场四周景象照片，记录正点人工与自动能见度值、正点天气现象。为尽可能消除值班员人工观测个性化误差，利用照片对人工能见度观测数据逐个进行质控修正，形成辅助判别人工能见度的照片资料近9 500张，人工与自动能见度对比观测有效数据2 376个样本。同时，采用差值平均、差值率平均、差值标准差及相关性分析等方法，开展能见度人工与自动观测数据的对比分析，探讨出现差异的原因，以便做好本站视程天气现象的质控，为长沙站历史人工能见度资料与现行自动观测资料的对接应用提供参考依据。 1 资料与方法
1.1 资料来源
长沙国家基本气象观测站配备的能见度观测设备为前向散射式自动能见度仪，由该仪器的工作原理可知，仪器主要是利用光线经过大气通路时，粒子对光的散射强度与粒子密度密切相关，并在前向强信号散射区存在一定角度与大气能见度具有很好的相关性原理来测量大气能见度[3]。该型能见度仪具有结构紧凑、安装维护方便、性价比高的优点，现已普遍投入气象台站使用。
本文以长沙国家基本气象站前向散射式自动能见度观测资料为基础，借鉴专业部门和兄弟单位对自动能见度仪进行对比观测的经验和取得的科研成果，通过2014年7月1日至12月31日，每天8：00—20：00进行人工与自动观测仪器同步的精细化人工观测，形成对比观测资料2 376个样本序列。
1.2 分析方法
以人工能见度观测值为标准，参考周建荣等[1]的研究方法，分5个能见度区间（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），对人工与自动能见度对比观测数据进行差值、差值率、差值平均、差值率平均、差值标准差及线性相关分析，通过对数据的图表和统计分析，得到不同视程条件下自动能见度与人工能见度观测值的定性、定量分析结果。相关计算公式：
Δ=VR-VZ
ρ=Δ/VR×100%
其中：N为样本数，VR为人工能见度值，VZ为自动能见度值，Δ为差值，ρ为差值率，Δ为平均差值，ρ为平均差值率，σ为差值标准差[4]。
2 结果与分析
2.1 能见度人工与自动对比观测结果
对比观测期间，人工与自动观测的视程天气现象进行了相应的统计分析，得到表1、表2。从表中统计数据可以看出，就平均情况而言，人工能见度观测值普遍大于自动观测值（存在个别相反情况，其中区间Ⅱ出现8次，占样本5.2%），其观测数据的差值、差值率、差值标准差基本上随能见度的增加而增加，人工与自动观测数据的相关性区间Ⅴ最好，区间Ⅱ次之，其他区间相关性较差；另外，利用自动能见度配合其他气象要素记录相关视程天气现象（轻雾、霾、雾），出现了多记该类天气现象的情况。总体看来，本站人工与自动能见度观测的差异主要表现为自动能见度观测值小于人工观测值，这一结论与潘先洁等[4]的研究成果有一定出入。
2.2 差异的原因分析
前向散射式能见度仪采样空间小，以探测平面均质大气的假设条件为前提测量能见度，能见度仪安装在观测场平面，实际测量的是以观测场作为下垫面2.8 m高度处局部大气的能见度。长沙国家基本气象站对比观测场设在海拔115 m的山头顶部，除东南面有山体相连外，其余周边均为海拔高度50 m左右的低洼农田，远处山体环绕，视野非常开阔，根据中国气象局《地面气象观测规范》，观测员目测的能见度实际上是离地面70 m左右高度处四周视野1/2以上的大气能见度。由于自动与人工两者能见度观测的样本大气环境不同，观测面上影响大气透明度的水汽、颗粒物等密度也有差异，一般而言，地面辐射降温、微风情况下，离地面越近，大气中水汽、颗粒物密度越大，笔者认为这就是本站大多数情况下自动能见度观测值小于人工观测值的主要原因，同时，也产生了自动视程低能见度天气现象记录偏多的情况[5]。
3 结论与讨论
根据上述研究分析得到如下结论及建议：一是人工能见度观测值普遍大于自动观测值，观测数据的差值、差值率、差值标准差基本上随能见度的增加而增加。二是人工与自动观测数据的相关性区间Ⅴ（VV≥10 000 m）最好，区间Ⅱ（1 000 m≤VV<3 000 m）次之，其他区间相关性较差；另外，利用自动能见度配合其他气象要素记录相关视程天气现象（轻雾、霾、雾），出现了多记该类天气现象的情况。三是考虑到自动能见度仪的观测局限性，观测员必须重视和加强自动能见度观测的质量控制，尽可能提高相关视程天气现象记录的准确性，特别要确保雾、霾记录的准确性，为交通和环境气象服务预报预警提供可靠的观测数据。四是为确保能见度自动观测质量，提高气象台站能见度观测资料的权威性，建议大中型城市台站在配备前向散射式能见度仪的基础上，增配透射式能见度仪或激光雷达。
4 参考文献
[1] 濮江平，胡宗刚，魏阳春，等.能见度自动观测系统性能对比及分析[J].气象科学，2002（1）：60-71.
[2] 赵晓莉，闫军，苑跃，等.能见度自动观测仪与人工观测资料对比分析[J].计算技术与自动化，2013（4）：138-141.
[3] 王振会，黄兴友，马舒庆.大气探测学[M].北京：气象出版社，2011.
[4] 潘先洁，陈俊，陈思炼，等.云和站能见度自动观测系统与人工观测的对比分析[J].现代农业科技，2012（9）：23-24.
[5] 周林，巩在武.能见度自动观测和人工目测的对比分析[J].安徽农业科学，2015（11）：182-234.
关键词 能见度仪；人工观测；视程；差异分析
中图分类号 P412.17 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）15-0249-02
Analysis on Difference Between Forward Scatter Visibility Instrument and Manual Observation Results
ZHONG Jin-lian 1 ZHOU Lu 2 ZHOU Jian-kun 1 WU Jin 3
（1 Changsha Meteorological Bureau in Hunan Province，Changsha Hunan 410205； 2 Ningxiang Meteorological Bureau； 3 Xiangyin Meteorological Bureau）
Abstract By using of the mean difference，difference rate of average，standard deviation and correlation analysis methods，the statistics and comparative analysis for manual and automatic visibility observation data at Changsha National Basic Meteorological station were carried out.The conclusion was obtained as follows：Generally，the manual observation result value was greater than the automatic observation.The difference value，deviation-rate，standard deviation of the difference value increased with the visibility result.The correlation of manual and automatic observation data at Section Ⅴ（VV≥10 000 m）was 0.834，at Section Ⅱ（1 000 m≤VV<3 000 m）the correlation was 0.776，and the relevance of other sections were not significant.Automatic visibility with other meteorological elements to record visibility weather phenomenon（light fog，haze，fog）would have extra record usually，the reasons of extra records were presented.Improving suggestions of the forward scatter visibility instrument in operational application were summarized，and the reference and data sustainment for automatic visibility data quality control and service application was proposed.
Key words visibility instrument；manual observation；visual range；difference analysis
随着我国综合气象观测自动化进程的加快，基层气象台站逐步配备了自动能见度观测仪。长沙国家基本气象站2013年底配备和安装了前向散射式自动能见度仪，于2014年1月正式开始业务运行观测，使自动观测仪逐渐替代人工观测，大大增强能见度观测项目的客观性和数据的一致性[1-2]。但在业务运行过程中，观测员普遍反映自动能见度仪与人工观测的能见度值存在较大的差异。为此，笔者于2014年7月1日至12月31日，每天8：00—20：00进行人工与自动对比观测，值班观测员每个时次正点观测1次人工能见度，并以观测场观测点为中心，在视平面上用课题专用照相机采用自动调焦方式拍摄3～4张观测场四周景象照片，记录正点人工与自动能见度值、正点天气现象。为尽可能消除值班员人工观测个性化误差，利用照片对人工能见度观测数据逐个进行质控修正，形成辅助判别人工能见度的照片资料近9 500张，人工与自动能见度对比观测有效数据2 376个样本。同时，采用差值平均、差值率平均、差值标准差及相关性分析等方法，开展能见度人工与自动观测数据的对比分析，探讨出现差异的原因，以便做好本站视程天气现象的质控，为长沙站历史人工能见度资料与现行自动观测资料的对接应用提供参考依据。 1 资料与方法
1.1 资料来源
长沙国家基本气象观测站配备的能见度观测设备为前向散射式自动能见度仪，由该仪器的工作原理可知，仪器主要是利用光线经过大气通路时，粒子对光的散射强度与粒子密度密切相关，并在前向强信号散射区存在一定角度与大气能见度具有很好的相关性原理来测量大气能见度[3]。该型能见度仪具有结构紧凑、安装维护方便、性价比高的优点，现已普遍投入气象台站使用。
本文以长沙国家基本气象站前向散射式自动能见度观测资料为基础，借鉴专业部门和兄弟单位对自动能见度仪进行对比观测的经验和取得的科研成果，通过2014年7月1日至12月31日，每天8：00—20：00进行人工与自动观测仪器同步的精细化人工观测，形成对比观测资料2 376个样本序列。
1.2 分析方法
以人工能见度观测值为标准，参考周建荣等[1]的研究方法，分5个能见度区间（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），对人工与自动能见度对比观测数据进行差值、差值率、差值平均、差值率平均、差值标准差及线性相关分析，通过对数据的图表和统计分析，得到不同视程条件下自动能见度与人工能见度观测值的定性、定量分析结果。相关计算公式：
Δ=VR-VZ
ρ=Δ/VR×100%
其中：N为样本数，VR为人工能见度值，VZ为自动能见度值，Δ为差值，ρ为差值率，Δ为平均差值，ρ为平均差值率，σ为差值标准差[4]。
2 结果与分析
2.1 能见度人工与自动对比观测结果
对比观测期间，人工与自动观测的视程天气现象进行了相应的统计分析，得到表1、表2。从表中统计数据可以看出，就平均情况而言，人工能见度观测值普遍大于自动观测值（存在个别相反情况，其中区间Ⅱ出现8次，占样本5.2%），其观测数据的差值、差值率、差值标准差基本上随能见度的增加而增加，人工与自动观测数据的相关性区间Ⅴ最好，区间Ⅱ次之，其他区间相关性较差；另外，利用自动能见度配合其他气象要素记录相关视程天气现象（轻雾、霾、雾），出现了多记该类天气现象的情况。总体看来，本站人工与自动能见度观测的差异主要表现为自动能见度观测值小于人工观测值，这一结论与潘先洁等[4]的研究成果有一定出入。
2.2 差异的原因分析
前向散射式能见度仪采样空间小，以探测平面均质大气的假设条件为前提测量能见度，能见度仪安装在观测场平面，实际测量的是以观测场作为下垫面2.8 m高度处局部大气的能见度。长沙国家基本气象站对比观测场设在海拔115 m的山头顶部，除东南面有山体相连外，其余周边均为海拔高度50 m左右的低洼农田，远处山体环绕，视野非常开阔，根据中国气象局《地面气象观测规范》，观测员目测的能见度实际上是离地面70 m左右高度处四周视野1/2以上的大气能见度。由于自动与人工两者能见度观测的样本大气环境不同，观测面上影响大气透明度的水汽、颗粒物等密度也有差异，一般而言，地面辐射降温、微风情况下，离地面越近，大气中水汽、颗粒物密度越大，笔者认为这就是本站大多数情况下自动能见度观测值小于人工观测值的主要原因，同时，也产生了自动视程低能见度天气现象记录偏多的情况[5]。
3 结论与讨论
根据上述研究分析得到如下结论及建议：一是人工能见度观测值普遍大于自动观测值，观测数据的差值、差值率、差值标准差基本上随能见度的增加而增加。二是人工与自动观测数据的相关性区间Ⅴ（VV≥10 000 m）最好，区间Ⅱ（1 000 m≤VV<3 000 m）次之，其他区间相关性较差；另外，利用自动能见度配合其他气象要素记录相关视程天气现象（轻雾、霾、雾），出现了多记该类天气现象的情况。三是考虑到自动能见度仪的观测局限性，观测员必须重视和加强自动能见度观测的质量控制，尽可能提高相关视程天气现象记录的准确性，特别要确保雾、霾记录的准确性，为交通和环境气象服务预报预警提供可靠的观测数据。四是为确保能见度自动观测质量，提高气象台站能见度观测资料的权威性，建议大中型城市台站在配备前向散射式能见度仪的基础上，增配透射式能见度仪或激光雷达。
4 参考文献
[1] 濮江平，胡宗刚，魏阳春，等.能见度自动观测系统性能对比及分析[J].气象科学，2002（1）：60-71.
[2] 赵晓莉，闫军，苑跃，等.能见度自动观测仪与人工观测资料对比分析[J].计算技术与自动化，2013（4）：138-141.
[3] 王振会，黄兴友，马舒庆.大气探测学[M].北京：气象出版社，2011.
[4] 潘先洁，陈俊，陈思炼，等.云和站能见度自动观测系统与人工观测的对比分析[J].现代农业科技，2012（9）：23-24.
[5] 周林，巩在武.能见度自动观测和人工目测的对比分析[J].安徽农业科学，2015（11）：182-234.