第9章能見度的測量(易)

1、第9章 能見度的測量9.1概述9.1.1定義能見度（Visibility）是首先為了氣象目的而定義的通過人工觀測者定量估計的量，以這種方式進行的觀測現(xiàn)正廣泛地采用。然而，能見度的估計受許多主觀的和物理的因素的影響；基本的氣象量，即大氣透明度，可以客觀地測量，并用氣象光學(xué)視程（MOR）表示。氣象光學(xué)視程（Meteorological optical range）是指由白熾燈發(fā)出的色溫為2700K的平行光束的光通量在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路徑長度。該光通量采用國際照明委員會（ICI）的光度測量發(fā)光度函數(shù)未確定。白天氣象能見度（Meteorological visibility by da

2、y）定義為：相對于霧、天空等散射光背景下觀測時，一個安置在地面附近的適當(dāng)尺度的黑色目標(biāo)物能被看到和辨認(rèn)出的最大距離。必須強調(diào)的是，采用的標(biāo)準(zhǔn)是辨認(rèn)出目標(biāo)物，而并非僅看到目標(biāo)物卻不能辨認(rèn)出它是什么。夜間氣象能見度（Meteorological visibility at night）定義為：（a）假想總體照明增加到正常白天的水平，適當(dāng)尺度的黑色目標(biāo)物能被看到和辨認(rèn)出的最大距離；或（b）中等強度的發(fā)光體能被看到和識別的最大距離?？諝夤猓ˋirlight）是指來自太陽和天空由觀測者視野圓錐中的大氣懸浮物（和更小尺度的空氣分子）散射入觀測者眼中的光線。也就是說，空氣光以漫射的天空輻射到達(dá)地球表面相同的

3、方式進入眼睛?？諝夤馐窍拗坪谏繕?biāo)物白天水平能見度的主要因素，因為沿從目標(biāo)物到眼睛的視野圓錐對空氣光積分，使一個充分遠(yuǎn)的黑色目標(biāo)物的視亮度提高至不能從天空背景下辨認(rèn)出來的水平。同主觀的估計相反，大多數(shù)進入觀測者眼睛的空氣光來源于離他較遠(yuǎn)的視野圓錐的部分。以下四個光度測定量是以不同標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)定義的，諸如由國際電子技術(shù)委員會（IEC，1987）：（a）光通量（Luminous flux）（符號：F（或），單位：lm（流明）是由輻射通量導(dǎo)出的量，按其對國際照明委員會（ICI）標(biāo)準(zhǔn)光度觀測儀的作用確定的輻射量。（b）發(fā)光強度（Luminous intensity）（符號：I，單位：cd（坎德拉）或lm

4、sr-1（流明每球面度）每單位立體角中的光通量。（c）光亮度（Luminance）（符號：L，單位：cd m-2（坎德拉每平方米）每單位面積上的發(fā)光強度。（d）光照度（Illuminance）（符號：E，單位：lux（勒克斯）或lm m-2）每單位面積上的光通量。消光系數(shù)（Extinction coefficient）（符號：）是色溫為2700K的白熾光源發(fā)出的平行光束經(jīng)過大氣中單位距離的路徑損失的那部分光通量。該系數(shù)是對由于吸收和散射造成的衰減的測量。亮度對比（Luminance contrast）（符號：C）是目標(biāo)物的亮度與其背景亮度之差同背景亮度之比值。對比閾值（Contrast thr

5、eshold）（符號：）是人眼能察覺的最小亮度對比，例如，允許目標(biāo)物從背景中消失的值，對比閾值隨各人而異。照度閾值（Illuminance threshold）（Et）在特定亮度背景下人眼察覺點源的光的最小照度。因而，Et的值隨光照條件而變化。透射因數(shù)（Transmission factor）（T）定義為對由色溫為2700K的白熾光源發(fā)出的平行光束在大氣中經(jīng)過給定長度的光學(xué)路徑后的剩余的光通量的分?jǐn)?shù)。透射因數(shù)也叫做透射系數(shù)。當(dāng)限定路徑時，即一個特定長度（例如在透射表的情況下），也采用透射比或透射率一類的術(shù)語。在這種情況下，T通常乘以100以百分?jǐn)?shù)表示。9.1.2單位和標(biāo)尺氣象能見度或氣象光學(xué)視

6、程MOR用m或km表示。測量范圍隨應(yīng)用而變化，對天氣尺度要求，MOR的尺度從小于100m到大于70km，而在其他應(yīng)用時測量范圍可有相當(dāng)?shù)南拗啤γ裼煤娇諄碚f，上限為10km。當(dāng)應(yīng)用于描述著陸和起飛條件的能見度較小情況下的跑道視程的測量時，這個范圍還要進一步縮小。跑道視程僅要求在500m和1500m之間（見第二編第2章）。對于其他應(yīng)用，諸如陸路或海上交通，按照測量的要求和位置有著不同的限度。能見度測量的誤差與能見度成比例增加，測量標(biāo)度考慮到了這一點。反映在天氣報告使用的電碼中通過用三種線性分段逐步降低分辨率，即100m到5000m，步長為100m，6到30km，步長為1km，35km到70km，

7、步長為5km。除了能見度低于900m外，這種標(biāo)度可使報告的能見度值比測量準(zhǔn)確度更好。9.1.3氣象要求能見度概念在氣象學(xué)中廣泛地應(yīng)用，主要表現(xiàn)為兩個方面：首先，它是表征氣團特性的要素之一，特別是滿足天氣學(xué)和氣候?qū)W的需要。此時以能見度表示大氣的光學(xué)狀態(tài)。其次，它是與特定判據(jù)或和特殊應(yīng)用相對應(yīng)的一種業(yè)務(wù)性變量。為了適應(yīng)這一要求，把它直接表示成能見度的特殊標(biāo)志或發(fā)光體的可視距離。一個特別重要的應(yīng)用是對航空的氣象服務(wù)（見第二編第2章）。氣象學(xué)采用的能見度測量應(yīng)不受極端氣象條件的影響，但必須與能見度的直覺概念和普通目標(biāo)物在正常情況下能看到的距離直接相關(guān)。MOR業(yè)已確定能滿足這些要求，且晝夜均便于用儀器測

8、量，與能見度的其他測量具有完全明確的關(guān)系。MOR已由WMO正式確定為普通的和航空用的能見度的測量（WMO，1990a）。它也由國際電子技術(shù)委員會確認(rèn)（IEC，1987）可應(yīng)用于大氣光學(xué)和可見的信號。MOR通過對比閾值（）與能見度的直覺概念相聯(lián)系。1924年Koschmieder，遵從Helmholtz提出將0.02作為的值，其他作者提出了別的數(shù)值。這些值從0.0077到0.06，或者甚至0.2。對給定大氣條件，較小的值得出較大的能見度估算值。對航空要求而言，人們認(rèn)為應(yīng)大于0.02，可取作0.05，因為對于一個飛行員來說，相對于周圍地域的目標(biāo)物（跑道標(biāo)記）對比要比相對地平的目標(biāo)物的對比低得多。常

9、假設(shè)當(dāng)觀測者能看到和辨認(rèn)一個相地于地平的黑色目標(biāo)物，目標(biāo)物的視對比為0.05，其解釋下面將給出，由此得出在MOR的定義中把透射因數(shù)選為0.05。準(zhǔn)確度要求在第一編第1章中討論。9.1.4測量方法能見度是一個復(fù)雜的心理物理現(xiàn)象，主要受制于懸浮在大氣中的固體和液體微粒引起的大氣消光系數(shù)；消光主要由光的散射而非吸收所造成。其估計值依從于個人的視覺和對可見的理解水平而變化，同時受光源特征和透射因數(shù)的影響。因此，能見度的目測估計值都是主觀的。當(dāng)觀測者估計能見度時，并不僅僅是取決于所理解的或應(yīng)當(dāng)理解的目標(biāo)物的光度測定的和尺度的特征，還取決于觀測者的對比閾值。在夜間，取決于光源強度，背景照度，若由觀測者估計

10、的話，還取決于觀測者的眼睛對黑暗的適應(yīng)能力和觀測者的照度閾值。夜間能見度的估計存在著特殊的問題。9.1.1節(jié)中夜間能見度的第一種定義是通過與晝間能見度等效方式給出的，以保證在黎明和黃昏估計能見度時不出現(xiàn)人為變化。第二種定義具有實際應(yīng)用價值，尤其是對航空要求，但與第一種定義不同，通常得出不同的結(jié)果。兩者顯然都是不精確的。MOR可以用儀器方法測量消光系數(shù)從而計算得出。于是能見度可由對比閾值和照度閾值計算得出，或指定與它們一致的值。Sheppard(1983)指出：“嚴(yán)格的遵從（MOR的）定義應(yīng)要求把具有適當(dāng)光譜特性的發(fā)射器和接收器安置在可以分離的兩個平臺上，例如沿鐵路線，直到透射比為5%。任何其它

11、方法都只能給出MOR的估計值?！比欢褂霉潭ǖ膬x器是在消光系數(shù)與距離相互獨立的假設(shè)基礎(chǔ)上的。一些儀器直接測量衰減，另一些儀器測量光的散射，均用以得出消光系數(shù)。9.3節(jié)中對這些方法進行了說明。本章中有關(guān)能見度物理學(xué)的主要分析，對理解消光系數(shù)各種測量方法之間的關(guān)系以及對用能見度測量的儀器的考慮是很有用的。視覺適光的和暗光的視覺目測視覺基于人眼在可見光譜中相對于單色輻射的適當(dāng)效率的測量。適光和暗光分別指白天和夜間的情況。修飾語適光指白天光照環(huán)境下，眼睛的適應(yīng)狀態(tài)。更精確地說，適光狀態(tài)定義為具有正常視力的觀測者對光線射入視網(wǎng)膜中央凹（視網(wǎng)膜最敏感的中樞部分）的刺激所作出的反應(yīng)。在這種適應(yīng)條件下，中央

12、凹可區(qū)別出細(xì)微的清晰度和顏色。在適光的視覺下（通過中央凹感光），眼睛的相對感光效率隨入射光的波長而變化。在適光條件下眼睛的感光效率在波長為550nm時達(dá)到最大值。以波長為550nm時的效率作為參照值，可以建立人眼在可見光譜中各種波長的相對效率的反應(yīng)曲線。圖9.1中的曲線就是如此得出的，已由ICI采用作為正常觀測者的平均相對感光效率。圖9.1人眼對單色光的相對感光效率。實線表示白天的視覺，虛線表示夜間的視覺夜間視覺視作是暗光的（以視網(wǎng)膜的視桿細(xì)胞取代中央凹產(chǎn)生視覺），視桿細(xì)胞作為視網(wǎng)膜上的外圍部分對顏色和細(xì)微清晰度不敏感，但對低的光強度特別敏感。在暗光視覺中，最大感光效率與507nm波長相對應(yīng)。

13、暗光視覺需要長時間的適應(yīng)過程，長達(dá)30分鐘，而適光視覺只需2分鐘?；痉匠棠芤姸葴y量的基本方程是Bouguer-Lambert定律： （9.1）式中，F(xiàn)是在大氣中經(jīng)過x路徑長度接受的光通量，F(xiàn)0是在x=0時的光通量，為消光系數(shù)。求導(dǎo)可得： （9.2）注意，此定律僅在單色光時有效，但可以作為一個好的近似值應(yīng)用于光譜通量。透射因數(shù)為： （9.3）MOR與代表大氣光學(xué)狀態(tài)的許多變量的數(shù)學(xué)關(guān)系可以從Bouguer-Lambert定律推得出。根據(jù)方程（9.1）和（9.3），有： （9.4）若此定律應(yīng)用于MOR定義的T=0.05，則x=P，T可寫成下列關(guān)系： （9.5）因此，MOR對消光系數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

14、 （9.6）式中，ln是底數(shù)為e的對數(shù)或自然對數(shù)。與由Bouguer-Lambert定律導(dǎo)出的方程（9.4）、9.6聯(lián)立，得出下列方程： （9.7）此方程是采用透射表測量MOR的基本原理，此時，x等于方程（9.4）中透射表的基線a。白天氣象能見度亮度對比為： （9.8）這里L(fēng)h是地平天空背景亮度，Lb是目標(biāo)物亮度。地平天空背景亮度是由沿觀測者視線的大氣散射的空氣光產(chǎn)生的。必須注意的是，若目標(biāo)物比地平天空背景暗，則C為負(fù)值，若目標(biāo)物是黑色的（Lb=0），則C=-1。1924年，Koschmieder建立了遠(yuǎn)處的觀測者在地平天空下看到的目標(biāo)物的視亮度對比（Cx）與其固有亮度對比（C0），即假想從很

15、近處看到的地平天空下的目標(biāo)物的亮度對比之間的關(guān)系，此即其后變成眾所周知的Koschmieder定律。Koschmieder的關(guān)系式可寫成： （9.9）當(dāng)散射系數(shù)與方位角無關(guān)，且沿觀測者、目標(biāo)物和地平天空之間的整個路徑上的照度均勻時，此關(guān)系式成立。若黑色目標(biāo)物針對地平天空可觀測到（C0=-1）且視亮度對比為-0.05，則方程9.9可簡化為： （9.10）將這一結(jié)果與方程9.5相比較表明，在地平天空背景下，當(dāng)一個黑色目標(biāo)物的視亮度對比值為0.05時，該目標(biāo)物即處于MOR（P）。夜間氣象能見度夜間作為能見度標(biāo)記的發(fā)光體能被看到的距離并非簡單地與MOR相關(guān)。它不但取決于MOR和發(fā)光體光的強度，還取決于

16、觀測者眼睛處從其他光源來的照度。1876年，Allard提出了從已知強度的點光源發(fā)出的光的衰減定律，它是距離和消光系數(shù)的函數(shù)，點光源的亮度由下式給出： （9.11）當(dāng)光為恰好可見時，E=Et并有下式： （9.12）考慮9.6式，可以得出： （9.13）MOR與各種發(fā)光體的可見距離之間的關(guān)系可參見9.2.3節(jié)中的論述，此方程在目測中的應(yīng)用將在9.2節(jié)中敘述。9.2目視估計氣象光學(xué)視程9.2.1概述氣象觀測員可以通過自然的或人造的目標(biāo)物（樹林，巖石，城堡，尖塔，教堂，燈光等）對MOR進行目測估計。每一測站應(yīng)準(zhǔn)備一張用于觀測的目標(biāo)物分布圖，在其中標(biāo)明它們相對于觀測者的距離和方位。分布圖中應(yīng)包括分別適

17、用于白天觀測和夜間觀測的各種目標(biāo)物。觀測者必須特別注意MOR的顯著的方向變化。觀測必須由具有正常視力且受過適當(dāng)訓(xùn)練的觀測員來進行，不能用附加的光學(xué)設(shè)備（單筒、雙筒望遠(yuǎn)鏡、經(jīng)緯儀等），更要注意不能透過窗戶觀測，尤其是在夜間觀測目標(biāo)物或發(fā)光體時。觀測員的眼睛應(yīng)在地面以上的標(biāo)準(zhǔn)高度（大約1.5m），不應(yīng)在控制塔或其他的高的建筑物的上層進行觀測。當(dāng)能見度低時，這一點尤其重要。當(dāng)能見度在不同方向上變化時，記錄或報告的值決定于所作報告的用途。在天氣電報中取較低值能見度作報告，而用于航空的報告則應(yīng)遵循WMO的規(guī)定。9.2.2白天氣象光學(xué)視程的估計白天觀測的能見度目測估計值是MOR真值的較好的近似值。一般應(yīng)滿

18、足以下要求：白天應(yīng)選擇盡可能多的不同方向上的目標(biāo)物，只選擇黑色的或接近黑色的在天空背景下突出于地平面的目標(biāo)物。淺色的目標(biāo)物或位置靠近背景地形的目標(biāo)物應(yīng)盡量避免。當(dāng)陽光照射在目標(biāo)物上時，這一點尤為重要。如果目標(biāo)物的反射率不超過25%，在陰天條件下引起的誤差不超過3%，但有陽光照射時則誤差要大得多。因此，白色房屋是不合適的，無陽光強烈照射時，深色的樹林很合適。如果必須采用地形背景下的目標(biāo)物，則該目標(biāo)物應(yīng)位于背景的前方并遠(yuǎn)離背景，即至少為其離觀測點的距離的一半遠(yuǎn)處。例如，樹林邊上的單棵樹就不適用于能見度觀測。為使觀測值具有代表性，在觀測者眼中目標(biāo)物的對角不應(yīng)小于0.5。對角小于0.5的目標(biāo)物相比同樣

19、環(huán)境下的更大一點的物體即使在較短距離下將會變得不可見。我們注意到：一個打在卡片紙上的約7.5mm直徑的孔，把它放在一只手臂長度處，其對角即近似等于0.5；通過此孔能看到的物體都滿足引要求。這一點很有用。然而，這類目標(biāo)物的對角又不應(yīng)超過5。9.2.3夜間氣象光學(xué)視程的估計下面描述的方法，用以通過夜間對光源的感覺距離的目測來估計MOR的值。任何光源都可用作能見度觀測的目標(biāo)物。只要在觀測方向上其強度是完全確定的和已知的。然而，通常認(rèn)為是點光源更合乎要求，且其強度在某一特別的方向上并不比在另外的方向上大，同時不能限制在一個過小的立體角中。必須注意確保光源的機械的和光學(xué)的穩(wěn)定性。必須將作為點光源的各個光

20、源與其周圍無其它光源和或發(fā)光區(qū)以及發(fā)光群區(qū)分開來，即使它們之間是相互分離的。在后一種情況下，這樣的排列會分別影響到作為目標(biāo)物的每個光源的能見度。在夜間能見度測量中，只能采用呈適當(dāng)分布的點光源作為目標(biāo)物。還應(yīng)注意到，夜間觀測中采用被照亮的目標(biāo)物，會受到環(huán)境照明、目眩的生理效應(yīng)以及其它光的影響，即使其它光位于視場之外，尤其是隔著窗戶進行觀測。因此，只有在黑暗的和適當(dāng)選擇的場地才能得出準(zhǔn)確的和可靠的觀測值。此外，生理因素的重要性不可忽略，因為它們是觀測偏差的主要來源。重要的是只有具有正常視力的合格的觀測員才能從事此類觀測。另外，必須考慮有一段適應(yīng)的時間（通常5-15分鐘），在這段時間內(nèi)使眼睛習(xí)慣于黑

21、暗視場。出于應(yīng)用目的，夜間對點光源感覺距離和MOR值之間的關(guān)系可用兩種方式表述：（a）對每一個MOR值，通過給定發(fā)光強度的光，于是在恰好可見的距離上與MOR值之間存在著直接對應(yīng)關(guān)系；（b）對給定發(fā)光強度的光，通過給出對光的感覺距離和MOR值之間的相應(yīng)的關(guān)系。因為在不同距離上安裝不同強度的光源并不是一件容易的事情，第二種關(guān)系要容易些和實際些。這一方法要求用原本存在的或特意安裝在觀測站周圍的光源，并用這些光源的相應(yīng)值代入方程9.13中的I、r、Et。這樣，氣象部門可以制定出一份作為背景亮度和已知強度的光源的函數(shù)的MOR值的表。指定的照度閾值Et明顯地隨周圍亮度的變化而變化?？紤]作為平均觀測者的值，

22、應(yīng)采用以下各值：（a）10-6.0Lux，黎明和黃昏，或當(dāng)有來自可感覺的人工光源的光時；（b）10-6.7Lux，月夜或當(dāng)天空并不十分黑暗時；（c）10-7.5Lux，完全黑暗，或除了星光外無其它光。下表給出了在不同觀測條件下在每個上述方法中MOR值與對光源的感覺距離之間的關(guān)系。該表已編入氣象部門作為在夜間能見度觀測中用以選擇或安裝點光源的指南，并為指導(dǎo)觀測員計算MOR值作準(zhǔn)備。三個Et值下MOR與恰好可見點光源的強度之間的關(guān)系MOR在P欄距離上恰好可見的燈泡的發(fā)光強度cd（坎德拉）P(m)曙光Et=10-6.0月夜Et=10-6.7漆黑Et=10-7.51000.20.040.0062000

23、.80.160.025500510.1610002040.63200080162.55000500100161000020004006320000800016002535000050000100001580三個Et值下MOR與100cd的點光源恰好可見的距離之間的關(guān)系MOR100cd燈泡的感覺距離（m）作為MOR值的函數(shù)P(m)黎明Et=10-6.0月夜Et=10-6.7漆黑Et=10-7.5100250290345200420500605500830103012701000134017202170200020902780365050003500500069701000048507400109

24、0020000626010300164005000079001450025900一個普通100W白熾燈泡發(fā)出的光強大約為100cd?？紤]到由于視亮度閾值相對小的變化和不同的總的照明條件所引起的重要差異，顯然上表并不作為給出的一個能見度的絕對標(biāo)準(zhǔn)，但卻明確了對夜間用于估計MOR值的點光源需要進行校準(zhǔn)，以盡可能保證在不同地方和由不同部門進行的夜間觀測可以相互比較。9.2.4缺少遠(yuǎn)距離目標(biāo)物時氣象光學(xué)視程的估計在某些地方（開闊平原、船舶等），或者因水平視線受限制（山谷或環(huán)狀地形）、或者缺乏適合的能見度目標(biāo)物，除了相對低的能見度之外直接進行估計是不可能的。在這樣的情況下，要是沒有儀器方法可采用，MOR

25、的值比已有的能見度目標(biāo)物更遠(yuǎn)時就必須根據(jù)大氣的一般透明度來作出估計。這種估計，可以通過注意那些距離最遠(yuǎn)的醒目的能見度目標(biāo)物的清晰程度來進行。如果目標(biāo)物的輪廓和特征清晰，甚至其顏色也幾乎并不模糊，就表明這時的MOR大于能見度目標(biāo)物和觀測員之間的距離。另一方面，如果能見度目標(biāo)物模糊或難以辨認(rèn)，則表明存在使氣象光學(xué)視程減小的霾或其它大氣現(xiàn)象。9.2.5目測的準(zhǔn)確度概述進行目標(biāo)物觀測的人應(yīng)受過適當(dāng)?shù)挠?xùn)練和具有通常所指的正常視力。由于不同的人有著不同的視覺和對可見的理解水平，所以在給定的大氣狀態(tài)下，這種人為因素在能見度的估計中有相當(dāng)明顯的影響。白天目測估計氣象光學(xué)視程的準(zhǔn)確度觀測表明建立在儀器測量基礎(chǔ)上

26、的MOR的估計與白天能見度的估計是一致的。若觀測者的對比閾值為0.05（采用認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)）且儀器和觀測者的周圍的消光系數(shù)是相同的，能見度和MOR就應(yīng)該是相等的。Middleton(1952)由1000次測量結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，一個由10位受過氣象觀測員培訓(xùn)的年青飛行員組成的小組的平均對比率閾值是0.033，對單次觀測來說，該值從小于0.01到大于0.2不等。Sheppard(1983)曾指出當(dāng)把Middleton的數(shù)據(jù)在對數(shù)坐標(biāo)上繪出時結(jié)果表明與高斯（Gaussian）分布吻合得很好。若Middleton的數(shù)據(jù)代表正常的觀測條件，則白天能見度的估計將比MOR約平均高出14%，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為MOR的20%。

27、這些計算與WMO第一次能見度測量相互比對（WMO，1990b）的結(jié)果非常一致。后者發(fā)現(xiàn)在白天，觀測者對能見度的估計值比MOR的儀器測量值高出大約15%。在觀測員和儀器之間的差異的四分位差大約是MOR測量值的30%。若為高斯分布，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為22%。夜間目測估計氣象光學(xué)視程的準(zhǔn)確度從9.2.3節(jié)的表中很容易地看到，如果沒有適當(dāng)?shù)乜紤]光強和視野條件的容差，而簡單地由普通光的可見距離得出的MOR值是多么容易產(chǎn)生誤導(dǎo)。由此必須強調(diào)對觀測員給予精確的、明確的指導(dǎo)并對能見度觀測進行培訓(xùn)的重要性。實際上，我們注意到上述為建立發(fā)光目標(biāo)物準(zhǔn)備的計劃所采用的方法和表格并非易于實施，用作目標(biāo)物的光源不一定在適合

28、的位置或有穩(wěn)定的已知光強，而且并非總是點光源。對于最后一點，發(fā)光體可能是寬的窄的光束、成群排列，或甚至帶有不同的顏色，而眼睛對不同顏色有不同敏感度。在使用這些發(fā)光體時一定要特別小心。僅當(dāng)發(fā)光體及其背景經(jīng)過仔細(xì)地選擇和觀測者的視野條件精心地控制，且有相當(dāng)長的時間用于觀測以確保觀測者的眼睛完全適應(yīng)視野條件時，對發(fā)光體的視程的估計才能提供可靠的夜間能見度的估計。WMO第一次能見度測量相互比對（WMO，1990b）結(jié)果表明，在數(shù)小時的黑暗中，觀測員對能見度的估計值大約比MOR的儀器量值高出約30%，觀測者和儀器之間相差的四分位差只是比白天稍大一些（大約是MOR測量值的35%40%）。9.3氣象光學(xué)視程

29、的儀器測量9.3.1概述采取一些假設(shè)，可使儀器的測量值轉(zhuǎn)化為MOR值，若有大量合適的能見度目標(biāo)物可用于直接觀測，使用儀器進行白天能見度的測量并非總是有利的。然而，對夜間觀測或當(dāng)沒有可用的能見度目標(biāo)物時或?qū)ψ詣佑^測系統(tǒng)來說，能見度測量儀器是很有用的。用于測量MOR的儀器可分為以下兩類：a）用于測量水平空氣柱的消光系靈敏或透射因數(shù)。光的衰減是由沿光束路徑上的微粒散射和吸收造成的。B）用于測量小體積空氣對光的散射系數(shù)。在自然霧中，吸收通?？珊雎裕⑸湎禂?shù)可視作與消光系數(shù)相同。以上兩類包括用于觀測員目測的儀器和使用光源和由光電池或檢測發(fā)射光束的光電二極管組成的電子設(shè)備的儀器，目測型儀器的主要缺點是如果

30、觀測者沒有留出充足的時間使其眼睛適應(yīng)觀測條件時，會出現(xiàn)很大的誤差（特別是在夜晚）。這兩種MOR測量儀器的主要特征描述如下。9.3.2測量消光系數(shù)的儀器光度遙測儀器若干遙測光度表是按白天測量消光系數(shù)而設(shè)計的，它是通過對遠(yuǎn)距離目標(biāo)的視亮度和天空背景的比較來測定的（例如Lohle遙測光度表）。但是，這類儀器通常不用于日常觀測，因為正如前面所述，白天最好是直接目測。然而，發(fā)現(xiàn)這類儀器對超過最遠(yuǎn)目標(biāo)物的MOR進行外推是有用的。目測消光表這是一種用于夜間觀測遠(yuǎn)距離發(fā)光體的非常簡單的儀器。它使用標(biāo)度的中性濾光器按已知比例削弱光線，并能調(diào)節(jié)使遠(yuǎn)距離發(fā)光體恰好能見。儀器讀數(shù)給出發(fā)光體與觀測員之間空氣透明度的測量

31、，由此可以計算出消光系數(shù)。觀測的總的準(zhǔn)確度，主要取決于觀測員眼睛敏感度的變化以及光源輻射強度的波動，誤差隨MOR成比例增加。此儀器的優(yōu)點是，僅需使用合適地分布的3個發(fā)光體，就能以合理的準(zhǔn)確度測定100m至5km距離上的MOR，但是如沒有這樣的儀器，若要達(dá)到同等水平的準(zhǔn)確度，則需要較復(fù)雜的一組光源。然而使用此類儀器的方法（決定光源出現(xiàn)或消失的點）相當(dāng)大地影響測量的準(zhǔn)確度和均勻性。透射表透射表采用在發(fā)射器和接收器之間測量水平空氣柱的平均消光系數(shù)的最普通的方法，發(fā)射器提供一個經(jīng)過調(diào)制的定常平均功率的光通量源，接收器主要由一個光檢測器組成（一般是在一個拋物面鏡或透鏡的焦點上放置一個光電二極管）。最常使

32、用的光源是鹵燈或氙氣脈沖放電管。調(diào)制光源以防來自太陽光的干擾。透射因數(shù)由光檢測器輸出決定，并據(jù)此計算消光系數(shù)和MOR值。因為透射表估計MOR是根據(jù)準(zhǔn)直光束的散射和吸收導(dǎo)致的光的損失的原理，所以它們與MOR的定義緊密相關(guān)，一個優(yōu)良的，維護好的透射表在其最高準(zhǔn)確度范圍內(nèi)工作時對MOR的真值能給出非常好的近似。有兩種類型的透射表：（a）發(fā)射器和接收器分處于兩個單元內(nèi)且彼此之間的距離已知，如圖9.2所示：圖9.2雙終止透射表（b）發(fā)射器和接收器在同一單元內(nèi)，發(fā)射的光由相隔很遠(yuǎn)的鏡面或后向反射器（光束射向反射鏡并返回）反射。如圖9.3所示。圖9.3單終止透射表發(fā)射器和接收器之間光束傳送的距離通常稱作基線

33、，可從幾米到150m（甚或300m），它取決于所測MOR值的范圍和這些測量值的應(yīng)用情況。如在公式（9.7）中MOR的表達(dá)式所見，即關(guān)系式： （9.14）這里a是透射表的基線，（9.14）式是透射表測量的基本公式。它的正確性決定于下列假設(shè)，即滿足Koschmieder和Bouguel-lambert定律，且沿透射表基線的消光系數(shù)與在MOR上觀測者同目標(biāo)物之間路徑中的消光系數(shù)相同。透射因數(shù)和MOR之間的關(guān)系對霧滴來說是正確的，但是當(dāng)能見度的減小是由于其它水凝物，（諸如雨或雪）或大氣塵粒（諸如揚沙）引起的時，MOR的值必謹(jǐn)慎處理。若要在長時段內(nèi)保持測量正確，則光通量必須在該時段內(nèi)保持穩(wěn)定。當(dāng)使用鹵燈

34、時，燈絲的老化問題并不很關(guān)鍵，而且其通量保持得比較穩(wěn)定。然而，有些透射表使用反饋系統(tǒng)（通過感應(yīng)和測量發(fā)射通量的一小部分）獲得隨時間具有較大均勻性的光通量或?qū)ζ淙魏巫兓M行補償。正如我們將在涉及MOR測量準(zhǔn)確度的一節(jié)中見到，透射表基線所取的值決定于MOR的測量范圍，一般認(rèn)為該范圍在基線長度的1倍到25倍之間。透射表測量性能的進一步改進可在不同距離處采用兩個接收器或后向反射器以便擴展MOR測量范圍低限（短基線）和高限（長基線）兩端。這種儀器稱為“雙基線”儀。在一些基線很短（幾米）的場合中，光電二極管已用作光源，即近紅外單色光。然而，一般建議使用可見光譜中的多色光以獲得具有代表性的消光系數(shù)。9.3.

35、3測量散射系數(shù)的儀器大氣中光的衰減是由散射和吸收引起的。工業(yè)區(qū)附近的污染物的出現(xiàn)，冰晶（凍霧）或塵?？墒刮枕椕黠@增強。然而，在一般情況下，吸收因子可以忽略，而經(jīng)由水滴反射，折射或衍射產(chǎn)生的散射現(xiàn)象構(gòu)成降低能見度的因子。故消光系數(shù)可認(rèn)為和散射系數(shù)相等。從而，用于測量散射系數(shù)的儀器可用于估計MOR。測量通常通過把一束光匯聚在小體積空氣中，以光度測量的方式確定在充分大的立體角和并非臨界方向上的散射光線的比例，從而使散射系數(shù)的測量可方便地進行。假定已把來自其它來源的干擾完全屏蔽掉或這些光源已受到調(diào)制，則這種類型的儀器在白天和夜晚就都能使用。散射系數(shù)b可以寫成如下形式的函數(shù)： （9.15）這里是進入空

36、氣體積V中的光通量，是與入射光成角方向上散射光的強度。應(yīng)注意b的準(zhǔn)確測定要求對從各個角度射出的散射光進行測量和積分，實際的儀器是在一個限定角度內(nèi)測量散射光并基于在限定積分和全積分之間的高度相關(guān)性。在這些儀器中使用了三種測量方法：后向散射，前后散射和在一寬角度內(nèi)的散射的積分。（a）后向散射。在這些儀器中（圖9.4），把一束光線聚集在發(fā)射器前面一小塊體積空氣中，接收器裝置在同一機殼內(nèi)且位于光源下面，接收取樣空氣塊的后向散射的光。幾位研究者試圖找到能見度和后向散射系數(shù)之間的關(guān)系。但是普遍認(rèn)為那種相關(guān)性并不理想。圖9.4能見度儀測量后向散射（b）前向散射。幾位作者認(rèn)為最好的角度在2050之間，因此該儀

37、器由發(fā)射器和接收器組成，光束之間的夾角為2050。另一種排列方式就是在發(fā)射器和接收器之間的中途放置一個光欄或分別在距發(fā)射器或接收器一短距離處放置兩個光欄。圖9.5表示所采用的兩種結(jié)構(gòu)。圖9.5能見度儀以兩種設(shè)置方法測量前向散射（c）寬角度內(nèi)的散射。如圖9.6所示，這種通常稱為積分能見度儀，是以測量盡可能寬的角度（理想為0180，但實際上大約為0120）的原理為基礎(chǔ)的。接收器設(shè)置在垂直于發(fā)射寬角度光的光源軸的位置上。盡管在理論上這樣的儀器比在很小的散射角范圍測量的儀器給出更好的散射系數(shù)估計值，實際上卻較難防范儀器在其取樣空氣中消光系數(shù)出現(xiàn)的變異。積分能見度儀并未廣泛地用于測定MOR，但這種儀器卻

38、常用于測定污染物。圖9.6能見度儀測量寬角度內(nèi)的散射光在以上的所有儀器中，如大多數(shù)透射儀一樣，接收器中由光檢測器單元或光敏二極管組成，使用的光源是光脈沖（例如加入氙氣中的高強度放電）。此類儀器只要求限定空間（一般為12m）。因此，當(dāng)沒有能見度目標(biāo)物或光源可資利用時（象船舶、道路旁等），此類儀器是有用的。由于測量只與很小體積的空氣有關(guān)，對該處大氣的普遍狀況的測量代表性可能會產(chǎn)生疑問。不過，這種代表性可以通過取大量樣本或測量值的平均來改善。另外，有時可采用刪除極端值的方法來平滑測量結(jié)果。使用此類的儀器常局限于特殊的應(yīng)用場合（例如高速公路的能見度測量，或決定是否有霧出現(xiàn)）或當(dāng)MOR測量不需要太精確時

39、。由于此類儀器可在較大的測量范圍內(nèi)測量MOR以及與透射儀相比對污染的敏感性相對較低，目前它們更多地用于自動氣象觀測系統(tǒng)。9.3.4儀器的安置測量儀器應(yīng)設(shè)置在能確保測量對預(yù)定目的具有代表性的地方。因此，為了一般的天氣目的，儀器應(yīng)安裝在遠(yuǎn)離局地大氣污染的地方，例如煙、工業(yè)污染、多塵路面等。用于測量消光系數(shù)或散射系數(shù)的空氣體積應(yīng)與觀測者的眼睛在同一水平面上，大約在地面以上1.5m左右。必須記住用于測量散射系數(shù)的透射表和儀器必須安裝得使太陽在一天內(nèi)的任何時刻都不出現(xiàn)在儀器光場內(nèi)，對緯度直到50的地方，可采用水平地順南北光軸設(shè)置（偏差可達(dá)45），或采用屏蔽或擋板來達(dá)到這種要求。對于航空目的來說，測值代表

40、在機場取得的狀況，這種狀況同機場的具體的業(yè)務(wù)操作緊密相關(guān)，在第二編第1章中概述。儀器應(yīng)按照生產(chǎn)廠家的說明書安裝，特別注意校準(zhǔn)透射儀的發(fā)射器和接收器在一條直線上并正確調(diào)準(zhǔn)光束。安裝發(fā)射器和接收器的立柱應(yīng)具有機械堅固性，（當(dāng)安裝在機場上時仍有可能不夠堅固）以避免在結(jié)凍。特別是在解凍時地面位移造成的準(zhǔn)直性偏離。另外，外露裝置在熱應(yīng)力作用下必須不致產(chǎn)生形變。9.3.5校準(zhǔn)和維護為了獲得滿意和可靠的觀測結(jié)果，對用于MOR測定的儀器必須在生產(chǎn)廠家規(guī)定的條件下操作和維護，并且持續(xù)保持良好的工作狀態(tài)。依照生產(chǎn)廠家的建議定期檢查和校準(zhǔn)以確保最佳性能。應(yīng)在非常好的能見度下（超過1015km）定期對儀器進行校準(zhǔn)。必

41、須避免由于大氣狀況不同而導(dǎo)致的錯誤校準(zhǔn)，例如，當(dāng)有強大的上升氣流或暴雨之后，接近地面的氣層中的消光系數(shù)會有明顯的改變。如果在現(xiàn)場（例如機場）同時使用幾種透射表，在其測值中可觀測到偏差。在這種情況下，不應(yīng)進行校準(zhǔn)。注意對大多數(shù)透射表，必須定期清潔光學(xué)表面，對某些儀器必須安排每天的維護工作，特別是在機場。在主要的大氣擾動之中或之后必須對儀器進行清潔，因為雨或伴隨強風(fēng)的猛烈暴雨的大量水滴和固體顆粒覆蓋在光學(xué)系統(tǒng)上，導(dǎo)致MOR的主要測量誤差。降雪會堵塞光學(xué)系統(tǒng)，同樣會造成測量誤差。通常將加熱系統(tǒng)設(shè)置在光學(xué)系統(tǒng)前側(cè)，當(dāng)出現(xiàn)這種情況時用以改善儀器性能。有時采用吹風(fēng)系統(tǒng)以減少以上問題并可減少清洗的次數(shù)。然而

42、必須指出，此類吹風(fēng)和加熱系統(tǒng)會產(chǎn)生比周圍空氣更熱的氣流，反而可能影響氣團消光系數(shù)的測量。在干旱地區(qū)，沙塵暴和揚沙會堵塞光學(xué)系統(tǒng)甚至損害它。9.3.6在測量氣象光學(xué)視程和準(zhǔn)確度估計中的誤差來源概述所有用來測量MOR的實際使用的儀器相對于觀測員所觀測的大氣來說只是采集了相當(dāng)小范圍的大氣樣本。儀器能對MOR提供一個準(zhǔn)確的測量僅當(dāng)它們所取樣的空氣體積代表了觀測點周圍以MOR為半徑的區(qū)域內(nèi)的大氣。很容易設(shè)想在出現(xiàn)不均勻的霧或局地的雨或雪暴的情況下，儀器的讀數(shù)可出現(xiàn)誤導(dǎo)。然而，經(jīng)驗表明這種情況并不經(jīng)常發(fā)生，用儀器連續(xù)監(jiān)測MOR常會比不用儀器的觀測員提前檢測到MOR的變化，盡管如此，對MOR的儀器測量的理解

43、仍必須小心謹(jǐn)慎。當(dāng)討論測量的代表性時，另一個應(yīng)該加以考慮的因素是大氣本身的均勻性。對所有的MOR值，一個小體積大氣的消光系數(shù)通?？焖俚夭灰?guī)則地波動。由無內(nèi)裝平滑或平均系統(tǒng)的散射儀和短基線透射表得到的單個MOR測量值，可表現(xiàn)出明顯的偏差。因此有必要進行多次采樣并將它們進行平滑或平均以獲得MOR的具有代表性的值。對WMO第一次能見度測量相互比對（WMO，1990b）的結(jié)果分析表明，對大多數(shù)儀器來說平均時間超過1min沒有什么好處，但是對“噪聲最大”的儀器而言平均時間取為2min是合適的。遙測光度表和目視消光表的準(zhǔn)確度以消光系數(shù)為基礎(chǔ)的目測很難作好，主要的誤差來源是人眼功能的可變性和不確定性。這些誤

44、差已經(jīng)在涉及目測估計MOR的相應(yīng)的節(jié)中闡述過了。透射表的準(zhǔn)確度在透射表測量中的誤差來源可以概括為：（a）發(fā)射器和接收器的準(zhǔn)直性不正確；（b）發(fā)射器和接收器安裝的剛性和穩(wěn)定性（地面結(jié)凍和解凍、熱應(yīng)力）不完善；（c）燈泡的老化和中心位置不正確；（d）校準(zhǔn)誤差（能見度太低或在不穩(wěn)定的情況下進行校準(zhǔn)從而影響消光系數(shù)）；（e）系統(tǒng)的電子設(shè)備的不穩(wěn)定性；（f）消光系數(shù)作為低通信號進行遠(yuǎn)距離輸送時受到電磁場的干擾（尤其是在機場），最好是對此類信號進行數(shù)字化；（g）來源于日出或日落的干擾和透射表初始定向不良；（h）大氣污染沾污光學(xué)系統(tǒng)；（i）局地大氣狀況（陣雨和強風(fēng)、雪等）導(dǎo)致不具代表性的消光系數(shù)讀數(shù)或背離K

45、oschmieder定律（雪、冰晶、雨、沙等）。若在儀器光學(xué)路徑上的消光系數(shù)能代表MOR范圍內(nèi)任何一處的消光系統(tǒng)值，使用經(jīng)正確校準(zhǔn)并良好地維護的透射表應(yīng)能提供具有良好代表性的MOR測量值。然而，透射表只在一個有限的范圍內(nèi)能提供準(zhǔn)確的MOR測量，根據(jù)對基本透射表公式（見方程9.7）取微商，即可描繪出MOR的相對誤差曲線，圖9.7表示相對誤差如何隨透射變化而改變，此時假定透射因數(shù)T的測量準(zhǔn)確度為1%。圖9.7氣象光學(xué)視程的測量誤差表示成透射比誤差1%的函數(shù)這種1%的透射誤差值對許多舊式儀器來說可認(rèn)為是正確的，其中尚不包括儀器的漂移、光學(xué)組件積塵、或由于現(xiàn)象本身引起的讀數(shù)分散。如果準(zhǔn)確度降到2%3%左右（考慮其它因素在內(nèi)），那么圖中垂直軸給出的相對誤差必須乘以同樣的因子即2倍或3倍，還應(yīng)注意到在曲線的兩端相對MOR測量誤差呈指數(shù)增長，從而決定了氣象光學(xué)視程測量范圍的上限和下限。對基線為75m而言，若在每一個測量范圍的末端，對5%、10%或20%的誤差均可接受，則曲線所示的例子就表明測量范圍的限制。對于MOR測量范圍在基線長度的1.25倍和10.7倍之間，假設(shè)T的誤差為1%，可以推斷相應(yīng)的MOR誤差應(yīng)小于或等于在5%。當(dāng)MO