大氣探測學能見度知識點

2024年2月21日發(作者：庫企企)

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大氣探測學

第3章 能見度的觀測

1、能見度主要受懸浮在大氣中的固體和液體微粒引起的大氣消光的影響。其估計值依賴于個人的視覺和對“可見”的理解水平，同時受光源特征和透射率的影響。

2、能見度概念得到廣泛應用，一是因為它是表征氣團特性的要素之一，二是因為它是與特定判據或特殊應用相對應的一中業務性參量。

3、一般意義上的能見度，是指目標物的能見距離，即觀測目標物時，能從背景上分辨出目標物輪廓和形體的最大距離。當能從背景上分辨出目標物輪廓和形體時，通常稱目標物“能見”。

4、目標物的最大能見距離有兩種定義法。一種是消失距離，它是指當觀測者逐漸退離目標物，直至目標物從背景上可以辨別時的最大能見距離。另一種是發現距離，它是指當觀測者從遠處逐漸走近目標物，直至將目標物從背景上辨認出來時的最大能見距離。

5、目標物的消失距離要比發現距離大。

6、按照觀測者與目標物的相對位置，能見度分為水平能見度、垂直能見度和傾斜能見度。

7、垂直能見度和傾斜能見度對地面向上觀測云或其他空中目標物以及從空中向下觀測目標物有影響。

8、能見度影響因子：目標物的背景的亮度對比、觀測者的視力—對比視感閾（白天）、大氣透明度。

9、目標物和背景的色彩不同也影響到能見與否，但色彩的感覺只有在足夠的光亮度條件下才能產生。亮度對比相對于色彩對比在目標物識別中顯得更重要，是起決定作用的因素。

10、最小亮度的對比值叫做人眼的對比視感閾，取決于兩個因素：視場內照明情況，即場光亮度；目標物視張角。場光亮度越低，目標物視張角越小。白天，對比視感閾變化不大，黃昏時，對比視感閾迅速增大。

11、柯什密得提出將0.02作為正常視力的人，在白晝野外，觀測比較大的物體（如視張角大于0.5°）時的對比視感閾值，此值對應于消失距離值。而對應于發現距離，對比視感閾可取為0.05。

12、在白天光照條件下眼睛的感光效率在波長為550nm時達到最大值。在夜間暗光條件下，最大感光效率與507nm波長相對應。

13、大氣透明程度是影響能見度的主要因子。

14、大氣中氣體分子及懸浮微粒通過散射、吸收及反射等機制對光起衰減作用，導致目標物固有亮度減弱，這一現象稱之為物光減弱。

15、空氣元對場入射光的散射，使空氣層本身有了亮度，從而使空氣層像一層亮紗附加在目標物上，使目標物亮度增強，這一現象稱之為氣幕光增強。

16、純大氣分子影響時，最大能見度可達277km，而在霧和沙塵暴天氣中的能見度可低達幾十米，甚至只有幾米。

17、目標物的能見與否與目標物和背景的亮度對比有關。由于大氣中分子和懸浮微粒的影響，人眼見到的目標物亮度（稱之為視亮度）與目標物固有亮度是不一樣的，同樣，背景的視亮度與其固有亮度也不同。

18、氣幕光的強度隨著水平空氣柱長度的增加而增加，當空氣柱為無窮長時，此

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時氣幕光的強度就是水平天空的視亮度。

19、目標物視亮度是目標物固有亮度經空氣層衰減后的亮度與目標物至觀測者之間的空氣層所產生的氣幕光亮度之和。

20、當人遠離目標物時，不論其固有亮度多大，它的視亮度會逐漸趨近于水平天空的亮度，最后這目標物消失于水平天空背景之中。而且空氣愈渾濁，最后消失所需的距離愈短。

21、科希米得定律：表示了以天空為背景的目標物視亮度對比隨距離衰減的規律。

22、當以天空為背景的目標物視亮度對比衰減使得其等于人眼對比視感閾時，相應的距離就稱為該目標物的最大能見距離。

23、WMO規定，白天氣象能見度是指正常視力的觀測者相對于霧、天空等散射光背景下觀測時，一個安置在地面附近的適當尺度大小的黑色目標物能被看到和辨認出的最大距離。

24、當看到目標物卻不能辨認出它是什么時，并不能算是“能見”。

25、民航規定的最大能見距離要比氣象上規定的最大能見距離偏低約30%。

26、由于測站周圍各方向能見距離有可能不一致，應記錄有效能見度值，即觀測點周圍一半以上范圍內都能達到的最大能見距離。

27、選擇目標物時，應盡量選擇以靠近地平線的天空為背景的固定的黑色或接近黑色的物體，顏色愈暗愈好，應盡量避免使用淺色、光亮耀眼的物體或以大地為背景的物體。

28、通常視張角應在0.5°~5°之間，目標物的仰角不宜過高，一般小于6°。某些山區站，由于條件限制，可以放寬到小于11°。

29、如果目標物的背景為地物，如山脈、森林等，則目標物與背景之間的距離至少應是目標物與觀測點之間距離的一半。

30、在沙漠、草原、海島或其他地物稀少的地區，可人工設置目標物，材料因地制宜，可采用木板、土墻、水泥預制件等，向著觀測點的一面涂以黑色。

31、當目標物不是視角0.5°~5°的黑色目標物時，可參照下表進行修正。將觀測的目標物的最大距離除以能見度系數，即可估計能見度大小。

表3.2 某些情況的能見度系數

目標

背景

木建筑物

（房屋板棚、木架）

森林 地面 雪 有云天空

紅磚建筑物 白磚建筑物 針葉樹

森林 草地 有云天空 森林 草地 有云天空 草地 沙地 地面 雪 有云天空

0.76 0.74 0.98 0.89 0.78 0.94 0.52 0.72 0.57 0.97 0.99 能見度系數 0.89 0.55 0.99 0.97

表3.3 不同視角目標的能見度系數

視角（″）

能見度系數

20以上

1.00

15

0.94

12

0.90

9

0.84

6

0.77

3

0.60

2

0.50

32、如果在一定高度的觀測點上，剛好能看清天水線，則該方向的能見度即等于天水線至觀測點的距離；如果天水線很清晰，應該判定該方向的能見度大于天水線至觀測點的距離；如果天水線模糊或看不見，應該判定能見度小于天水線至觀測點的距離。

表3.4 觀測點高度與天水線至觀測點距離之間的關系

觀測點高度（m） 1 2 3 4 5 6 7 8

天水線距離（m） 3600 5000 6200 7100 8000 8700 9400 10100

觀測點高度（m） 9 10 15 20 30 50 70 100

天水線距離（m） 10700 11300 13800 16000 19600 25200 29900 35700

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注：觀測點高度是指觀測員的眼睛距海（湖）面高度。

33、對于夜間氣象能見度，只能用發光物體（燈光）作目標物。人眼在夜間對燈光目標物的識別是由于光源在眼睛上產生的照度超過了人眼的感光閾值。

34、WMO在《氣象儀器與觀測方法指南》中對夜間氣象能見度給了兩種定義：a假象總體照明增加到正常白天水平，適當尺度的黑色目標物能被看到和辨認出的最大距離（實際業務工作中此種方法表示夜間氣象能見度，這樣表示后，夜間氣象能見度僅與大氣透明程度有關，而與燈光強度無關，并且可以與白天氣象能見度相比較）；b中等強度的發光體能被看到和識別的最大距離。

35、夜間氣象能見度觀測，應在觀測點周圍安置或選擇若干個點光源，測出其方位、距離和發光強度。選擇目標燈時，應選擇位置和亮度穩定、單獨的白熾燈，無聚光罩，并能清楚地辨認出發光點。不宜選擇成群的、難以辨認的發光點、位置不固定或時亮時暗的燈。在缺少白熾燈的情況下，也可適量選用其他顏色的燈作為輔助目標燈。

36、白天氣象能見度計算公式燈光強度單位：坎德拉。

表3.5 燈光瓦數和發光強度換算表

燈光（W） 15 25 40 60 75 100 150 200 300

燈光強度（cd） 9.8 15.7 27.4 43.1 57.8 78.2 145.0 195.0 296.9

37、WMO的儀器和觀測方法委員會（CIMO）于1957年提出了“氣象光學距離（MOR）”的定義。

38、氣象光學距離亦稱氣象光學視距或氣象光學視程，是指由白熾燈發出的色溫為2700K的平行光速的光通量在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路徑長度。

39、氣象光學距離與白天氣象能見度從定義上只相差一個百分比，即嚴格遵從氣象光學距離定義的測量值要比遵從白天氣象能見度定義的觀測值大約小30%，但與國際民航組織定義的能見度是一致的。

40、目前常用的測量MOR的儀器主要分為兩類：a用于測量有限距離的水平空氣柱的消光系數或透射因子的儀器；b用于測量小體積空氣對光的散射系數的儀器。

41、利用攝像技術測量能見度的方法實際上是利用了白天氣象能見度的觀測理論，即柯什密得定律。

42、透射能見度儀是通過測量水平空氣柱的平均消光系數來測量能見度的，它是最接近氣象光學距離定義的測量方法，簡稱為透射儀。透射儀主要由發射器和接收器組成。發射器提供一個經過調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。

43、透射儀有兩種類型：a雙端式透射儀（發射器和接收器分別處于兩個單元內且彼此之間的距離已知），b單端式透射儀（發射器和接收器在同一單元內，發射的光由相隔很遠的鏡面或后向反射器（光束射向反射鏡并返回）反射）。

44、發射器和接收器之間的光束傳輸的距離稱作基線?；€的長短取決于所測MOR值的范圍和準確度要求，基線一般可從幾米到150m（甚至300m），通常MOR測量范圍在基線長度的1~25倍為宜。

45、為了保持透射儀長期測量結果的準確性，首先要保持光通量的穩定。最常用的光源是鹵燈或疝氣脈沖放電管，在一些基線很短（幾米）的場合中，可采用近紅外單色光的光電二極管作為光源。

46、接收機除了疝光燈源、閃光控制器與觸發基座外，基本結構與發射機相似。

47、加熱控制包括對光學部件和保護窗的加熱，從而使光學部件維持在恒定溫度，

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并防止窗表面的水汽凝結。加熱控制器根據測量的溫度信號與設定溫度的差值來確定是否加熱及加熱功率。

48、污染檢測器由光發射器和光接收器組成，用于測量保護窗上的污染程度，以補償因污染造成的透射因子衰減。

49、MITRAS透射儀有四種工作模式：測量模式（1s一次，30s一次平均值）、經濟模式（能見度好時使用；采樣間隔：VV≤2000m時，閃爍間隔1s，VV＞10000m時，閃爍間隔10s）、污染補償模式（防護窗污染時，1小時一次）、深度污染補償模式（人工測試時，1min一次，1小時一次平均值作為補償參數）。

50、光在大氣中衰減是由空氣分子和氣溶膠粒子等的散射和吸收所引起的。

51、研究表明，在工業區附近，由于污染物的出現，冰晶（冰霧）或塵?？墒刮枕椕黠@增強。然而，在自然霧中，吸收通?？珊雎裕⑸湎禂悼梢曌髋c消光系數相同。因此，用于測量散射系數的儀器可用于估計MOR。

52、目前主要有三種散射系數的能見度儀：后向散射能見度儀、前向散射能見度儀、積分能見度儀。

53、后向散射能見度儀：是通過測量取樣空氣塊的后向散射光來測量能見度的。通常在儀器內并排的安裝光發射器和散射光接收器。儀器可以放置室內，打開窗戶向外發射并接收其回波信號即可實現能見度測量，?？梢灾瞥杀銛y式。透鏡加熱器用于防止在透鏡上發生露或霜的凝結（華），防護罩用于防止降水或減少雜散光及灰塵的影響，警報器用于防止LED過大的驅動電流的警報。

54、前向散射能見度儀：是通過測量某一散射角度的散射光來測量能見度的。發射機發射脈沖光，大氣中各種粒子對該入射光的散射形成散射光，發射與接收相交的體積中的散射能量被接收機接收到，測量該散射能量便能通過計算確定能見度。發射光束和接收光束之間的夾角稱為散射角，一般選定在20°~50°之間的某一角度，大多數選在35°，這是因為在這一角度范圍內，散射系數與某一限定角度的散射光強之間具有較好的相關性，且大氣散射相函數與氣溶膠譜之間不敏感。

55、前向散射能見度儀由于有兩套接收探頭，從而最大限度地減少了以下三種主要因素變化對大氣消光系數測量造成的影響：a溫度漂移或發射頭壽命等原因造成的發射光源強度值變化；b鏡頭污染所造成的誤差積累；c接收頭的靈敏度受溫差等影響而產生的變化。

56、一般，溫度每升高1℃，作為光源的紅外發光二極管的能量減少0.6%。如果不進行溫度補償，則每天20℃左右的溫差可造成10%~15%的測量誤差。

57、積分能見度儀是以測量盡可能寬的角度（理想為0°~180°，但實際上大約為0°~120°）中的散射為基礎的。并未廣泛地用于測定MOR，但這種儀器卻常用于測定污染物。

58、能見度儀的誤差因子：a校準誤差（能見度太低或在不穩定的情況下進行校準從而影響消光系數）。b系統的電子設備的不穩定性。c消光系數作為低通信號進行遠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字化。d來源于日出或日落的干擾和初始定向不良。e大氣污染沾污光學系統。雨或伴隨強風的猛烈暴雨的大量水滴和固體顆粒覆蓋在光學系統上，是導致MOR測量誤差的主要因素，甚至會堵塞光學系統，從而損害它。f局地大氣狀況（陣雨和強風、雪等）導致不具代表性的消光系數讀數或背離科希米得定律或使得得出的散射系數不同于相應的消光系數。

59、若出現不均勻的霧或局地的雨或雪暴時，能見度儀的示值可能會與人工觀測

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值出現較大的偏差。

60、能見度儀應安置在能確保測量對預定目的具有代表性的地方。

61、對于航空應用來說，能見度儀應安置在機場跑道附近。

62、透射儀或散射儀的取樣空氣高度應與觀測者的眼睛在同一水平面上，大約離地面1.5m左右。

63、透射儀必須安置的使太陽在一天內任何時刻都不要出現在接收端光場內，對緯度50°以內的地方，可采用水平地順南北光軸（偏差可達45°），或采用屏蔽或擋板來達到這種要求。

64、為了獲得滿意和可靠的觀測結果，用于MOR測定的能見度儀必須在規定的條件下操作和維護，定期檢查和校準，持續保持良好的工作狀態和最佳性能。

65、當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會有明顯的改變。

66、通常用跑道視程（RVR）作為航空上能見度的度量。

67、所謂跑道視程（RVR），是指在跑道中線上，航空器上的駕駛員能看到跑道面上的標志或跑道邊界燈或中線燈的最遠距離。進行跑道視程估計時，應當從駕駛員在航空器中的平均視線高度（一般為5m）來進行估計。跑道視程的估計值，與大氣消光系數、視覺照度閾值和跑道燈光光強等有關。

68、光通量：單位時間內通過一定面積的光量，單位為流明（lm）。

69、亮度（光亮度）：通過垂直于選定方向上的單位面積、單位立體角內的光通量，單位為坎德拉/平方米（cd/m2）。亮度一般隨觀測方向而變，但有些光源，如太陽、黑體、粗糙的發光面和混濁的散射體等，其亮度與方向無關。

70、光強（發光強度）：點光源在單位立體角內發出的光通量，單位為坎德拉（cd），1cd=1lm/sr。

71、照度（光照強度）：物體單位面積上所接受的光通量，單位為勒克斯（lx），21lx=1lm/m。