能见度计算及LT31大气透射仪应用

作者信息：张英华男，1980年生，硕士，工程师。研究方向：气象仪器及应用Email:[e-mail]能见度计算及LT31大气透射仪应用张英华1（民航云南空管分局气象设备室，昆明市，云南省650200）摘要低能见度为影响航空器起降的主要气象因素之一，尤其是在大雾天气的时候，观测员更加依赖于能见度仪的测量数据。为此本文详细介绍了气象能见度定义、计算方法及LT31大气透射仪在实际应用中遇到的问题及排除方法。关键词：能见度计算LT31应用VisibilitycalculationandLT31TransmissometerapplicationZhangyinghua1(BranchofYunnanAirtrafficmanagement,CAAC,Kunming650200)Abstract:Lowvisibilityisoneoftheimportantmeteorologicalfactorsthataffectaircrafttake-offandlanding,theobserveraremoredependentonvisibilitymeasurementinstrumentintheheavyfogweatherconditions.ThispaperpresentstheVisibilitycalculationandLT31Transmissometerencountermalfunctionsandtroubleshootinginpracticalapplications.Keyword：visibilitycaculation；LT31application1引言能见度对军事、航空、航海以及人类生存环境等方面都有直接影响。对于航空气象来说尤其重要。昆明长水机场在运行两年多时间内，已经多次出现大雾天气，导致航班无法起降。在大雾天气出现时，能见度仪提供的能见度数值是不是与实际相符，此时对LT31大气透射仪提供的能见度数据将更加依赖。做好LT31大气透射仪的日常维护和故障处理就更加重要。为此，本文详细介绍了气象能见度计算方法及昆明机场LT31大气投射仪在实际应用中遇到的问题及排除方法。2能见度定义及计算能见度定义：白天，正常人的视力在地平线附近的天空背景下，能看到合适的黑色目标物的最大水平距离。在夜晚，无光的背景下，能够看到和辨认出光强为1000cd的灯光的最远距离。影响能见度的三个因素：目标物与背景之间的亮度对比以及视觉对比感阈（视觉对比感阈平均约为0.02，视力好的可小至0.005）和大气透明度。对于航空来说，为了安全起见，多采用稍高一些的视觉对比感阈值。世界气象组织（WMO)和国际民航组织（ICAO）都采用0.05作为阈值[1]。这时实际上也是气象光学视程。气象光学视程：色温为2700K的白炽灯发出的平行光辐射通量，经过大气削弱，衰减至初始值的5%所通过的路径长度。白天能见度计算公式：/lnL（1）；若视觉对比感阈取0.05则：/3L（2）；若视觉对比感阈取0.02则：/912.3L（3）。L：能见度数值；ε：视觉对比感阈σ：消光系数夜晚能见度计算公式：2RIeER（4）E：观察者处的照度阈值；R：夜间能见距离；σ：消光系数；I：目标灯光强度表1：照度视阈E与背景光亮度的关系[2]求解（4）式中的R，需要求解02RIeER这个非线性方程，该方程肯定有解，所得解R就是夜晚能见度的数值，因此可以采用牛顿迭代法计算，其迭代关系式为：)()('1nnnnxfxfxx[3]。为使用迭代计算采用EXCEL表来实现[4]。具体方法为：选择EXCEL中文件→选项→公式→启用迭代计算→最多迭代次数（X）：20；最大误差：0.001。最后确定即可。MOR计算公式：/3MOR（5）；σ：消光系数若视觉对比感阈取0.05则白天能见度就是MOR值。透光率计算：BeT（6）；σ：消光系数B：基线长度，这里取30米根据以上公式计算50米到2500米对应的数值如表2。状况照度阈值(Lux)背景亮度(cd/m2)黑夜8x10-74-50黄昏/清晨8x10-551-999正常白天8x10-41000-12000明亮白天8x10-3大于12000表2：能见度计算表透光率变化透光率MOR消光系数人观测能见度夜晚能见度白天偏差夜晚偏差0.165298888500.0665.2176.6415.2126.6424.13%0.406569661000.03130.4314.7630.4214.7614.22%0.5488116361500.02195.6438.8945.6288.898.88%0.6376281522000.015260.8554.1160.8354.114.31%0.7408182213000.01391.2766.3291.2466.322.53%0.7985162194000.0075521.6961.31121.6561.311.65%0.8352702115000.0066521143.72152643.721.17%0.8607079766000.005782.41316.26182.4716.260.67%0.8935973478000.00381043.21638.29243.2838.290.43%0.91393118510000.00313041936.41304936.410.63%0.92774348612000.00251564.82215.85364.81015.850.46%0.93773703614000.00211825.62480.03425.61080.030.35%0.94530278116000.00192086.42731.36486.41131.360.28%0.95122942518000.00172347.22971.61547.21171.610.23%0.95599748220000.001526083202.166081202.160.86%0.96464029325000.001232603742.737601242.73注：人工观测能见度计算时视觉对比感阈取0.02;LT31基线长度30米。从表中可以得出以下结论；人工观测能见度（视觉对比感阈取0.02）比MOR测量值偏大0.304倍。低能见度时，透光率变化大，但能见度数值变化小，也可以说能见度对透光率的变化不敏感。例如MOR从50米变到100米，透光率变化了24.13%。高能见度时，透光率变化小，但能见度数值变化大，也可以说能见度对透光率的变化很敏感，例如MOR从2000米变到2500米，MOR变化500米，透光率仅变化了0.86%。也就是说，能见度仪在测量低能见度时精度高，数值更加真实可靠。测量精度最准确的能见度数值为三倍基线距离（若基线为30米，则该数值为90米）。注：测量精度最准确的能见度数值为三倍基线距离结论推导如下：ReT（7）得出RTln（8），结合LeLln，得到TRLlnln（9），对L求导可得到dTTTRdLlnln（10），将（9）式代入（10)得到TTdTLdLln（11）。T：大气透光率，R：基线长度，σ：消光系数，L：能见度，ε：视觉对比感阈。当0T，0lnTT。因为0lim)()(lnlimlnlim0''100TTTTTTTT。当1T，0lnTT。求TTln的最值在（0，1）区间内。1ln)ln('TTT。令eTT101ln。此时由dT引起的LdL变化最小，当05.0时，则L=3R处误差最小。若R=30m(基线长度），则L=90m。3LT31大气透射仪应用3.1LT31大气透射仪测量原理Vaisala透射仪LT31直接测量光发射机和光接收机之间的大气透光率。通过测量包含散射和吸收之后的平均消光系数计算MOR。透光率测量使用单基线系统，基线距离为光发射机保护窗口平面和光接收机窗口平面之间的距离(本场安装的基线距离为30米）。依据透光率来计算MOR。3.2LT31大气透射仪人工校准[5]当LT31测量数值与实际相差较大时，需要用到监控终端进行LT31远程校准，下面介绍远程校准步骤：1.在maintenance终端，打开远程维护软件（SensorTerminal），选择并连接需要校准的LT31。2.Open1（open空格1之后回车）3.进入0level1（输入后回车）4.Password：LT31（输入后回车，注：LT大写）5.进入1calibratevisibility（输入后回车，默认以PWD前散射仪测量的能见度数值校准）6.或者1calibratevisibility15000（输入后回车，依据人工观测的能见度实际数值校准）7.校准完成后，1level0（输入后回车）8.0close（输入后回车）9.在SensorTerminal断开与LT31的连接。注：5和6步只需选择一种校准方式校准即可。3.3LT31大气透射仪出现的问题及排除方法3.3.1MOR测量值回升较慢及排除在日常的维护和巡检时发现22#站点的LT31在天气由低能见度变为高能见度时，回升较其他几个点要慢一些，譬如当下能见度已经大于5000米，而22#站点的LT31显示能见度为800米。感觉该站点LT31的校准门限偏高进而不会及时进行自动校准。为此，修改了LT31透射仪的校准门限（从10000米修改为4000米），步骤如下：1:0level3（passwordSESE）2:3configureAC.PWDMORMIN40003:3configureAC.PWDWMOMAX10近期观察22#站点LT31数据由低能见度到高能见度回复的都比较快，设备恢复正常。3.3.2LT31雷击故障及排除2012年雷雨季节，西跑道中部的LT31在雷雨后，数据全部丢失。经检查发现，该站点的LT31接收机、发射机、CPU主板及供电单元全部被雷击坏。为此，更换了以上损坏的部件之后，重新进行校直、校准，设备恢复正常。4结论综上所述，低能见度为影响航空器起降的主要气象因素之一，因此在低能见度期间，如何保证LT31运行状态良好，提供准确的测量值，是一项非常重要的工作及课题。为此，本文详细介绍了能见度计算方法及LT31应用中遇到的问题及排除的案例，为同行在遇到类似问题时，可借鉴上述方法。参考文献[1]中国民用航空总局空中交通管理局.民用航空气象地面观测手册[M].2007:46-50[2]VaisalaOyj.BackgroundLuminanceSensorLM21USER'SGUIDE[M].2002:15-16[3]周璐.数值方法（第四版）[M].北京：电子工业出版社，2005:54-58[4]胡亮.Excel迭代功能及其化学化工应用[J].云南民族学院学报.2002.11(1):558-559[5]VaisalaOyj.VaisalaTransmissometerLT31USER’SGUIDE[M].2010:223-230