大气探测学能见度知识点

大气探测学第3章能见度的观测1、能见度主要受悬浮在大气中的固体和液体微粒引起的大气消光的影响。其估计值依赖于个人的视觉和对“可见”的理解水平，同时受光源特征和透射率的影响。2、能见度概念得到广泛应用，一是因为它是表征气团特性的要素之一，二是因为它是与特定判据或特殊应用相对应的一中业务性参量。3、一般意义上的能见度，是指目标物的能见距离，即观测目标物时，能从背景上分辨出目标物轮廓和形体的最大距离。当能从背景上分辨出目标物轮廓和形体时，通常称目标物“能见”。4、目标物的最大能见距离有两种定义法。一种是消失距离，它是指当观测者逐渐退离目标物，直至目标物从背景上可以辨别时的最大能见距离。另一种是发现距离，它是指当观测者从远处逐渐走近目标物，直至将目标物从背景上辨认出来时的最大能见距离。5、目标物的消失距离要比发现距离大。6、按照观测者与目标物的相对位置，能见度分为水平能见度、垂直能见度和倾斜能见度。7、垂直能见度和倾斜能见度对地面向上观测云或其他空中目标物以及从空中向下观测目标物有影响。8、能见度影响因子：目标物的背景的亮度对比、观测者的视力—对比视感阈（白天）、大气透明度。9、目标物和背景的色彩不同也影响到能见与否，但色彩的感觉只有在足够的光亮度条件下才能产生。亮度对比相对于色彩对比在目标物识别中显得更重要，是起决定作用的因素。10、最小亮度的对比值叫做人眼的对比视感阈，取决于两个因素：视场内照明情况，即场光亮度；目标物视张角。场光亮度越低，目标物视张角越小。白天，对比视感阈变化不大，黄昏时，对比视感阈迅速增大。11、柯什密得提出将0.02作为正常视力的人，在白昼野外，观测比较大的物体（如视张角大于0.5°）时的对比视感阈值，此值对应于消失距离值。而对应于发现距离，对比视感阈可取为0.05。12、在白天光照条件下眼睛的感光效率在波长为550nm时达到最大值。在夜间暗光条件下，最大感光效率与507nm波长相对应。13、大气透明程度是影响能见度的主要因子。14、大气中气体分子及悬浮微粒通过散射、吸收及反射等机制对光起衰减作用，导致目标物固有亮度减弱，这一现象称之为物光减弱。15、空气元对场入射光的散射，使空气层本身有了亮度，从而使空气层像一层亮纱附加在目标物上，使目标物亮度增强，这一现象称之为气幕光增强。16、纯大气分子影响时，最大能见度可达277km，而在雾和沙尘暴天气中的能见度可低达几十米，甚至只有几米。17、目标物的能见与否与目标物和背景的亮度对比有关。由于大气中分子和悬浮微粒的影响，人眼见到的目标物亮度（称之为视亮度）与目标物固有亮度是不一样的，同样，背景的视亮度与其固有亮度也不同。18、气幕光的强度随着水平空气柱长度的增加而增加，当空气柱为无穷长时，此时气幕光的强度就是水平天空的视亮度。19、目标物视亮度是目标物固有亮度经空气层衰减后的亮度与目标物至观测者之间的空气层所产生的气幕光亮度之和。20、当人远离目标物时，不论其固有亮度多大，它的视亮度会逐渐趋近于水平天空的亮度，最后这目标物消失于水平天空背景之中。而且空气愈浑浊，最后消失所需的距离愈短。21、科希米得定律：表示了以天空为背景的目标物视亮度对比随距离衰减的规律。22、当以天空为背景的目标物视亮度对比衰减使得其等于人眼对比视感阈时，相应的距离就称为该目标物的最大能见距离。23、WMO规定，白天气象能见度是指正常视力的观测者相对于雾、天空等散射光背景下观测时，一个安置在地面附近的适当尺度大小的黑色目标物能被看到和辨认出的最大距离。24、当看到目标物却不能辨认出它是什么时，并不能算是“能见”。25、民航规定的最大能见距离要比气象上规定的最大能见距离偏低约30%。26、由于测站周围各方向能见距离有可能不一致，应记录有效能见度值，即观测点周围一半以上范围内都能达到的最大能见距离。27、选择目标物时，应尽量选择以靠近地平线的天空为背景的固定的黑色或接近黑色的物体，颜色愈暗愈好，应尽量避免使用浅色、光亮耀眼的物体或以大地为背景的物体。28、通常视张角应在0.5°~5°之间，目标物的仰角不宜过高，一般小于6°。某些山区站，由于条件限制，可以放宽到小于11°。29、如果目标物的背景为地物，如山脉、森林等，则目标物与背景之间的距离至少应是目标物与观测点之间距离的一半。30、在沙漠、草原、海岛或其他地物稀少的地区，可人工设置目标物，材料因地制宜，可采用木板、土墙、水泥预制件等，向着观测点的一面涂以黑色。31、当目标物不是视角0.5°~5°的黑色目标物时，可参照下表进行修正。将观测的目标物的最大距离除以能见度系数，即可估计能见度大小。表3.2某些情况的能见度系数目标木建筑物（房屋板棚、木架）红砖建筑物白砖建筑物针叶树背景森林地面雪有云天空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能见度系数0.890.550.990.970.760.740.980.890.780.940.520.720.570.970.99表3.3不同视角目标的能见度系数视角（″）20以上15129632能见度系数1.000.940.900.840.770.600.5032、如果在一定高度的观测点上，刚好能看清天水线，则该方向的能见度即等于天水线至观测点的距离；如果天水线很清晰，应该判定该方向的能见度大于天水线至观测点的距离；如果天水线模糊或看不见，应该判定能见度小于天水线至观测点的距离。表3.4观测点高度与天水线至观测点距离之间的关系观测点高度（m）12345678天水线距离（m）360050006200710080008700940010100观测点高度（m）9101520305070100天水线距离（m）1070011300138001600019600252002990035700注：观测点高度是指观测员的眼睛距海（湖）面高度。33、对于夜间气象能见度，只能用发光物体（灯光）作目标物。人眼在夜间对灯光目标物的识别是由于光源在眼睛上产生的照度超过了人眼的感光阈值。34、WMO在《气象仪器与观测方法指南》中对夜间气象能见度给了两种定义：a假象总体照明增加到正常白天水平，适当尺度的黑色目标物能被看到和辨认出的最大距离（实际业务工作中此种方法表示夜间气象能见度，这样表示后，夜间气象能见度仅与大气透明程度有关，而与灯光强度无关，并且可以与白天气象能见度相比较）；b中等强度的发光体能被看到和识别的最大距离。35、夜间气象能见度观测，应在观测点周围安置或选择若干个点光源，测出其方位、距离和发光强度。选择目标灯时，应选择位置和亮度稳定、单独的白炽灯，无聚光罩，并能清楚地辨认出发光点。不宜选择成群的、难以辨认的发光点、位置不固定或时亮时暗的灯。在缺少白炽灯的情况下，也可适量选用其他颜色的灯作为辅助目标灯。36、白天气象能见度计算公式灯光强度单位：坎德拉。表3.5灯光瓦数和发光强度换算表灯光（W）1525406075100150200300灯光强度（cd）9.815.727.443.157.878.2145.0195.0296.937、WMO的仪器和观测方法委员会（CIMO）于1957年提出了“气象光学距离（MOR）”的定义。38、气象光学距离亦称气象光学视距或气象光学视程，是指由白炽灯发出的色温为2700K的平行光速的光通量在大气中削弱至初始值的5%所通过的路径长度。39、气象光学距离与白天气象能见度从定义上只相差一个百分比，即严格遵从气象光学距离定义的测量值要比遵从白天气象能见度定义的观测值大约小30%，但与国际民航组织定义的能见度是一致的。40、目前常用的测量MOR的仪器主要分为两类：a用于测量有限距离的水平空气柱的消光系数或透射因子的仪器；b用于测量小体积空气对光的散射系数的仪器。41、利用摄像技术测量能见度的方法实际上是利用了白天气象能见度的观测理论，即柯什密得定律。42、透射能见度仪是通过测量水平空气柱的平均消光系数来测量能见度的，它是最接近气象光学距离定义的测量方法，简称为透射仪。透射仪主要由发射器和接收器组成。发射器提供一个经过调制的定常平均功率的光通量源，接收器主要由一个光检测器组成。43、透射仪有两种类型：a双端式透射仪（发射器和接收器分别处于两个单元内且彼此之间的距离已知），b单端式透射仪（发射器和接收器在同一单元内，发射的光由相隔很远的镜面或后向反射器（光束射向反射镜并返回）反射）。44、发射器和接收器之间的光束传输的距离称作基线。基线的长短取决于所测MOR值的范围和准确度要求，基线一般可从几米到150m（甚至300m），通常MOR测量范围在基线长度的1~25倍为宜。45、为了保持透射仪长期测量结果的准确性，首先要保持光通量的稳定。最常用的光源是卤灯或疝气脉冲放电管，在一些基线很短（几米）的场合中，可采用近红外单色光的光电二极管作为光源。46、接收机除了疝光灯源、闪光控制器与触发基座外，基本结构与发射机相似。47、加热控制包括对光学部件和保护窗的加热，从而使光学部件维持在恒定温度，并防止窗表面的水汽凝结。加热控制器根据测量的温度信号与设定温度的差值来确定是否加热及加热功率。48、污染检测器由光发射器和光接收器组成，用于测量保护窗上的污染程度，以补偿因污染造成的透射因子衰减。49、MITRAS透射仪有四种工作模式：测量模式（1s一次，30s一次平均值）、经济模式（能见度好时使用；采样间隔：VV≤2000m时，闪烁间隔1s，VV＞10000m时，闪烁间隔10s）、污染补偿模式（防护窗污染时，1小时一次）、深度污染补偿模式（人工测试时，1min一次，1小时一次平均值作为补偿参数）。50、光在大气中衰减是由空气分子和气溶胶粒子等的散射和吸收所引起的。51、研究表明，在工业区附近，由于污染物的出现，冰晶（冰雾）或尘埃可使吸收项明显增强。然而，在自然雾中，吸收通常可忽略，散射系数可视作与消光系数相同。因此，用于测量散射系数的仪器可用于估计MOR。52、目前主要有三种散射系数的能见度仪：后向散射能见度仪、前向散射能见度仪、积分能见度仪。53、后向散射能见度仪：是通过测量取样空气块的后向散射光来测量能见度的。通常在仪器内并排的安装光发射器和散射光接收器。仪器可以放置室内，打开窗户向外发射并接收其回波信号即可实现能见度测量，常可以制成便携式。透镜加热器用于防止在透镜上发生露或霜的凝结（华），防护罩用于防止降水或减少杂散光及灰尘的影响，警报器用于防止LED过大的驱动电流的警报。54、前向散射能见度仪：是通过测量某一散射角度的散射光来测量能见度的。发射机发射脉冲光，大气中各种粒子对该入射光的散射形成散射光，发射与接收相交的体积中的散射能量被接收机接收到，测量该散射能量便能通过计算确定能见度。发射光束和接收光束之间的夹角称为散射角，一般选定在20°~50°之间的某一角度，大多数选在35°，这是因为在这一角度范围内，散射系数与某一限定角度的散射光强之间具有较好的相关性，且大气散射相函数与气溶胶谱之间不敏感。55、前向散射能见度仪由于有两套接收探头，从而最大限度地减少了以下三种主要因素变化对大气消光系数测量造成的影响：a温度漂移或发射头寿命等原因造成的发射光源强度值变化；b镜头污染所造成的误差积累；c接收头的灵敏度受温差等影响而产生的变化。56、一般，温度每升高1℃，作为光源的红外发光二极管的能量减少0.6%。如果不进行温度补偿，则每天20℃左右的温差可造成10%~15%的测量误差。57、积分能见度仪是以测量尽可能宽的角度（理想为0°~180°，但实际上大约为0°~120°）中的散射为基础的。并未广泛地用于测定MOR，但这种仪器却常用于测定污染物。58、能见度仪的误差因子：a校准误差（能见度太低或在不稳定的情况下进行校准从而影响消光系数）。b系统的电子设备的不稳定性。c消光系数作为低通信号进行远距离输送时受到电磁场的干扰（尤其是在机场），最好是对此类信号进行数字化。d来源于日出或日落的干扰和初始定向不良。e大气污染沾污光学系统。雨或伴随强风的猛烈暴雨的大量水滴和固体颗粒覆盖在光学系统上，是导致MOR测量误差的主要