大气探测学_(4)

第三章能见度的观测&3.1能见度&3.2影响能见度的因素&3.3目标物的亮度方程&3.4气象能见度&3.5能见度的器测法&3.6思考题&3.1能见度能见度是气象台站基本观测项目之一。有“气象能见度”和“有效能见度”之分。气象能见度：视力正常的人，在当时气象条件下能从天空背景中分辨出目标物轮廓的最远距离。有效能见度：四周视野中，1/2以上的范围内，能见目标物的最大水平距离。记录单位：Km，不足100米记0.0，100米记0.1Km,依此类推。影响能见度的因子能见度的区别能见度的区别&3.2影响能见度的因素1.大气透明度：大气透明度是影响能见度的主要因子。大气中的气溶胶粒子通过反射、吸收、散射等机制削弱光通过大气的能量。导致目标物固有亮度减弱。所以，大气中杂质愈多，愈浑浊，能见度就愈差。2.目标物和背景的亮度对比在大气中目标物能见与否，取决于本身亮度，又与它同背景的亮度差异有关。比如，亮度暗的目标物在亮的背景衬托下，清晰可见；或者亮的目标物在暗的背景下，同样清晰可见。表示这种差异的指标是亮度的对比值K。设目标物亮度为，背景亮度为当，则当，则所以，，当目标物与背景亮度一致时，，则K=0，此时目标物和背景融合，即在背景的衬托下不能辨别目标物。当K在0-1范围内变化时，则随K值的增大，目标物看的越清晰。0B'0B'00BB'00BB''000001BBBKBB'000''001BBBKBB01K'00BB3.23.13.观测者的视力指标——对比视感域ε在白天当，当K=0时，难以准确辨别目标物。当K逐渐增大，即亮度差异逐渐增大，当K值增大到某一值时，才能准确地辨别目标物。这个亮度对比值叫做对比视感域，用ε表示。当Kε时，目标物可见；当Kε时，目标物不可见；当K=ε时，目标物若隐若现，为临界状态。ε的大小主要取决于观测者的视力，观测时的光照条件和目标物视角的大小。由实验得出，在白天野外光照条件下，正常人的ε值平均约为ε≈0.025。因此，联合国气象组织推荐日间测定能见度时，取对比阈值ε=0.025。黄昏后，因亮度迅速减小，目标物与背景逐渐融合，ε值可迅速增大到0.06-0.07。观测者的ε值与亮度和目标物的视张角有关。目标物的张角为：其中：a为目标物的高度(m)；b为目标物的宽度(m)；L为观测者与目标物之间的水平距离(km)。0.34abL3.3&3.3目标物的亮度方程1.目标物亮度减弱规律：设目标物固有视亮度为；通过距离L的空气层后减为由Beer定律：其中:为大气层消光系数，单位为如果大气水平均一，则：令：，T为大气层透射率，则有：0B0LB000LdLLBBe00LLBBe00LBTBLTe001lnLBLB1cm3.63.53.42.气幕光设入射到体积元上光的照度为；体积角散射系数为观测方向散射光强为：令可见光波段散射为：人目方向原始亮度为：根据物光减弱规律，通过dL气层减弱后的视亮度为：dVdAdLLddLEdIEdVdIEdAdL'/dBdIdAEdL''LLLdBdBeEedL在距离观测者水平距离L处，取一空气元，其元的体积为：3.83.7从0到L积分得：为距离L内所有空气的气幕光视亮度。假定水平方向空气均一，从0到无穷远积分，得：为水平天空的视亮度，代入（3.9）式得：'0(1)LLLLEBEedLe0LHEEBedL'(1)LLHBBe'LBHB3.93.103.113.人眼所见目标物的总视亮度由(3.5)和(3.11)式得：（3.12)式为以水平天空为背景的目标物视亮度方程。可见当L∞时，即当远离目标物时，不论其原始亮度多大，它的视亮度会逐渐趋近于背景亮度，最后目标物消失于背景之中。而且，空气越浑浊，目标物消失的距离越短。'00(1)LLLLLHBBBBeBe3.12&3.4气象能见度影响目标物能见度的因子很多，而气象工作中，需要能见度只反映大气透明状况，这就必须选定和统一实行某种观测方法，以固定其它因子，使测定的最大水平能见距离只表达大气透明程度的单一因子影响。下面分白天和夜间两种情况介绍。1、白天气象能见度（1）目标物背景对比度衰减规律：一般白天目标物为扩展反射光源，目标物背景的固有亮度对比值，取'000'0BBKB观测者、目标物背景的视亮度对比为:为经L距离后,目标物的固有亮度;为经L距离后,背景的固有亮度。由（3.12）式可写成：''LLLLBBKB0(1)LLLHBBeBe''0(1)LLLHBBeBeLB'LB则：令：称作传输函数，则有：（2）白天气象能见度及其观测法若选择水平天空作为背景，那么，背景的固有亮度应等于水平天空的视亮度即则有'00'00'011(1)LLBBKBBeB0'01()1(1)LFLBeB0()LKKFL'0HBB()LFLe0LLKKe3.13'0BHB3.14称为科希米德（Koschmieder)定律，它表达了目标物与水平天空背景亮度对比度衰减规律。当这种衰减达到时，相应的能见度距离为L若选择深色物体作为目标物，即，相应再取，则定出的最大能见度距离为：按上述规定的条件进行观测，测定的只与大气消光系数成单一函数关系。它只反映大气透明度的单一影响，故视程为气象能见距离，或气象视距。LK01lnKL01K00B0.02max113.912ln0.02L3.153.16maxLmaxL2.夜间能见度夜间由于光照条件的限制，已不能使用一般的目标物，而只能用发光物体作为目标物。灯光目标物是点源，不象扩展光源那样考虑亮度对比问题，对其观测要用点源在眼睛上产生的照度来衡量。而夜间决定目标能见与否的眼睛的指标是眼睛的灵敏度，即所能感受的最小照度，又叫照度视觉阈值，以表示。拜克维尔给出了与背景亮度的统计表达式：的值与灯光色彩有关，黄光的照度视觉阈值最大，红光的最小，故用红色灯光易于辨认。0E0lg6.950.887lgbEB0EbB0E0E0E影响灯光能见度的因子有：灯光强度、大气透明度和眼睛的灵敏度。设灯光强度为，与观测者为距离L，则在观测者眼睛上产生的照度可由阿拉德（Allard）定律定义：当观测者离灯光距离为S时，灯光产生的照度达到阈值，这时目标灯恰好能见，称S为灯光能见距离，即0EI2LIEeL20/LEeIS0(lnln2ln)/SIES0(lnln2ln)/IESS3.173.18将（3.18)式代入(3.16)式，得：按（3.19)式，可将灯光能见距离换算成气象能见距离，实际工作中，常按(3.18)式绘制好灯光能见距离与气象能见度换算列线图，由图便可根据灯光强度I和距离S查算最大能见距离Lmax。3.19max03.912ln2lnSLISE&3.5能见度的器测法1.遥测光度计原理：由目标物、天空背景的视亮度比较→给出大气消光系数→推算气象能见度。2.测大气透射率表气象能见度Lmax或气象光学距离P均可写成大气透射率（T）的函数，即max3.912lnLLTln0.053lnlnLPLTT如果选择两点间的距离为B的长度作为测量基线，将上式中L取为B，测出两点间的透射率，即可算出气象能见度。测量透射率的仪器由光发射器，反射器和接受器构成。光发射器和接收器合成一体安置在基线一端，反射器安置在基线另一端。发射器发射的光被分成两束，一束透过大气层经反射器反射回来被接受器接收；另一束光则不射入大气层，作为参考光，直接进入接收器，回波信号与参考光信号同轴地照在光电接收器件上，由比较法确定其透射率。光程差越大，能见度越小。图示3、大气散射仪应用透射仪需要基线，不适合高山、沿海、船舶台站使用。大气散射仪的主要原理是光脉冲发射机发射光脉冲信号，被空气散射后，由接收机接收。光敏元件把光脉冲转换成电脉冲，由纪录器和显示器给出能见度值。电脉冲信号越强，能见度越小。图示散射式能见度仪3.6思考题1.影响能见度的因子有哪些？2.气象能见度的定义是什么？3.白天能见度与夜间能见度的观测有何不同？4.能见度的器测法主要有哪几种，说明它们的优缺点和工作原理。5.请写出水平均一大气的目标物亮度方程（3.5)，并说明方程各项的意义。6.请写出人眼所见目标物的总视亮度方程(3.12)，并说明方程各项的意义。7.请写出目标物一水平天空背景亮度对比度衰减规律方程(3.14)，并说明各项意义。THEEND