第9章能见度的测量(易)汇总

186第9章能见度的测量9.1概述9.1.1定义能见度（Visibility）是首先为了气象目的而定义的通过人工观测者定量估计的量，以这种方式进行的观测现正广泛地采用。然而，能见度的估计受许多主观的和物理的因素的影响；基本的气象量，即大气透明度，可以客观地测量，并用气象光学视程（MOR）表示。气象光学视程（Meteorologicalopticalrange）是指由白炽灯发出的色温为2700K的平行光束的光通量在大气中削弱至初始值的5%所通过的路径长度。该光通量采用国际照明委员会（ICI）的光度测量发光度函数未确定。白天气象能见度（Meteorologicalvisibilitybyday）定义为：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的黑色目标物能被看到和辨认出的最大距离。必须强调的是，采用的标准是辨认出目标物，而并非仅看到目标物却不能辨认出它是什么。夜间气象能见度（Meteorologicalvisibilityatnight）定义为：（a）假想总体照明增加到正常白天的水平，适当尺度的黑色目标物能被看到和辨认出的最大距离；或（b）中等强度的发光体能被看到和识别的最大距离。空气光（Airlight）是指来自太阳和天空由观测者视野圆锥中的大气悬浮物（和更小尺度的空气分子）散射入观测者眼中的光线。也就是说，空气光以漫射的天空辐射到达地球表面相同的方式进入眼睛。空气光是限制黑色目标物白天水平能见度的主要因素，因为沿从目标物到眼睛的视野圆锥对空气光积分，使一个充分远的黑色目标物的视亮度提高至不能从天空背景下辨认出来的水平。同主观的估计相反，大多数进入观测者眼睛的空气光来源于离他较远的视野圆锥的部分。以下四个光度测定量是以不同标准详细定义的，诸如由国际电子技术委员会（IEC，1987）：（a）光通量（Luminousflux）（符号：F（或φ），单位：lm（流明））是由辐射通量导出的量，按其对国际照明委员会（ICI）标准光度观测仪的作用确定的辐射量。（b）发光强度（Luminousintensity）（符号：I，单位：cd（坎德拉）或lmsr-1（流明每球面度））每单位立体角中的光通量。（c）光亮度（Luminance）（符号：L，单位：cdm-2（坎德拉每平方米））每单位面积上的发光强度。（d）光照度（Illuminance）（符号：E，单位：lux（勒克斯）或lmm-2）每单位面积上的光通量。消光系数（Extinctioncoefficient）（符号：σ）是色温为2700K的白炽光源发出的平187行光束经过大气中单位距离的路径损失的那部分光通量。该系数是对由于吸收和散射造成的衰减的测量。亮度对比（Luminancecontrast）（符号：C）是目标物的亮度与其背景亮度之差同背景亮度之比值。对比阈值（Contrastthreshold）（符号：ε）是人眼能察觉的最小亮度对比，例如，允许目标物从背景中消失的值，对比阈值随各人而异。照度阈值（Illuminancethreshold）（Et）在特定亮度背景下人眼察觉点源的光的最小照度。因而，Et的值随光照条件而变化。透射因数（Transmissionfactor）（T）定义为对由色温为2700K的白炽光源发出的平行光束在大气中经过给定长度的光学路径后的剩余的光通量的分数。透射因数也叫做透射系数。当限定路径时，即一个特定长度（例如在透射表的情况下），也采用透射比或透射率一类的术语。在这种情况下，T通常乘以100以百分数表示。9.1.2单位和标尺气象能见度或气象光学视程MOR用m或km表示。测量范围随应用而变化，对天气尺度要求，MOR的尺度从小于100m到大于70km，而在其他应用时测量范围可有相当的限制。对民用航空来说，上限为10km。当应用于描述着陆和起飞条件的能见度较小情况下的跑道视程的测量时，这个范围还要进一步缩小。跑道视程仅要求在500m和1500m之间（见第二编第2章）。对于其他应用，诸如陆路或海上交通，按照测量的要求和位置有着不同的限度。能见度测量的误差与能见度成比例增加，测量标度考虑到了这一点。反映在天气报告使用的电码中通过用三种线性分段逐步降低分辨率，即100m到5000m，步长为100m，6到30km，步长为1km，35km到70km，步长为5km。除了能见度低于900m外，这种标度可使报告的能见度值比测量准确度更好。9.1.3气象要求能见度概念在气象学中广泛地应用，主要表现为两个方面：首先，它是表征气团特性的要素之一，特别是满足天气学和气候学的需要。此时以能见度表示大气的光学状态。其次，它是与特定判据或和特殊应用相对应的一种业务性变量。为了适应这一要求，把它直接表示成能见度的特殊标志或发光体的可视距离。一个特别重要的应用是对航空的气象服务（见第二编第2章）。气象学采用的能见度测量应不受极端气象条件的影响，但必须与能见度的直觉概念和普通目标物在正常情况下能看到的距离直接相关。MOR业已确定能满足这些要求，且昼夜均便于用仪器测量，与能见度的其他测量具有完全明确的关系。MOR已由WMO正式确定为普通的和航空用的能见度的测量（WMO，1990a）。它也由国际电子技术委员会确认（IEC，1987）可应用于大气光学和可见的信号。188MOR通过对比阈值（ε）与能见度的直觉概念相联系。1924年Koschmieder，遵从Helmholtz提出将0.02作为ε的值，其他作者提出了别的数值。这些值从0.0077到0.06，或者甚至0.2。对给定大气条件，较小的ε值得出较大的能见度估算值。对航空要求而言，人们认为ε应大于0.02，可取作0.05，因为对于一个飞行员来说，相对于周围地域的目标物（跑道标记）对比要比相对地平的目标物的对比低得多。常假设当观测者能看到和辨认一个相地于地平的黑色目标物，目标物的视对比为0.05，其解释下面将给出，由此得出在MOR的定义中把透射因数选为0.05。准确度要求在第一编第1章中讨论。9.1.4测量方法能见度是一个复杂的心理——物理现象，主要受制于悬浮在大气中的固体和液体微粒引起的大气消光系数；消光主要由光的散射而非吸收所造成。其估计值依从于个人的视觉和对可见的理解水平而变化，同时受光源特征和透射因数的影响。因此，能见度的目测估计值都是主观的。当观测者估计能见度时，并不仅仅是取决于所理解的或应当理解的目标物的光度测定的和尺度的特征，还取决于观测者的对比阈值。在夜间，取决于光源强度，背景照度，若由观测者估计的话，还取决于观测者的眼睛对黑暗的适应能力和观测者的照度阈值。夜间能见度的估计存在着特殊的问题。9.1.1节中夜间能见度的第一种定义是通过与昼间能见度等效方式给出的，以保证在黎明和黄昏估计能见度时不出现人为变化。第二种定义具有实际应用价值，尤其是对航空要求，但与第一种定义不同，通常得出不同的结果。两者显然都是不精确的。MOR可以用仪器方法测量消光系数从而计算得出。于是能见度可由对比阈值和照度阈值计算得出，或指定与它们一致的值。Sheppard(1983)指出：“严格的遵从（MOR的）定义应要求把具有适当光谱特性的发射器和接收器安置在可以分离的两个平台上，例如沿铁路线，直到透射比为5%。任何其它方法都只能给出MOR的估计值。”然而，使用固定的仪器是在消光系数与距离相互独立的假设基础上的。一些仪器直接测量衰减，另一些仪器测量光的散射，均用以得出消光系数。9.3节中对这些方法进行了说明。本章中有关能见度物理学的主要分析，对理解消光系数各种测量方法之间的关系以及对用能见度测量的仪器的考虑是很有用的。视觉——适光的和暗光的视觉目测视觉基于人眼在可见光谱中相对于单色辐射的适当效率的测量。适光和暗光分别指白天和夜间的情况。修饰语适光指白天光照环境下，眼睛的适应状态。更精确地说，适光状态定义为具有正常视力的观测者对光线射入视网膜中央凹（视网膜最敏感的中枢部分）的刺激所作出的反应。在这种适应条件下，中央凹可区别出细微的清晰度和颜色。189在适光的视觉下（通过中央凹感光），眼睛的相对感光效率随入射光的波长而变化。在适光条件下眼睛的感光效率在波长为550nm时达到最大值。以波长为550nm时的效率作为参照值，可以建立人眼在可见光谱中各种波长的相对效率的反应曲线。图9.1中的曲线就是如此得出的，已由ICI采用作为正常观测者的平均相对感光效率。图9.1——人眼对单色光的相对感光效率。实线表示白天的视觉，虚线表示夜间的视觉夜间视觉视作是暗光的（以视网膜的视杆细胞取代中央凹产生视觉），视杆细胞作为视网膜上的外围部分对颜色和细微清晰度不敏感，但对低的光强度特别敏感。在暗光视觉中，最大感光效率与507nm波长相对应。暗光视觉需要长时间的适应过程，长达30分钟，而适光视觉只需2分钟。基本方程能见度测量的基本方程是Bouguer-Lambert定律：xeFF0（9.1）式中，F是在大气中经过x路径长度接受的光通量，F0是在x=0时的光通量，σ为消光系数。求导可得：dxFdF1（9.2）注意，此定律仅在单色光时有效，但可以作为一个好的近似值应用于光谱通量。透射因数为：0FFT（9.3）MOR与代表大气光学状态的许多变量的数学关系可以从Bouguer-Lambert定律推得出。根据方程（9.1）和（9.3），有：xeFFT0（9.4）若此定律应用于MOR定义的T=0.05，则x=P，T可写成下列关系：190peT05.0（9.5）因此，MOR对消光系数的数学关系为：/305.01ln1P（9.6）式中，ln是底数为e的对数或自然对数。与由Bouguer-Lambert定律导出的方程（9.4）、9.6联立，得出下列方程：TxPln05.0ln（9.7）此方程是采用透射表测量MOR的基本原理，此时，x等于方程（9.4）中透射表的基线a。白天气象能见度亮度对比为：hhbLLLC（9.8）这里Lh是地平天空背景亮度，Lb是目标物亮度。地平天空背景亮度是由沿观测者视线的大气散射的空气光产生的。必须注意的是，若目标物比地平天空背景暗，则C为负值，若目标物是黑色的（Lb=0），则C=-1。1924年，Koschmieder建立了远处的观测者在地平天空下看到的目标物的视亮度对比（Cx）与其固有亮度对比（C0），即假想从很近处看到的地平天空下的目标物的亮度对比之间的关系，此即其后变成众所周知的Koschmieder定律。Koschmieder的关系式可写成：xxeCC0（9.9）当散射系数与方位角无关，且沿观测者、目标物和地平天空之间的整个路径上的照度均匀时，此关系式成立。若黑色目标物针对地平天空可观测到（C0=-1）且视亮度对比为-0.05，则方程9.9可简化为：xe05.0（9.10）将这一结果与方程9.5相比较表明，在地平天空背景下，当一个黑色目标物的视亮度对比值为0.05时，该目标物即处于MOR（P）。夜间气象能见度夜间作为能见度标记的发光体能被看到的距离并非简单地与MOR相关。它不但取决于MOR和发光体光的强度，还取决于观测者眼睛处从其他光源来的照度。1876年，Allard提出了从已知强度的点光源发出的光的衰减定律，它是距离和消光系数的函数，点光源的亮度由下式给出：191xerIE2（9.11）当光为恰好可见时，E=Et并有下式：2/ln1xEIrt（9.12）考虑9.6式05.0/1ln/1P，可以得出：2/ln05.0/1lnxEIrPt（9.13）MOR与各种发光体的可见距离之间的关系可参见9.2.3节中的论述，此方程在目测中的应用将在9.2节中叙述。9.2目视估计气象光学视程9.2.1概述气象观测员可以通过自然的或人造的目标物（树林，岩石，城堡，尖塔，教堂，灯光等）对MOR进行目测估计。每一测站应准备一张用于观测的目标物分布图，在其中标明它们相对于观测者的距离和方位。分布图中应包括分别适用于白天观测和夜间观