光源波长对能见度误差影响研究

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目 录

1 引言 4

2 研究方法 5

2.1 由转换系数q和光源波长λ造成的能见度仪相对误差的计算 5

2.2 气溶胶粒径分布函数的构建 6

2.3 转换系数q的计算方法 7

3 结果和讨论 8

3.1 能见度测量误差对光源波长和转换系数q的敏感性分析 8

3.2 气溶胶的粒径分布对转换系数q的影响 9

3.3 效率因子对转换系数q的影响研究 12

3.3.1 光源波长对转换系数q的影响 12

3.3.2 化学组分对转换系数q的影响 14

3.4 相对湿度对转换系数q的影响 15

4 结论与建议 16

参考文献 17

致谢 18

光源波长选择对能见度测量误差影响研究

郭恒楠

，China

Abstract：Visibility is closely related to human life and is widely used in various fields such as the environment, transportation, and military. At present, the measurement results of the visibility meter still have large errors, and it is generally believed that this is caused by the inaccuracy of the measurement of volume extinction coefficient. This study found that the choice of light source wavelength has a great influence on the visibility measurement. In the process of calibration of the visibility meter, the wavelength of the light source of the instrument is inconsistent with the calibrated reference wavelength. This neglected factor results in overfitting of the current calibration process of the visibility meter, which results in a large error in the visibility meter measurement. In some cases, the relative error of visibility measurement caused by this factor is even higher than 200%. This study shows that visibility meters with different light source wavelengths cannot be calibrated with each other and that a uniform standard for the wavelength of the light source should be considered to eliminate this error.

Key words：Visibility; Relative error; Aerosol; Mie scattering; Wavelength of the light source

引言

能见度是最基本的气象观测参数之一，指观测目标物时，能从背景上分辨出目标物轮廓和形体的最大距离^[1]。近年来，霾等与低能见度相关的天气现象受到高度重视^[2]。由于现有的大气污染物观测资料时间序列较短，大气能见度的观测分析依然是目前认识全球及区域大气环境长期变化特征的主要途径。Gomez、Lee和Doyle等人通过对英国气象数据的分析和对各地大气能见度变化趋势的研究，来衡量空气质量的变化^[3]。在中国能见度被认为是大气污染是否发生的重要依据^{[4, 5]}。除了大气科学相关领域，能见度在交通^[6-8]、军事、公共健康^[9]等领域也有广泛的应用。因而能够给出准确的能见度测量值具有重要意义。

目前能见度测量精度并不理想^{[10, 11]}，一般认为这主要是由于能见度仪对体积消光系数测量存在误差^[12]。但本文发现，由WMO对能见度定义的不一致所引发的在标定过程中的过度拟合是产生能见度测量误差的重要因素。

最早的能见度测量方法是由经过专业培训的观测人员通过目测获得观测数据，该方法沿用至今。但是鉴于观测人员的生理差异和观测的主观性，能见度测量有较大误差；同时该方法也受到观测时间、观测场地的较大限制，因此用仪器代替人工观测是能见度测量发展的必然趋势。1924年Koschmieder建立了能见度观测理论，提出了Koschmieder公式^[13]：

其中x_v为能见度；ɛ为人眼对比视感阈，取值因人而异；b_ext为体积消光系数。式把能见度与体积消光系数联系起来，为用仪器测量能见度提供了理论依据。1957年WMO建议用气象光学视程（MOR）来表示大气能见度，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，即取ɛ=0.05。

值得注意的是，在白天，人眼对波长为0.55μm附近的绿光最为敏感。Koschmieder公式的定义也是基于这一波长的。而根据Wien位移定律可计算出对于2700K的黑体，其辐射谱峰值波长约为1.07µm。因此白天由目测得到的能见度和MOR所表示的能见度相当于由两种不同光源的能见度仪所测量的能见度。二者的测量结果是否一致？这是必需要回答的问题。

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