大氣探測(cè)學(xué)_(4)

1、第三章第三章 能見(jiàn)度的觀測(cè)能見(jiàn)度的觀測(cè)&3.1 &3.1 能見(jiàn)度能見(jiàn)度&3.2 &3.2 影響能見(jiàn)度的因素影響能見(jiàn)度的因素&3.3 &3.3 目標(biāo)物的亮度方程目標(biāo)物的亮度方程&3.4 &3.4 氣象能見(jiàn)度氣象能見(jiàn)度&3.5 &3.5 能見(jiàn)度的器測(cè)法能見(jiàn)度的器測(cè)法&3.6 &3.6 思考題思考題&3.1 &3.1 能見(jiàn)度能見(jiàn)度 能見(jiàn)度是氣象臺(tái)站基本觀測(cè)項(xiàng)目之一。有能見(jiàn)度是氣象臺(tái)站基本觀測(cè)項(xiàng)目之一。有“氣象能見(jiàn)度氣象能見(jiàn)度”和和“有效能見(jiàn)度有效能見(jiàn)度” ” 之分。之分。氣象能見(jiàn)度：視力正

2、常的人，在當(dāng)時(shí)氣象條氣象能見(jiàn)度：視力正常的人，在當(dāng)時(shí)氣象條件下能從天空背景中分辨出目標(biāo)物輪廓的最件下能從天空背景中分辨出目標(biāo)物輪廓的最遠(yuǎn)距離。遠(yuǎn)距離。 有效能見(jiàn)度：四周視野中，有效能見(jiàn)度：四周視野中，1/21/2以上的范圍以上的范圍內(nèi)，能見(jiàn)目標(biāo)物的最大水平距離。內(nèi)，能見(jiàn)目標(biāo)物的最大水平距離。 記錄單位：記錄單位：KmKm，不足，不足100100米記米記0.00.0，100100米米記記0.1Km,0.1Km,依此類(lèi)推。依此類(lèi)推。影響能見(jiàn)度的因子影響能見(jiàn)度的因子能見(jiàn)度的區(qū)別能見(jiàn)度的區(qū)別&3.2 &3.2 影響能見(jiàn)度的因素影響能見(jiàn)度的因素1.1.大氣透明度：大氣透明度：大氣透明度是

3、影響能見(jiàn)度的主要因子。大氣中的大氣透明度是影響能見(jiàn)度的主要因子。大氣中的氣溶膠粒子通過(guò)反射、吸收、散射等機(jī)制削弱光氣溶膠粒子通過(guò)反射、吸收、散射等機(jī)制削弱光通過(guò)大氣的能量。導(dǎo)致目標(biāo)物固有亮度減弱。所通過(guò)大氣的能量。導(dǎo)致目標(biāo)物固有亮度減弱。所以，大氣中雜質(zhì)愈多，愈渾濁，能見(jiàn)度就愈差。以，大氣中雜質(zhì)愈多，愈渾濁，能見(jiàn)度就愈差。2.2.目標(biāo)物和背景的亮度對(duì)比目標(biāo)物和背景的亮度對(duì)比 在大氣中目標(biāo)物能見(jiàn)與否，取決于本身亮度，又在大氣中目標(biāo)物能見(jiàn)與否，取決于本身亮度，又與它同背景的亮度差異有關(guān)。比如，亮度暗的目與它同背景的亮度差異有關(guān)。比如，亮度暗的目標(biāo)物在亮的背景襯托下，清晰可見(jiàn)；或者亮的目標(biāo)物在亮的背

4、景襯托下，清晰可見(jiàn)；或者亮的目標(biāo)物在暗的背景下，同樣清晰可見(jiàn)。標(biāo)物在暗的背景下，同樣清晰可見(jiàn)。 表示這種差異的指標(biāo)是亮度的對(duì)比值表示這種差異的指標(biāo)是亮度的對(duì)比值K K。 設(shè)目標(biāo)物亮度為設(shè)目標(biāo)物亮度為 ，背景亮度為，背景亮度為 當(dāng)當(dāng) ，則，則 當(dāng)當(dāng) ，則，則 所以，所以， ， 當(dāng)目標(biāo)物與背景亮度一致時(shí)，當(dāng)目標(biāo)物與背景亮度一致時(shí)， ，則，則K=0K=0，此時(shí)目，此時(shí)目標(biāo)物和背景融合，即在背景的襯托下不能辨別目標(biāo)物。標(biāo)物和背景融合，即在背景的襯托下不能辨別目標(biāo)物。當(dāng)當(dāng)K K在在0-10-1范圍內(nèi)變化時(shí)，則隨范圍內(nèi)變化時(shí)，則隨K K值的增大，目標(biāo)物看值的增大，目標(biāo)物看的越清晰。的越清晰。0B0B00B

5、B00BB000001BBBKBB 000001BBBKBB 01K00BB3.23.13.3.觀測(cè)者的視力指標(biāo)觀測(cè)者的視力指標(biāo)對(duì)比視感域?qū)Ρ纫暩杏?在白天當(dāng)，當(dāng)在白天當(dāng)，當(dāng)K=0K=0時(shí)，難以準(zhǔn)確辨別目標(biāo)物。當(dāng)時(shí)，難以準(zhǔn)確辨別目標(biāo)物。當(dāng)K K逐漸增大，即亮度差異逐漸增大，當(dāng)逐漸增大，即亮度差異逐漸增大，當(dāng)K K值增大到某值增大到某一值時(shí)，才能準(zhǔn)確地辨別目標(biāo)物。這個(gè)亮度對(duì)比一值時(shí)，才能準(zhǔn)確地辨別目標(biāo)物。這個(gè)亮度對(duì)比值叫做對(duì)比視感域，用值叫做對(duì)比視感域，用表示。表示。 當(dāng)當(dāng)KK時(shí)，目標(biāo)物可見(jiàn)；時(shí)，目標(biāo)物可見(jiàn)； 當(dāng)當(dāng)KK時(shí)，目標(biāo)物不可見(jiàn)；時(shí)，目標(biāo)物不可見(jiàn)； 當(dāng)當(dāng)K=K=時(shí)，目標(biāo)物若隱若現(xiàn)，為臨界狀

6、態(tài)。時(shí)，目標(biāo)物若隱若現(xiàn)，為臨界狀態(tài)。的大小主要取決于觀測(cè)者的視力，觀測(cè)時(shí)的光的大小主要取決于觀測(cè)者的視力，觀測(cè)時(shí)的光照條件和目標(biāo)物視角的大小。照條件和目標(biāo)物視角的大小。 由實(shí)驗(yàn)得出，在白天野外光照條件下，正常人由實(shí)驗(yàn)得出，在白天野外光照條件下，正常人的的值平均約為值平均約為0.0250.025。因此，聯(lián)合國(guó)氣。因此，聯(lián)合國(guó)氣象組織推薦日間測(cè)定能見(jiàn)度時(shí)，取對(duì)比閾值象組織推薦日間測(cè)定能見(jiàn)度時(shí)，取對(duì)比閾值=0.025=0.025。黃昏后，因亮度迅速減小，目標(biāo)物與背景逐漸黃昏后，因亮度迅速減小，目標(biāo)物與背景逐漸融合，融合，值可迅速增大到值可迅速增大到0.06-0.070.06-0.07。觀測(cè)者的觀測(cè)者

7、的值與亮度和目標(biāo)物的視張角有關(guān)。值與亮度和目標(biāo)物的視張角有關(guān)。目標(biāo)物的張角為：目標(biāo)物的張角為：其中：其中：a a為目標(biāo)物的高度為目標(biāo)物的高度(m)(m)； b b為目標(biāo)物的寬度為目標(biāo)物的寬度(m)(m)； L L為觀測(cè)者與目標(biāo)物之間的水平距離為觀測(cè)者與目標(biāo)物之間的水平距離(km)(km)。0.34a bL3.3&3.3 &3.3 目標(biāo)物的亮度方程目標(biāo)物的亮度方程1.1.目標(biāo)物亮度減弱規(guī)律：目標(biāo)物亮度減弱規(guī)律： 設(shè)目標(biāo)物固有視亮度為設(shè)目標(biāo)物固有視亮度為 ；通過(guò)距離；通過(guò)距離L L的空氣層后減的空氣層后減為為由由BeerBeer定律：定律： 其中其中: : 為大氣層消光系數(shù)，單位為

8、為大氣層消光系數(shù)，單位為 如果大氣水平均一，則：如果大氣水平均一，則： 令：令： ，T T為大氣層透射率，為大氣層透射率， 則有：則有： 0B0LB000LdLLBB e00LLBB e00LBTBLTe001lnLBLB1cm3.63.53.42.2.氣幕光氣幕光設(shè)入射到體積元上光的照度為設(shè)入射到體積元上光的照度為 ；體積角散射系數(shù)為；體積角散射系數(shù)為觀測(cè)方向散射光強(qiáng)為：觀測(cè)方向散射光強(qiáng)為：令可見(jiàn)光波段散射為：令可見(jiàn)光波段散射為：人目方向原始亮度為：人目方向原始亮度為：根據(jù)物光減弱規(guī)律，通過(guò)根據(jù)物光減弱規(guī)律，通過(guò)dLdL氣層減弱后的視亮度為：氣層減弱后的視亮度為：dVdAdLLd dLEdI

9、EdVdIEdAdL/dBdI dAEdLLLLdBdBeEedL在距離觀測(cè)者水平距離在距離觀測(cè)者水平距離L L處，取一空氣元，其元的體處，取一空氣元，其元的體積為：積為：3.83.7從從0 0到到L L積分得：積分得： 為距離為距離L L內(nèi)所有空氣的氣幕光視亮度。內(nèi)所有空氣的氣幕光視亮度。假定水平方向空氣均一，從假定水平方向空氣均一，從0 0到無(wú)窮遠(yuǎn)積分，得：到無(wú)窮遠(yuǎn)積分，得： 為水平天空的視亮度，代入（為水平天空的視亮度，代入（3.93.9）式得：）式得：0(1)LLLLEBEedLe0LHEEBedL(1)LLHBBeLBHB3.93.103.113.3.人眼所見(jiàn)目標(biāo)物的總視亮度人眼所見(jiàn)

10、目標(biāo)物的總視亮度 由由(3.5)(3.5)和和(3.11)(3.11)式得：式得： （3.12)3.12)式為以水平天空為背景的目標(biāo)物視亮度方程。式為以水平天空為背景的目標(biāo)物視亮度方程。 可見(jiàn)當(dāng)可見(jiàn)當(dāng)L L 時(shí)，即當(dāng)遠(yuǎn)離目標(biāo)物時(shí)，不論其原時(shí)，即當(dāng)遠(yuǎn)離目標(biāo)物時(shí)，不論其原始亮度多大，它的視亮度會(huì)逐漸趨近于背景亮度，最始亮度多大，它的視亮度會(huì)逐漸趨近于背景亮度，最后目標(biāo)物消失于背景之中。而且，空氣越渾濁，目標(biāo)后目標(biāo)物消失于背景之中。而且，空氣越渾濁，目標(biāo)物消失的距離越短。物消失的距離越短。00(1)LLLLLHBBBBeBe3.12&3.4 &3.4 氣象能見(jiàn)度氣象能見(jiàn)度 影響目標(biāo)物

11、能見(jiàn)度的因子很多，而氣象工作影響目標(biāo)物能見(jiàn)度的因子很多，而氣象工作中，需要能見(jiàn)度只反映大氣透明狀況，這就必須選中，需要能見(jiàn)度只反映大氣透明狀況，這就必須選定和統(tǒng)一實(shí)行某種觀測(cè)方法，以固定其它因子，使定和統(tǒng)一實(shí)行某種觀測(cè)方法，以固定其它因子，使測(cè)定的最大水平能見(jiàn)距離只表達(dá)大氣透明程度的單測(cè)定的最大水平能見(jiàn)距離只表達(dá)大氣透明程度的單一因子影響。下面分白天和夜間兩種情況介紹。一因子影響。下面分白天和夜間兩種情況介紹。1 1、白天氣象能見(jiàn)度、白天氣象能見(jiàn)度 （1 1）目標(biāo)物背景對(duì)比度衰減規(guī)律：）目標(biāo)物背景對(duì)比度衰減規(guī)律：一般白天目標(biāo)物為擴(kuò)展反射光源，目標(biāo)物背景的固一般白天目標(biāo)物為擴(kuò)展反射光源，目標(biāo)物背

12、景的固有亮度對(duì)比值，取有亮度對(duì)比值，取 0000BBKB 觀測(cè)者、目標(biāo)物背景的視亮度對(duì)比為觀測(cè)者、目標(biāo)物背景的視亮度對(duì)比為: : 為經(jīng)為經(jīng)L L距離后距離后, ,目標(biāo)物的固有亮度目標(biāo)物的固有亮度; ; 為經(jīng)為經(jīng)L L距離后距離后, ,背景的固有亮度。背景的固有亮度。 由（由（3.123.12）式可寫(xiě)成：）式可寫(xiě)成：LLLLBBKB0(1)LLLHBB eBe0(1)LLLHBB eBeLBLB則：則：令：令：稱作傳輸函數(shù)，則有：稱作傳輸函數(shù)，則有：（2 2）白天氣象能見(jiàn)度及其觀測(cè)法）白天氣象能見(jiàn)度及其觀測(cè)法若選擇水平天空作為背景，那么，背景的固有亮度若選擇水平天空作為背景，那么，背景的固有亮度

13、應(yīng)等于水平天空的視亮度應(yīng)等于水平天空的視亮度即即 則有則有 0000011(1)LLBBKBBeB001( )1(1)LF LBeB0( )LKK F L0HBB( )LF Le0LLKK e3.130BHB3.14稱為科希米德（稱為科希米德（Koschmieder)Koschmieder)定律，它表達(dá)了目標(biāo)物定律，它表達(dá)了目標(biāo)物與水平天空背景亮度對(duì)比度衰減規(guī)律。與水平天空背景亮度對(duì)比度衰減規(guī)律。當(dāng)這種衰減達(dá)到當(dāng)這種衰減達(dá)到 時(shí)，相應(yīng)的能見(jiàn)度距離為時(shí)，相應(yīng)的能見(jiàn)度距離為L(zhǎng) L若選擇深色物體作為目標(biāo)物，即若選擇深色物體作為目標(biāo)物，即 ，相應(yīng)，相應(yīng)再取再取 ，則定出的最大能見(jiàn)度距離為：，則定出的最

14、大能見(jiàn)度距離為：按上述規(guī)定的條件進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)定的按上述規(guī)定的條件進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)定的 只與大氣消光只與大氣消光系數(shù)系數(shù) 成單一函數(shù)關(guān)系。它只反映大氣透明度的單一成單一函數(shù)關(guān)系。它只反映大氣透明度的單一影響，故視程影響，故視程 為氣象能見(jiàn)距離，或氣象視距。為氣象能見(jiàn)距離，或氣象視距。LK01lnKL01K 00B 0.02max113.912ln0.02L3.153.16maxLmaxL2.2.夜間能見(jiàn)度夜間能見(jiàn)度夜間由于光照條件的限制，已不能使用一般的目標(biāo)物，夜間由于光照條件的限制，已不能使用一般的目標(biāo)物，而只能用發(fā)光物體作為目標(biāo)物。燈光目標(biāo)物是點(diǎn)源，不而只能用發(fā)光物體作為目標(biāo)物。燈光目標(biāo)物是點(diǎn)源

15、，不象擴(kuò)展光源那樣考慮亮度對(duì)比問(wèn)題，對(duì)其觀測(cè)要用點(diǎn)源象擴(kuò)展光源那樣考慮亮度對(duì)比問(wèn)題，對(duì)其觀測(cè)要用點(diǎn)源在眼睛上產(chǎn)生的照度來(lái)衡量。而夜間決定目標(biāo)能見(jiàn)與否在眼睛上產(chǎn)生的照度來(lái)衡量。而夜間決定目標(biāo)能見(jiàn)與否的眼睛的指標(biāo)是眼睛的靈敏度，即所能感受的最小照度，的眼睛的指標(biāo)是眼睛的靈敏度，即所能感受的最小照度，又叫照度視覺(jué)閾值，以又叫照度視覺(jué)閾值，以 表示。拜克維爾給出了表示。拜克維爾給出了 與背與背景亮度景亮度 的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式：的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式： 的值與燈光色彩有關(guān)，黃光的照度視覺(jué)閾值的值與燈光色彩有關(guān)，黃光的照度視覺(jué)閾值 最大，最大，紅光的紅光的 最小，故用紅色燈光易于辨認(rèn)。最小，故用紅色燈光易于辨認(rèn)。0E0l

16、g6.950.887lgbEB 0EbB0E0E0E影響燈光能見(jiàn)度的因子有：燈光強(qiáng)度、大氣透明度和眼影響燈光能見(jiàn)度的因子有：燈光強(qiáng)度、大氣透明度和眼睛的靈敏度。睛的靈敏度。設(shè)燈光強(qiáng)度為設(shè)燈光強(qiáng)度為 ，與觀測(cè)者為距離，與觀測(cè)者為距離L L，則在觀測(cè)者眼睛，則在觀測(cè)者眼睛上產(chǎn)生的照度可由阿拉德（上產(chǎn)生的照度可由阿拉德（AllardAllard）定律定義：）定律定義：當(dāng)觀測(cè)者離燈光距離為當(dāng)觀測(cè)者離燈光距離為S S時(shí)，燈光產(chǎn)生的照度達(dá)到閾值時(shí)，燈光產(chǎn)生的照度達(dá)到閾值 ， 這時(shí)目標(biāo)燈恰好能見(jiàn)，稱這時(shí)目標(biāo)燈恰好能見(jiàn)，稱S S為燈光能見(jiàn)距離，即為燈光能見(jiàn)距離，即0EI2LIEeL20/LEeI S0(lnl

17、n2ln)/SIES0(lnln2ln )/IESS3.173.18將（將（3.18)3.18)式代入式代入(3.16)(3.16)式，得：式，得：按（按（3.19)3.19)式，可將燈光能見(jiàn)距離換算成氣象能見(jiàn)距離，式，可將燈光能見(jiàn)距離換算成氣象能見(jiàn)距離，實(shí)際工作中，常按實(shí)際工作中，常按(3.18)(3.18)式繪制好燈光能見(jiàn)距離與氣象式繪制好燈光能見(jiàn)距離與氣象能見(jiàn)度換算列線圖，由圖便可根據(jù)燈光強(qiáng)度能見(jiàn)度換算列線圖，由圖便可根據(jù)燈光強(qiáng)度I I和距離和距離S S查查算最大能見(jiàn)距離算最大能見(jiàn)距離L Lmaxmax。3.19max03.912ln2 lnSLISE&3.5 &3.5

18、能見(jiàn)度的器測(cè)法能見(jiàn)度的器測(cè)法1.1.遙測(cè)光度計(jì)遙測(cè)光度計(jì) 原理：由目標(biāo)物、天空背景的視亮度比較原理：由目標(biāo)物、天空背景的視亮度比較給出給出大氣消光系數(shù)大氣消光系數(shù)推算氣象能見(jiàn)度。推算氣象能見(jiàn)度。2.2.測(cè)大氣透射率表測(cè)大氣透射率表 氣象能見(jiàn)度氣象能見(jiàn)度L Lmaxmax或氣象光學(xué)距離或氣象光學(xué)距離P P均可寫(xiě)成大氣均可寫(xiě)成大氣透射率（透射率（T T）的函數(shù)，即）的函數(shù)，即 max3.912lnLLT ln0.053lnlnLPLTT 如果選擇兩點(diǎn)間的距離為如果選擇兩點(diǎn)間的距離為B B的長(zhǎng)度作為測(cè)量基線，將上的長(zhǎng)度作為測(cè)量基線，將上式中式中L L取為取為B B，測(cè)出兩點(diǎn)間的透射率，即可算出氣象能

19、見(jiàn)，測(cè)出兩點(diǎn)間的透射率，即可算出氣象能見(jiàn)度。度。測(cè)量透射率的儀器由光發(fā)射器，反射器和接受器構(gòu)成。測(cè)量透射率的儀器由光發(fā)射器，反射器和接受器構(gòu)成。光發(fā)射器和接收器合成一體安置在基線一端，反射器安光發(fā)射器和接收器合成一體安置在基線一端，反射器安置在基線另一端。置在基線另一端。發(fā)射器發(fā)射的光被分成兩束，一束透過(guò)大氣層經(jīng)反射器發(fā)射器發(fā)射的光被分成兩束，一束透過(guò)大氣層經(jīng)反射器反射回來(lái)被接受器接收；另一束光則不射入大氣層，作反射回來(lái)被接受器接收；另一束光則不射入大氣層，作為參考光，直接進(jìn)入接收器，回波信號(hào)與參考光信號(hào)同為參考光，直接進(jìn)入接收器，回波信號(hào)與參考光信號(hào)同軸地照在光電接收器件上，由比較法確定其透射率。軸地照在光電接收器件上，由比較法確定其透射率。光程差越大，能見(jiàn)度越小。光程差越大，能見(jiàn)度越小。 圖示圖示3 3、大氣散射儀、大氣散射儀應(yīng)