大氣探測學(xué)_(4)

1、第三章第三章 能見度的觀測能見度的觀測&3.1 &3.1 能見度能見度&3.2 &3.2 影響能見度的因素影響能見度的因素&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 氣象能見度氣象能見度&3.5 &3.5 能見度的器測法能見度的器測法&3.6 &3.6 思考題思考題&3.1 &3.1 能見度能見度 能見度是氣象臺站基本觀測項目之一。有能見度是氣象臺站基本觀測項目之一。有“氣象能見度氣象能見度”和和“有效能見度有效能見度” ” 之分。之分。氣象能見度：視力正

2、常的人，在當(dāng)時氣象條氣象能見度：視力正常的人，在當(dāng)時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。 有效能見度：四周視野中，有效能見度：四周視野中，1/21/2以上的范圍以上的范圍內(nèi)，能見目標(biāo)物的最大水平距離。內(nèi)，能見目標(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,依此類推。依此類推。影響能見度的因子影響能見度的因子能見度的區(qū)別能見度的區(qū)別&3.2 &3.2 影響能見度的因素影響能見度的因素1.1.大氣透明度：大氣透明度：大氣透明度是

3、影響能見度的主要因子。大氣中的大氣透明度是影響能見度的主要因子。大氣中的氣溶膠粒子通過反射、吸收、散射等機制削弱光氣溶膠粒子通過反射、吸收、散射等機制削弱光通過大氣的能量。導(dǎo)致目標(biāo)物固有亮度減弱。所通過大氣的能量。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，能見度就愈差。以，大氣中雜質(zhì)愈多，愈渾濁，能見度就愈差。2.2.目標(biāo)物和背景的亮度對比目標(biāo)物和背景的亮度對比 在大氣中目標(biāo)物能見與否，取決于本身亮度，又在大氣中目標(biāo)物能見與否，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；或者亮的目標(biāo)物在亮的背

4、景襯托下，清晰可見；或者亮的目標(biāo)物在暗的背景下，同樣清晰可見。標(biāo)物在暗的背景下，同樣清晰可見。 表示這種差異的指標(biāo)是亮度的對比值表示這種差異的指標(biāo)是亮度的對比值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，當(dāng)目標(biāo)物與背景亮度一致時， ，則，則K=0K=0，此時目，此時目標(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，則隨范圍內(nèi)變化時，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.觀測者的視力指標(biāo)觀測者的視力指標(biāo)對比視感域?qū)Ρ纫暩杏?在白天當(dāng)，當(dāng)在白天當(dāng)，當(dāng)K=0K=0時，難以準(zhǔn)確辨別目標(biāo)物。當(dāng)時，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，才能準(zhǔn)確地辨別目標(biāo)物。這個亮度對比一值時，才能準(zhǔn)確地辨別目標(biāo)物。這個亮度對比值叫做對比視感域，用值叫做對比視感域，用表示。表示。 當(dāng)當(dāng)KK時，目標(biāo)物可見；時，目標(biāo)物可見； 當(dāng)當(dāng)KK時，目標(biāo)物不可見；時，目標(biāo)物不可見； 當(dāng)當(dāng)K=K=時，目標(biāo)物若隱若現(xiàn)，為臨界狀

6、態(tài)。時，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者的視力，觀測時的光的大小主要取決于觀測者的視力，觀測時的光照條件和目標(biāo)物視角的大小。照條件和目標(biāo)物視角的大小。 由實驗得出，在白天野外光照條件下，正常人由實驗得出，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)合國氣。因此，聯(lián)合國氣象組織推薦日間測定能見度時，取對比閾值象組織推薦日間測定能見度時，取對比閾值=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。觀測者的觀測者

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為觀測者與目標(biāo)物之間的水平距離為觀測者與目標(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 ；通過距離；通過距離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)為觀測方向散射光強為：觀測方向散射光強為：令可見光波段散射為：令可見光波段散射為：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，通過根據(jù)物光減弱規(guī)律，通過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在距離觀測者水平距離在距離觀測者水平距離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到無窮遠(yuǎn)積分，得：到無窮遠(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.人眼所見目標(biāo)物的總視亮度人眼所見

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。 可見當(dāng)可見當(dāng)L L 時，即當(dāng)遠(yuǎn)離目標(biāo)物時，不論其原時，即當(dāng)遠(yuǎn)離目標(biāo)物時，不論其原始亮度多大，它的視亮度會逐漸趨近于背景亮度，最始亮度多大，它的視亮度會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 氣象能見度氣象能見度 影響目標(biāo)物

11、能見度的因子很多，而氣象工作影響目標(biāo)物能見度的因子很多，而氣象工作中，需要能見度只反映大氣透明狀況，這就必須選中，需要能見度只反映大氣透明狀況，這就必須選定和統(tǒng)一實行某種觀測方法，以固定其它因子，使定和統(tǒng)一實行某種觀測方法，以固定其它因子，使測定的最大水平能見距離只表達(dá)大氣透明程度的單測定的最大水平能見距離只表達(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、白天氣象能見度、白天氣象能見度 （1 1）目標(biāo)物背景對比度衰減規(guī)律：）目標(biāo)物背景對比度衰減規(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、景的固有亮度對比值，取有亮度對比值，取 0000BBKB 觀測者、目標(biāo)物背景的視亮度對比為觀測者、目標(biāo)物背景的視亮度對比為: : 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）式可寫成：）式可寫成：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）白天氣象能見度及其觀測法）白天氣象能見度及其觀測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比度衰減規(guī)律。與水平天空背景亮度對比度衰減規(guī)律。當(dāng)這種衰減達(dá)到當(dāng)這種衰減達(dá)到 時，相應(yīng)的能見度距離為時，相應(yīng)的能見度距離為L 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 ，則定出的最大能見度距離為：，則定出的最

14、大能見度距離為：按上述規(guī)定的條件進(jìn)行觀測，測定的按上述規(guī)定的條件進(jìn)行觀測，測定的 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 為氣象能見距離，或氣象視距。為氣象能見距離，或氣象視距。LK01lnKL01K 00B 0.02max113.912ln0.02L3.153.16maxLmaxL2.2.夜間能見度夜間能見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)物是點源

15、，不象擴(kuò)展光源那樣考慮亮度對比問題，對其觀測要用點源象擴(kuò)展光源那樣考慮亮度對比問題，對其觀測要用點源在眼睛上產(chǎn)生的照度來衡量。而夜間決定目標(biāo)能見與否在眼睛上產(chǎn)生的照度來衡量。而夜間決定目標(biāo)能見與否的眼睛的指標(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，又叫照度視覺閾值，以又叫照度視覺閾值，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)計表達(dá)式：的統(tǒng)計表達(dá)式： 的值與燈光色彩有關(guān)，黃光的照度視覺閾值的值與燈光色彩有關(guān)，黃光的照度視覺閾值 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影響燈光能見度的因子有：燈光強度、大氣透明度和眼影響燈光能見度的因子有：燈光強度、大氣透明度和眼睛的靈敏度。睛的靈敏度。設(shè)燈光強度為設(shè)燈光強度為 ，與觀測者為距離，與觀測者為距離L L，則在觀測者眼睛，則在觀測者眼睛上產(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)觀測者離燈光距離為當(dāng)觀測者離燈光距離為S S時，燈光產(chǎn)生的照度達(dá)到閾值時，燈光產(chǎn)生的照度達(dá)到閾值 ， 這時目標(biāo)燈恰好能見，稱這時目標(biāo)燈恰好能見，稱S S為燈光能見距離，即為燈光能見距離，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，可將燈光能見距離換算成氣象能見距離，式，可將燈光能見距離換算成氣象能見距離，實際工作中，常按實際工作中，常按(3.18)(3.18)式繪制好燈光能見距離與氣象式繪制好燈光能見距離與氣象能見度換算列線圖，由圖便可根據(jù)燈光強度能見度換算列線圖，由圖便可根據(jù)燈光強度I I和距離和距離S S查查算最大能見距離算最大能見距離L Lmaxmax。3.19max03.912ln2 lnSLISE&3.5 &3.5

18、能見度的器測法能見度的器測法1.1.遙測光度計遙測光度計 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)推算氣象能見度。推算氣象能見度。2.2.測大氣透射率表測大氣透射率表 氣象能見度氣象能見度L Lmaxmax或氣象光學(xué)距離或氣象光學(xué)距離P P均可寫成大氣均可寫成大氣透射率（透射率（T T）的函數(shù)，即）的函數(shù)，即 max3.912lnLLT ln0.053lnlnLPLTT 如果選擇兩點間的距離為如果選擇兩點間的距離為B B的長度作為測量基線，將上的長度作為測量基線，將上式中式中L L取為取為B B，測出兩點間的透射率，即可算出氣象能

19、見，測出兩點間的透射率，即可算出氣象能見度。度。測量透射率的儀器由光發(fā)射器，反射器和接受器構(gòu)成。測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，一束透過大氣層經(jīng)反射器反射回來被接受器接收；另一束光則不射入大氣層，作反射回來被接受器接收；另一束光則不射入大氣層，作為參考光，直接進(jìn)入接收器，回波信號與參考光信號同為參考光，直接進(jìn)入接收器，回波信號與參考光信號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，能見度越小。光程差越大，能見度越小。 圖示圖示3 3、大氣散射儀、大氣散射儀應(yīng)