PWD20能见度仪的自动观测及使用
0 引言
能见度是气象观测项目之一,低能见度对轮渡、民航、高速公路等交通运输和电力供应以至于市民的日常生活都会产生许多不利的影响。在经济高度发展的今天,其影响更为明显。近几年来,因能见度过低而造成的重大交通事故屡有发生。因此对雾、霾、轻雾等视程障碍现象的实时监控和气象灾害预警信号的及时发布,显得尤为重要。
世界上许多国家由于公路、航空、军事和生活等方面的需求,都在对大气能见度观测仪进行实验研究,并已取得相当大的进展,如日本早在70年代对森林烟雾进行监测,欧美一些国家也都相继在机场跑道、公路、港口设置了对雾的检测仪器。为适应日益发展的高速公路上能见度的观测,国外已生产一种公路能见度观测仪,如芬兰的FD12P和美国的Model 8364 Visibility Sensor,它实际上是一种公路雾探测器。能见度仪在美国、日本、欧洲等国高速公路的管理上成为不可缺少的设备。近年来我国大量引进了多种型号的能见度仪。芬兰VAISALA公司生产的PWD20能见度仪是前散射能见度仪中的一种,因具有一体化设计、安装方便、维护简单、占地面积小等优点被广泛应用于交通道路、航空机场、气象和环境监测等领域[1,2]。在此,以山东省齐河县气象局引进的芬兰VAISALA PWD20能见度仪为例,对其安装、使用进行全面系统地介绍。
1 能见度的定义
人工观测能见度,一般指有效水平能见度,是指台站四周视野中二分之一以上的范围能看到的目标物的最大水平距离。白天能见度是指视力正常的人,在当时天气条件下,能够从天空背景中看到和辨认的目标物(黑色、大小适度)的最大水平距离;夜间能见度则是指:假定总体照明增加到正常白天水平,适当大小的黑色目标物能被看到和辨认出的最大水平距离;中等强度的发光体能被看到和识别的最大水平距离[3]。此外,世界气象组织将“气象光学视程”(MOR)定义为“色温为2700 K的白炽灯的平行光束,光通量变为其初始值的5%时所通过的大气路径长度”。
在航空领域根据飞行员的位置观察使用“跑道视程”(RVR)的概念。按照国际民航组织给出的定义是:在飞机接地的地点,从飞行员的眼睛的平均高度(一般为5 m)上,观测起飞方向或着陆方向时,能看清跑道的专用灯光或标志的最远距离。
2 PWD20型前向散射能见度仪
芬兰VAISALA公司生产的PWD20型前向散射能见度仪(以下简称“能见度仪”),是连续测量能见度的全自动仪器。它由发射机、控制接收机、处理器构成光学仪器,原理见图1。该观测仪的传感器是利用前向散射测量原理,测量低能见度天气条件下的客观能见距离[4]。能见度仪是一种综合了光学前散射测量、电容降水感应和温度测量的微处理器控制的智能传感器。通过测量一小空气体积(约0.1 L的小采样值)对45°角红外光的前向散射强度,来评估气象光学范围能见度。因大气中光的衰减是由散射和吸收引起的,一般情况下忽略吸收因子。据此,能见度仪采用红外管持续发出一束中心波长为875 nm的红外光射入大气中,接收器将特定体积大气的前向散射光汇聚到光电传感器的接受面上,将PIN光电二极管检测到的光强度转换为与大气能见度成反比关系的电信号,然后发送到计算机采样进而利用数学模型演算出大气能见度值[5]。它是在3个假设的基础上通过散射光强来有效地计算消光系数,即:
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