前向散射能见度仪观测规范讲解

1、前向散射能见度仪观测规范（试行）中国气象局综合观测司2011年9月前向散射能见度仪观测规范（试行）前向散射能见度仪观测规范分六个章节，包括：总则、观测仪器和软件、传感器 校准、日常工作、数据文件、记录处理等内容。编写组依据地面气象观测规范 、气象仪器和观测方法指南 、前向散射能见 度仪功能规格需求书 等相关技术文件， 在总结能见度观测自动化试点工作基础上编 写了本规范。第 1、2、3 章主要介绍和规定能见度观测自动化的基本情况和要求，第 4、5、6 章主要规定能见度观测自动化后的业务流程和方法。本规范适用于国家级地面气象观测站的前向散射式能见度仪自动化观测业务。本规范由中国气象局综合观测司组织

2、， 中国气象局气象探测中心牵头编写。 第 1、 2、3 章由中国气象局气象探测中心、江苏省气象局、安徽省气象局等单位共同编写； 第 4、5、6 章由江苏省气象局组织观测业务管理人员、观测员编写。中国气象局气象探测中心参加编写人员：张雪芬、雷勇、刘达新、许崇海 江苏省气象局参加编写人员：李崇志、王世华、王永平、张闻、赵兵、熊伟、许 霞、林伟、张正安徽省气象局参加编写人员：方海涛前向散射能见度仪观测规范（试行）目录前 言 I第 1 章 总则 - 1 -1.1 目的和范围 - 1 -1.2 观测场地 - 1 -1.2.1 选址 - 1 -1.2.2 仪器布设 - 1 -1.3 时制、日界和对时 -

3、2 -1.4 仪器要求 - 2 -1.4.1 总体要求 - 2 -1.4.2 测量性能要求 - 2 -第 2 章 观测仪器和软件 - 2 -2.1 仪器结构及工作原理 - 2 -2.1.1 仪器结构 - 2 -2.1.2 工作原理 - 3 -2.2 硬件 - 4 -2.2.1 传感器 - 4 -2.2.2 数据采集器 - 4 -2.2.3 系统电源 - 4 -2.2.4 通信接口与通讯模块 - 4 -2.2.5 计算机 - 4 -2.3 软件 - 4 -2.3.1 采集软件 - 4 -2.3.2 业务软件 - 5 -2.3.3 采样和算法 - 5 -2.4 系统安装 - 5 -2.4.1 传感

4、器的安装 - 5 -2.4.2 电缆的安装与连接 - 5 -2.4.3 电源、计算机等的安装 - 5 -2.4.4 防雷要求 - 6 -2.4.5 软件安装 - 6 -第 3 章 传感器校准 - 6 -3.1 传感器实验室校准 - 6 -3.1.1 实验室 /舱校准 - 6 -3.1.2 室外校准 - 6 -II前向散射能见度仪观测规范（试行）3.1.3 校准周期 - 6 -3.2 仪器现场校准 - 6 -3.2.1 校准板的安装 - 6 -3.2.2 校准方法 - 7 -3.2.3 现场校准周期 - 7 -第 4 章 日常工作 - 7 -第 5 章 数据文件 - 7 -5.1 分钟数据文件（

5、 V 文件） - 7 -5.2 正点数据文件（ Z 文件）和实时地面气象要素数据文件（ ZZ.TXT ） - 8 -5.3 月数据文件（ A 文件） - 8 -5.4 实时报文数据文件（长 Z 文件） - 8 -第 6 章 记录处理 - 9 -6.1 能见度的取值 - 9 -III前向散射能见度仪观测规范（试行）第 1 章 总则能见度作为气象观测要素的气象量是大气透明度， 可以客观地测量， 并用气象光 学视程（ MOR ）表示。气象光学视程是指白炽灯发出色温为 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。1.1 目的和范围 制定前向散射能见度仪观测规范，有利于

6、推进我国能见度要素观测的自动化进 程，提升能见度观测的准确度，满足气象业务、公共服务、专业服务和科学研究的需 求。本规范适用于使用前向散射能见度仪开展的气象观测业务， 其他能见度设备的自 动观测可参考本规范执行。1.2 观测场地1.2.1 选址 前向散射能见度仪应安装在对周围天气状况最具代表性的地点，应不受干扰光 学测量的遮挡物和反射表面的影响，要远离大型建筑物，远离产生热量及妨碍降雨 的设施，避免闪烁光源、树阴、污染源的影响。1.2.2 仪器布设如下图所示， 能见度仪安装在观测场西北角， 与风杆东西成行， 与百叶箱南北成 列。若为三个百叶箱的观测场，能见度仪距西侧围栏 7.5 米。能见度仪接

7、收端和发射 端分别在南北方向。图 1-1 能见度仪设备布置位置参考图前向散射能见度仪观测规范（试行）1.3 时制、日界和对时能见度自动观测采用北京时，以北京时 20时为日界。 前向散射能见度仪具备通 过软件自动对时的功能，每日 19时对时一次，误差超过 30秒， 19 时后调整。1.4 仪器要求1.4.1 总体要求（1）应具有国务院气象主管机构业务主管部门颁发的使用许可证，或经国务院 气象主管机构业务主管部门审批同意用于观测业务。（ 2）满足本规范 1.4.2 要求。（3）操作和维护方便，具有详细的技术及操作手册。1.4.2 测量性能要求前向散射能见度仪的测量性能应遵循下表 1.1。表 1.1

8、 前向散射能见度仪测量性能要求测量要素测量范围最大允许误差能见度10m 30km10% （ 1.5km）20% （ 1.5km）第 2 章 观测仪器和软件前向散射能见度仪，由硬件和软件组成。其硬件可分成传感器、采集器和外围 设备三部分，其软件分为采集软件和业务软件两部分。2.1 仪器结构及工作原理2.1.1 仪器结构既可以作为独立设备与微机终端连接组成能见度自动观测系统， 也可以作为能见 度分采集系统挂接在其他采集系统上。作为独立设备的前向散射能见度仪至少应包含以下三部分：传感器、采集器和 支架。其中，传感器部分包括接收器、发射器和和控制处理器等；采集器包括接口 单元、中央处理单元、存储单元等

9、； 支架部分包括立柱和底座。 为保证设备良好运行 还应包括供电电源、电源防雷器和蓄电池等；且可选配无线通信模块。前向散射能见度仪观测规范（试行）图 2-1 前向散射能见度仪结构示意图2.1.2 工作原理 大气中光的衰减是由散射和吸收引起的，在一般情况下，吸收因子可以忽略，而 经由水滴反射、 折射或衍射产生的散射现象是影响能见度的主要因素。 故测量散射系 数的仪器可用于估计气象光学视程（ MOR ）。前向散射能见度仪的发射器与接收器在成一定角度和一定距离的两处。 接收器不 能接收到发射器直接发射和后向散射的光， 而只能接收大气的前向散射光。 通过测量 散射光强度，可以得出散射系数，从而估算出消光

10、系数。根据柯西米德定律计算气象光学视程（ MOR ）MORln( )式中： MOR 气象光学视程， 当 0.05 时，有从而可以得出气象光学视程。为对比阈值， 为消光系数MOR2.996前向散射能见度仪观测规范（试行）图 2-2 前向散射能见度仪光学原理图2.2 硬件2.2.1 传感器传感器部分包括发射器、接收器和控制处理器等。2.2.2 数据采集器数据采集部分指数据采集箱， 内含接口单元、 中央处理单元、 存储单元和显示单 元等。数据采集箱可以安装在室内，也可以安装在室外。2.2.3 系统电源系统所用电源为直流 12V。配有蓄电池， 并对蓄电池浮充充电， 以备市电停电时 可由蓄电池供电，也可

11、以配置辅助电源（包括太阳能、风能）对蓄电池充电。在没有市电的情况下，后备蓄电池应能保证传感器（在不加热状态下） 、采集器 及传输模块至少 7 天正常工作 。2.2.4 通信接口与通讯模块联接采集器与计算机、计算机与中心站、采集器与中心站等的通信联接设备。 通信接口使用 RS-232 或 RS-485。通过外接无线传输模块，可以扩展通信距离。 无线传输模块的类型有 GPRS、CDMA 等。无线传输时，可以实现多点传输，至少 可同时将数据发到 2 个数据中心站。2.2.5 计算机前向散射能见度仪独立运行时应配备计算机， 作为数据接收终端， 并实现对能见 度仪的监控、能见度数据处理和存储， 计算机应

12、能满足业务软件运行的基本配置要求。2.3 软件2.3.1 采集软件采集软件由厂家提供， 写在采集器中。 必须遵守本规范及其它气象技术标准。 能 对传感器按预定的采样频率进行扫描和将获得的电信号转换成微控制器可读信号， 得 到气象变量测量值序列； 对气象变量测量值进行转换， 使传感器输出的电信号转换成 气象单位量，得到采样瞬时值。至少具备如下主要功能：（ 1）接受和响应业务软件对参数的设置和系统时钟的调整（时钟也可在采集器 上直接调整，但必须保证采集器和计算机时钟一致） ；（ 2）实时和定时采集传感器的输出信号，经计算、处理形成能见度观测值；前向散射能见度仪观测规范（试行）（ 3）存储和传输能见

13、度观测值；（ 4）运行状态监控。2.3.2 业务软件 软件根据地面气象业务的需要编制。 其功能至少包括： 参数设置、实时数据显示、 数据存储、报文生成、数据质量控制。2.3.3 采样和算法（1）采样 每分钟至少采样 4 次。（2）算法a） 1 分钟能见度值（也称为瞬时值），每分钟输出一个数据。一分钟内采样数据的算术平均值。NyiY i 1 m式中：Y 1 分钟观测时段内气象变量的平均值；yi 1 分钟观测时段内第 i 个气象变量的采样瞬时值（样本） ，其中，“错误” 等非“正确”的样本应丢弃而不用于计算，即令 yi 0 ；N 1 分钟观测时段内的样本总数，由“采样频率”和“平均值时间区间”决

14、定；m1 分钟观测时段内“正确”的样本数（ m N ）。b） 10 分钟平均值每分钟输出一次 10 分钟平均值，是在 1 分钟能见度值（瞬时值）基础上的 10 分钟滑动平均。2.4 系统安装2.4.1 传感器的安装将预埋件钢筋混凝土浇铸地基 （长 60 cm宽 60 cm深 40cm，大风区可适当加 大、加深），预埋件与接地体连接，基础中预留电源、信号管线，基础表面水平，高 出地面 3-5cm。接收器和发射器的支架成南北向，接收器在南测，发射器在北侧，采 样区中心高度 2.8m（0.1m）。避免光学系统朝向强光源，和朝向诸如雪或沙之类的 反射表面，高纬度地区要加遮光罩。2.4.2 电缆的安装与

15、连接 为了防雷、防鼠、防水和安装、维修方便，电缆应放入电缆沟内的金属线槽中。2.4.3 电源、计算机等的安装电源与计算机等的安装位置以便于操作为宜， 安装要求参考相关标准及设备安装 手册。前向散射能见度仪观测规范（试行）2.4.4 防雷要求 具备防雷击电磁脉冲的措施，防雷安全要求和设计应符合行业标准的要求。2.4.5 软件安装 采集软件由厂家在设备出厂前安装在采集器中。 业务软件安装方法按照软件技术 操作手册进行，并按操作手册要求进行初始化和参数设置。第 3 章 传感器校准3.1 传感器实验室校准利用标准设备或标准设备定标的散射体对传感器进行校准。3.1.1 实验室 /舱校准在实验室 /舱内用

16、下列方法之一进行低能见度校准。a） 利用烟雾发生器降低实验室内能见度，改变烟雾浓度使能见度在不同区间保 持稳定，调整被校准设备的参数，使其观测值与标准设备一致。b） 在室内能见度 5000m 的稳定环境下，将多个代表不同量程的散射体依次安 装在被校准设备的采样区，调整被校准设备的参数，使其观测值与标准设备 一致。3.1.2 室外校准 在室外进行设备校准， 将标准设备 （如经过校准的透射仪） 和被校准设备架设在 同一环境下，调整被校准设备的参数，使其观测值与标准设备一致。3.1.3 校准周期 前向散射能见度仪每两年应校准一次。3.2 仪器现场校准在标定周期内使用校准板进行现场校准，现场校准应选择

17、能见度很好（超过 10km）的 天气条件下进行，避免由于大气状况不同而导致的校准误差。避免在雨雪 天气进行校准。3.2.1 校准板的安装 将校准板连接到横臂的卡箍上，拧紧导轨连接杆上的旋钮；调整校准板的位置， 保持校准板中心与采样区中心位置基本重合，拧紧卡箍螺钉。图 3-1 校准板示意图前向散射能见度仪观测规范（试行）3.2.2 校准方法仪器现场校准时，设备至少稳定工作 10 分钟，输出稳定的观测值，若输出值在 标准信号值 10% 以内，说明仪器工作正常，若输出值在标准信号值 10% 以外， 需修改能见度仪校准参数，将仪器输出值校准在标准信号值 10%以内；参数修改完 毕，至少稳定工作 10

18、分钟，确认输出值在标准信号值 10%以内，方可结束校准工 作。现场校准不能关闭电源，在现场校准期间，业务传输的分钟数据均按缺测处理。 现场校准工作情况均需记录到气簿 1 备注栏中，注明现场校准起止时间。3.2.3 现场校准周期第一次使用 1 个半月后现场校准一次；之后每 6 个月现场校准一次；每次维修 仪器之后都应做现场校准。第 4 章 日常工作前向散射能见度仪投入运行后， 应做好日常巡视、 维护等工作。现场维护操作中， 观测员切忌长时间直视发射端镜头， 避免损伤眼睛 1。1. 守班期间， 每个正点前 10分钟应查看能见度自动观测数据。 发现数据错误或 异常应及时处理，启动维护或维修程序。2.

19、 每日日出后和日落前巡视能见度仪，发现能见度仪（尤其是采样区）有蜘蛛 网、鸟窝、灰尘、树枝、树叶等影响数据采集的杂物，应及时清理（可在基座、支架 管内放置硫磺，预防蜘蛛） 。及时清除太阳能板上的灰尘、积雪等。切忌长时间直视 发射端镜头。3. 无线传输的能见度仪器， 每月 定期检查无线通讯卡上的费用，提前充值。4. 每月检查供电设施，保证供电安全。每三个月要对蓄电池进行充放电一次。5. 每年 春季对防雷设施进行全面检查，复测接地电阻。6. 每两个月 对无人值守的能见度站进行现场检查维护。7. 一般每两个月 定期清洁传感器透镜，可根据设备附近环境的情况，延长或缩 短擦拭镜头的时间间隔（遇沙尘、降雪

20、等影响能见度天气现象时，应及时清洁） 。切 忌长时间直视发射端镜头。定期检查、 维护的情况应记入值班日志中。 对能见度自动观测数据有影响的还要 摘入备注栏。检查时应尽量避免用手电筒等光源照射能见度观测设备。（注：前向散射能见度仪在运行中，发射端镜头沿镜筒方向连续发射激光光束，长时间连续直射眼睛会损伤眼睛健康。应尽量避免长时间连续直视发射端镜头。 ）第 5 章 数据文件5.1 分钟数据文件（ V 文件）无论是单独设置的能见度观测站， 还是包含能见度的多要素观测站， 都必须有本前向散射能见度仪观测规范（试行）分钟数据文件。在地面气象要素分钟数据文件中增加分钟能见度数据文件（ VIIiiiMM.YY

21、Y ）。 其中：V 为能见度标识符； IIiii 为区站号； MM 为月份，高位不足补“ 0”；YYY 为 年份的后三位。分钟能见度数据文件第一次生成时应进行初始化， 初始化的过程是： 首先检测分 钟能见度数据文件是否存在， 如无当月分钟能见度数据文件， 则生成该文件， 要素位 置一律存相应长度的“ -”字符（即减号）。分钟能见度数据文件分为三段，第一段为参数段，第二段为 1 分钟平均数据段， 第三段为十分钟平均数据段。第一段为参数行，长度 306 字节，内容如下表：表 5.1 参数名称与长度序号参数字长序号参数字长1区站号5 字节7人工定时观测次数5 字节2年5 字节8干湿表通风系数 Ai

22、值5 字节3月5 字节9观测场拔海高度5 字节4经度5 字节10自动站型号标识5 字节5纬度5 字节11保留内容，用“ -”填充254 字节6气压传感器拔海高度5 字节12回车换行2 字节第二段为 1分钟平均能见度数据段，每日 24 条记录，前日 20时 01分开始，当日 20 时 00 分结束，每条记录 306 字节，记录的第 1 4 个字节为日时，第 5 个字节 开始为能见度分钟数据，每个数据 5个字节，高位不足补空格， 即59位为第 1分 钟的记录，10 14为第 2分钟的记录 ，如此类推，300304为第 60分钟的记录， 回车换行结束。第三段为十分钟平均能见度数据段，每日 24条记录

23、，前日 20时 01分开始，当 日 20 时 00 分结束，每条记录 306 字节，记录的第 1 4 个字节为日时，第 5 个字节 开始为能见度十分钟数据，每个数据 5 个字节，高位不足补空格，即 59 位为第 1 分钟的记录， 1014为第 2分钟的记录 ，如此类推， 300304为第 60分钟的记 录，回车换行结束。记录缺测时，用相应位长的“ /”填充。5.2 正点数据文件（ Z 文件）和实时地面气象要素数据文件（ ZZ.TXT ） 包含能见度的多要素观测站，应有正点数据文件和实时地面气象要素数据文件。 按照现有规定执行。5.3 月数据文件（ A 文件）包含能见度的多要素观测站，在月数据文件中增加方式位 B。当方式位 X=B 时，每天录入 24次定时能见度 10分钟平均值，共 24组，分为 2 个记录，每个记录为 12 组，每组 5 位数。5.4 实时报文数据文件（长 Z 文件）按照现有规定执行。前向散射能见度仪观测规范（试行）第 6 章 记录处理使用前向散射能见度仪进行观测的台站， 在进行记录处理与气象报告的编制时可 按照相关业务规定，使用自动观测的能见度值代替人工目测的能见度值。6.1 能见度的取值前向散射能见度仪提供的能见度数据有： 1分钟能见度值 （也称为瞬时值） 和 10 分钟平均值（ 10 分钟滑动平均值）。观测、记录和各类数据文件中的