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1、第三章 能见度的观测 &3.1 能见度 &3.2 影响能见度的因素 &3.3 目标物的亮度方程 &3.4 气象能见度 &3.5 能见度的器测法 &3.6 思考题 &3.1 能见度 能见度是气象台站基本观测项目之一。有“ 气象能见度 ” 和 “ 有效能见度 ” 之分。 气象能见度:视力正常的人,在当时气象条件下能从天空背景中分辨出目标物轮廓的最远距离。 有效能见度:四周视野中, 1/2以上的范围内,能见目标物的最大水平距离。 记录单位: Km,不足 100米记 0.0, 100米记0.1Km,依此类推。 影响能见度的因子 能见度的区别 能见度的区别 &3.2 影响能见度的因素 1.大气透明度:
2、大气透明度是影响能见度的主要因子。大气中的气溶胶粒子通过反射、吸收、散射等机制削弱光通过大气的能量。导致目标物固有亮度减弱。所以,大气中杂质愈多,愈浑浊,能见度就愈差。 2.目标物和背景的亮度对比 在大气中目标物能见与否,取决于本身亮度,又与它同背景的亮度差异有关。比如,亮度暗的目标物在亮的背景衬托下,清晰可见;或者亮的目标物在暗的背景下,同样清晰可见。 表示这种差异的指标是亮度的对比值 K。 设目标物亮度为 ,背景亮度为 当 ,则 当 ,则 所以, , 当目标物与背景亮度一致时, ,则 K=0,此时目标物和背景融合,即在背景的衬托下不能辨别目标物。 当 K在 0-1范围内变化时,则随 K值的
3、增大,目标物看的越清晰。 0B 0B00BB00BB0 0 0001B B BK BB 0 0 0001B B BK BB 01K00BB 3.2 3.13.观测者的视力指标 对比视感域 在白天当,当 K=0时,难以准确辨别目标物。当 K逐渐增大,即亮度差异逐渐增大,当 K值增大到某一值时,才能准确地辨别目标物。这个亮度对比值叫做对比视感域,用 表示 。 当 K 时,目标物可见; 当 K 时,目标物不可见 ; 当 K= 时,目标物若隐若现,为临界状态。 的大小主要取决于观测者的视力 ,观测时的光照条件和目标物视角的大小。 由实验得出,在白天野外光照条件下,正常人的 值 平均约为 0.025。因
4、此,联合国气象组织推荐日间测定能见度时,取对比阈值 =0.025。 黄昏后,因亮度迅速减小,目标物与背景逐渐融合, 值可迅速增大到 0.06-0.07。 观测者的 值与亮度和目标物的视张角有关 。目标物的张角为: 其中: a为目标物的高度 (m); b为目标物的宽度 (m); L为观测者与目标物之间的水平距离 (km)。 0.34abL 3.3&3.3 目标物的亮度方程 1.目标物亮度减弱规律: 设目标物固有视亮度为 ;通过距离 L的空气层后减为 由 Beer定律: 其中 : 为大气层消光系数,单位为 如果大气水平均一,则: 令: , T为大气层透射率, 则有: 0B0LB000L dLLB
5、B e 00 LLB B e 00LB TB LTe001 lnLBLB 1cm 3.6 3.5 3.42.气幕光 设入射到体积元上光的照度为 ;体积角散射系数为 观测方向散射光强为: 令可见光波段散射为: 人目方向原始亮度为: 根据物光减弱规律,通过 dL气层减弱后的视亮度为: d V d A d L L d d LE dI E dV dI E dAd L /dB dI dA E dL LLLd B d B e E e d L 在距离观测者水平距离 L处,取一空气元,其元的体积为: 3.8 3.7从 0到 L积分得: 为距离 L内所有空气的气幕光视亮度。 假定水平方向空气均一,从 0到无穷远
6、积分,得: 为水平天空的视亮度,代入( 3.9)式得: 0( 1 )L LLLEB E e d L e 0LHEEB e d L (1 )LLHB B eLBHB 3.9 3.10 3.113.人眼所见目标物的总视亮度 由 (3.5)和 (3.11)式得: ( 3.12)式为以水平天空为背景的目标物视亮度方程。 可见当 L 时,即当远离目标物时,不论其原始亮度多大,它的视亮度会逐渐趋近于背景亮度,最后目标物消失于背景之中。而且,空气越浑浊,目标物消失的距离越短。 00 ( 1 )LLL L L HB B B B e B e 3.12&3.4 气象能见度 影响目标物能见度的因子很多,而气象工作中
7、,需要能见度只反映大气透明状况,这就必须选定和统一实行某种观测方法,以固定其它因子,使测定的最大水平能见距离只表达大气透明程度的单一因子影响。下面分白天和夜间两种情况介绍。 1、白天气象能见度 ( 1)目标物背景对比度衰减规律: 一般白天目标物为扩展反射光源,目标物背景的固有亮度对比值,取 000 0BBKB 观测者、目标物背景的视亮度对比为 : 为经 L距离后 ,目标物的固有亮度 ; 为经 L距离后 ,背景的固有亮度。 由( 3.12)式可写成: LLLLBBKB0 (1 )LLLHB B e B e 0 (1 )LLLHB B e B e LBLB则: 令: 称作传输函数,则有: ( 2)
8、白天气象能见度及其观测法 若选择水平天空作为背景,那么,背景的固有亮度 应等于水平天空的视亮度 即 则有 0000011 ( 1 )LLBBKBB eB001()1 ( 1 )LFL BeB0 ()LK K F L0 HBB () LF L e 0 LLK K e 3.130BHB 3.14称为科希米德( Koschmieder)定律,它表达了目标物 与水平天空背景亮度对比度衰减规律。 当这种衰减达到 时,相应的能见度距离为 L 若选择深色物体作为目标物,即 ,相应 再取 ,则定出的最大能见度距离为: 按上述规定的条件进行观测,测定的 只与大气消光 系数 成单一函数关系。它只反映大气透明度的单
9、一 影响,故视程 为气象能见距离,或气象视距。 LK 01 ln KL0 1K 0 0B 0.02 m a x1 1 3.9 12ln0.0 2L 3.15 3.16maxLmaxL2.夜间能见度 夜间由于光照条件的限制,已不能使用一般的目标物, 而只能用发光物体作为目标物。灯光目标物是点源,不 象扩展光源那样考虑亮度对比问题,对其观测要用点源 在眼睛上产生的照度来衡量。而夜间决定目标能见与否 的眼睛的指标是眼睛的灵敏度,即所能感受的最小照度, 又叫照度视觉阈值,以 表示。拜克维尔给出了 与背 景亮度 的统计表达式: 的值与灯光色彩有关,黄光的照度视觉阈值 最大,红光的 最小,故用红色灯光易于
10、辨认。 0E0l g 6 . 9 5 0 . 8 8 7 l g bEB 0EbB0E0E0E影响灯光能见度的因子有:灯光强度、大气透明度和眼 睛的灵敏度。 设灯光强度为 ,与观测者为距离 L,则在观测者眼睛 上产生的照度可由阿拉德( Allard)定律定义: 当观测者离灯光距离为 S时,灯光产生的照度达到阈值 , 这时目标灯恰好能见,称 S为灯光能见距离,即 0EI2LIEeL20 /LE e I S0( l n l n 2 l n ) /S I E S 0( l n l n 2 l n ) /I E S S 3.17 3.18 将( 3.18)式代入 (3.16)式,得: 按( 3.19)
11、式,可将灯光能见距离换算成气象能见距离, 实际工作中,常按 (3.18)式绘制好灯光能见距离与气象 能见度换算列线图,由图便可根据灯光强度 I和距离 S查 算最大能见距离 Lmax。 3.19m a x03. 91 2l n 2 l nSLISE&3.5 能见度的器测法 1.遥测光度计 原理:由目标物、天空背景的视亮度比较 给出大气消光系数 推算气象能见度。 2.测大气透射率表 气象能见度 Lmax或气象光学距离 P均可写成大气透射 率( T)的函数,即 m a x3 .9 1 2lnLLTln 0. 05 3ln lnLPLTT 如果选择两点间的距离为 B的长度作为测量基线,将上 式中 L取
12、为 B,测出两点间的透射率,即可算出气象能见 度。 测量透射率的仪器由光发射器,反射器和接受器构成。 光发射器和接收器合成一体安置在基线一端,反射器安 置在基线另一端。 发射器发射的光被分成两束,一束透过大气层经反射器 反射回来被接受器接收;另一束光则不射入大气层,作 为参考光,直接进入接收器,回波信号与参考光信号同 轴地照在光电接收器件上,由比较法确定其透射率。 光程差越大,能见度越小。 图示 3、大气散射仪 应用透射仪需要基线,不适合高山、沿海、船 舶台站使用。大气散射仪的主要原理是光脉冲 发射机发射光脉冲信号,被空气散射后,由接 收机接收。光敏元件把光脉冲转换成电脉冲, 由纪录器和显示器给出能见度值。 电脉冲信号 越强,能见度越小。 图示 散射式能见度仪 3.6 思考题 1.影响能见度的因子有哪些? 2.气象能见度的定义是什么? 3.白天能见度与夜间能见度的观测有何不同? 4.能见度的器测法主要有哪几种,说明它们的优缺点和工作原理。 5.请写出水平均一大气的目标物亮度方程( 3.5),并说明方程各项的意义。 6.请写出人眼所见目标物的总视亮度方程 (3.12),并说明方程各项的意义。 7.请写出目标物一水平天空背景亮度对比度衰减规律方程 (3.14),并说明各项意义。 THE END