低能见度探测数据对比分析

叶选成

民航温州空管站

一.前言

能见度是影响飞行器起降的重要因素之一，目前温州机场实施的是I类仪表着陆进近：能见度不小于800米或跑道视程不小于550米，决断高度不低于60米的精密进近着陆。其中跑道视程或主导能见度是决定飞行器进近着陆的重要因素。

温州机场目前安装有大气透射仪与前向散射仪，本文主要根据两种设备（安装位置在20米以内）在低能见度（MOR<500米）情况下同一时间所得的数据进行对比分析，以判断二者数据是否存在差异，以便于实际工作中的应用。

二.工作原理

大气透射仪和前向散射仪是机场常用的能见度测量设备，其工作原理各不相同。

2.1 大气透射仪工作原理

大气透射仪通过测量两点之间的大气透射率计算能见度。当发射机发射一束强度为Io的光后，通过一定基线长度b到接收机，接收机接收的光强I可表示为              ：

式 中，σ为消光系数，通过将上述公式变形，可表示为接收的光强I表达式为：

根据Koschmic原理，其中气象光学视程MOR定义：2700K色温的白炽灯所发出的一速平轴光束的能量在大气中降低到它起始值的0.05时的长度。气象光学视程MOR为L,可表示为：

1.2 前向散射仪测量原理

利用前向散射仪测量时需3个假设：1、 假定大气是均质的，即大气分布均匀；2、 假定分子的吸收、散射或分子内部交互光学效应为零，且假定大气消光系数等于大气中雾、霾、雨和雪的散射；3、 假定散射仪测量的散射光强正比于散射系数，一般情况下，选择合适的角度，散射信号近似正比于散射系数。测量来自一个小的采样容积的散射光强，利用测得的散射光强计算消光系数σ，最后根据Koschmic原理，得到光学能见度。

由于前向散射仪测量的是散射系数，而不是直接测量消光系数，因此，在进行计算光学能见度时要根据不同的天气现象进行修正。

1.3测量原理比较

大气透射仪取样空间大且可以直接计算得到消光系数，而前向散射仪需要假设大气是均匀分布和粒子吸收为零，大气透射仪在原理上优于前向散射仪，但经过前向散射仪不断的修正改良，测量精度得到很大提高。

三.数据对比

我们挑选在航班保障中，低能见度时机场的运行压力比加大，需要气象台为塔台管制人员提供实时准确的机场能见度数值，所以我们重点分析了低能见度时段能见度传感器MOR数值图表，主要以2021年低能见度天气时两种探测设备的数据进行对比，挑选了2021年3月30日和2021年5月8日的相关数据作为示例，以03端大气透射仪（LT31_MOR_RAW）和03端前向散射仪（PW_VISIBILITY 1A）的1分钟MOR值（每分钟有四组原始数据）进行比较。

图表以北京时间为横轴，以能见度1分钟平均值MOR1A为纵轴，并对低能见度时大气透射仪和天气现象传感器取差值。此文档中摘取一些典型图表说明。

数据一：2021年3月30日

R03端大气透射仪和天气现象仪的MOR 1A折线图（图1）

图 1：2021年3月30日R03端大气透射仪和天气现象仪MOR1A对比图

表1：2021年3月30日1:48-2:25期间R03端大气透射仪和前向散射仪

MOR1A小于500米时的数值对比及其差值

差值	LT31_MOR _RAW	PW_VIS 1A	差值	LOCALDATE (BEIJING)	LT31_MOR _RAW	PW_VIS 1A	差值
3/30/2021 1:49	217	220	3	3/30/2021 1:49	212	212	0
3/30/2021 1:49	209	210	1	3/30/2021 1:49	209	208	-1
3/30/2021 1:50	208	206	-2	3/30/2021 1:50	206	202	-4
3/30/2021 1:50	203	198	-5	3/30/2021 1:50	198	194	-4
3/30/2021 1:51	195	188	-7	3/30/2021 1:51	193	186	-7
3/30/2021 1:51	192	186	-6	3/30/2021 1:51	192	188	-4
3/30/2021 1:52	192	192	0	3/30/2021 1:52	190	190	0
3/30/2021 1:52	189	188	-1	3/30/2021 1:52	186	186	0
……	……	……	……	……	……	……	……
3/30/2021 2:22	218	222	4	3/30/2021 2:22	217	222	5
3/30/2021 2:22	216	224	8	3/30/2021 2:22	216	222	6
3/30/2021 2:23	216	222	6	3/30/2021 2:23	217	222	5
3/30/2021 2:23	218	220	2	3/30/2021 2:23	219	220	1
3/30/2021 2:24	219	222	3	3/30/2021 2:24	219	222	3
3/30/2021 2:24	218	222	4	3/30/2021 2:24	217	218	1

注：表中差值为天气现象MOR数值减去大气透射仪MOR数值。

     此次数据选择时间段为3/30/2021 1:49-3/30/2021 2:24，共计35分钟，140组数据，MOR数值范围在168-231米之间，从图1上可知数据的一致性很好；从表2数据统计可知;数值差值基本在10米以内，误差在7%以内，其中大气透射仪数值比前向散射仪数值大的有99组，相等的有12组，其他的有29组，基本上可知在这次低能见度状况下，前者测量到的数值比后者要大些。

数据二： 2021年5月8日

R03端大气透射仪和天气现象仪的MOR 1A折线图（图4）。

图 2：5月8日R03端大气透射仪和前向散射仪MOR1A对比图

表2：5月8日10:16-10:32PM期间R03端大气透射仪和前向散射仪

MOR1A小于300米时的数值对比及其差值

差值	LT31_MOR_RAW	PW_VIS 1A	差值	LOCALDATE (BEIJING)	LT31_MOR _RAW	PW_VIS 1A	差值
5/8/2021 10:16	207	206	-1	5/8/2021 10:17	176	164	-12
5/8/2021 10:17	151	144	-7	5/8/2021 10:17:	133	128	-5
5/8/2021 10:17	126	126	0	5/8/2021 10:18	126	130	4
5/8/2021 10:18	129	128	-1	5/8/2021 10:18	132	132	0
5/8/2021 10:18	135	132	-3	5/8/2021 10:19	135	132	-3
5/8/2021 10:19	134	132	-2	5/8/2021 10:19	131	128	-3
5/8/2021 10:19	126	126	0	5/8/2021 10:20	120	120	0
5/8/2021 10:20	113	114	1	5/8/2021 10:20	107	108	1
……	……	……	……	……	……	……	……
5/8/2021 10:29	88	84	-4	5/8/2021 10:29	89	81	-8
5/8/2021 10:29	91	80	-11	5/8/2021 10:30	91	80	-11
5/8/2021 10:30	91	84	-7	5/8/2021 10:30	91	88	-3
5/8/2021 10:30	91	91	0	5/8/2021 10:31:	91	90	-1
5/8/2021 10:31	91	84	-7	5/8/2021 10:31	90	81	-9
5/8/2021 10:31	90	81	-9	5/8/2021 10:32:	91	81	-10

此次数据选择时间段为5/8/2021 10:16-5/8/2021 10:32，共计17分钟，62组数据，MOR数值范围在86-207米之间，从图1上可知数据的一致性很好；从表2数据统计可知;数值差值基本在11米以内，最大误差9%以内，其中大气透射仪数值比前向散射仪数值大的有37组，相等的有6组，其他的有19组，基本上可知在这次低能见度状况下，前者的数值比后者要大些。

四.结论

通过以上各种两次低能见度对比，我们可以看出温州机场03跑道端安装的大气透射仪和前向散射仪在低能见度（MOR<500米）时，两者差值较小，测量数据的一致性较好，大气透射仪的测量数值要比前向散射仪的数值要大些。满足自观技术规范中对于MOR的最大允许误差要求（MOR小于等于600米时，最大允许误差50米）。

因此在大气透射仪故障时，在低能见度（MOR<500米）时可以利用前向散射仪的MOR数值进行跑道视程（RVR）的计算和使用。

参考文献：

1、明虎，陈明杰，高联辉，王奇 机场低能见度自动观测设备测量数据对比 应用气象学报 2015.26（6）:750-758

2、Vaisala Oyj.Vaisala Transmissometer Lt31 user’s GUIDE