张金龙
（河北省安平县气象局，河北衡水 053600）
光学原理下的地面气象观测仪器应用探讨
张金龙
（河北省安平县气象局，河北衡水053600）
云是大气中水汽凝结的结果，是漂浮在空中的可见聚合体。云的观测项目包括云量、云状以及云底高，然后结合各种测量结果来确定天气状况。云幂灯以及激光观测仪是用于测量云高的常用方法，而对云量的测量目前仍依赖目测。地面气象观测的项目有云、能见度、天气现象、温度、湿度等等。光电技术的发展为地面气象实现自动化观测提供了有利条件，对提高地面气象观测自动化水平有着重要意义。本文主要对光学原理下的地面气象观测仪器的相关应用进行探讨。
光学原理气象观测仪器
1 测云仪器
如今随着科技的进步，很多基于光学技术的自动测云仪器开始投入使用。因为波段可分为可见光以及红外线，所以测云仪器也由于工作波段的不同分为可见光以及红外线两种。可见光波段测云仪器的工作原理是利用相机对天空拍摄，根据天空的可见光亮度情况来确定天空状况，此类仪器有天空成像仪和可见光全天空成像仪等等。因为需要对天空拍照，所以可见光波段测云仪器只能用于白天，而不能在夜间工作，无法实现自动连续观测。另外，仪器在白天测量过程中还会受大气能见度的影响，降低测量准确度。
红外波段的测云仪器有全天空红外测云系统、红外测云仪、红外云分析仪等，该方法主要是测量云的亮温、实际温度，然后结合云的温度来判断天气状况是云还是晴空。云的亮温通过云红外辐射强度来测量，云的实际温度根据云的辐射率来测量。红外测云仪因为镜头视场较窄，只能进行局部测量，而不能获取总云量；红外云分析仪空间分辨率较差，需要通过增加扫描时间来提高分辨率。全天空红外测云系统可对天边多个方位进行依次扫描，以判断红外辐射情况，进而获取全天空的红外辐射信息，全天空红外测云仪器每次使用时都需要进行定标，对环境的适应性较差，需要特别保护措施。
2 能见度测量仪器
气象观测中的能见度测量首先需要测量出测量系数σ（大气的消光系数），然后结合Koschmieder 定律以及Allard定律计算出能见度：.公式中C表示视觉对比度，背景与目标物之间的相对亮度差；d表示目标物与观测者之间的距离；σ表示消光系数，是指大气透明度的随机特征量。当恰好能够看到目标物时，C达到眼睛的对比阀值ε，ε取值0.02可得：。
能见度观测仪器有很多种，而且各种仪器的测量方法各不相同，有透射式、散射式以及数字摄像法等等，其中数字摄像法应用较少，透射式、散射式能见度观测仪器的应用不仅广泛。透射式能见度仪的测量方法比较接近气象光学距离定义，此类仪器主要是测量水平水柱的平均消光系数，并通过消光系数确定能见度。常用的透射式能见度仪有LT31和MITRAS，此类仪器需要基线较长，占地范围大，所以比较适合应用于航空测量系统，而不宜应用于灯塔、海岸以及船舶等气象观测。
散射式能见度仪是一种基于散射光理论的测量仪器，此类测量仪器通过测量散射光强来获取消光系数。根据接收器接收散射光方向的不同可以将散射仪分为前向、后向以及侧向散射仪，前向散射仪的应用将为广泛，主要仪器有双光路前向散射仪以及单光路前向散射仪等。散射仪体积较小，性价比高，在高速公路、港口码头以及航空等领域应用较多。
3 天气现象观测仪器
天气现象包括天空降水及雷电、风暴现象、地面凝结情况，另外还有视程障碍。下面着重介绍基于光学技术的降水类型自动识别技术。降水粒子穿过光束时，其正常传播会受到一定影响，通过对光信号特征的提取和分析来对降水现象进行识别。基于光学原理的天气现象观测仪器主要有两种，第一是根据光强信号的闪烁特征来判断降水类型。第二是根据降水粒子大小和速度判断降水类型。第一中方法的原理是分析降水粒子散射信号的频谱信息，各种天气现象的能谱分布不同，进而判断出不同的天气现象。常用的仪器有激光天气现象识别系统、天气现象传感器等，此类仪器能够准确识别毛毛雨、雨、冰雹、雪等天气现象。第二种方法是利用图像采集法以及强光减法获取降水粒子的大小和速度，该方法可以直接获取降水粒子的大小以及粒子速度，有效避免不规则散射问题。进而判断降水类型。
4 光学气象观测仪器应用中需要注意的问题
气象观测仪器需要长期工作在环境复杂、多变的户外，环境中的灰尘、雨雪、露霜等杂质均会影响气象观测仪器的正常工作，尤其受温度的影响较为严重。所以为了保证仪器的测量准确性，对仪器的环境适应能力要求较高。仪器在工作的过程中需要为其创造良好的工作环境，做好日常清洁、维护，为避免灰尘等环境杂物的干扰对仪器的核心部分采用密闭腔体结构，同时也要对仪器构件实施恒温控制。因为传感器性能会随着仪器使用时间的增加而发生漂移，进而影响仪器的测量准确性，需要作用仪器的校准维护工作，保证仪器性能的长期稳定性。
5 结语
目前用于气象观测的技术和仪器有很多，但现有仪器自身都存在各种不足和局限性。光电技术的发展为气象观测带来了新的突破，将气象自动化观测有推进一步，自动化但由于技术上在发展阶段，要真正意义上实现自动气象观测让需要不断努力探索。
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