大气探测学_(4)课件

1、第三章第三章 能见度的观测能见度的观测&3.1 &3.1 能见度能见度&3.2 &3.2 影响能见度的因素影响能见度的因素&3.3 &3.3 目标物的亮度方程目标物的亮度方程&3.4 &3.4 气象能见度气象能见度&3.5 &3.5 能见度的器测法能见度的器测法&3.6 &3.6 思考题思考题&3.1 &3.1 能见度能见度 能见度是气象台站基本观测项目之一。有能见度是气象台站基本观测项目之一。有“气象能见度气象能见度”和和“有效能见度有效能见度” ” 之分。之分。气象能见度：视力正

2、常的人，在当时气象条气象能见度：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件下能从天空背景中分辨出目标物轮廓的最远距离。远距离。 有效能见度：四周视野中，有效能见度：四周视野中，1/21/2以上的范围以上的范围内，能见目标物的最大水平距离。内，能见目标物的最大水平距离。 记录单位：记录单位：KmKm，不足，不足100100米记米记0.00.0，100100米米记记0.1Km,0.1Km,依此类推。依此类推。影响能见度的因子影响能见度的因子能见度的区别能见度的区别&3.2 &3.2 影响能见度的因素影响能见度的因素1.1.大气透明度：大气透明度：大气透明度是

3、影响能见度的主要因子。大气中的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。以，大气中杂质愈多，愈浑浊，能见度就愈差。2.2.目标物和背景的亮度对比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；或者亮的目标物在亮的背

4、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。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表示这种差异的指标是亮度的对比值K K。 设目标物亮度为设目标物亮度为 ，背景亮度为，背景亮度为 当当 ，则，则 当当 ，则，则 所以，所以， ， 当目标物与背景亮度一致时，当目标物与背景亮度一致时， ，则，则K=0K=0，此时目，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。标物和背景融合，即在背景的衬托下不能辨别目标物。当当K K在在0-10-1范围内变化时，则随范围内变化时，则随K K值的增大，目标物看值的增大，目标物看的越清晰。的越清晰。0B0B00B

5、B00BB000001BBBKBB 000001BBBKBB 01K00BB3.23.13.3.观测者的视力指标观测者的视力指标对比视感域对比视感域 在白天当，当在白天当，当K=0K=0时，难以准确辨别目标物。当时，难以准确辨别目标物。当K K逐渐增大，即亮度差异逐渐增大，当逐渐增大，即亮度差异逐渐增大，当K K值增大到某值增大到某一值时，才能准确地辨别目标物。这个亮度对比一值时，才能准确地辨别目标物。这个亮度对比值叫做对比视感域，用值叫做对比视感域，用表示。表示。 当当KK时，目标物可见；时，目标物可见； 当当KK时，目标物不可见；时，目标物不可见； 当当K=K=时，目标物若隐若现，为临界状

6、态。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。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，正常人由实验得出，在白天野外光照条件下，正常人的的值平均约为值平均约为0.0250.025。因此，联合国气。因此，联合国气象组织推荐日间测定能见度时，取对比阈值象组织推荐日间测定能见度时，取对比阈值=0.025=0.025。黄昏后，因亮度迅速减小，目标物与背景逐渐黄昏后，因亮度迅速减小，目标物与背景逐渐融合，融合，值可迅速增大到值可迅速增大到0.06-0.070.06-0.07。观测者的观测者

7、的值与亮度和目标物的视张角有关。值与亮度和目标物的视张角有关。目标物的张角为：目标物的张角为：其中：其中：a a为目标物的高度为目标物的高度(m)(m)； b b为目标物的宽度为目标物的宽度(m)(m)； L L为观测者与目标物之间的水平距离为观测者与目标物之间的水平距离(km)(km)。0.34a bL3.3&3.3 &3.3 目标物的亮度方程目标物的亮度方程1.1.目标物亮度减弱规律：目标物亮度减弱规律： 设目标物固有视亮度为设目标物固有视亮度为 ；通过距离；通过距离L L的空气层后减的空气层后减为为由由BeerBeer定律：定律： 其中其中: : 为大气层消光系数，单位为

8、为大气层消光系数，单位为 如果大气水平均一，则：如果大气水平均一，则： 令：令： ，T T为大气层透射率，为大气层透射率， 则有：则有： 0B0LB000LdLLBB e00LLBB e00LBTBLTe001lnLBLB1cm3.63.53.42.2.气幕光气幕光设入射到体积元上光的照度为设入射到体积元上光的照度为 ；体积角散射系数为；体积角散射系数为观测方向散射光强为：观测方向散射光强为：令可见光波段散射为：令可见光波段散射为：人目方向原始亮度为：人目方向原始亮度为：根据物光减弱规律，通过根据物光减弱规律，通过dLdL气层减弱后的视亮度为：气层减弱后的视亮度为：dVdAdLLd dLEdI

9、EdVdIEdAdL/dBdI dAEdLLLLdBdBeEedL在距离观测者水平距离在距离观测者水平距离L L处，取一空气元，其元的体处，取一空气元，其元的体积为：积为：3.83.7从从0 0到到L L积分得：积分得： 为距离为距离L L内所有空气的气幕光视亮度。内所有空气的气幕光视亮度。假定水平方向空气均一，从假定水平方向空气均一，从0 0到无穷远积分，得：到无穷远积分，得： 为水平天空的视亮度，代入（为水平天空的视亮度，代入（3.93.9）式得：）式得：0(1)LLLLEBEedLe0LHEEBedL(1)LLHBBeLBHB3.93.103.113.3.人眼所见目标物的总视亮度人眼所见

10、目标物的总视亮度 由由(3.5)(3.5)和和(3.11)(3.11)式得：式得： （3.12)3.12)式为以水平天空为背景的目标物视亮度方程。式为以水平天空为背景的目标物视亮度方程。 可见当可见当L L 时，即当远离目标物时，不论其原时，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。物消失的距离越短。00(1)LLLLLHBBBBeBe3.12&3.4 &3.4 气象能见度气象能见度 影响目标物

11、能见度的因子很多，而气象工作影响目标物能见度的因子很多，而气象工作中，需要能见度只反映大气透明状况，这就必须选中，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。一因子影响。下面分白天和夜间两种情况介绍。1 1、白天气象能见度、白天气象能见度 （1 1）目标物背景对比度衰减规律：）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，目标物背景的固一般白天目标物为扩展反射光源，目标物背

12、景的固有亮度对比值，取有亮度对比值，取 0000BBKB 观测者、目标物背景的视亮度对比为观测者、目标物背景的视亮度对比为: : 为经为经L L距离后距离后, ,目标物的固有亮度目标物的固有亮度; ; 为经为经L L距离后距离后, ,背景的固有亮度。背景的固有亮度。 由（由（3.123.12）式可写成：）式可写成：LLLLBBKB0(1)LLLHBB eBe0(1)LLLHBB eBeLBLB则：则：令：令：称作传输函数，则有：称作传输函数，则有：（2 2）白天气象能见度及其观测法）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，背景的固有亮度若选择水平天空作为背景，那么，背景的固有亮度

13、应等于水平天空的视亮度应等于水平天空的视亮度即即 则有则有 0000011(1)LLBBKBBeB001( )1(1)LF LBeB0( )LKK F L0HBB( )LF Le0LLKK e3.130BHB3.14称为科希米德（称为科希米德（Koschmieder)Koschmieder)定律，它表达了目标物定律，它表达了目标物与水平天空背景亮度对比度衰减规律。与水平天空背景亮度对比度衰减规律。当这种衰减达到当这种衰减达到 时，相应的能见度距离为时，相应的能见度距离为L L若选择深色物体作为目标物，即若选择深色物体作为目标物，即 ，相应，相应再取再取 ，则定出的最大能见度距离为：，则定出的最

14、大能见度距离为：按上述规定的条件进行观测，测定的按上述规定的条件进行观测，测定的 只与大气消光只与大气消光系数系数 成单一函数关系。它只反映大气透明度的单一成单一函数关系。它只反映大气透明度的单一影响，故视程影响，故视程 为气象能见距离，或气象视距。为气象能见距离，或气象视距。LK01lnKL01K 00B 0.02max113.912ln0.02L3.153.16maxLmaxL2.2.夜间能见度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，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，不而只能用发光物体作为目标物。灯光目标物是点源

15、，不象扩展光源那样考虑亮度对比问题，对其观测要用点源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，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，以又叫照度视觉阈值，以 表示。拜克维尔给出了表示。拜克维尔给出了 与背与背景亮度景亮度 的统计表达式：的统计表达式： 的值与灯光色彩有关，黄光的照度视觉阈值的值与灯光色彩有关，黄光的照度视觉阈值 最大，最大，红光的红光的 最小，故用红色灯光易于辨认。最小，故用红色灯光易于辨认。0E0l

16、g6.950.887lgbEB 0EbB0E0E0E影响灯光能见度的因子有：灯光强度、大气透明度和眼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。睛的灵敏度。设灯光强度为设灯光强度为 ，与观测者为距离，与观测者为距离L L，则在观测者眼睛，则在观测者眼睛上产生的照度可由阿拉德（上产生的照度可由阿拉德（AllardAllard）定律定义：）定律定义：当观测者离灯光距离为当观测者离灯光距离为S S时，灯光产生的照度达到阈值时，灯光产生的照度达到阈值 ， 这时目标灯恰好能见，称这时目标灯恰好能见，称S S为灯光能见距离，即为灯光能见距离，即0EI2LIEeL20/LEeI S0(lnl

17、n2ln)/SIES0(lnln2ln )/IESS3.173.18将（将（3.18)3.18)式代入式代入(3.16)(3.16)式，得：式，得：按（按（3.19)3.19)式，可将灯光能见距离换算成气象能见距离，式，可将灯光能见距离换算成气象能见距离，实际工作中，常按实际工作中，常按(3.18)(3.18)式绘制好灯光能见距离与气象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能见度换算列线图，由图便可根据灯光强度I I和距离和距离S S查查算最大能见距离算最大能见距离L Lmaxmax。3.19max03.912ln2 lnSLISE&3.5 &3.5

18、能见度的器测法能见度的器测法1.1.遥测光度计遥测光度计 原理：由目标物、天空背景的视亮度比较原理：由目标物、天空背景的视亮度比较给出给出大气消光系数大气消光系数推算气象能见度。推算气象能见度。2.2.测大气透射率表测大气透射率表 气象能见度气象能见度L Lmaxmax或气象光学距离或气象光学距离P P均可写成大气均可写成大气透射率（透射率（T T）的函数，即）的函数，即 max3.912lnLLT ln0.053lnlnLPLTT 如果选择两点间的距离为如果选择两点间的距离为B B的长度作为测量基线，将上的长度作为测量基线，将上式中式中L L取为取为B B，测出两点间的透射率，即可算出气象能

19、见，测出两点间的透射率，即可算出气象能见度。度。测量透射率的仪器由光发射器，反射器和接受器构成。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。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。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。光程差越大，能见度越小。 图示图示3 3、大气散射仪、大气散射仪应