| ⒈ 能見度定義 |
|
能見度是影響高速公路交通安全的較為主要?dú)庀笠兀瑥膹V義角度講，能見度就是指人的正常視力能從極限遠(yuǎn)處背景中分辨出的最遠(yuǎn)目標(biāo)物。對(duì)于移動(dòng)目標(biāo)而言，又可分為消失距離和發(fā)現(xiàn)距離。消失距離是指當(dāng)目標(biāo)物向遠(yuǎn)離觀測(cè)者的方向移去時(shí)，觀測(cè)者最終看到景象逐漸模糊直至在背景中消失瞬間的位置與觀測(cè)者之間的距離。發(fā)現(xiàn)距離是指當(dāng)目標(biāo)物從極限遠(yuǎn)處背景中向觀測(cè)者的方向移來時(shí)，最初被觀測(cè)者發(fā)現(xiàn)的位置與觀測(cè)者之間的距離。由此可見，實(shí)用“能見度”的概念是與它的最終使用情況有關(guān)。
在航空領(lǐng)域根據(jù)飛行員的位置觀察使用“跑道視程”(RVR)的概念。RVR是飛行員在最常使用位置能觀察到跑道示蹤物(如跑道標(biāo)記或跑道信號(hào)燈)的最大視覺距離，RVR值依賴于大氣光學(xué)狀況(即大氣消光系數(shù))和與背景亮度、跑道燈光強(qiáng)度等因素有關(guān)的參數(shù)。因此，當(dāng)由氣象光學(xué)視距(MOR)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的RVR時(shí)，應(yīng)考慮與背景亮度的關(guān)系。而對(duì)于汽車駕駛員而言，最關(guān)心的則是汽車尾燈的“尾光能見度”，需要測(cè)量的是汽車尾光的發(fā)現(xiàn)距離，而常規(guī)氣象觀測(cè)關(guān)心的是消失距離。
由于各人感知的能見度除了與大氣物理光學(xué)狀態(tài)有關(guān)外，還與各自的視力、視角、狀態(tài)及所處環(huán)境、背景等多種因素有關(guān)。
為了使能見度能單純地反映大氣的物理光學(xué)狀態(tài)，氣象上一個(gè)經(jīng)典的能見度定義是:標(biāo)準(zhǔn)視力的眼睛觀察水平方向以天空為背景的黑體目標(biāo)物(視角在0.5一5°)時(shí)，能從背景上分辨出目標(biāo)物輪廓的最大水平距離，也稱之為氣象光學(xué)視程。
為使大氣能見度有一個(gè)統(tǒng)一的衡量指標(biāo)，1957年世界氣象組織建議采用一種衡量大氣光學(xué)狀態(tài)的光學(xué)量度?氣象光學(xué)視距(MOR):即白熾燈發(fā)出色溫為2700K的平行光柱，通過大氣，光亮減少到其初始的0.05時(shí)的路徑長(zhǎng)度，即為MOR。其數(shù)學(xué)表示為: |
|
|
|
|
|
由此可見，氣象光學(xué)視距 MOR 只與大氣透明度σ有關(guān)，不隨白天、黑夜天空光強(qiáng)背景的變化。
對(duì)于點(diǎn)光源 |
|
|
|
|
|
上式是研究汽車燈光安全視距的重要依據(jù)。 |
|
| ⒉ 能見度觀測(cè)方法： |
|
|
⒉1 能見度觀測(cè)總類： |
| 能見度的探測(cè)方法有兩種 : 目測(cè)法和器測(cè)法。 |
|
| ⒉2 目測(cè)法 ： |
| 能見度的目測(cè)方法是一種古老而又傳統(tǒng)的方法， 它是由人眼從背景中分辨目標(biāo)物最遠(yuǎn)距離的觀測(cè)方法。人眼在觀察極限能見距離附近的目標(biāo)物時(shí)，起著決定作用的是亮度差異。為反映目標(biāo)物與背景的亮度差異，可用目標(biāo)物在背景中的光亮度對(duì)比 C 表示 : |
|
|
|
|
式中， L 0 表示目標(biāo)物亮度， L b 表示背景亮度， C 表示目標(biāo)物與背景亮度差異的相對(duì)比值。當(dāng)目標(biāo)物是絕對(duì)黑體，有鮮明的景象時(shí)，則 C=1 ；當(dāng)目標(biāo)物與背景亮度相同，目標(biāo)物將不被察覺時(shí)，則 C=O 。
實(shí)際上，當(dāng)透過一段大氣去觀測(cè)目標(biāo)物時(shí)，人眼看到的是視亮度。大氣對(duì)視亮度的影響有兩個(gè)方面 :
(1) 大氣的消弱作用使固有亮度減小 ;
(2) 大氣對(duì)光的散射作用。
能見度目測(cè)法在白天采用目標(biāo)能見距離 ( 即晴空水平能見度 ) ，夜間采用燈光能見距離。
A.晴空水平能見度
晴空水平能見度是指視力正常人在當(dāng)時(shí)氣象條件下，能夠從天空背景中看到和辨認(rèn)出目標(biāo)物 ( 黑色，大小適中 ) 的最大水平距離。其嚴(yán)格定義是 : 視場(chǎng)角為 0.5-5 °的地面黑色目標(biāo)物，在天空無云背景條件下，觀測(cè)者能極其勉強(qiáng)辨認(rèn)出該目標(biāo)物的距離。其計(jì)算公式可用下式表示： |
|
|
|
|
其中σ是消光系數(shù)，λ是波長(zhǎng)。
B.夜間燈光能見度
夜間燈光能見度是指能看到和確定出一定強(qiáng)度燈光的最大水平距離。燈光是夜間的目標(biāo)，一般用到達(dá)觀測(cè)者眼睛的照度來衡量。燈光的視角一般很小，可以看成點(diǎn)光源。其計(jì)算公式可用下式表示： |
|
|
|
|
|
其中σ是消光系數(shù)， I 是發(fā)光強(qiáng)度， E 是某種波長(zhǎng)的視距閾值。 |
|
| ⒉3 器測(cè)法 ： |
| 根據(jù) Kosehnfieder 定律，對(duì)以水平天空為背景的黑體目標(biāo)物，目標(biāo)物和背景視亮度對(duì)比可以表示為: |
|
|
|
|
| 變換后 |
|
|
|
|
式中， r 為目標(biāo)物和觀測(cè)者之間的距離 ; ε為視覺對(duì)比閾值，σ為大氣水平消光系數(shù)。
世界氣象組織規(guī)定，對(duì)于氣象能見度 V ，取視覺閾值為ε =0.02 ，相當(dāng)于目標(biāo)物消失時(shí)的距離。從而得到由大氣消光系數(shù)σ。計(jì)算氣象能見度的器測(cè)公式： |
|
|
|
|
|
取視覺閡值ε =0.05 ，相當(dāng)于氣象光學(xué)視距 (MOR) ，從而得到由大氣消光系數(shù)σ，計(jì)算氣象光學(xué)視程的器測(cè)公式： |
|
|
|
|
上兩式即用儀器測(cè)量能見度的基本公式。公式表明，器測(cè)能見度的核心問題是如何準(zhǔn)確探測(cè)大氣的消光系數(shù)σ。即要想得到能見度就必須先得到大氣消光系數(shù)。
而消光系數(shù)σ是由于大氣氣溶膠和分子的散射和吸收作用而造成的光的衰減，它等于散射系數(shù) b 與吸收系數(shù) c 之和，即 |
|
|
|
|
一般情況下，由于大氣對(duì)光的吸收遠(yuǎn)小于對(duì)光的散射，因此，當(dāng)光程有限時(shí)，可忽略大氣對(duì)光的吸收 C ，故可通過測(cè)量有限體積空氣對(duì)光的散射系數(shù) b 來估計(jì)大氣的消光系數(shù)σ。
散射是指電磁波通過某些介質(zhì)時(shí)，由于這些介質(zhì)的折射率具有非均一性，引了入射波波陣面的擾動(dòng)，造成入射波中一部分能量偏離原來的傳播方向而以一定規(guī)律向其它方向發(fā)射的過程。散射的強(qiáng)弱及空間分布與波長(zhǎng)及散射質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)大小有關(guān)，如下圖。 |
|
|
|
|
|
圖：大氣中各種粒子的尺度分布(Wallaee和Hobbe，1977) |
上圖給出了大氣中常遇到的各種顆粒物散射的情況 . 縱坐標(biāo)為粒子尺度 r ，在圖的右側(cè)給出這些顆粒物的名稱，橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)入。令尺度參數(shù) α =2 π r/ λ，則按 α 的大小可將散射分為三類 :
(l) 瑞利散射 : α <0.1 ，即 r< λ ;
(2) 米氏散射 :0.1< α <50 ，即 r ≈ λ ;
(3) 幾何光學(xué)散射 : α >50 ，即 r>> λ。
對(duì)一個(gè)散射粒子而言，散射光的分布是三維空間的函數(shù)，散射輻射能量的空間分布具有顯著的散射方向性，并可表示為散射光強(qiáng)分布圖形。 |
|
|
|
|
|
圖：不同尺度粒子的散射方向圖(引自孫慧潔，1995) |
對(duì)于高速公路安全能見度監(jiān)測(cè)而言，我們關(guān)心最多的是霧的能見度。而霧滴直徑一般在幾個(gè) pm 到十幾個(gè) pm 之間，但其粒子大小變化很大，既有大到 50 一 80pm 、狀如毛毛雨的霧滴，更有大量直徑小于 1pm 的微滴，其密度可達(dá)每立方厘米幾千個(gè)‘ 451 ，一般陸面霧的峰值直徑在 3.5 協(xié) m 附近，平均直徑在 9.4 一 16.1pm 之間，海霧粒子尺度更大。根據(jù)米氏散射 (MieScattering) 理論，由半徑 r 大于波長(zhǎng)入的粒子所引起的散射與波長(zhǎng)幾乎無關(guān)，具有較強(qiáng)的前向散射能力 ( 見上圖 ) 。據(jù)此，世界氣象組織和國(guó)際民航組織的要求，高速公路推薦采用前散射原理的能見度檢測(cè)設(shè)備。
A.前向散射式能見度儀
影響大氣能見度的粒子尺度譜很寬，但在散射性質(zhì)上基本以米氏散射為主，表現(xiàn)出很強(qiáng)的前向散射特征。當(dāng)光線經(jīng)過大氣通路時(shí)，粒子對(duì)光的散射強(qiáng)度與其密度密切相關(guān)，并在前向強(qiáng)信號(hào)散射區(qū)存在一定的角度與大氣能見度具有很好的相關(guān)性。通過對(duì)光的散射原理和大氣物理光學(xué)的研究可知，在25-50°之間，大氣散射相函數(shù)對(duì)氣溶膠譜分布的變化不敏感，探測(cè)的前向散射光正比于大氣消光系數(shù)。前向散射能見度儀的設(shè)計(jì)就是根據(jù)以上機(jī)理，并選擇合適的光源(波長(zhǎng)、光強(qiáng))和光路結(jié)構(gòu)，通過檢測(cè)專用光源在指定大氣體積中的前向散射強(qiáng)度，以求得其散射系數(shù)。其在高速公路能見度監(jiān)測(cè)中的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn):
(l)米氏散射的前向強(qiáng)散射信號(hào)有利于提高儀器的靈敏度;
(2)通過閉環(huán)電路鎖定技術(shù)提高了儀器的穩(wěn)定性;
(3)儀器的發(fā)射功率要求不高;體積相對(duì)較小、價(jià)格較低，性價(jià)比高。
缺點(diǎn):
(l)不能準(zhǔn)確測(cè)量非米氏散射粒子對(duì)大氣能見度的影響，測(cè)量信號(hào)同樣與視覺障礙(雨、雪、霧、靄等)有關(guān)，但好于后向散射儀;
(2)體積較后向散射儀大。
B.后向散射式能見度儀
后向散射式能見度儀的工作原理是探測(cè)大氣后向散射能量的變化。工作方式是由光發(fā)射器發(fā)出光束，光線被空氣中的粒子散射后，其后向散射能量再被光接收器所接收，進(jìn)而利用相關(guān)數(shù)學(xué)模型演算出大氣能見度值。其優(yōu)缺點(diǎn)主要是
優(yōu)點(diǎn):
(1) 采用相對(duì)測(cè)量方式，不需要標(biāo)定激光的發(fā)射能量，鏡頭污染對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響較小;
(2) 采樣空間相對(duì)較大;
(3) 儀器的尺寸很小、成本低。
缺點(diǎn)：
(1)對(duì)于霧等粒子，Mei散射的后向散射能量相對(duì)較小，對(duì)儀器的靈敏性有一定影響;
(2)由于霧粒子的峰值直徑在3.5pm附近，平均直徑在0.94-16.1pm之間，其散射具有后向散射多極性，這表明，發(fā)射器與接收器之間的微小角度變化或粒子尺度的變化都可能引起后向散射極法線矢量的變化，造成測(cè)量信號(hào)的無規(guī)則振蕩，出現(xiàn)能見度測(cè)量值的不穩(wěn)定波動(dòng)；
(3)所需發(fā)射的光功率較前向散射儀大，易受外界雜光干擾;
(4)測(cè)量信號(hào)很大程度上依賴于視覺障礙(雨、雪、霧、靄等)，必須作天氣定標(biāo)函數(shù)后才能進(jìn)行精確測(cè)量，使得實(shí)際操作復(fù)雜化。
注：HSC-OTT Parsivel EF前向散射能見度儀自動(dòng)集成粒子滴譜分析，不僅可以保證一起對(duì)消光系數(shù)的測(cè)定更準(zhǔn)確，而且可以測(cè)量各種類型的降水，包括毛毛雨、雨、雨夾雪、冰雹、雪和混合降水。同時(shí)散射測(cè)量與粒子滴譜同時(shí)測(cè)量以及具有特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得這套前向散射能見度測(cè)量系統(tǒng)不僅具有前向散射測(cè)量裝置的的優(yōu)點(diǎn)，而且具有后向散射系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn): 不需要標(biāo)定激光的發(fā)射能量，鏡頭污染對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響較小(HSC-OTT Parsivel EF, 使用無需維護(hù)的激光技術(shù)；自動(dòng)加熱功能，在所有的環(huán)境和氣候條件下都很可靠;理想的性價(jià)比); |
|
| ⒉4 能見度儀布設(shè)要求 ： |
根據(jù)能見度儀的工作原理，在地形、植被變化不大的平原地區(qū)，能見度傳感器對(duì) 10 m 基線內(nèi)的空氣進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)，其檢測(cè)數(shù)據(jù)的代表性大致可反映 15 ～ 20km 范圍內(nèi)空氣母體的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征。但對(duì)于受地形等因素影響而形成的霧情多變區(qū)域，其測(cè)試數(shù)據(jù)的代表性則極為有限，必須考慮增加能見度儀布點(diǎn)密度，以解決測(cè)試數(shù)據(jù)的代表性問題。
能見度儀的布設(shè)應(yīng)盡量設(shè)置在氣象環(huán)境比較惡劣的地方，如易產(chǎn)生霧的水網(wǎng)地區(qū)，易產(chǎn)生橫切風(fēng)和局部小氣候的谷地、山崖地區(qū)等。
合理的布置距離一般為：能見度檢測(cè)儀在城區(qū)范圍每 5 km 布設(shè) 1 臺(tái)，在郊區(qū)范圍每 10 -20 km 布設(shè) 1 臺(tái)。 |
|
