高雄市能见度自动观测与预报系统简介

李敬通 海军飞行学院教研部,辽宁葫芦岛125001

高雄市能见度自动观测与预报系统简介

李敬通 海军飞行学院教研部,辽宁葫芦岛125001

简要介绍了高雄市能见度概况、能见度自动观测系统使用的主要设备、采用的数据处理技术，并概括了能见度预报系统所采用的预报模式、流程和预报效果。

高雄；能见度；自动观测；预报系统

高雄市是一个商业及工业都市，市区内交通运输繁忙，附近地区则有炼油、石化、钢铁、水泥及火力发电等工厂，再加上半屏山及寿山露天开采水泥矿、裸露地表及营建工程等污染源，造成大量污染物排放至空气中。在特殊的天气状况下，极可能因扩散不良而造成污染物的持续累积，进而导致空气污染，造成空气质量的恶化和能见度的降低。据台湾环境部门公布的相关数据显示，“高屏空品区”(涵盖高雄市、高雄县及屏东县)为台湾省空气污染最严重的地区。了解高雄市能见度自动观测与预报系统的主要设备、数据处理技术和预报模式与流程，对于大陆地区空气污染较重的城市进行能见度自动观测与预报具有重要的借鉴意义。

1 高雄市能见度概况

高雄都会区的能见度呈现季节性变化，一年四季中以冬季期间最差，而以夏季期间最佳。冬季能见度不佳主要因为东北季风期间，笼罩在大陆性高气压下，污染物不易扩散，所以在冬季期间平均能见度降至3.8Km。尤其在冬季的清晨，常因湿度过高而形成浓雾，使得能见度甚至低于1Km以下。夏季期间则主要因为午后空气对流旺盛，使得污染物容易扩散，而且午后雷阵雨次数较多，容易将空气中之悬浮微粒洗刷下来，因此能见度较为良好，所以夏季平均能见度约为10.6Km。

就一天中能见度变化情形来说，清晨温度较低、湿度较高，而且接近地面有气温上高下低的逆温现象，是一天中能见度最低的时段。然而随着太阳上升，阳光照射，使得地面空气温度回升、相对湿度降低，而有利于污染物的扩散，使得能见度逐渐好转，所以下午常为一天中能见度最高的时段。然而黄昏时段因太阳下山，使得光线减弱，所以能见度转为较差。

直接影响高雄能见度的主要空气污染物为悬浮微粒与二氧化氮，其中又以悬浮微粒对能见度的影响程度最大。在高雄市内，主要污染源为交通污染源及二次污染物中的硫酸盐及硝酸盐。除了空气污染物的影响外，天气的影响也是影响能见度的主要原因。如前所述，清晨时段因为水气而产生浓雾，使得能见度降低，而当接近中午时段，温度回升，才与空气污染物有关。然而，有时候污染物排放较少时，却因为空气扩散不容易，导致污染物累积，而使得能见度降低。

以“国立中山大学环境工程研究所”进行的能见度观测与民众意见为参考，将能见度区分为三个等级，分别为“好”(8Km以上)，“普通”(2～8Km)和“不好”(2Km以下)。由1998年11月至2000年11月的高雄市能见度观测结果得知，能见度空气质量指针为好、普通和不好分别占总观测日数的20.7%、61.4%与17.9%，结果表明高雄市的能见度主要集中在“普通”范围内。

2 能见度自动观测系统

高雄市政府环境保护局为了解辖区内能见度的情况，在霖园大饭店顶楼设置能见度自动观测站，分别朝东帝士大楼、中区资源回收厂及大林火力发电厂等三个方向观测能见度，并利用因特网将能见度观测照片呈现在环保局能见度网站上供民众查阅。能见度自动观测站目前设置于霖园大饭店顶楼（高雄市苓雅区四维三路三十三号），设置高度约离海平面175米，位于高雄市政府斜对面。

图1 能见度自动观测设备

图2 能见度自动观测控制管理系统示意图

自动观测站能见度观测站的控制箱体以不锈钢材质制作，顶部具有隔热设计，以散热风扇抽取过滤后的空气强制散热，并以高强度钢索固定。能见度观测数码相机共3台，置于相机观测平台上，且相机观测平台具有升降功能，并可依天候自动升降，且系统中之下雨感知警报如遇特殊天候，则可将信息立即传回，并停止拍照与降下观测平台，以保护相机及机具。同时，能见度观测设备具有防风、防尘、防雨、散热、防晒及防震等功能。

能见度自动观测控制管理系统（图2）分为现场控制系统及远程控制系统，并利用因特网的传输进行联机控制。由系统控制主机（位于霖园大饭店顶楼）及数据处理工作站（位于高雄市政府环境保护局内的计算机室）的主机分别进行现场或远程控制数字相机拍摄与数据储存。同时可针对不同月份设定开始及结束的拍照时间，并且自动分类储存为数据库。同时监控系统可以图形化控制接口表示，可从控制管理系统窗口（图3）手动遥控点选各拍摄点区域画面，并显示目前该相机所拍摄的照片及下载图片，甚至可按照使用者需求，在任何地点、时间、日期查询单张或多张能见度照片及数据。

图3 能见度自动观测控制管理系统窗口

能见度观测方向的选择在考虑观测位置与观测目标物的距离及相关性之后，再配合高雄市的地理环境，分别向东帝士大楼（距观测站1.4Km）、中区资源回收厂（距观测站5.6Km）及台电大林发电厂（距观测站10.0Km）进行自动拍摄，拍摄时间为每天早上7:00至下午5:30，拍摄频率为每30分钟拍摄一次，同时利用因特网将能见度自动观测照片呈现在网站上供民众查阅。

表 1数码影像处理步骤及原理

利用影像处理技术（见表1）分析气溶胶微粒状态及辐射传输现象，可作为判断大气能见度状况的一种有效处理方式，应用此处理技术对数码照片的分析，对于目标物与背景间之差异具有辨识能力，使得此技术可作为研究者、决策者及一般民众的重要参考，也是未来值得进一步发展的处理技术之一。

能见度灰阶标准化作业程序（图4）是将能见度自动观测系统所拍摄的彩色数码照片，利用数字影像处理技术 (含影像获取、前处理程序、分割截选及分析比较等四个影像处理原则)将彩色照片转换为灰阶照片后，并求得照片的灰阶数值，进而算出目标物与背景间之亮度特征值，再与能见度观测值进行统计分析，以得到能见度标准曲线，最后利用能见度亮度特征曲线得到照片的相对能见度值。

图4 能见度灰阶标准化作业程序

采用亮度特征值描述大气能见度的情况，由于能见度的观测是在日-天进行，所以天空背景之亮度灰阶值应超过目标物之亮度灰阶值，因此目标物与背景间亮度灰阶值的差异（Δg）则可以下式表示:Δ g=gb-g0而亮度特征值(Bg) 之定义如下：

其中gb：背景之亮度灰阶值；g0：目标物之亮度灰阶值

数码照片经过灰阶数值化后，目标物与背景间亮度灰阶值的变化情况。由目标物与背景间的灰阶值变化图（图5）可知，观测全黑或暗色的目标物，无论在何种能见度下，背景及目标物的灰阶值并无显著变化，然而背景与目标物间的边界（boundary），则随能见度的降低而逐渐模糊。

图5 目标物与背景之间灰阶值变化图

3 能见度预报系统

3.1 能见度预报模式的建立

空气质量现况与当时大气中污染物浓度（如：悬浮微粒、二氧化氮、光化学产物、臭氧等）、局部地区的气象条件（如：风向、风速、湿度、大气稳定度等），直接或间接反映在视程的远近、天空背景之颜色及目标物的清晰度等。能见度预报模式是在不考虑污染源排放及气候变化的影响下，以能见度对数值(Log(Lv))为应变数(dependent variable)，悬浮微粒(PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)、相对湿度(RH)、风速(WS)、风向(WD)为自变量(independent variables)进行逐步回归法建立多项式回归模式，再考虑各种主客观因素，并参考国外执行能见度预报的经验，建立能见度预报模式(图6)。所建立的能见度预报模式包括下列天气类型：

（1）锋面类型预报模式

（2）东北季风类型预报模式

（3）大陆性高压类型预报模式

（4）太平洋高压类型预报模式

（5）热带性低气压类型预报模式

（6）其他天气类型预报模式(含西南气流、偏南气流)

图6 能见度预报模式

3.2 能见度预报模式的验证流程

建立完成各天气类型之预报模式之后，将依据气象局及环保署过去的天气及空气质量数据代入预报模式中以得出各天气类型的能见度预报值，配合过去能见度的观测数据进行比对，以验证预报模式的正确性(图7)。

图7 能见度预报模式的验证流程

图8 能见度预报流程

3.3 能见度预报流程

验证并修正相关预报模式后，即进行能见度的预报(图8)。预报时间为每日17：00，以“好”、“普通”及“不好”三个等级，进行翌日中午盛行能见度预报，预报准确度达七成以上。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.186