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為什么RVR跟MOR差別這么大？

為什么PreVIS那么低，RVR數(shù)據(jù)沒那么低？

為什么只一個站點VIS低就導致PreVIS跟著很低？

機務員常常被問到以上問題。實際上三者概念定義本身不同，在設備正常的情況下，它們的數(shù)值有時候確實會有差異。

一、基礎原理

人在距離R處看目標物

人眼在距離R（即視程）處看到目標物時，受到主觀和客觀方面的綜合影響。主觀上是指觀察者眼睛生理差異?？陀^上受到目標物本身（大小、形狀、光照度）、所處的環(huán)境（大氣透明度及背景光亮度）和視程距離（遠近及目標物在距離R處的視覺對比值）的影響。

在航空氣象觀測應用中的“能見度”概念，是看清這個目標物的臨界距離，即超過這個距離表示無法看清目標物，測量方法有人工觀測和機器測量。在器測方面，自動氣象觀測系統(tǒng)中的能見度儀器，對以上提到各種元素進行測量或計算，根據(jù)不同定義，得出較為客觀的各類“能見度值”，供人工觀測進行參考，或供氣象用戶直接使用。

本文就是主要討論機器測量的原理以及能見度的不同定義與計算。

目標物、所處環(huán)境與視程的關系，有兩個經(jīng)典公式，而航空氣象中，常見的MOR、RVR、VIS等就是對這兩個公式的目標物定制化應用。

白天中的一般目標物

人眼在白天看見一個目標物與背景光的光照度比值為C0的目標物，經(jīng)過距離R后衰減為CR，決定了人眼對它的辨識能力。

K公式-Koschmieder's Law

夜晚的一個點光源

沒有光的情況下人眼在夜晚無法看到任何物體，因此選擇一個點光源作為夜晚的目標物，此時點光源本身的燈光強度I，在經(jīng)過一段距離R后的光照度為E，決定了人眼對它的辨識能力。

A公式-Allard's Law

以上兩個視程公式中都包含大氣消光系數(shù)σ，就引出了大氣透明度的概念，它是影響能見度的唯一氣象要素，光在大氣中傳播發(fā)生散射和吸收，會削弱光通量，最終透射的量才能被人眼有效接收到。

消光系數(shù) σ 和大氣透射率 TR 是大氣透明度的兩個量綱。

TR是大氣透射率，是一個比率。它評估的是一束光通量傳播距離R后剩下的光通量，TR越大，透明度越好。

σ是單位距離內(nèi)的大氣衰減率，單位是/m。它評估的是一束光通量在單位距離內(nèi)被吸收和散射的光通量，σ越大，透明度越差。

二者在距離R上的積分公式，在假設大氣均勻的情況，得到以下Beer公式。

B公式-Beer's Law

二、航空氣象應用

第一部分介紹的原理在航空氣象中有非常重要的應用

自觀系統(tǒng)如何測量公式中的各個變量；

選擇不同性狀的目標物，滿足不同的應用需求，引入了MOR、RVR、VIS和Pre VIS概念，如何利用各個測量值計算它們，以及它們之間的相互關系如何

對照K和A公式中包含的各個變量，自觀系統(tǒng)是怎么測量的？

K和A公式都包含了大氣消光系數(shù) σ 這個參數(shù)，常見的能見度儀器就是用來測量它的。

前向散射儀器直接測量

不同廠家的前向散射儀，發(fā)、收鏡頭夾角雖不同，都是在假定大氣粒子均勻的情況下，通過測量特定角度方向的散射量，去估算所有方向的總散射量，繼而推算出消光系數(shù)σ。（注：光在大氣中傳播被吸收的光通量幾乎可以忽略不計）

由測量原理可知，前散的取樣空間小，如果碰到陣性降雨、揚沙等大氣粒子不均勻的變化天氣，測量精確度會降低。

大氣透射儀間接測量

大氣透射儀測量基線長度B范圍內(nèi)，發(fā)射機與接收機光通量的大氣透射率TB，根據(jù)B公式即可得出 σ 值（其中R = B）。

TB推導σ

在航空氣象中常常使用到的夜間能見度的目標物就是跑道燈光。

自觀設備中實際使用跑道燈光級數(shù)控制盒，來給CDU服務器提供燈光級數(shù)值，包括0%(關閉)、1%、3%、10%、30%、100%(最高強度)，計算RVR時調用的以下燈光強度表，并不是實際的燈光強度值。

Avimet系統(tǒng)燈光強度表

實際應用中，觀測員發(fā)布METAR/SPECI報使用5級最強燈光級數(shù)的RVR，管制用戶使用實際燈光級數(shù)的RVR數(shù)據(jù)，夜航結束且跑道燈光關閉時，一律將RVR的燈光級數(shù)設置為3級。

公式中的CR和E

引入視覺感知閾值的設定，生活經(jīng)驗告訴我們離目標物越遠，越不容易辨識它，此閾值就是表征辨識與否的臨界點，而此閾值對應的距離R就是我們需要的相應的能見度定義。

K公式中CR的閾值一般就被設定為0.05C0，已是常量，C0已在公式兩側直接抵消，無需測量。

A公式中的E取決于當下的背景光亮度BL，此閾值為Eτ。

背景光亮度BL和光照度閾值Eτ

使用背景光亮度計測量背景光亮度BL，來計算光照度Eτ。

用BL計算Eτ

BL值與實際天黑程度，以及它與光照度閾值Eτ的關系圖如下：

BL與Eτ的關系

氣象光學視程MOR

前提：人眼能識別的最小亮度對比閾值為5%

色溫為2700K的白熾燈發(fā)出的平行光輻射通量，在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路徑長度。

MOR公式：K的變式

即K公式中，目標物的C0削弱到了0.05C0時對應的R就是MOR，只剩下消光系數(shù)一個變量，與白天、黑夜，目標物性狀均無關，因此氣象光學視程MOR只與大氣透明度有關，由3.1得到的σ 值代入即可得到MOR，它是一個測量值。

注：MOR定義中目標物是白熾燈，為什么不使用燈光能見度A公式？

因為定義中白熾燈，規(guī)定為色溫2700K（開爾文），并不是以A公式中燈光強度XXcd（坎德拉）描述。色溫是對光線中包含顏色成分的一個計量單位，也就是說色溫表征了光的顏色，所以只使用K公式計算MOR。

定義

航空器上的駕駛員在跑道中線上能看到跑道道面標志或跑道邊界燈或中線燈的距離。

公式

RVR概念中，目標物有道面標志和跑道燈兩種。

道面標志使用K公式計算，此時RVR=MOR。

跑道燈使用A公式計算，RVR計算公式如下。第3章節(jié)的各個變量值代入即得到RVR。

基于跑道燈的RVR公式

A公式的變式

服務器計算RVR時，會同時計算以上A公式和K公式的兩個RVR值，取二者較大者即為最終的RVR。

較大值可視化

根據(jù)A公式給I/Eτ賦6個常量值，對比A和K公式的曲線。

如圖，當彩色曲線在MOR黑色線上方時，選擇A公式的值作為RVR；當彩色線位于MOR下方時，RVR=MOR。

K公式和A公式二者計算的最大者為RVR，如圖所示，在不同的背景光亮度BL下，燈光強度在1000cd和10000cd時計算RVR的分界線，曲線上方使用K公式，曲線下方使用A公式。

RVR取值臨界線

藍線：

BL為1000cd/m∧2，開1000cd燈光，RVR臨界值為1100m，當開10000cd燈光時，RVR直接增加到4000m

紅線：

實際中更關注2000m以下的區(qū)域。

燈光強度 I 和消光系數(shù)σ

給Eτ賦值，燈光強度I、消光系數(shù)σ與RVR關系如下圖所示，同一σ下，不同的燈光強度對RVR還是有一定影響的，值得注意的是圖示RVR的范圍從0-15000m，但實際應用中，當RVR大于2000m時其已經(jīng)不是很重要。

I、σ與RVR的關系圖

具體數(shù)據(jù)對比

背景光BL與RVR、MOR的關系

氣象光學視程MOR只與大氣透明度有關，因此其數(shù)據(jù)無變化。

其他條件相等的情況，在2小時內(nèi)MOR從0增長2000m，測試三個不同的BL對RVR計算的影響。

由圖看到，BL越大，RVR的曲線就越靠近MOR曲線。下表中是二者關鍵點對應的RAW值。

MOR與RVR的關系到底如何？

把MOR公式代入RVR計算的A公式，給I/Eτ賦常量值可知K公式和A公式的視程關系，即得到MOR與燈光RVR的關系圖：

MOR與燈光RVR的關系

除了假設大氣狀況是均勻的以外，一些因素在計算RVR時被忽略了，比如：

計算中并未使用實際燈光強度值，燈光強度本身受到工作狀態(tài)、照射角度、壽命、污染等多重影響

飛機駕駛室內(nèi)的亮度和前擋風玻璃的透明度；不同機型的駕駛艙高度不同，視野內(nèi)跑道標志物或跑道燈是不同的

儀器所在位置與跑道的環(huán)境因素本身不同的，如飛機起降尾氣等影響

實際應用中航空能見度VIS和主導能見度Pre VIS都是人工觀測值，自觀系統(tǒng)輸出的相應值是為了給觀測員進行能見度觀測時提供參考。《民用航空地面氣象觀測規(guī)范》中對人工觀測VIS和Pre VIS做了具體規(guī)定，以下只討論機器計算的情況。

航空能見度VIS

以下兩項中的較大者：

1). 當在明亮的背景下觀測時，能夠看到和辨認出近地面的具有適當尺寸的黑色物體的最大距離

2). 在無光的背景下，能夠看到和辨認出光強為1000cd左右的燈光的最大距離

概念中：

看的物體不同，即便作為主要影響因素的大氣消光系數(shù)相同，二者的距離值也會不同，最終選擇A、B中較大者。

1)使用K公式，即：白天看到一個黑色物體的最大距離，此VIS計算時多使用MOR值。

2)使用A公式，即：晚上看到一個固定強度燈光的最大距離，不同背景光亮度下距離值是不同的，此VIS計算方法與RVR類似。

Pre VIS概念

主導能見度是一項觀測業(yè)務，它指能觀測到的達到或超過四周一半或機場地面一半都能達到的最大水平能距離。這些區(qū)域是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的。

加權中值算法

Avimet系統(tǒng)中Pre VIS的算法
基于一個假設，即一條跑道的三個傳感器測量所得的VIS可以代表對應的跑道三個區(qū)域（A圖），實際中根據(jù)傳感器代表的區(qū)域大小設置權重參數(shù)（B圖）。

權重計算取中值：

i. 收到所有傳感器的VIS數(shù)據(jù)，剔除missing狀態(tài)的不正常值和權重為0的VIS值

ii. 將剩下正常的VIS數(shù)據(jù)進行從小到大排序

7個VIS的主導能見度算法

iii. 根據(jù)配置中權重參數(shù)Weight，對每個VIS對應的權重進行Cum Weight累計權重計算

iv. 計算Cum Weight中間權重是3.25

v. Cum Weight中大于或等于3.25的幾組(即：4.0, 5.0, 6.5)，選擇最靠近3.25那組的就是瞬時主導能見度

最終找到sensor#1的800m為主導能見度。

RVR與VIS本身就有差異，那么RVR與PreVIS值差異較大是正常的。以上提到的PreVIS是機器計算方法，實際中觀測員會參考此PreVIS值，根據(jù)觀測規(guī)范進行人工觀測，如下是RVR與人工PreVIS的對比：

RVR與Pre VIS不同

三、概要總結

從原理到測量到計算