| ⒈ 能見度定義 |
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能見度是影響高速公路交通安全的較為主要氣象要素，從廣義角度講，能見度就是指人的正常視力能從極限遠處背景中分辨出的最遠目標物。對于移動目標而言，又可分為消失距離和發現距離。消失距離是指當目標物向遠離觀測者的方向移去時，觀測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者之間的距離。發現距離是指當目標物從極限遠處背景中向觀測者的方向移來時，最初被觀測者發現的位置與觀測者之間的距離。由此可見，實用“能見度”的概念是與它的最終使用情況有關。
在航空領域根據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(如跑道標記或跑道信號燈)的最大視覺距離，RVR值依賴于大氣光學狀況(即大氣消光系數)和與背景亮度、跑道燈光強度等因素有關的參數。因此，當由氣象光學視距(MOR)轉換為相應的RVR時，應考慮與背景亮度的關系。而對于汽車駕駛員而言，最關心的則是汽車尾燈的“尾光能見度”，需要測量的是汽車尾光的發現距離，而常規氣象觀測關心的是消失距離。
由于各人感知的能見度除了與大氣物理光學狀態有關外，還與各自的視力、視角、狀態及所處環境、背景等多種因素有關。
為了使能見度能單純地反映大氣的物理光學狀態，氣象上一個經典的能見度定義是:標準視力的眼睛觀察水平方向以天空為背景的黑體目標物(視角在0.5一5°)時，能從背景上分辨出目標物輪廓的最大水平距離，也稱之為氣象光學視程。
為使大氣能見度有一個統一的衡量指標，1957年世界氣象組織建議采用一種衡量大氣光學狀態的光學量度?氣象光學視距(MOR):即白熾燈發出色溫為2700K的平行光柱，通過大氣，光亮減少到其初始的0.05時的路徑長度，即為MOR。其數學表示為: |
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由此可見，氣象光學視距 MOR 只與大氣透明度σ有關，不隨白天、黑夜天空光強背景的變化。
對于點光源 |
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上式是研究汽車燈光安全視距的重要依據。 |
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| ⒉ 能見度觀測方法： |
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⒉1 能見度觀測總類： |
| 能見度的探測方法有兩種 : 目測法和器測法。 |
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| ⒉2 目測法 ： |
| 能見度的目測方法是一種古老而又傳統的方法， 它是由人眼從背景中分辨目標物最遠距離的觀測方法。人眼在觀察極限能見距離附近的目標物時，起著決定作用的是亮度差異。為反映目標物與背景的亮度差異，可用目標物在背景中的光亮度對比 C 表示 : |
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式中， L 0 表示目標物亮度， L b 表示背景亮度， C 表示目標物與背景亮度差異的相對比值。當目標物是絕對黑體，有鮮明的景象時，則 C=1 ；當目標物與背景亮度相同，目標物將不被察覺時，則 C=O 。
實際上，當透過一段大氣去觀測目標物時，人眼看到的是視亮度。大氣對視亮度的影響有兩個方面 :
(1) 大氣的消弱作用使固有亮度減小 ;
(2) 大氣對光的散射作用。
能見度目測法在白天采用目標能見距離 ( 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時氣象條件下，能夠從天空背景中看到和辨認出目標物 ( 黑色，大小適中 ) 的最大水平距離。其嚴格定義是 : 視場角為 0.5-5 °的地面黑色目標物，在天空無云背景條件下，觀測者能極其勉強辨認出該目標物的距離。其計算公式可用下式表示： |
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其中σ是消光系數，λ是波長。
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度燈光的最大水平距離。燈光是夜間的目標，一般用到達觀測者眼睛的照度來衡量。燈光的視角一般很小，可以看成點光源。其計算公式可用下式表示： |
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其中σ是消光系數， I 是發光強度， E 是某種波長的視距閾值。 |
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| ⒉3 器測法 ： |
| 根據 Kosehnfieder 定律，對以水平天空為背景的黑體目標物，目標物和背景視亮度對比可以表示為: |
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| 變換后 |
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式中， r 為目標物和觀測者之間的距離 ; ε為視覺對比閾值，σ為大氣水平消光系數。
世界氣象組織規定，對于氣象能見度 V ，取視覺閾值為ε =0.02 ，相當于目標物消失時的距離。從而得到由大氣消光系數σ。計算氣象能見度的器測公式： |
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取視覺閡值ε =0.05 ，相當于氣象光學視距 (MOR) ，從而得到由大氣消光系數σ，計算氣象光學視程的器測公式： |
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上兩式即用儀器測量能見度的基本公式。公式表明，器測能見度的核心問題是如何準確探測大氣的消光系數σ。即要想得到能見度就必須先得到大氣消光系數。
而消光系數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 b 與吸收系數 c 之和，即 |
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一般情況下，由于大氣對光的吸收遠小于對光的散射，因此，當光程有限時，可忽略大氣對光的吸收 C ，故可通過測量有限體積空氣對光的散射系數 b 來估計大氣的消光系數σ。
散射是指電磁波通過某些介質時，由于這些介質的折射率具有非均一性，引了入射波波陣面的擾動，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律向其它方向發射的過程。散射的強弱及空間分布與波長及散射質點的相對大小有關，如下圖。 |
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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 . 縱坐標為粒子尺度 r ，在圖的右側給出這些顆粒物的名稱，橫坐標為波長入。令尺度參數 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) 幾何光學散射 : α >50 ，即 r>> λ。
對一個散射粒子而言，散射光的分布是三維空間的函數，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分布圖形。 |
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圖：不同尺度粒子的散射方向圖(引自孫慧潔，1995) |
對于高速公路安全能見度監測而言，我們關心最多的是霧的能見度。而霧滴直徑一般在幾個 pm 到十幾個 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，其密度可達每立方厘米幾千個‘ 451 ，一般陸面霧的峰值直徑在 3.5 協 m 附近，平均直徑在 9.4 一 16.1pm 之間，海霧粒子尺度更大。根據米氏散射 (MieScattering) 理論，由半徑 r 大于波長入的粒子所引起的散射與波長幾乎無關，具有較強的前向散射能力 ( 見上圖 ) 。據此，世界氣象組織和國際民航組織的要求，高速公路推薦采用前散射原理的能見度檢測設備。
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，但在散射性質上基本以米氏散射為主，表現出很強的前向散射特征。當光線經過大氣通路時，粒子對光的散射強度與其密度密切相關，并在前向強信號散射區存在一定的角度與大氣能見度具有很好的相關性。通過對光的散射原理和大氣物理光學的研究可知，在25-50°之間，大氣散射相函數對氣溶膠譜分布的變化不敏感，探測的前向散射光正比于大氣消光系數。前向散射能見度儀的設計就是根據以上機理，并選擇合適的光源(波長、光強)和光路結構，通過檢測專用光源在指定大氣體積中的前向散射強度，以求得其散射系數。其在高速公路能見度監測中的優缺點
優點:
(l)米氏散射的前向強散射信號有利于提高儀器的靈敏度;
(2)通過閉環電路鎖定技術提高了儀器的穩定性;
(3)儀器的發射功率要求不高;體積相對較小、價格較低，性價比高。
缺點:
(l)不能準確測量非米氏散射粒子對大氣能見度的影響，測量信號同樣與視覺障礙(雨、雪、霧、靄等)有關，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大氣后向散射能量的變化。工作方式是由光發射器發出光束，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，進而利用相關數學模型演算出大氣能見度值。其優缺點主要是
優點:
(1) 采用相對測量方式，不需要標定激光的發射能量，鏡頭污染對探測結果的影響較小;
(2) 采樣空間相對較大;
(3) 儀器的尺寸很小、成本低。
缺點：
(1)對于霧等粒子，Mei散射的后向散射能量相對較小，對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，造成測量信號的無規則振蕩，出現能見度測量值的不穩定波動；
(3)所需發射的光功率較前向散射儀大，易受外界雜光干擾;
(4)測量信號很大程度上依賴于視覺障礙(雨、雪、霧、靄等)，必須作天氣定標函數后才能進行精確測量，使得實際操作復雜化。
注：HSC-OTT Parsivel EF前向散射能見度儀自動集成粒子滴譜分析，不僅可以保證一起對消光系數的測定更準確，而且可以測量各種類型的降水，包括毛毛雨、雨、雨夾雪、冰雹、雪和混合降水。同時散射測量與粒子滴譜同時測量以及具有特殊的結構設計使得這套前向散射能見度測量系統不僅具有前向散射測量裝置的的優點，而且具有后向散射系統的優點: 不需要標定激光的發射能量，鏡頭污染對探測結果的影響較小(HSC-OTT Parsivel EF, 使用無需維護的激光技術；自動加熱功能，在所有的環境和氣候條件下都很可靠;理想的性價比); |
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| ⒉4 能見度儀布設要求 ： |
根據能見度儀的工作原理，在地形、植被變化不大的平原地區，能見度傳感器對 10 m 基線內的空氣進行采樣監測，其檢測數據的代表性大致可反映 15 ～ 20km 范圍內空氣母體的統計學特征。但對于受地形等因素影響而形成的霧情多變區域，其測試數據的代表性則極為有限，必須考慮增加能見度儀布點密度，以解決測試數據的代表性問題。
能見度儀的布設應盡量設置在氣象環境比較惡劣的地方，如易產生霧的水網地區，易產生橫切風和局部小氣候的谷地、山崖地區等。
合理的布置距離一般為：能見度檢測儀在城區范圍每 5 km 布設 1 臺，在郊區范圍每 10 -20 km 布設 1 臺。 |
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