详细版｜MOR /RVR /VIS /Pre Vis
本篇约3949字26图
只看图表也能有收获
明日发布简洁版
为什么RVR跟MOR差别这么大？
为什么PreVIS那么低，RVR数据没那么低？
为什么只一个站点VIS低就导致PreVIS跟着很低？
机务员常常被问到以上问题。实际上三者概念定义本身不同，在设备正常的情况下，它们的数值有时候确实会有差异。
人在距离R处看目标物
人眼在距离R（即视程）处看到目标物时，受到主观和客观方面的综合影响。主观上是指观察者眼睛生理差异。客观上受到目标物本身（大小、形状、光照度）、所处的环境（大气透明度及背景光亮度）和视程距离（远近及目标物在距离R处的视觉对比值）的影响。
在航空气象观测应用中的“能见度”概念，是看清这个目标物的临界距离，即超过这个距离表示无法看清目标物，测量方法有人工观测和机器测量。在器测方面，自动气象观测系统中的能见度仪器，对以上提到各种元素进行测量或计算，根据不同定义，得出较为客观的各类“能见度值”，供人工观测进行参考，或供气象用户直接使用。
本文就是主要讨论机器测量的原理以及能见度的不同定义与计算。
目标物、所处环境与视程的关系，有两个经典公式，而航空气象中，常见的MOR、RVR、VIS等就是对这两个公式的目标物定制化应用。
2.1
白天中的一般目标物
人眼在白天看见一个目标物与背景光的光照度比值为C0的目标物，经过距离R后衰减为CR，决定了人眼对它的辨识能力。
K公式-Koschmieder's Law
2.2
夜晚的一个点光源
没有光的情况下人眼在夜晚无法看到任何物体，因此选择一个点光源作为夜晚的目标物，此时点光源本身的灯光强度I，在经过一段距离R后的光照度为E，决定了人眼对它的辨识能力。
A公式-Allard's Law
2.3
以上两个视程公式中都包含大气消光系数σ，就引出了大气透明度的概念，它是影响能见度的唯一气象要素，光在大气中传播发生散射和吸收，会削弱光通量，最终透射的量才能被人眼有效接收到。
消光系数 σ 和大气透射率 TR 是大气透明度的两个量纲。
TR是大气透射率，是一个比率。它评估的是一束光通量传播距离R后剩下的光通量，TR越大，透明度越好。
σ是单位距离内的大气衰减率，单位是/m。它评估的是一束光通量在单位距离内被吸收和散射的光通量，σ越大，透明度越差。
二者在距离R上的积分公式，在假设大气均匀的情况，得到以下Beer公式。
B公式-Beer's Law
第一部分介绍的原理在航空气象中有非常重要的应用
自观系统如何测量公式中的各个变量；
选择不同性状的目标物，满足不同的应用需求，引入了MOR、RVR、VIS和Pre VIS概念，如何利用各个测量值计算它们，以及它们之间的相互关系如何
对照K和A公式中包含的各个变量，自观系统是怎么测量的？
3.1
K和A公式都包含了大气消光系数 σ 这个参数，常见的能见度仪器就是用来测量它的。
前向散射仪器直接测量
不同厂家的前向散射仪，发、收镜头夹角虽不同，都是在假定大气粒子均匀的情况下，通过测量特定角度方向的散射量，去估算所有方向的总散射量，继而推算出消光系数σ。（注：光在大气中传播被吸收的光通量几乎可以忽略不计）
由测量原理可知，前散的取样空间小，如果碰到阵性降雨、扬沙等大气粒子不均匀的变化天气，测量精确度会降低。
大气透射仪间接测量
大气透射仪测量基线长度B范围内，发射机与接收机光通量的大气透射率TB，根据B公式即可得出 σ 值（其中R = B）。
TB推导σ
3.2
在航空气象中常常使用到的夜间能见度的目标物就是跑道灯光。
自观设备中实际使用跑道灯光级数控制盒，来给CDU服务器提供灯光级数值，包括0%(关闭)、1%、3%、10%、30%、100%(最高强度)，计算RVR时调用的以下灯光强度表，并不是实际的灯光强度值。
Avimet系统灯光强度表
实际应用中，观测员发布METAR/SPECI报使用5级最强灯光级数的RVR，管制用户使用实际灯光级数的RVR数据，夜航结束且跑道灯光关闭时，一律将RVR的灯光级数设置为3级。
3.3
公式中的CR和E
引入视觉感知阈值的设定，生活经验告诉我们离目标物越远，越不容易辨识它，此阈值就是表征辨识与否的临界点，而此阈值对应的距离R就是我们需要的相应的能见度定义。
K公式中CR的阈值一般就被设定为0.05C0，已是常量，C0已在公式两侧直接抵消，无需测量。
A公式中的E取决于当下的背景光亮度BL，此阈值为Eτ。
背景光亮度BL和光照度阈值Eτ
使用背景光亮度计测量背景光亮度BL，来计算光照度Eτ。
用BL计算Eτ
BL值与实际天黑程度，以及它与光照度阈值Eτ的关系图如下：
BL与Eτ的关系
气象光学视程MOR
前提：人眼能识别的最小亮度对比阈值为5%
色温为2700K的白炽灯发出的平行光辐射通量，在大气中削弱至初始值的5%所通过的路径长度。
MOR公式：K的变式
即K公式中，目标物的C0削弱到了0.05C0时对应的R就是MOR，只剩下消光系数一个变量，与白天、黑夜，目标物性状均无关，因此气象光学视程MOR只与大气透明度有关，由3.1得到的σ 值代入即可得到MOR，它是一个测量值。
注：MOR定义中目标物是白炽灯，为什么不使用灯光能见度A公式？
因为定义中白炽灯，规定为色温2700K（开尔文），并不是以A公式中灯光强度XXcd（坎德拉）描述。色温是对光线中包含颜色成分的一个计量单位，也就是说色温表征了光的颜色，所以只使用K公式计算MOR。
5.1
定义
航空器上的驾驶员在跑道中线上能看到跑道道面标志或跑道边界灯或中线灯的距离。
公式
RVR概念中，目标物有道面标志和跑道灯两种。
道面标志使用K公式计算，此时RVR=MOR。
跑道灯使用A公式计算，RVR计算公式如下。第3章节的各个变量值代入即得到RVR。
基于跑道灯的RVR公式
A公式的变式
服务器计算RVR时，会同时计算以上A公式和K公式的两个RVR值，取二者较大者即为最终的RVR。
较大值可视化
根据A公式给I/Eτ赋6个常量值，对比A和K公式的曲线。
如图，当彩色曲线在MOR黑色线上方时，选择A公式的值作为RVR；当彩色线位于MOR下方时，RVR=MOR。
5.2
K公式和A公式二者计算的最大者为RVR，如图所示，在不同的背景光亮度BL下，灯光强度在1000cd和10000cd时计算RVR的分界线，曲线上方使用K公式，曲线下方使用A公式。
RVR取值临界线
蓝线：
BL为1000cd/m∧2，开1000cd灯光，RVR临界值为1100m，当开10000cd灯光时，RVR直接增加到4000m
红线：
实际中更关注2000m以下的区域。
5.3
灯光强度 I 和消光系数σ
给Eτ赋值，灯光强度I、消光系数σ与RVR关系如下图所示，同一σ下，不同的灯光强度对RVR还是有一定影响的，值得注意的是图示RVR的范围从0-15000m，但实际应用中，当RVR大于2000m时其已经不是很重要。
I、σ与RVR的关系图
具体数据对比
背景光BL与RVR、MOR的关系
气象光学视程MOR只与大气透明度有关，因此其数据无变化。
其他条件相等的情况，在2小时内MOR从0增长2000m，测试三个不同的BL对RVR计算的影响。
由图看到，BL越大，RVR的曲线就越靠近MOR曲线。下表中是二者关键点对应的RAW值。
5.4
MOR与RVR的关系到底如何？
把MOR公式代入RVR计算的A公式，给I/Eτ赋常量值可知K公式和A公式的视程关系，即得到MOR与灯光RVR的关系图：
MOR与灯光RVR的关系
5.5
除了假设大气状况是均匀的以外，一些因素在计算RVR时被忽略了，比如：
计算中并未使用实际灯光强度值，灯光强度本身受到工作状态、照射角度、寿命、污染等多重影响
飞机驾驶室内的亮度和前挡风玻璃的透明度；不同机型的驾驶舱高度不同，视野内跑道标志物或跑道灯是不同的
仪器所在位置与跑道的环境因素本身不同的，如飞机起降尾气等影响
实际应用中航空能见度VIS和主导能见度Pre VIS都是人工观测值，自观系统输出的相应值是为了给观测员进行能见度观测时提供参考。《民用航空地面气象观测规范》中对人工观测VIS和Pre VIS做了具体规定，以下只讨论机器计算的情况。
6.1
航空能见度VIS
以下两项中的较大者：
1). 当在明亮的背景下观测时，能够看到和辨认出近地面的具有适当尺寸的黑色物体的最大距离
2). 在无光的背景下，能够看到和辨认出光强为1000cd左右的灯光的最大距离
概念中：
看的物体不同，即便作为主要影响因素的大气消光系数相同，二者的距离值也会不同，最终选择A、B中较大者。
1)使用K公式，即：白天看到一个黑色物体的最大距离，此VIS计算时多使用MOR值。
2)使用A公式，即：晚上看到一个固定强度灯光的最大距离，不同背景光亮度下距离值是不同的，此VIS计算方法与RVR类似。
6.2
Pre VIS概念
主导能见度是一项观测业务，它指能观测到的达到或超过四周一半或机场地面一半都能达到的最大水平能距离。这些区域是连续的，也可以是不连续的。
加权中值算法
Avimet系统中Pre VIS的算法
基于一个假设，即一条跑道的三个传感器测量所得的VIS可以代表对应的跑道三个区域（A图），实际中根据传感器代表的区域大小设置权重参数（B图）。
权重计算取中值：
i. 收到所有传感器的VIS数据，剔除missing状态的不正常值和权重为0的VIS值
ii. 将剩下正常的VIS数据进行从小到大排序
7个VIS的主导能见度算法
iii. 根据配置中权重参数Weight，对每个VIS对应的权重进行Cum Weight累计权重计算
iv. 计算Cum Weight中间权重是3.25
v. Cum Weight中大于或等于3.25的几组(即：4.0, 5.0, 6.5)，选择最靠近3.25那组的就是瞬时主导能见度
最终找到sensor#1的800m为主导能见度。
6.3
RVR与Pre VIS
RVR与VIS本身就有差异，那么RVR与PreVIS值差异较大是正常的。以上提到的PreVIS是机器计算方法，实际中观测员会参考此PreVIS值，根据观测规范进行人工观测，如下是RVR与人工PreVIS的对比：
RVR与Pre VIS不同
从原理到测量到计算
ICAO Doc.9328-EN Manual of Runway Visual Range Observing and Reporting Practices
Runway Visual Range, Vernon Taylor, TMS Photometrics
AviMet Meteorological Calculations DOC214705-B
AVIMET_calculations_20110516.ppt
民航气象观测分册教材
民用航空气象地面观测规范AP-117-TM-02R1
跑道视程使用规则MD-TM-2000-47