面向氣象學的計量學
—— 歐洲MeteoMet計劃簡介

張慶齡

面向氣象學的計量學
—— 歐洲MeteoMet計劃簡介

張慶齡

計量學與氣象學的英文對應詞看上去非常相像，一個是“metrology”，一個是“meteorology”。歐洲正在進行的MeteoMet（面向氣象學的計量學）計劃所有項目的核心和亮點就是計量溯源性。而計量溯源性的兩個核心要素就是校準（不間斷的校準鏈）和不確定度（校準鏈的每項校準均會引入測量的不確定度）。

計量學與氣象學的英文對應詞看上去非常相像,一個是“metrology”,一個是“meteorology”。計量學是“測量及其應用的科學”。而測量(觀測)則是氣象學的基礎。所以,計量學與氣象學有著天然的聯系。盡管如此,由計量學界主導的針對氣象觀測需要而開展的研究計劃在世界范圍內并不多見。所以,歐洲目前正在進行的MeteoMet計劃非比尋常。MeteoMet意即“面向氣象學的計量學”(Metrology for Meteorology)。本文將對MeteoMet計劃做一簡要介紹。

一、MeteoMet計劃的背景

氣候變化是當今社會、經濟和科學發展中的一個熱點問題。要對氣候變化做出科學評估需要有高質量和可靠的氣候觀測資料。從計量學或測量學的角度看,氣候觀測資料質量的重要表征之一就是測量不確定度。而測量不確定度又與計量溯源性密切相連。測量不確定度只有在充分考慮計量溯源性的情況下才能夠被確定,并被最大程度地減小。改進氣候觀測(測量)資料的計量溯源性,將對氣候變化的分析產生顯著影響。世界氣象組織(WMO)和國際計量局(BIMP)都認識到,當今氣候科學面臨的許多挑戰實際上是測量(觀測)方面的。因此,國際氣象界和計量界開展了非常有意義的合作。合作的核心就是改進氣候資料的計量溯源性。

2010年4月,WMO正式簽署了國際計量委員會國際互認協定(CIPM-MRA),成為第二個簽署此協定的政府間國際組織。同時,WMO與BIMP在WMO總部,聯合舉辦了名為“氣候變化監測全球觀測系統面臨的測量挑戰——溯源性、穩定性和不確定度”的研討會。

2010年5月,國際計量委員會(CIMP)溫度測量咨詢委員會(CCT)①溫度測量咨詢委員會(CCT)是國際計量委員會下設的十個專業咨詢委員會之一。召開了第25次會議,會上提出了“關于氣候和氣象觀測測量”的建議,“鼓勵各國國家計量院面向氣候研究中有關計量溯源性、質量保證、測量校準方法等方面開展活動；支持各國國家計量院與氣象機構之間的合作”。

在上述背景下,對于氣候變化問題非常關注的歐洲計量界,于2011年在歐洲計量研究計劃(EMRP)下,正式啟動了“面向氣象學的計量學”計劃。該計劃是歐洲計量界響應WMO-BIMP研討會和CCT會議提出倡議的第一個正式的行動。

二、MeteoMet計劃概要

MeteoMet計劃是EMRP的一部分,并得到歐洲國家計量院聯合會(EURAMET)的資助。參加此計劃的包括受到資助的18個研究機構和3所大學,以及34個未予以資助的合作機構。該計劃的執行期為3年,經費預算為4413683歐元,有6個工作組,30個子項目,計劃交付65個成果,總共需要419人月的工作量。

1. 主要方向

MeteoMet計劃的主要研究方向是氣候變化觀測所涉及的計量溯源性,以及從計量學的角度對地面和高空大氣的溫度、氣壓、濕度、風向風速、太陽輻射觀測和氣象要素觀測量之間的相互影響的研究。

2. 科技目標

MeteoMet計劃的科技目標基本上可以分為3部分,即新的計量方法,新的校準設施,以及對歷時氣候資料的計量學處理。具體包括5個方面：

氣候觀測的不確定度評估方法。研發對空氣溫度傳感器進行精確校準的實驗室設施和方法；研究建立

風速觀測計量溯源性的方法。

改進濕度傳感器及其校準方法。研制可溯源、可自校準、可調式吸收光譜法二極管激光器(TDLAS),研究水分子的吸收線；研究包括基于準球面腔體微波共鳴技術的濕度計、無接觸式大氣測量量多傳感器裝置、超聲風速計,以及新的基于GPS和伽利略導航衛星的測量方法；研究無線電探空儀觀測的計量溯源性；獲取用以改進水汽公式的新資料,提出新的用于水汽壓力曲線方程式。

參考探空儀的校準裝置。研發創新性校準系統,包括具有高度優化的熱量和物質傳導特性的測量箱,建立基于探空儀觀測的計量溯源性。

自動氣象站的校準裝置。提出新的自動氣象站校準方法和協議,評估太陽輻射和元器件老化對自動氣象站的影響；研制可對溫度、濕度和氣壓傳感器進行同時校準的實驗室和現場校準設施；研發對自動氣象站軟件進行確認的協議。

歷史溫度資料的計量學處理。評估用舊的技術(方法和儀器)獲得的歷史溫度數據,估計當代數據與歷史數據的一致性；研究和開發具有A類和B類不確定度①A類和B類不確定度：用統計方法進行測量不確定度分量評估得出的測量不確定度分量為A類不確定度；用不同于A類評估方法得出的測量不確定度分量為B類不確定度。的不均一的歷史觀測資料的分析評估方法和軟件。

3. MeteoMet計劃的6個工作組

MeteoMet計劃從管理和專業研究的需要出發,設立了6個工作組：

高空觀測傳感器和技術工作組。研究新的用于高空觀測的濕度傳感器,建立基于TDLAS的絕對濕度傳感器的計量溯源鏈；研制可溯源至國家標準的可移動校準的標準濕度發生器和新的探空儀傳感器校準箱；進行在接近真實高空條件和擁有國家標準環境下的傳感器比對。

氣候要素觀測的新方法和新儀器工作組。研究用于低空和高空大氣溫度、濕度和氣壓觀測的新方法和新儀器,以獲取改進飽和水汽方程準確性的新數據。該方程適用的溫度范圍是―80～100℃,目標不確定度②目標不確定度：根據測量結果的預期用途,規定作為上限的測量不確定度。為0.85%～0.04%。

地面氣象觀測測量方法和協議工作組。針對氣候研究和氣象學長期、大尺度觀測的需要,研究地面溫度、濕度、氣壓和風速觀測的可溯源的觀測方法和協議,研究超聲風速計觀測資料的不確定度評估和現場校準方法。

觀測資料協調化工作組。主要進行歷史溫度觀測資料評估和數據融合的工作。研究歷史溫度觀測資料不確定度的來源,并將這種來源的不確定納入總的不確定計算報告中,修正氣候模式的輸入數據。通過這種工作,強化對氣候變化的識別、預測和適應性評估。

除上述4個專業研究工作組外,MeteoMet計劃還設立了“推廣和傳播”和“管理與協調”兩個工作組。

4. MeteoMet計劃的預期結果和影響

通過MeteoMet計劃的實施,可以推動計量學和氣象學研究的發展。預期成果包括：獲得一個經過確認的用于歐洲氣候指示因子的基本參數規定；獲得可靠的測量協議和可溯源的傳感器校準規程；推動氣象機構所屬自動氣象站的校準直接溯源至國家標準,使得觀測資料更準確并附有不確定度報告；提高對大尺度和長期溫度觀測資料的標準化和保證計量溯源性的方法的需求。

MeteoMet計劃的實施,可以促進氣候觀測資料可靠性的提高和對歷史數據的正確解讀,降低氣候影響模式的不確定度,從而提高長期和短期氣候變化預測結果的可靠性。而更可靠的氣候變化影響模式可以為制定有效的國際和國家應對氣候變化的政策提供更好的指導和依據。

三、MeteoMet計劃研究示例

MeteoMet計劃所有項目的核心和亮點就是計量溯源性。而計量溯源性的兩個核心要素就是校準(不間斷的校準鏈)和不確定度(校準鏈的每項校準均會引入測量的不確定度)。為滿足氣候觀測的需要,獲取高質量的氣候資料,進行真正符合計量學意義的校準和不確定度分析具有重要的現實意義。例如,由于不具備符合校準條件的設施,對探空儀就不能實現業務化的實驗室校準。對大量布設的自動氣象站也不能進行嚴格現場校準。再例如,氣候觀測業務采用新的觀測方法需要研究解決校準問題。現行的業務化的校準方法也需要改善和優化。例如,目前對于溫度觀測儀器的校準通常是在液體槽中進行的。而實際上,氣溫是在空氣中觀測的。由于空氣和液體的性質不同,它們對氣溫觀測所引入的不確定度的貢獻也是不同的。這種不同對于氣候觀測資料的質量也是有影響的。此外,對歷史氣候資料的計量學處理,主要面臨的問題也是計量溯源性和不確定度。MeteoMet計劃正是圍繞這些實際問題開展了有非常有意義的工作。以下列舉幾個與我國有關工作可進行對照的MeteoMet計劃的研究示例,以幫助對該計劃有一個感性的了解。

1. 研制探空儀濕度傳感器快速校準系統

該項目主要針對的是對參考級探空儀進行實驗室校準問題。

提高探空儀濕度觀測的質量是WMO世界氣候觀測網參考探空網(GRUAN)的重點。要達到GRUAN要求的精度目標,獲得可靠的氣候觀測資料,一個關鍵的因素就是通過科學的校準使探空資料具有良好計量溯源性。但是,目前對探空儀的實驗室校準是非常困難的。由于在模擬高對流層和低平流層的實驗室環境條件下進行濕度校準非常耗時,因而,對探空儀進行實驗室校準在目前是難以實現的。為此,MeteoMet計劃研發對探空儀濕度和溫度傳感器的校準方法,創建一個用于建立探空儀觀測計量溯源性的參考裝置。

該項目主要由芬蘭計量認證中心承擔,具體研發內容包括：應用熱量和物質傳導研究成果,結合相關的試驗,設計和建造一個高效的測量箱。這種測量箱可以縮短包括在低溫范圍的校準時間,使一套探空儀的校準可以在一天之內完成；研發一種基于飽和器的低至―90℃的霜點溫度參考標準；研制對測量箱的空氣溫度和霜點溫度進行準確和有效控制的裝置；對整個測量箱進行測試,并進行全面的不確定度分析。

2. 研究在空氣中進行溫度傳感器校準的設施和方法

該項目主要針對的問題是降低溫度觀測的不確定度。

對全球氣候變化的估計,需要的溫度觀測資料的不確定度要小于0.1℃。降低溫度觀測資料的不確定度,需要考慮源自傳感器校準方法本身的不確定度。目前,對溫度傳感器的校準是在液體槽中進行的。而液體與空氣的熱力環境是完全不同的,由此產生的額外的不確定度經常被忽略。

該項目的研究目標是將空氣溫度傳感器校準的不確定度,在―20～50℃范圍內,從0.08℃降到低于0.05℃。這項研究有助于增加對氣象溫度觀測的誤差來源和現實不確定度的認識。這將提高溫度觀測(特別是空基觀測)的準確度。

該項目由英國國家物理實驗室負責,具體研發內容是：研制一個準確的空氣溫度校準設施。該設施將可對氣流進行控制,并可隨校準環境的變化對熱交換進行調整。同時,對儀器和其他熱源產生的誤差和不確定進行研究分析。最終,在―20～50℃的溫度調整范圍內,使在空氣中進行的溫度校準的不確定度小于0.05℃。同時,提出如何將溫度調整范圍延展的建議。

3. 研制可同時對氣象站溫度、濕度、氣壓傳感器進行組合校準的實驗室校準設施

該項目針對的是氣象觀測要素之間相互影響的問題。

目前對自動氣象站的校準缺乏對各要素之間的相互影響的考慮。由于傳感器的校準不是在類似于野外環境的條件下進行的,所以,常規的校準可能引入系統誤差。目前,在歐洲沒有專用的可以同時產生和控制溫度、濕度、壓力、風速和太陽輻射的環境校準箱。這種能同時模擬地球表面條件的校準裝置,可以更好地對氣象站觀測資料的不確定度進行評價,使其具有更可靠的計量溯源性。

MeteoMet計劃將研制以上所述需求的校準裝置。擁有了這種裝置將可對溫度、濕度、氣壓單獨的校準曲線之間量值的相互干擾,以及太陽輻射和風速對其他觀測要素的影響進行研究。這項工作將提出自動氣象站溫度、濕度、氣壓傳感器校準的新協議和流程,同時還對實驗室校準與現場校準的關系進行分析。

該項目由多個歐洲科研和計量單位完成,具體研發內容包括：

由波蘭低溫和結構研究院等在實驗室條件下,用自動氣象站使用的溫度(―50～50℃)、濕度(10%Rh～98%Rh)和氣壓(800～1100hPa)傳感器進行測量。用測量結果與華沙大學的自動氣象站的日常觀測結果進行比對分析。這種比對分析結果可為制定自動氣象站校準規范提供基礎。

由芬蘭計量認證中心利用其壓力―溫度―濕度校準設施,對前述3種氣象要素之間,在―50～―20℃的低溫范圍內相關性進行研究。在此基礎上設計出一種考慮到3個要素之間相關性的優化校準規程。

由意大利國家計量院建造一個新的自動氣象站參考設施,以滿足用戶對計量溯源性的要求。該裝置為圓柱體,直徑約1.3m,長度為1m。該校準裝置的內部結構適合安裝各種自動氣象站和氣象觀測用傳感器。溫度、壓力和濕度可分別單獨控制,可同時實現：溫度控制偏差小于0.05℃,溫度調整范圍為―40～50℃；壓力控制偏差小于0.1hPa,壓力調整范圍為750～1100hPa；在溫度為0～50℃條件下,濕度范圍為5%～98%,準確度為0.3%～0.7 %。該裝置還可產生最大30 m/s的風速,并具有太陽輻射發生器,用以評估風速和太陽輻射對溫度、壓力和濕度傳感器的影響。

4. 研制可溯源的自動氣象站現場校準裝置

該項目主要是針對自動氣象站的現場校準問題。

現行的自動氣象站現場校準存在許多計量學方面的弱點。首先,由于用于比對的標準器不能長期在露天狀態下工作,所以校準不能覆蓋傳感器的整個量程,因此不能完整地確定傳感器的直線性和不確定

度。同時,也無法對觀測要素之間的相互影響進行評估。此外,對在高海拔和極地地區安放的自動氣象站需要有明確的校準規定,以保證這些自動氣象站能溯源至國家標準。

MeteoMet計劃研制一種用于自動氣象站現場校準的,可安放在中型汽車上的小尺寸可搬運的氣候箱。通過這項工作,可以提出保證布設在遙遠和高海拔地區的自動氣象站的計量溯源性的方法和規程。這種可以同時產生溫度、濕度和壓力值的氣候箱,將建在珠穆朗瑪峰腳下,位于尼泊爾境內海拔5050m處的金字塔觀測站。通過這種裝置和專用的規程,促進高海拔地區氣候監測的進步。

該項目由意大利國家計量院負責,具體研發內容包括：研究和建造一個縮小尺寸的設施,用于自動氣象站的現場校準。這種裝置可對溫度、濕度和壓力傳感器進行同時校準,測量范圍覆蓋自動氣象站可能遇到的環境條件。其溫度控制偏差小于0.05℃,溫度調整范圍為―20～50℃；氣壓控制偏差小于0.1hPa,氣壓調整范圍為500～1100hPa；濕度調整范圍為5%～95%,不確定度為1.5%。該裝置產生的溫度、濕度和氣壓的值的儀器測量是直接用測量基準進行校準的。

5. 開發考慮計量溯源性的用于歷史和未來溫度資料協調處理的計算模式

該項目主要針對的是歷史氣候資料的不均一問題。

為了改進歷史資料序列,需要對不同時期由于采用新的協議對氣候資料的影響進行最優估計；同時,還要在模式中考慮不同地區的人類活動。為了獲得氣候評估所需的時間序列資料的修正值,必須要用最新的統計技術或新的程序進行統計均一性試驗和時間序列均一化處理。

MeteoMet計劃研制一套數學軟件模式,用來從計量學測量和不確定度的角度,對時間序列歷史資料進行模式化處理。

該項目由多個歐洲計量單位負責,具體研發內容包括：

由捷克計量院和斯洛伐克計量院負責開發克服歷史觀測資料地點和時間的不均一性的方法。該方法基于對歷史資料的認識和MeteoMet計劃其他相關部分研究結果的數學軟件模式。該方法可以根據國際溫標的演變,重新計算溫度值,并包含B類不確定估計；依據對測量方法、觀測儀器等方面現有的知識,按照歷史資料的質量,對部分或整個資料集進行加權處理。將A類不確定度和B類不確定度包含在對溫度趨勢的評估中。

由挪威計量局負責對該模式進行測試,對取得的進步和遇到的問題進行評估。

四、結束語

本文對歐洲MeteoMet計劃進行了簡要介紹。MeteoMet計劃并不是一個非常龐大的計劃,但它從保證氣候觀測資料計量溯源性的角度,在新儀器研制、校準方法、歷史數據評估、觀測資料質量保證等方面開展了非常有意義的創新性工作,為計量學與氣象學的相互促進,特別是將計量學的關鍵理念、技術和方法,具體應用到相關的氣象科技工作,提供了一個鮮活的實例。該計劃從兩方面給我們以啟發。首先, MeteoMet計劃顯示出計量工作可以在氣象科技工作中發揮更大的作用。目前,我國已形成相對完整的氣象計量工作體系。但是,氣象計量機構開展的工作主要是對氣象觀測儀器進行法定的計量檢定工作。當今國際計量學已經有了長足的發展,氣象界也對計量學有了新的需求。歐洲MeteoMet計劃,為氣象計量工作者提供了一個通過應用計量學的理論、方法和技術,促進氣象科技工作發展的范例；同時,MeteoMet計劃為有關氣象科技工作,特別是氣候資料處理等方面的工作,展示了一個可能的新途徑。目前,我國氣候資料分析中采用的一些統計分析方法與計量學所采用評估A類不確定的方法相類似,也有用到不確定度概念的。但是,真正用到符合計量學意義的如計量溯源性、測量不確定度等的概念、技術和方法的工作不多。通過對MeteoMet計劃的了解,可以發現在氣候資料分析等工作中,科學地采用計量學的一些技術和方法,可能是提高工作質量和水平的一個有益途徑。

（作者單位：中國氣象局綜合觀測司）

深入閱讀

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