自動氣象站地溫傳感器現場校準結果不確定度評定

黃小靜，楊 濤，夏 雪

(1.四川省氣象探測數據中心，成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇四川省重點實驗室，成都 610072)

0 引言

自動氣象站是能夠實時觀測溫度、濕度、氣壓、風速、風向、蒸發、雨量和輻射等地面氣象要素并獲取資料的自動化氣象設備。多氣象要素的連續動態實時觀測，為氣象預報及服務提供了及時可靠的數據資料。另外，這些數據資料也是洪澇、干旱、地質災害的監測預警和當地政府進行氣象防災減災決策的基礎。為了保障氣象數據的可靠性，自動氣象站傳感器需定期進行檢定或現場校準[1，2]。除了誤差，檢定或校準結果的不確定度也是其可靠性的重要參考指標。

近年來，行業專家對自動氣象站各傳感器的檢定或校準結果的不確定度開展了大量研究。目前，針對地溫傳感器的現場校準結果的評定還沒有具體的文獻參考[3]。

文章在參考其他專家研究成果的基礎上，提出了自動氣象站地溫傳感器現場校準結果不確定度評定模型，分析了不確定度來源，并通過實例說明了計算過程和評定結果。模型可以應用于自動氣象站地溫傳感器現場校準結果的不確定度評定，評定結果可以作為校準結果應用時的參考指標。

1 評定方法

測量不確定度的評定方法依據國家計量技術規范JJF 1059進行，該規范現分為兩部分：JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》，又稱GUM法；JJF 1059.2-2012《用蒙特卡洛法評定測量不確定度》，又稱MCM法。文章應用GUM法進行自動氣象站地溫傳感器現場校準結果的不確定度評定。具體流程分為：1)分析不確定度來源和建立模型；2)評定標準不確定度分量；3)計算合成標準不確定度；4)確定擴展不確定度；5)報告評定結果[4-6]。

1.1 不確定度來源分析

不確定度的來源及其分布是不確定度評定中的重要因素，其直接影響不確定度評定結果的準確性。文章結合不確定度評定理論和現場校準實地調研，對地溫傳感器現場校準過程中的影響因素進行了詳細分析，主要包含被檢儀器、環境、標準器、附屬設備和計算機處理系統等多方面因素，其中已明確以下5個原因：1)測量重復性引入的不確定度；2)標準器數字溫度計引入的不確定度；3)地溫采集器測量誤差引入的不確定度；4)恒溫液體槽溫度場的波動性和均勻度引入的不確定度；5)計算機數據處理時的修約誤差引入的不確定度。其中由重復性引入的不確定度分量按A類評定方法計算，其他4個不確定度分量按B類評定方法計算[7，8]。

1.2 A類評定

重復性引入不確定度分為3種情況：1)標準不確定度；2)測量過程標準不確定度；3)規范化常規測量時標準不確定度。自動氣象站地溫傳感器現場校準時，按照現場校準方法規定的校準程序和條件，在不同溫度點進行多次測量?？梢詤⒖记闆r1)單獨計算各校準點的標準不確定度，也可以參考情況2)和3)計算整個測量樣本的合成不確定度，文章采用前者。其測量重復性引入的不確定度按標準不確定度的A類評定進行計算，具體評定流程如圖1所示。其中，yij表示在j校準點的第i次測量結果。

圖1 標準不確定度的A類評定流程

1.3 B類評定

標準不確定度的B類評定是借助于一切可利用的相關信息進行科學判斷，得到測量結果估計值的標準偏差。B類評定的流程如圖2所示。其中區間半寬度a值是根據有關的信息確定的，如相關技術資料和儀器特性、校準證書、檢定證書、測試報告提供的數據和準確性等級等。

圖2 標準不確定度的B類評定流程

2 評定實例

2.1 A類不確定度評定

依據自動氣象站現場校準方法，地溫傳感器現場校準以校驗爐液槽作為恒溫設備，以RCY-1A作為標準器，在-20 ℃、0 ℃、+30 ℃ 3個校準點進行測試。進行A類不確定度評定時，在每個校準點上進行10次等間隔的測量，讀取測量數據，計算各校準點測量結果的算術平均值的標準偏差，結果如表1所示。

表1 地溫傳感器現場校準結果 ℃

-20 ℃、0 ℃、+30 ℃校準點校準結果因測量重復性引入的標準不確定度按A類評定得到的uA如下：

-20 ℃校準點：uA=0.0058 ℃；

0 ℃校準點：uA=0.0037 ℃；

+30 ℃校準點：uA=0.0031 ℃。

2.2 B類不確定評定

1)標準器引入的不確定度。由數字式鉑電阻溫度計的校準證書提供的數據可知，其擴展不確定度為0.03 ℃，它對各溫度點的校準結果的影響是均勻分布的，取包含因子k=1.732，則標準器數字式鉑電阻溫度計對測量結果引入的不確定度uB1為：

uB1=0.03/1.732=0.017 ℃

2)地溫采集器在測量過程中引入的不確定度分量。根據相關文獻給出的參考數據[9-11]，地溫采集器的測量不確定度為0.032 ℃，引入的不確定度服從均勻分布規律，取包含因子k=1.732，則由地溫采集器測量引入的標準不確定度分量uB2為：

uB2=0.032/1.732=0.017 ℃

3)恒溫液體槽溫度場的波動性和均勻度引起的不確定度。由恒溫溫度槽的技術指標和測試數據可知，溫度場的波動性為0.03 ℃，校準時溫度場的波動性引起的測量誤差服從反正弦分布規律，由它產生的不確定度呈反正弦分布，取包含因子k=1.4，相應的標準不確定度分量uB3為：

uB3=0.03/1.4=0.021 ℃

4)計算機數據處理時的修約誤差引入的不確定度。在校準過程中，計算機處理采集的溫度數據時保留1位小數，修約誤差最大為0.05 ℃。修約誤差呈均勻分布，取包含因子k=1.732，則有效數字修約誤差所引入的標準不確定度uB4為：

uB4=0.05/1.732=0.029 ℃

根據B類不確定度的評定結果，求出B類合成標準不確定度uB為：

2.3 合成不確定度和擴展不確定度

根據A類、B類標準不確定度的評定結果，計算合成標準不確定度uC為：

根據合成標準不確定度的評定結果，計算擴展不確定度U=kuC，一般擴展不確定度服從正態分布，取包含因子k=2，則有U=2uC，即地溫傳感器現場校準結果的擴展不確定度U為：

-20 ℃校準點：U=0.088 ℃，k=2；

0 ℃校準點：U=0.086 ℃，k=2；

+30 ℃校準點：U=0.086 ℃，k=2。

結果表明，-20 ℃校準點校準結果的擴展不確定度最大。此次現場校準的被校傳感器是用于國家一般站的WZP1型地溫傳感器。根據自動氣象站現場校準方法，地溫傳感器在各溫度檢定點的最大允許誤差(MPEV)為±0.5 ℃。根據符合性評定方法，此次校準結果-20 ℃、0 ℃、+30 ℃校準點的擴展不確定度均小于MPEV的1/3，對符合性評定的影響可忽略不計。當校準結果的擴展不確定度大于MPEV的1/3時，符合性評定需考慮校準結果的擴展不確定度。

3 結束語

文章在分析自動氣象站地溫傳感器現場校準結果的不確定度來源的基礎上，提出了不確定度評定模型，并給出了評定實例。實例中，-20 ℃、0 ℃、+30 ℃校準結果的擴展不確定度分別為0.088 ℃、0.086 ℃、0.086 ℃，均小于MPEV的1/3，對符合性評定的影響可忽略不計。該評定模型可以為自動氣象站地溫傳感器現場校準結果的不確定度評定提供參考，但是不確定度來源分析仍存在不足，未來將進一步開展相關研究。