不同型號自動氣象站溫度傳感器檢定數據統計分析

黃小靜，鄭 亮，李曉紅

(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

目前，各省已全面布網自動氣象站，在地面氣象觀測中完全替代人工觀測，并實現無人值守。溫度是氣象觀測的關鍵要素之一，溫度傳感器測量準確性是觀測數據可靠的基礎，也是傳感器選型和應用評估的依據；因此，文章對現用各種型號溫度傳感器的準確性進行了全面分析。

關于自動氣象站溫度傳感器的性能，行業工作者和研究人員一直非常關注，相關研究也很多。王曉默[1]等對自動氣象站溫度數據與人工觀測數據進行了對比；付錫桂[2]等對HMP45D濕度傳感器溫度特性進行了測試與分析；王輝[3]等對HMP45D和HMP155傳感器的測量性能進行了對比；任燕[4]等對溫度傳感器檢定數據進行了統計分析。這些研究給行業人員帶來了很多啟示，但目前仍然存在著分析樣本較少和傳感器的型號不全等問題。

1 數據來源與統計方法

1.1 數據來源

為了探討自動氣象站溫度傳感器測量性能，文章對四川省自動氣象站2019年臺站送檢傳感器的檢定結果進行了分析。此次分析的傳感器共4種型號，其中WPZ和HYA-T是地溫傳感器，HYA-T-H和HMP155是氣溫傳感器。除HMP155是溫濕度一體測量傳感器，其他都是獨立溫度測量。檢定人員按照《自動氣象站溫度傳感器檢定規程》在溫度實驗室應用ZOGLAB溫度自動檢定系統對送檢傳感器進行檢定，在對實驗條件、設備和檢定流程的嚴格控制下，實驗室檢定結果的不確定度較小[5，6]。

按照規程要求，此次統計的傳感器檢定點為-10 ℃、0 ℃、+20 ℃、+50 ℃。在每個溫度檢定點讀數4次，每支傳感器在檢定過程中將產生16次原始讀數。統計分析時，將每1次讀數作為1個樣本。此次用于統計分析的傳感器共1233支，其中WPZ型394支、HYA-T型715支、HYA-T-H型16支、HMP155型108支，對應讀數樣本分別為6304條、11，440條、256條、1718條。部分樣本數不是16的整倍數，是因為某些檢定點出現了無讀數或缺讀數的情況[7-9]。

1.2 統計方法

為了明確傳感器的測量性能，文章主要從合格率、誤差分布和誤差絕對值均值3個特征對樣本數據進行統計分析。

1)合格率

根據《檢定規程》和《觀測指南》，溫度傳感器的計量性能因用途不同而不同[10]，地溫傳感器誤差不超過±0.3 ℃為合格；氣溫傳感器誤差不超過±0.2 ℃為合格。文章中的合格率統計的是傳感器的原始讀數樣本而非傳感器檢定結果。具體計算方法如公式(1)、(2)所示，結果保留2位小數。

(1)

(2)

式中，QRSi代表i型傳感器的合格率；NQSi和NSi代表其讀數合格次數和總次數；QRSiTj代表i型傳感器在j溫度檢定點的合格率；NQSiTj和NSiTj代表i型傳感器在j溫度檢定點的讀數合格次數和總次數。

2)誤差分布

為了考察各型號傳感器誤差的分布，將傳感器按照不同的誤差區間對樣本進行了統計。誤差區間共分為8個，依次為(-∞，-0.3)、[-0.3，-0.2)、[-0.2，-0.1)、[-0.1，0)、[0，+0.1)、[+0.1，+0.2)、[+0.2，+0.3)、[+0.3，+∞)，單位為℃。在不區分溫度檢定點的情況下，對各傳感器讀數誤差按8個區間計數，再除以總數得到百分比(結果保留2位小數)，將結果繪制成柱狀分布圖。

3)誤差絕對值均值

誤差絕對值均值計算如公式(3)所示。

(3)

式中，MESiTj代表傳感器溫度檢定點的誤差絕對值均值(結果保留2位小數)；NSiTj代表i型傳感器在j溫度檢定點的讀數總次數。為了直觀對比，基于各型傳感器在各溫度檢定點的計算結果繪制成柱狀散點圖。

2 結果分析

2.1 合格率

WPZ、HYA-T、HYA-T-H和HMP155型傳感器讀數樣本合格率分別為98.02%、97.25%、100%和94.07%。文章對各傳感器在各溫度檢定點讀數的合格率進行了統計(圖1)。其中，HYA-T傳感器在所有溫度檢定點的合格率均達到了100%；其他3種傳感器在0 ℃和+20 ℃的合格率明顯高于-10 ℃和+50 ℃。日常測量區間主要在0～30 ℃。

圖1 各型傳感器在各檢定點合格率

對于地溫傳感器，在-10 ℃、0 ℃和+20 ℃ WPZ的合格率都高于HYA-T，而在+50 ℃時，恰恰相反。對于氣溫傳感器，HYA-T-H在-10 ℃、0 ℃、+20 ℃和+50 ℃檢定點的合格率均高于HMP155；特別是在-10 ℃和+50 ℃溫度檢定點，HMP155的合格率遠遠低于HAY-T-H。HYA-T-H的樣本較少，可能合格率100%過于理想，但兩類氣溫傳感器的對比趨勢應該是合理的。值得注意的是，溫濕一體測量的HMP155傳感器在-10 ℃和+50 ℃的合格率遠遠低于其他3種獨立測量的傳感器，這可能是由獨立測量和溫濕一體傳感器的感溫元件和封裝結構不同造成的[11，12]。

2.2 誤差分布

文章對誤差在各溫度區間的分布情況進行分析(圖2)。各傳感器誤差在各溫度區間分布趨勢大致相同，主要集中在-0.2 ～+0.2 ℃，WPZ、HYA-T、HYA-T-H和HMP155誤差在此區間的占比分別為94.90%、87.21%、96.09%和75.67%。從誤差分布來看，對于地溫傳感器，WPZ略優于HYA-T；對于氣溫傳感器，HYA-T-H明顯優于HMP155；獨立測量的WPZ、HYA-T和HYA-T-H優于溫濕一體測量的HMP155。

圖2 各型傳感器在各誤差區間分布情況

此外，對誤差絕對值超過0.3 ℃的樣本進行進一步分析，各傳感器誤差絕對值在(0.3，0.5]、(0.5，1]、(1，5]和(5，∞)區間的樣本占總樣本的百分比如表1所示。4種型號傳感器在4個區間的分布規律并不一致。為了保證統計結果的全面性，對傳感器誤差絕對值均值的統計分析考慮了兩種情況：一種是保留全樣本統計；另一種是將誤差絕對值超過0.3 ℃的樣本作為異常樣本剔除后統計。

表1 誤差絕對值超過0.3 ℃的樣本分布

2.3 誤差絕對值均值

剔除異常樣本后，WPZ、HYA-T和HMP155的誤差絕對值均值明顯降低。除HMP155在-10 ℃溫度檢定點的誤差均值超過了0.1 ℃，其他都在0.1 ℃范圍內。從誤差絕對值均值來看，對于地溫傳感器，HYA-T和 WPZ性能差異不大；對于氣溫傳感器，HYA-T-H的性能仍然明顯優于HMP155；獨立測量的WPZ、HYA-T-H、HYA-T性能明顯優于溫濕一體的HMP155。

值得注意的是，HMP155在-10 ℃和+50 ℃的誤差絕對值均值與其誤差均值的絕對值幾乎相等。查閱原始數據發現，HMP155樣本誤差在-10 ℃幾乎都為正值，在+50 ℃基本為負值，而其他3種傳感器未出現這種情況；可能是因為HMP155響應不夠靈敏，存在一定的系統誤差。

3 結束語

為了探討自動氣象站溫度傳感器測量準確性，文章對2019年四川省自動氣象站4種型號溫度傳感器的檢定數據進行了統計分析。此次分析涵蓋了較全的傳感器類型，數據樣本也進行了擴展，分析結果可以為自動氣象站傳感器選型和測評提供依據，這也是對溫度傳感器檢定結果綜合應用的一種擴展。四川省完全展開自動氣象站傳感器實驗室檢定的時間不長，樣本有限，且各型號傳感器使用年限也無法確定，結論可能存在一定偏差，未來在數據更完備的情況下，將繼續完善此研究。