自動氣象站溫度觀測數據不確定度分析方法研究

陳 平

(北京工商大學，北京 100081)

0 引言

氣溫是表示空氣冷熱程度的物理量。氣溫觀測數據可以表征一個地方的熱狀況特征，在科學研究、天氣預報、經濟建設、社會生活、防災減災、國防等應用上都具有重要作用[1]。

自動氣象站的溫度觀測是集溫度傳感器、數據采集器、數據處理為一體的綜合自動觀測系統。目前自動氣象站溫度計技術指標的檢測通常是在實驗室特定環境狀態下開展的，但由于真實觀測中存在各種不同的影響因素，會給溫度觀測引入附加的測量不確定度[2-4]。文章首先建立溫度觀測不確定度評估模型，分析影響溫度觀測的各種可能因素，然后針對自動氣象站溫度觀測數據進行定量分析。

1 溫度觀測數據不確定度評定

1.1 溫度觀測不確定度數學模型的建立

為了進行溫度傳感器觀測數據的不確定評定，考慮影響溫度觀測的因素，首先建立數學模型：

T=Tc+ΔTτ+ΔTo+ΔTy+ΔTs

(1)

式中，T為溫度觀測值(℃)；Tc為溫度采樣值(℃)；ΔTτ為標準器引入的不確定度值(℃)；ΔTo為校準時溫度波動性產生的不確定度值(℃)；ΔTy為采集器產生的不確定度值(℃)；ΔTs為年穩定產生的不確定度值(℃)。

由于公式中所有變量都是通過獨立的方法觀測或者計算得到的，因此所有變量之間是相互獨立的。

1.2 不確定度評定

溫度傳感器測試系統包括型號A和型號B的自校式鉑電阻數字式測溫儀、WLR-60D溫度檢定槽、JJQ1型信號模擬采集器和計算機。標準器為RCY-1鉑電阻數字測溫儀，測量范圍：-60～+100 ℃，測量不確定度0.03 ℃。依據自動氣象站檢定方法，選取-30 ℃、-10 ℃、0 ℃、30 ℃、40 ℃、60 ℃作為檢定點，分別計算型號A和型號B溫度傳感器各檢定點測量誤差的算術平均值的標準偏差。

1)型號A測量不確定度評估

根據型號A溫度傳感器各檢定點測量誤差的算術平均值的標準偏差得出A類標準不確定度uA=0.015 ℃。

標準器的測量誤差對測量結果引起的不確定度uB1=0.017 ℃。溫度檢定槽的不均勻性引起的標準不確定度uB2=ΔC2/1.4=0.007 ℃。

采集器采用信號模擬器對氣象要素傳感器進行檢驗，在80～140 Ω(-60～80 ℃)，信號模擬器在采集時滿量程內最大誤差為0.03 ℃，取包含因子k=1.732，則由采集器模擬器引起的標準不確定度uB3=ΔC3/k=0.017 ℃。

溫度傳感器的年穩定性是指傳感器在1 a內，其性能保持不變的能力。鉑電阻溫度傳感器的穩定性技術指標為小于±0.01 ℃，其對應的標準不確定度為：

(2)

根據B類標準不確定度評定結果，B類合成標準不確定度為0.026 ℃。

型號A溫度傳感器合成標準不確定度為：

(3)

擴展不確定度：U=2uC=0.060 ℃

2)型號B溫度傳感器測量不確定度評估

型號B溫度傳感器各檢定點測量誤差的算術平均值的標準偏差作為A類標準不確定度uA。

型號B的B類標準不確定度的計算方法與型號A的計算方法類似，根據型號B的B類標準不確定度評定結果，B類合成標準不確定度為：

(4)

合成標準不確定度為：

(5)

擴展不確定度為：

U=2uC=0.068 ℃

(6)

溫度傳感器的不確定度研究表明：自動氣象站所配備的型號A溫度傳感器的不確定度為0.060 ℃；自動氣象站所配備的型號B溫度傳感器的不確定度為0.068 ℃。

2 結束語

溫度觀測數據廣泛應用于社會生活的各方面，目前自動氣象站溫度計的檢測通常是在實驗室標準環境條件下開展的，校準證書上通常會給出此次校準結果的不確定度。但是由于真實觀測中存在各種影響因素，會給溫度觀測引入附加的測量不確定度。文章從整體上分析影響自動氣象站觀測的各種可能因素，并建立不確定度數學模型，然后對自動氣象站溫度觀測數據進行了不確定度評估。通過對自動氣象站溫度觀測數據的不確定度評估，可以有效保證溫度觀測資料的可比性、準確性和一致性。