溫度探測儀器探測性能評估和功能需求研究

1 引言

氣象災(zāi)害是嚴重威脅人民生命財產(chǎn)安全的自然災(zāi)害。一次災(zāi)害所造成的損失往往達到幾十億，甚至上百億元，對災(zāi)區(qū)的社會經(jīng)濟產(chǎn)生致命性的打擊。氣象業(yè)務(wù)工作水平的提高，是減災(zāi)、防災(zāi)的有效手段。

探測資料的質(zhì)量對于氣象業(yè)務(wù)和科研工作具有重要影響。一方面表現(xiàn)在高質(zhì)量的氣象產(chǎn)品來源于高質(zhì)量的探測數(shù)據(jù)，另一方面表現(xiàn)在對于探測數(shù)據(jù)質(zhì)量的準確評估是開展氣象產(chǎn)品可靠性評估的基礎(chǔ)因素之一。

探測儀器的探測性能是決定探測數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，對探測儀器的探測性能進行準確評估也是準確評估探測數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵手段。檢定、校準、考核是當(dāng)前氣象系統(tǒng)開展探測儀器的探測性能保證與評估工作的主要技術(shù)手段。從長期的實踐來看，這些技術(shù)手段受到技術(shù)條件的限制，存在著一些突出的問題。

首先，對儀器在綜合條件下的探測性能掌握不全面，造成探測性能評估的片面性。

長期以來，在網(wǎng)探測儀器的性能主要依靠在標準實驗室狀態(tài)下的校準和檢定來進行判斷。在這個過程中，對各種環(huán)境影響參量進行了嚴格的控制。這就造成了實驗條件與探測儀器的實際工作條件出現(xiàn)了極大的差異。對于儀器的使用環(huán)境-真實大氣-中的溫度、濕度、大氣壓力等參量的交互變化對其探測性能造成的影響基本忽略，從而造成業(yè)務(wù)狀態(tài)下的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量在很大程度上存在著不確定性。

表1是某計量檢定機構(gòu)使用雙流法濕度發(fā)生器對10支濕度傳感器進行的測試數(shù)據(jù)。其中00號為某國際公認品質(zhì)突出的進口品牌傳感器，其他為國產(chǎn)傳感器?？梢?，即使是00號傳感器，其溫度在-30℃時的性能與20℃時的性能也存在明顯偏差。因此，如果僅以20℃時的測試結(jié)果來對傳感器的探測性能進行評估，其結(jié)果具有嚴重的片面性。

表1 濕度傳感器樣品測量誤差測試數(shù)據(jù)

其次，部分測試手段難以適應(yīng)新型探測儀器的探測性能評估，給評估結(jié)果帶來不確定性。

以溫度探測儀器探測性能評估為例。由于空氣介質(zhì)溫度箱波動大，均勻性差，因此當(dāng)前在測試中普遍使用液體溫度槽作為溫度場控制設(shè)備。液體溫度槽對于玻璃溫度表這類無源驅(qū)動探測儀器具有良好技術(shù)適應(yīng)性。但是，對于目前數(shù)量不斷擴大的鉑電阻式測溫儀器，則由于傳感器在液體介質(zhì)與空氣介質(zhì)中功率耗散情況的差異有可能給探測性能評估帶來一個附加的誤差。如果不采取技術(shù)手段進行確定，將給評估結(jié)果帶來不可控制的不確定性。

第三、擬布網(wǎng)設(shè)備的考核手段能力不足，考核周期長，結(jié)果具有較強的偶然性，對氣象業(yè)務(wù)造成的影響深遠。

隨著氣象服務(wù)領(lǐng)域的不斷拓展和發(fā)展，大量的新設(shè)備將進入觀測網(wǎng)絡(luò)。對于這些設(shè)備的業(yè)務(wù)性能考核，是設(shè)備選型階段的必須工作。目前由于缺少實驗手段，如何準確的評價儀器在縱跨全國的不同氣候條件下的性能，是一個困擾選型工作的難題。采取選取個別臺站進行現(xiàn)場考核的方式，不但試驗周期長，而且由于樣本數(shù)量較少，試驗結(jié)果也存在著較大的偶然性。

上述問題的存在，嚴重制約了氣象探測網(wǎng)的快速發(fā)展，影響了GCOS系統(tǒng)觀測結(jié)果的可靠性，限制了氣象產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

為解決以上問題，2007年財政部批準了中國氣象局大氣探測技術(shù)中心申報的公益性行業(yè)科研專項項目“氣候觀測綜合計量檢定技術(shù)研究”，擬通過研制溫度、濕度、大氣壓力、太陽輻射四參量綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)，模擬大氣環(huán)境狀態(tài)及其變化，建立科學(xué)、合理、充分的氣象儀器測量性能評估手段。

2 功能范圍分析

探測儀器的計量檢定、測量性能考核是保證和評估探測儀器探測數(shù)據(jù)準確性的重要手段。

就這兩項活動本身來講，其獲取結(jié)果的可靠性在很大程度上依賴于其過程的科學(xué)性。因此，對于開展計量檢定、測量性能考核工作所遵從的標準、規(guī)范和方法開展研究，也是保證探測數(shù)據(jù)準確可靠的重要工作。

因此，本系統(tǒng)的功能范圍應(yīng)包括計量檢定、考核試驗、標準規(guī)范方法的制定。同時，考慮對氣象儀器技術(shù)的推動和科學(xué)研究的支撐的需要，產(chǎn)品研發(fā)和科學(xué)實驗也應(yīng)納入其功能范圍。

具體的功能范圍如圖1所示。

圖1 氣候觀測綜合計量檢定系統(tǒng)功能范圍

3 功能需求分析

當(dāng)前，中國氣象探測網(wǎng)的主要觀測設(shè)備有兩類，一是以自動氣象站為代表的地面觀測設(shè)備，一是以探空儀為代表的探空設(shè)備。因此，在系統(tǒng)的研究設(shè)計中，工作狀態(tài)分析主要以以上兩類設(shè)備檢定、考核工作的需求為出發(fā)點。

3.1 計量檢定工作狀態(tài)

探空儀由于其一次性使用和時間漂移特性較大的特點，不適合進行計量檢定。因此，系統(tǒng)的檢定工作狀態(tài)主要針對以自動氣象站為代表的地面觀測設(shè)備。

自動氣象站的觀測參量包括空氣溫度、地表溫度、淺層地表溫、深層地表溫、濕度、大氣壓力和太陽輻射。其中，空氣溫度、地表溫度、淺層地表溫和深層地表溫的測量原理相同，可以歸并為溫度測量。由于人造太陽模擬器在光譜范圍和光譜分布上無法實現(xiàn)對太陽光線的真實模擬，因此，測量參量為大氣壓力，濕度、溫度。

由于檢定工作是在標準實驗室環(huán)境下進行，現(xiàn)場環(huán)境簡單，可以通過實驗室環(huán)境條件控制完成，不需在系統(tǒng)的設(shè)計中加以考慮。

由此，確定檢定工作狀態(tài)下系統(tǒng)的輸出組合如表2所示。

表2 檢定狀態(tài)下系統(tǒng)輸出狀態(tài)組合

3.2 試驗考核工作狀態(tài)

試驗考核包括對于自動氣象站的試驗考核和探空儀器的試驗考核。

在自動氣象站的四個觀測參量中，環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和大氣壓力的變化均有可能對自動氣象站的觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。盡管從理論上講，環(huán)境太陽輻射的變化也有可能對其它量的觀測造成影響，但是，考慮到對于地面觀測設(shè)備，無論是溫度、濕度還是氣壓測量，均非暴露在太陽輻射之下工作，而太陽輻射的引入，對于場的控制將帶來較大的影響，大幅度增加了研究和設(shè)計的技術(shù)風(fēng)險，完全沒有必要。因此，在輸出狀態(tài)組合中，太陽輻射不必作為環(huán)境參量引入。

探空儀的考核狀態(tài)與地面儀器的考核狀態(tài)基本一致，所不同的是探空儀不對太陽輻射參量進行觀測。

由此，確定試驗考核狀態(tài)下系統(tǒng)的輸出組合如表3所示。

表3 儀器考核狀態(tài)下輸出狀態(tài)組合

4 技術(shù)指標的確定

氣候觀測綜合計量檢定系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜。在技術(shù)指標的確定上，需要兼顧業(yè)務(wù)需求和技術(shù)可行性兩個方面。既要避免由于技術(shù)指標過低造成難以滿足工作需要，又要避免技術(shù)指標過高造成資源浪費和研究經(jīng)費需求過于龐大，更為重要的是要避免由于當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平的不足造成研究工作的失敗。

第三章所確定的三種工作狀態(tài)對于技術(shù)指標的要求具有很大的不同。在地面觀測儀器的量程范圍內(nèi)，對于地面儀器的檢定，系統(tǒng)需要能夠輸出高指標的大氣壓力、溫度、濕度量值。對于地面儀器的考核，系統(tǒng)需要在輸出某一參量高指標量值的同時，同時輸出兩個或三個環(huán)境參量。在探空儀的考核工作狀態(tài)下，對于所要考核的參量和環(huán)境參量的不確定度指標相對于地面儀器較低，但是量程范圍大幅增加。

在當(dāng)前的技術(shù)水平下，同時實現(xiàn)量程范圍的最大化和技術(shù)指標的最優(yōu)化，存在非常大的技術(shù)風(fēng)險，在技術(shù)可行性上存在著極大的不確定性。因此，必須針對不同的工作狀態(tài)分別提出技術(shù)指標，即可以滿足業(yè)務(wù)科研工作的需要，又可以有效降低系統(tǒng)研究、設(shè)計和實現(xiàn)的難度。

在設(shè)計中，以計量檢定狀態(tài)下輸出的參量和考核狀態(tài)下所考核的測量參量為主測參量，以考核狀態(tài)下對主測參量的測量施加影響的輸出參量為環(huán)境參量，分別確定了量程范圍和不確定度指標。

主測參量量程范圍覆蓋觀測儀器的量程范圍，環(huán)境參量的量程范圍覆蓋儀器的使用環(huán)境范圍。對于自動氣象站和探空儀來講，儀器對于環(huán)境參量的測量范圍就是儀器在該參量中的使用范圍；

主測參量的不確定度指標首先按其不確定度指標小于被檢儀器不確定度的1/3的原則確定。以當(dāng)前技術(shù)水平確實無法實現(xiàn)的，依據(jù)國家頒布的《中華人民共和國國家計量檢定系統(tǒng)框圖》確定。

環(huán)境參量的不確定度指標的確定，國家尚無統(tǒng)一的標準，根據(jù)一般經(jīng)驗推定。根據(jù)經(jīng)驗，環(huán)境參量對測量性能的影響應(yīng)該不會超過5%，由此可以推定，環(huán)境參量的不確定度應(yīng)在主測參量不確定度的20倍以內(nèi)。同時，在到技術(shù)實現(xiàn)的可行性較高的條件下，盡可能提高環(huán)境參量的不確定度指標。

4.1 以自動氣象站為代表的地面觀測設(shè)備檢定工作狀態(tài)

此種狀態(tài)下技術(shù)指標的確定以自動氣象站技術(shù)指標為依據(jù)。

中國氣象局《新型多要素自動氣象站功能規(guī)格書》規(guī)定新型多要素自動氣象站技術(shù)指標如表4所示。

表4 新型多要素自動氣象站技術(shù)指標

根據(jù)以上原則，確定主測參量的技術(shù)指標如表5所示。

表5 檢定狀態(tài)下主測參量技術(shù)指標

相對濕度 5%～95%RH［為實現(xiàn)高指標的濕度標準裝置，目前廣泛采用的是雙溫雙壓濕度發(fā)生原理。受此原理限制，相對濕度最高為95%RH］ 1%（≤80%）、2%（＞80%）［ 依據(jù)JJG2046-1990《濕度計量器具檢定系統(tǒng)框圖》確定］，氣壓 450hPa～1300hPa［氣象觀測儀器的測量范圍為450hPa～1100hPa，但對于大氣壓力參量，考慮到目前覆蓋大氣壓力段的測量儀器上限一般為1300hPa，為增加樣機的通用性，將測量范圍上限延展到1300hPa］ 0.1hPa。

由于在此狀態(tài)下，所有參量作為主測參量輸出，環(huán)境控制依靠實驗室條件保證，因此，無環(huán)境參量技術(shù)指標。

4.2 以自動氣象站為代表的地面觀測設(shè)備考核工作狀態(tài)

此種狀態(tài)下技術(shù)指標的確定仍然以自動氣象站技術(shù)指標為依據(jù)。在此狀態(tài)下，工作狀態(tài)較檢定工作復(fù)雜，需對儀器在不同的環(huán)境條件下的計量學(xué)性能進行考核。一方面要對環(huán)境參量進行控制，另一方面要對所考核的參量測試性能進行考核，也就要求所考核的參量的最大允許誤差必須滿足表5中的規(guī)定，涉及了多參量綜合控制的問題，各參量控制的交叉耦合給工程技術(shù)的研究和實施帶來很大的困難。

但是，在考核工作中，一個工作時段可以針對某一參數(shù)的計量學(xué)性能進行考核，對于另一參量的考核可以重新啟動一個工作時段進行。因此，在技術(shù)指標的確定上，考慮通過以下考慮來降低設(shè)計難度。

分離主測參量和環(huán)境參量，提出不同的技術(shù)指標。當(dāng)對某一參量的計量學(xué)性能進行考核時，要求所被測試的參量的準確度必須滿足檢定工作的要求，具有充分的可信度，才能反映儀器在不同的影響因素的作用下計量學(xué)性能的偏移。而對于影響因素的控制，由于其僅僅是環(huán)境參量，對儀器計量學(xué)性能影響很小，因此，對其控制完全沒有必要強調(diào)過高的技術(shù)指標。

在此種工作狀態(tài)下，太陽輻射參量作為主測參量時其技術(shù)指標和環(huán)境參量之中的溫度參量的技術(shù)要求在中華人民共和國國家標準《太陽總輻射表》（GB/T19565-2004）中做了具體規(guī)定，因此，該參量的技術(shù)指標依據(jù)該標準確定。其它參量的技術(shù)指標依據(jù)前面確定的原則確定。

由此，確定該狀態(tài)下主測參量的技術(shù)指標如表6和表7所示，環(huán)境參量的技術(shù)指標如表8所示。

表6 地面儀器考核狀態(tài)下

表7 地面儀器考核狀態(tài)下

表8 地面儀器考核狀態(tài)下環(huán)境參量技術(shù)指標［1］

4.3 探空儀考核工作狀態(tài)

此種狀態(tài)下技術(shù)指標的確定以中國氣象局《L波段二次測風(fēng)雷達-電子探空儀系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)要求》（暫定）所確定的技術(shù)要求和芬蘭維薩拉探空儀技術(shù)指標為依據(jù)。電子探空儀技術(shù)指標如表9所示。

表9 電子探空儀技術(shù)指標［3，6］

此種工作狀態(tài)，與自動氣象站考核工作狀態(tài)基本相同，所不同的是儀器的測量范圍和不確定度指標。因此，系統(tǒng)技術(shù)指標的確定思路基本與該狀態(tài)相同。由此，確定主測參量技術(shù)指標如表10所示。

表10 探空儀考核狀態(tài)主測參量技術(shù)指標［1］

環(huán)境參量的技術(shù)指標的確定原則與自動氣象站考核工作狀態(tài)相同，如表11所示。

表11 探空儀考核狀態(tài)下環(huán)境參量技術(shù)指標

5 結(jié)論

對氣候觀測綜合計量檢定系統(tǒng)的設(shè)計需求進行分析，確定合理的技術(shù)要求，是系統(tǒng)研制的第一步工作。

本文從目標需求的角度，對氣候觀測綜合計量檢定系統(tǒng)的設(shè)計需求進行了分析，確定了具體的功能范圍、輸出狀態(tài)要求及系統(tǒng)輸出的技術(shù)指標。在分析的過程中，即充分考慮了系統(tǒng)完成后未來的業(yè)務(wù)需求，又考慮了技術(shù)上的可行性，充分實現(xiàn)了二者之間的平衡。

目前，以本文介紹的技術(shù)需求為設(shè)計目標的研究過程正在推進。相信系統(tǒng)的最終研制成功將對探測儀器的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的保證，對于新型探測產(chǎn)品的研發(fā)、對于以獲取探測數(shù)據(jù)為目的的科學(xué)研究工作具有積極的支撐作用。

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