區域自動氣象站校準關鍵技術研究

陳城 邊澤強 曾濤

（1 湖北省信息技術與技術保障中心，武漢 430074；2 中國氣象局氣象探測中心，北京 100081）

0 引言

氣象災害是嚴重威脅國家安全和人民生命財產的自然災害。提高氣象災害預警能力是國家防災減災的有效手段。為此，在國家級自動氣象觀測站網的基礎上，全國各地先后建設大量區域地面自動氣象觀測站用于氣象加密觀測，截至2017年，我國已建成區域自動氣象觀測站約56000個，這些區域自動氣象站在氣象預警、預報和氣候監測、應對氣候變化和生態文明建設中發揮了重要作用。特別是近年來隨著清潔能源的大力發展，區域自動氣象站在能源開發利用上起到了不可或缺的作用。例如在開發風能資源時，從風能資源評估到擬建場區災害性天氣評估，氣象數據都尤為重要。但由于區域自動氣象站通常是無人值守站，隨著時間的推移，出現了設備老化和各種故障增多等問題，以及獲取的探測數據的可靠性日益下降等現象，從而造成應用時的偏差，迫切需要進行校準和維護[1]。

為了全面保障區域自動氣象站觀測數據的準確可靠，中國氣象局開展了地市級移動校準維修系統的建設，目前地市級移動校準維修系統全面建成，實現全國340個地市級氣象部門全覆蓋，為地市級氣象部門開展區域自動站的現場校準提供了基礎條件，有效解決了氣象觀測站由設備原因引起的觀測數據不準確、保障不及時等問題。

目前區域自動氣象站的現場校準是將各個氣象要素的便攜式標準設備安裝在計量工程車上，在區域自動氣象站進行現場校準，基本上是各個區域自動站單個分要素進行現場校準，自動化集成度較低，而且沒有形成網絡化和信息化，各個移動計量車的標準器在計量周期內量值的穩定性和準確性沒有有效的保障。

本文從區域自動氣象站校準的自動化、信息化、計量比對和遠程校準等方面，對區域站校準面臨的關鍵技術進行了研究和分析，目的是提高區域自動氣象站校準的效率，提高信息化水平，從而保障區域站觀測數據的準確可靠。

1 區域自動氣象站的原理

區域自動氣象站主要由傳感器、采集器、通信接口等電子單元，系統電源，以及機箱、防護罩、避雷裝置等安裝和配套設施組成[2]，如圖1所示。

圖1 區域自動氣象站的工作原理Fig. 1 The working principle of regional AWS

自動氣象站各傳感器的感應元件輸出的信號產生變化，這種變量被CPU實時控制的數據采集器所采集，經過線性化和定量化處理，實現信號到氣象要素量的轉換，經過質量控制，對數據進行篩選，得出各個氣象要素值，并按一定的格式存儲在采集器中。現用自動氣象站主要采用集散式和總線式兩種體系結構。集散式是通過以CPU為核心集中采集和處理分散配置的各個傳感器信號；總線式則是通過總線掛接各種功能模塊來采集和處理分散配置的各個傳感器信號[3]。

目前區域自動氣象站的校準主要是現場校準，按氣象要素進行分類，將單要素觀測設備分別與對應的標準裝置通過比較法進行現場校準，參照自動氣象站檢定規程等方法或規范進行判斷，及時更換超出最大允許誤差的傳感器，確保觀測數據的準確可靠。

2 區域自動氣象站校準的自動化

目前區域自動氣象站的校準，通常采用單只傳感器獨立進行現場校準，由于野外環境等客觀因素制約，還達不到自動化和批量化校準。如果將區域自動氣象站放在實驗室進行校準，可實現批量自動化校準，可以顯著提高校準效率，減少檢定人員的工作量，從而實現區域自動站的及時有效的校準，保證區域站觀測數據的準確可靠[4]。

以氣壓傳感器校準為例，氣壓自動化檢定系統主要由氣壓標準設備與標準器組成，共同完成氣壓測量儀器的測試和檢定，其框圖見圖2。氣壓標準設備是提供大氣壓力測試條件的裝置，有壓力控制設備，溫度系數測試設備和壓力-溫度測試設備等，用于產生可變、穩定的壓力測試條件或被試儀器的試驗環境條件，配置多路壓力轉換器，系統利用計算機進行數據采集與處理，能同時進行10個大氣壓力傳感器的自動檢測，并自動輸出檢定結果。

圖2 氣壓自動化檢定Fig. 2 Auto calibration of air pressure

3 區域自動氣象站校準的信息化

區域自動氣象站校準的信息化是滿足省級業務主管部門對區域站各要素觀測儀器信息、標準的掌控和分析，包括區域自動氣象站移動計量車的基本情況，移動標準器送檢情況，區域站儀器檢定情況，以及實現校準結果及原始記錄查詢等。

圖3 區域自動氣象站校準信息系統Fig. 3 Calibration information system of regional AWS

區域自動氣象站校準信息系統結構示意圖如圖3所示。其業務管理系統軟件，主要負責儀器收發、器具管理、證書打印、超期預警、查詢統計等業務管理。檢定業務軟件，包括溫度檢定軟件、濕度檢定軟件、壓力檢定軟件等。

區域自動氣象站計量信息網絡采用類似B/S架構設計，在省級設置中心服務器，地市級移動計量車的檢定信息管理和檢定業務通過氣象VPN網絡實時與中心服務器交互，網絡結構如圖4所示。

圖4 區域自動氣象站校準信息網絡結構Fig. 4 The network structure of regional AWS calibration

4 區域自動氣象站校準標準的計量比對

為了檢驗、考察區域自動氣象站現場移動校準設備的實際運行情況和移動檢定人員水平，確保量值的準確、一致、可靠，組織開展區域自動氣象站現場移動標準量值比對工作是非常必要的，同時由于區域自動氣象站現場移動標準設備的使用頻次高，日常維護和保存環境不盡相同，對現場移動標準設備如何進行量值比對也是需要研究和探討的課題，因此開展區域自動氣象站現場移動校準設備的量值比對工作對現場移動計量標準量值比對具有探索和示范意義[5]。

移動氣象標準計量比對是指兩個或兩個以上移動氣象標準設備，在一定時間范圍內，按照預先規定的條件，測量同一個性能穩定的傳遞標準器，通過分析測量結果的量值，確定量值的一致程度，確定該標準設備的測量結果是否在規定的范圍內，從而判斷該標準設備量值傳遞的準確性的活動。

4.1 移動氣象標準計量比對的方式

根據比對所選擇的傳遞標準的特性、比對不確定度需求或專業特點，比對方式通常有環式比對、星型式比對和花瓣式比對三種方式（圖5～圖7）。

圖5 環式比對Fig. 5 Ring comparison

圖6 星型比對Fig. 6 Star comparison

圖7 花瓣式比對Fig. 7 Petal comparison

移動校準維修系統是由各地市氣象部門負責維護并開展現場校準工作，計量標準設備相同且互相獨立，最后數據匯總到省級氣象機構，因此，省內移動氣象計量標準最佳的計量比對方式是環式比對。即首先由省級氣象計量機構將傳遞標準在本實驗室進行校準，得出校準數據后，將傳遞標準傳送到A市，經A市移動計量車按照比對實施方案規定的程序校準后，將傳遞標準傳送到B市，再經B市的移動計量車校準后，將傳遞標準傳送到C市，依次類推，最后將傳遞標準返回到省局主導實驗室，由主導實驗室進行復校，以驗證傳遞標準示值變化是否正常。

4.2 比對結果的評價方法

移動氣象標準計量比對屬于量值比對方案，根據量值比對通用能力驗證評價原則中歸一化偏差值En進行評價，歸一化偏差公式如下所示：

式中，Eni為第i個移動計量車在某個測量點上的En值；yi為第i個移動計量車在某個測量點的測量值；yri為第i個移動計量車在某個測量點的參考值；為第i個移動計量車在某個測量點上的擴展不確定度；為第i個移動計量車在某個測量點的參考值的擴展不確定度。

5 區域自動氣象站遠程校準的探討

區域自動氣象站遠程校準可以讓臺站觀測儀器直接溯源到國家級計量機構或省級氣象計量標準，大大縮短了校準時間，觀測儀器設備在正常業務工作環境下校準，避免了送校送檢帶來的不確定度變化，也可以根據量值變化情況適時校準。

目前遠程校準主要有兩種方式，一是上級計量標準拿到被檢儀器現場，在現場進行校準，上級計量實驗室實行遠程監控；二是測量儀器自帶標準器，實行定期在線自校準。其中第一種方式是目前主要的遠程校準模式，主要是通過遠程控制的方式，實現校準過程的在線控制與操作。第二種方式由于自帶標準器本身對環境要求比較苛刻，通常只是在實驗室儀器中使用，區域自動站由于環境條件和成本考慮，無法實現自帶標準器的實時校準，而且自帶標準器本身也需要定期檢定，反而會帶來工作量的增加。

不管哪種遠程校準方式，仍然需要標準設備和被測設備在校準現場連接在一起，能否實現標準器和被測儀器在校準過程中分隔開來，即標準量值在傳遞，而標準設備與被測儀器相互分離，這樣既具有現場校準的優點，又能克服計量標準儀器直接進入校準現場可能出現的準確度下降問題。下面針對區域自動氣象站的數據采集器和傳感器，討論遠程校準實現方式。

5.1 區域自動站采集器的遠程校準

區域自動氣象站數據采集器主要包括數字量和模擬量，數字量有脈沖頻率等數字信號，模擬量有直流電壓、直流電流、電阻等。目前數字量和頻率量都可以實現在線遠程無損傳輸，GPS還可以遠程實時授時。因此區域自動氣象站采集器的時鐘和頻率量可以完全實現在線的遠程校準[6]。

區域自動氣象站數據采集器的模擬信號主要包括直流電壓、直流電流、電阻等。通常數據采集器是送到計量實驗室進行校準，或者使用便攜信號模擬器在現場進行校準。

依據約瑟夫森效應，可以將電壓量值轉換成頻率量，從而實現直流電壓在線傳輸。約瑟夫森V/變換公式如式（2）所示[7]：

式中：h為普朗克常數；e為電子電荷；n為整數；KJ-90＝483 597.90 GHz/V稱為約瑟夫森常數；f為微波輻射頻率，一般取值70～76 GHz；Yn為第n個臺階輸出的電壓值。

通過約瑟夫森效應，上級計量實驗室的標準電壓源產生直流電壓，經過V/F（電壓/頻率）變換器將直流電壓信號轉換成脈沖頻率信號進行光纖傳輸，接收端經過F/V轉換器，將脈沖頻率信號還原成標準模擬直流電壓信號，可用于現場校準。

5.2 區域自動站傳感器的遠程校準

區域自動氣象站的傳感器通常是用便攜式標準器在現場進行校準，由于自動氣象站傳感器和相關標準裝置的智能化程度不高，無法實現雙方數據交互，不能將上級實驗室的標準值遠程傳遞到臺站現場進行在線校準。但是隨著量子技術的發展，在量子糾纏的幫助下，微觀上量子態可以“瞬間移動”和“瞬間復制”[8]。如果能夠實現宏觀上的“瞬間復制”，那么區域自動氣象站傳感器的遠程校準將變成現實。

6 結論

為了保證區域自動氣象站觀測數據的準確可靠，需要對觀測儀器進行校準。本文從區域自動氣象站校準的自動化、信息化、計量比對和遠程校準等方面，對區域站校準面臨的關鍵技術進行了研究和分析，目的是提高區域自動氣象站校準的效率，提高信息化水平，從而保障區域站觀測數據的準確可靠。后續需要針對區域站的自動化批量化檢定、全國區域站信息化系統建設、區域站標準設備量值保障方法以及區域站遠程校準技術，進行進一步的研究和試驗。