JKZ1-1型電子探空儀基測箱誤差值修正分析

陳龍福 鄭俊錦陳璐艷劉祥金

(1.福建省大氣探測技術保障中心，福建 福州 350008；2.福建省氣象臺，福建 福州 350001)

1 概述

福建省地處我國東南沿海，山多、地形復雜，受季風環流影響明顯，強對流天氣、暴雨、臺風等氣象自然災害頻繁發生。高空氣象觀測系統作為綜合氣象觀測系統的重要組成部分，在天氣預報和氣候監測中發揮著重要作用，其資料不僅要滿足天氣預報的要求，也要滿足氣候預報預測和氣候研究的要求。在研究高空大氣的特性時,了解各種氣象要素隨高度的分布十分重要。各要素隨天氣和季節變化，各地不同，諸如風向風速隨高度變化要比溫度、氣壓和濕度復雜得多。為提升福建省氣象高空探測能力，2020年全省四個高空測風站安裝并試運行GPZ2型自動探空系統。JKZ1-1型電子探空儀基測箱是GPZ2型自動探空系統的一部分，是在探空儀(GTS11,GTS12,GTS13)施放前，對探空儀的溫度、濕度、大氣壓力傳感器基值測定，電池賦能的檢測；對地面基值的測定，就是為了消除或減少由于探空儀基點改變所造成的測量誤差，避免該誤差直接影響實際探測的結果。符合要求的基測箱用于探空氣球施放前對數字探空儀的溫度、濕度、氣壓地面基值測定，確定探空儀是否符合施放要求。

2 主要技術指標

JKZ1型電子探空儀基測箱主要技術指標如表1所示。

表1 JKZ1型電子探空儀基測箱技術指標

3 組成結構與功能

3.1 組成結構

基測箱由標準器單元、數據采集控制單元、智能顯示終端單元(包含修正參數)、數據傳輸電路單元、供電單元及檢測室(含承裝飽和鹽溶液托盤)組成；標準器由通風干濕球溫度表(PTB100鉑電阻溫度傳感器)、氣壓傳感器、濕敏電容傳感器等組成。基測箱內部結構主要有檢測室、濕度零點檢測室、采集控制單元，基測箱原理框圖如圖1所示。

圖1 JKZ1-1型電子探空儀基測箱原理

3.2 功能

智能顯示終端可顯示基測箱標準器采集自測試室的溫度、相對濕度、零點濕度、大氣壓力；網絡和串口數據端口可通過無線或有線通信方式，向上位機輸出基測箱的標準測量值，進行相關參數設置；顯示為探空儀供電電壓(可調)和探空儀鎂電池賦能電壓；在檢定基測箱過程中，各檢定點干濕球溫度、濕度參數、氣壓示值誤差可通過智能顯示屏進行修正。

4 檢定與誤差分析

4.1 標準器、標準裝置

JKZ1-1型電子探空儀基測箱測溫采用鉑電阻溫度傳感器，測壓傳感器則是PTB 210傳感器，與現用自動氣象站的傳感器相同，因此這兩個要素傳感器檢定可依托3MS省級氣象計量檢定業務系統。將基測箱的溫度傳感器抽出，放入可調控溫度變化的液體恒溫槽中，用溫度檢定平臺檢定干濕球溫濕度表，在0～40℃范圍內每10℃點檢定一次，得出各檢定點的誤差值；檢定氣壓則是將平臺上通氣管與基測箱的氣壓傳感器的氣嘴連接，用3MS的氣壓傳感器檢定單元檢定基測箱的氣壓傳感器。根據福建探空站點分布情況，檢定范圍為920～1040 hPa,每間隔30hPa為一個檢定點，按正反行程(高壓到低壓或低壓到高壓)檢定，計算得出各檢定點正反行程誤差值。溫度、氣壓經檢定和誤差修正后才能濕度檢定，濕度檢定后不可進行溫度和氣壓誤差修正。基測箱測濕采用世界氣象組織推薦的精度(可達±2%RH)較高的干濕表法，檢定時把整個測濕裝置從基測箱移至濕度檢定箱(C4-340X型)并固定于中間位置，濕度檢定設置點為33%RH、75%RH、95%RH；基測箱檢定、誤差值修正流程如圖2所示。

圖2 JKZ1-1型電子探空儀基測箱誤差修正流程圖

4.2 誤差修正方法

4.2.1 計量檢定員權限的誤差修正

基測箱送到實驗室檢定、校準，誤差修正直接在基測箱智能顯示屏上進行。由于基測箱測濕原理是干濕表法[1]，干濕表法的濕球溫度變化對濕度測量結果影響很大，濕球溫度0.1 ℃變化，影響濕度測量結果1%RH，所以須先進行溫度或氣壓要素的檢定，計算得出溫度、氣壓要素誤差值，然后在基測箱的智能顯示終端單元，通過管理權限進行干濕球溫度誤差值[2-5]和氣壓誤差值修正[6]，修正值以同向(同為正誤差或同為負誤差)最小絕對值全量程進行修正，如果無法取得最小修正值，就不必進行修正；接下來進行濕度校準，誤差修正(方法與溫度、氣壓一樣)，濕度經智能顯示修正后必須再校準一次，得出各校準點的誤差值，并出具校準證書。

4.2.2 探空站探測人員地面基測時修正

基測箱檢定完成后成為標準器，且只能根據計量檢定所出具的校準證書上的濕度誤差值進行修正，不能在基測箱操作，相當于補充修正。具體操作是：讀取基測箱的濕度值減去證書上濕度誤差值，作為濕度標準值，有了濕度標準，就可以判定探空儀是否符合施放要求。

4.3 實例驗證

根據目前探空儀生產工藝水平和基測箱指標要求，探空儀地面基測值不合格集中在濕度傳感器，探空儀濕度傳感器不合格平均每月1臺，而探空儀氣壓傳感器不合格幾乎為0。基測箱誤差值修正情況會對探空儀探測數據準確性產生較大影響，以2020年1～5月福建省氣象臺探空站施放探空儀合格情況進行統計，將施放前探空儀通過JKZ1-1型基測箱進行檢定，探空儀各要素檢定誤差數量統計如表2所示。

表2 2020年1～5月探空儀各要素誤差值的數量

通過表2分析可得出，在基測箱濕度檢定之前已進行溫度、氣壓誤差值修正，基測箱濕度檢定后，濕度誤差值為-1%RH沒進行修正，按JKZ1-1型基測箱技術指標要求，濕度誤差值在±2%RH以內就可投入業務使用，將有98臺原屬于不合格的探空儀被判定為合格產品投入業務使用，從而影響探空濕度數據的準確；如果基測箱濕度誤差值儀為+1%RH沒進行修正，會將98臺本該合格的探空儀判定為不合格；如果基測箱濕度2%RH的誤差值沒修正，將影響32臺探空儀被判定為不合格。所以，基測箱雖經檢定校準合格，最后環節濕度誤差修正正確與否，將直接影響探空數據的準確與探空儀產品的合理使用。

5 結束語

空中溫度、氣壓和濕度的探測，主要是用氣球攜帶探空儀直接測量，再利用無線電工作方式向地面傳輸數據。由于探空儀在施放過程中，探空所處的環境比地面惡劣，而且是一次性使用，施放后無法人工控制，所以在施放前一定要保證探空儀準確可靠。基測箱作為探空儀地面基值測定的標準，按標準量值傳遞的要求，其地面基值的測定屬于校準性質。在基測箱檢定過程中，檢定、誤差修正順序要正確，否則會造成合格的探空儀被判不合格而作報廢處理，或將不合格的探空儀誤判為合格，以致造成更大的錯誤。