降水現象儀測量結果的不確定度評定方法

汪 瑋，張世國，王 敏，章 超，王毛翠

(安徽省大氣探測技術保障中心，合肥 230031)

0 引言

降水是常規氣象觀測項目，是表征天氣現象的物理量。降水現象是指云中液態、固態、混合態的水滴(凍)物從空中落到地面上的一種天氣現象，是大氣水循環的重要環節[1，2]。準確的降水量、降水類型測量信息對于農業生產、交通運輸和防災減災等有著特殊的應用價值[3，4]。降水現象儀是一種自動觀測降水現象的儀器，可實現降水類型的自動判別，減輕了基層觀測人員的工作壓力，增加了降水現象觀測的頻次，能夠全面且連續地反映降水現象[5]。

雨滴譜式降水現象儀是在雨滴譜儀的基礎上改造實現的。中國氣象局已經在國家地面氣象觀測站列裝了雨滴譜式降水現象儀2300余臺，并建成降水現象儀計量檢測實驗室對在用設備進行檢測[6]。文章分析了該實驗室檢測雨滴譜式降水現象儀粒徑粒速測量誤差的不確定度來源，介紹了不確定度評定方法，為今后實驗室內示值誤差的測量不確定度評定和降水現象儀計量檢測實驗室的比對工作提供參考。

1 檢測系統

1.1 雨滴譜式降水現象儀工作原理

不同降水現象的降水粒子，在直徑和下落末速度的分布上有各自對應關系。雨滴譜式降水現象儀根據降水粒子對激光信號的衰減影響程度，檢測降水粒子的直徑和下落末速度，確定降水粒子的分布[7]。圖1是儀器的測量原理示意圖。

1—發射端；2—降水粒子；3—平行光束；4—接收端

雨滴譜式降水現象儀基本工作原理：發射端發出一束平行光束，接收端使用透鏡和光電二極管，將接收到的光信號轉為電信號。平行光束覆蓋范圍即檢測降水粒子的采樣空間。當降水粒子穿越采樣空間時將造成接收到的光信號強度衰減，粒子直徑影響光信號衰減的幅度，粒子速度影響光信號衰減的持續時間。雨滴譜式降水現象儀通過光信號衰減幅度和持續時間按特定的處理算法計算降水粒子的速度和粒徑，并判斷降水粒子種類，實現降水類天氣現象的自動識別[8，9]。

1.2 檢測系統指標

降水現象儀計量檢測實驗室檢測系統由雨滴和冰雹模擬標準裝置組成，包括加液器、數字計數器、冰雹沖擊測試機、數字毫秒計和游標卡尺等。可以模擬具有特定粒徑和速度的雨滴或冰雹，作為參考標準，用于檢測被測儀器粒徑粒速測量的示值誤差。雨滴和冰雹模擬標準裝置的檢測指標如下：

1)雨滴粒子模擬標準裝置

雨滴粒徑模擬點包括：1.7 mm、2.4 mm、4.4 mm、4.8 mm，粒徑不確定度：U=0.12 mm(k=2)；

雨滴速度模擬范圍1～5 m/s，速度不確定度：U=0.12 m/s(k=2)；

每分鐘可模擬雨滴10～60 次，穿越待測儀器采樣區。

2)冰雹粒子模擬標準裝置

冰雹粒徑模擬點包括：15 mm、20 mm、25 mm，粒徑不確定度：U=0.76 mm(k=2)；

冰雹速度模擬范圍10～20 m/s，速度不確定度：U=1.5 m/s(k=2)；

每分鐘可擊發冰雹粒子1～20次，穿越待測儀器采樣區。

2 測量不確定度評定方法

依據JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》規定，區別各輸入量的標準不確定度評定方法上的差異，將被測降水現象儀的測量不確定度的評定劃分為A類評定和B類評定。

2.1 建立測量模型

在相同環境下，采用雨滴、冰雹模擬標準裝置，對被測降水現象儀進行示值誤差檢測，采用比較法，其粒徑和粒速示值誤差的測量模型為：

Δv=vi-vs

(1)

式中，Δv為被測降水現象儀的粒徑(或粒速)示值誤差；vi為被測降水現象儀粒徑(或粒速)示值；vs為雨滴(冰雹)模擬標準裝置粒徑(或粒速)的參考值。

2.2 水滴測量的不確定度評定

水滴測量的不確定度評定包括水滴粒徑、粒速測量的A類、B類以及擴展不確定度評定。

1)A類標準不確定度

粒徑不確定度的評定是通過雨滴模擬標準裝置分別模擬不同粒徑的降水，測試點分別為：1.7 mm、2.4 mm、4.2 mm、4.4 mm，每個測試點測量n次。然后采用JJF 1059.1-2012中規定的方法計算，利用貝塞爾公式計算測量結果均值的標準不確定度：

(2)

根據公式(2)得到被測降水現象儀在不同雨滴粒徑測試點粒徑均值的A類標準不確定度(表1)所示。

表1 雨滴粒徑均值的A類標準不確定度 mm

粒速不確定度的評定是通過調整雨滴下落高度，模擬不同粒速的降水，雨滴下落高度分別為0.135 m、0.15 m、0.16 m，對應的穿越速度為1.63 m/s、1.71 m/s和1.77 m/s。每個測試點測量n次。采用JJF 1059.1-2012中規定的方法計算，利用公式(2)計算被測降水現象儀粒速均值的標準不確定度uA，計算結果如表2所示。

表2 雨滴粒速均值的A類標準不確定度 m/s

2)水滴粒徑測量的B類標準不確定度

設計研制的標準器為雨滴模擬標準裝置，粒徑模擬不確定度U=0.12 mm(k=2)，粒速模擬不確定度U=0.12 m/s(k=2)，因此雨滴模擬標準裝置模擬準確性所引入的粒徑測量標準不確定度為uB1=0.06 mm，粒速測量標準不確定度為uB1=0.06 m/s。

3)擴展不確定度

依據國家計量校準規范要求，計算出被測降水現象儀雨滴粒徑、粒速的合成不確定度和擴展不確定度。由式(3)先計算出被測降水現象儀雨滴粒徑、粒速的合成不確定度uc，計算結果如表3、表4所示。

表3 雨滴粒徑的合成不確定度 mm

表4 雨滴粒速的合成不確定度 m/s

(3)

取包含因子k=2，按式(4)計算出被測降水現象儀在不同粒徑、粒速的擴展不確定度，保留1位小數，得出被測降水現象儀雨滴粒徑均值的擴展不確定度：U=0.2 mm(k=2)，雨滴粒速均值的擴展不確定度：U=0.2 m/s(k=2)。

U=kuc

(4)

2.3 冰球測量的不確定度評定

冰球測量的不確定度評定包括冰球粒徑、粒速測量的A類、B類以及擴展不確定度評定。

1)A類標準不確定度

粒徑不確定度的評定是通過使用冰雹模擬標準裝置分別模擬不同粒徑的冰雹，測試點分別為：15 mm、20 mm、25 mm，每個測試點測量n次。采用JJF 1059.1-2012中規定的方法計算，利用公式(2)計算被測降水現象儀冰雹粒徑均值的標準不確定度uA，計算結果如表5所示。

表5 冰球粒徑均值的A類標準不確定度 mm

粒速不確定度的評定是通過使用冰雹模擬標準裝置模擬不同粒速的冰雹，粒速測試點分別為13 m/s和20 m/s，每個測試點測量n次。采用JJF 1059.1-2012中規定的方法計算，利用公式(2)計算被測降水現象儀冰雹粒速均值的標準不確定度uA，計算結果如表6所示。

表6 冰雹粒速均值的A類標準不確定度 m/s

2)冰球粒徑測量的B類標準不確定度

設計研制的標準器為冰雹模擬標準裝置，粒徑模擬不確定度U=0.76 mm(k=2)，粒速模擬不確定度U=1.5 m/s(k=2)，因此冰雹模擬標準裝置模擬準確性所引入的粒徑測量標準不確定度為uB1=0.38 mm，粒速測量標準不確定度為uB1=0.75 m/s。

3)擴展不確定度

依據國家計量校準規范要求，計算出被測降水現象儀冰雹粒徑、粒速的合成不確定度和擴展不確定度。由式(3)先計算出被測降水現象儀冰雹粒徑和粒速的合成不確定度uc，計算結果如表7、表8所示。

表7 冰雹粒徑的合成不確定度 mm

表8 冰雹粒速的合成不確定度 m/s

取包含因子k=2，按式(4)計算出被測降水現象儀在不同冰雹粒徑、粒速的擴展不確定度，保留1位小數，得出被測降水現象儀冰雹粒徑均值的擴展不確定度：U=0.8 mm(k=2)，冰雹粒速均值的擴展不確定度：U=1.6 m/s(k=2)。

3 結束語

雨滴譜式降水現象儀的測試工作采用直接比較法，檢測結果的測量不確定度來源主要有被測儀器和測量標準器引入的標準不確定度。測量標準器引入的標準不確定度分量相對較大，占合成不確定度的75%～85%。從評定結果可以看出，通過降水現象儀的實測數據，綜合分析得出雨滴粒徑、粒速的測量不確定度分別為U=0.2 mm(k=2)、U=0.2 m/s(k=2)，冰雹粒徑、粒速的測量不確定度分別為U=0.8 mm(k=2)、U=1.6 m/s(k=2)。