地市級移動校準系統計量比對實踐與研究

韓玉婷，宋 媛，汪 鑫，吳麗娜，黃 蕊，雷曉妹，第五朋朋

(甘肅省氣象信息與技術裝備保障中心，蘭州730020)

0 引言

實驗室比對能考察測量量值和出具測量結果準確一致的程度；比對的結果可作為各種認證、認可和考核的評審證據及實驗室能力的有效證明[1]。近年全國各級計量單位都在進行國內或國外的計量比對工作，確保了量值傳遞的準確、可靠、一致。黨選發[2，3]等對氣象計量檢定實驗室量值比對工作進行了探討，2011年組織了西北區域氣象計量檢定實驗室量值比對工作，比對成果得到各方專家的認可。2014年寧夏氣象計量檢定所作為主導實驗室組織西北區域開展了自動氣象站溫度、濕度、氣壓3個要素的量值比對工作[4]。實驗室計量比對已日趨成熟。

地市級移動校準系統是地市級氣象部門對自動氣象站開展校準、核查等業務活動的裝備保障系統，包括用于計量自動氣象站溫度、濕度、氣壓、雨量、風向、風速共6個要素傳感器的標準器及配套設備。目前全國340個地市級氣象部門均已配備移動校準系統并在業務中使用。由于移動校準系統中的風速、風向和雨量3要素的標準器及配套設備目前無法實現量值溯源，無法確認其性能是否符合校準要求，同時無法識別現場校準時人員、設備、技術等方面存在的問題，故無法確保現場校準工作的準確、可靠和一致。

為解決上述問題，陳城[5]等針對區域自動氣象站校準提出對移動氣象標準設備進行計量比對，并對比對方式和比對結果的評價方法進行了初步探討；部分研究[6-8]在自動氣象站風速、風向、雨量傳感器示值誤差的不確定度分析評定方面進行了論述，有利于比對結果的分析。在此基礎上，2020年甘肅省氣象計量檢定站作為主導實驗室組織開展了甘肅省14個地市級移動校準系統計量比對工作，此次比對采用歸一化偏差算法對結果進行總結分析，并提出了改進建議。文章通過介紹比對試驗、數據處理方法及深入分析比對結果，為進一步提高地市級移動校準系統的計量研究水平提供參考。

1 比對試驗

1.1 比對成員

按照JJF 1117《計量比對》技術規范要求確定主導實驗室和參比單位。

主導實驗室：甘肅省氣象計量檢定站。

參比單位：甘南、臨夏、隴南、慶陽、定西、平涼、天水、武威、張掖、嘉峪關、酒泉、蘭州、白銀市州局保障中心及甘肅省氣象信息與技術裝備保障中心探測保障室共14個移動校準系統。為方便分析，文章以編號(1#～14#)表示各參比單位。

1.2 比對路線

文章采用圓環形線路和固定地點比對方式進行比對。比對樣品傳遞路線如圖1所示。比對樣品首先經主導實驗室檢定后，按各參比單位代碼順序進行循環比對實驗，然后將比對樣品返回主導實驗室進行復檢。

圖1 比對傳遞路線

1.3 比對項目

包括風速、風向、雨量3個項目。

1.4 比對樣品

因地市級移動校準系統只適用于自動氣象站傳感器的現場校準、核查，故比對樣品選用自動氣象站的傳感器，由主導實驗室提供。在選擇比對樣品時，由主導實驗室開展前期實驗，用各計量標準裝置對比對樣品連續4個月每月進行1次示值誤差的穩定性試驗，每次試驗測量值與上一次測量值的最大差值均不可超過比對樣品最大允許誤差的1/2，最終確定的比對樣品信息如表1所示。

表1 比對樣品信息

1.5 比對設備

風速比對設備采用中環天儀(天津)氣象儀器有限公司生產的啟動風速校驗儀和風速校驗儀，風向比對設備采用中環天儀(天津)氣象儀器有限公司生產的風向校驗儀，雨量比對設備采用福建省風光物資技術開發公司生產的雨量校準儀。因地市級移動校準系統配備批次不同，比對設備型號略有差別。

1.6 比對方法

依據中國氣象局監測網絡司制定的《自動氣象站現場校準方法(試行)》進行。

風速比對點的選擇為：2 m/s、5 m/s、10 m/s、20 m/s、30 m/s；連續測量6次啟動風速，風速示值在每個校準點上連續測量4次。

風向比對點的選擇為：0°、28°、90°、180°、239°、267°。

雨量比對點的選擇為：雨量：10 mm；降水強度：1 mm/min、4 mm/min。每個校準點上，均連續測量3次。

2 試驗數據處理方法

2.1 參考值的確定

以主導實驗室首末2次檢定數據平均值作為參考值。

2.2 比對結果的評價原則

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：

(1)

比對結果的判據：|En|≤1，則表示該參比移動校準系統在該校準點的校準結果滿意；|En|>1，則表示該參比移動校準系統在該校準點的校準結果不滿意。

3 比對結果分析

受校準環境、設備及人員等因素影響，比對時比對點不能完全控制在某個固定數值，為保證比對結果的可靠性，文章僅依據每個比對點的示值誤差進行分析和判定。

3.1 比對樣品穩定性分析

按照比對樣品傳遞路線要求，比對樣品由主導實驗室進行初檢和復檢。為確保比對結果的準確可靠，主導單位對比對樣品的初檢與復檢結果進行了分析，6支傳感器的復檢示值誤差與初檢示值誤差之差的絕對值均小于傳感器的最大允許誤差，證明比對樣品在比對期間均穩定可靠。

3.2 風速比對數據分析

利用各參比單位試驗數據、參考值及擴展不確定度，通過式(1)計算得出各參比單位風速校準裝置的歸一化偏差值En。

各參比單位的風速示值誤差均在傳感器最大允許誤差范圍內，且各比對數據接近，參比單位的示值誤差與參考值的示值誤差最大差值的絕對值≤0.2 m/s。因主導實驗室的風速檢定裝置準確度遠優于各參比單位的現場校準裝置，且現場校準時環境條件惡劣，對校準結果會產生一定的影響，理論上實驗室檢定結果(即參考值)的不確定度應小于現場校準結果的不確定度，以此進行不確定度驗證，各參比單位給出的不確定度均合理。

3.3 風向比對數據分析

利用各參比單位試驗數據、參考值及擴展不確定度，通過式(1)計算得出各參比單位風向校準裝置的歸一化偏差值En。

各參比單位的風向示值誤差均在傳感器最大允許誤差范圍內，但參比單位6#在180°點的示值誤差為-4°，接近最大允許誤差臨界值，且各比對數據相差較大，參比單位4#在90°點和1#、7#在239°點與參考值的示值誤差相差較大(即4°)。因主導實驗室使用的風向檢定設備(自動)與各參比單位使用的校準設備(手動)相接近，準確度等級一致，故在不考慮環境條件影響時實驗室檢定結果(即參考值)的不確定度應與現場校準結果的不確定度相近或一致，且鄭亮[9]等對風向現場校準3點測量不確定度評定的結果為1.9°，由此說明各參比單位給出的不確定度均合理。

風向現場校準使用的標準儀器為風向校驗儀，以其刻度值作為標準值，校準時風向傳感器的風向桿固定在定位叉內，手動轉動風向桿，風向標通過同步機構與風向校驗儀的指針保持同步，風向校驗儀經光電轉換電路輸出相應的電信號，在顯示器上顯示風向傳感器格雷碼。因在手動轉動風向桿，通過肉眼使風向校驗儀的指針對準刻度盤上校準點時有偏離，導致隨機誤差偏大，嚴重影響校準結果的準確性[10]。

3.4 雨量比對數據分析

利用各參比單位試驗數據、參考值及擴展不確定度，通過式(1)計算得出各參比單位雨量校準裝置的歸一化偏差值En。

參比單位14#在雨強1 mm/min時示值誤差超出傳感器最大允許誤差，其余參比單位的雨量示值誤差均在傳感器最大允許誤差范圍內，但參比單位1#在雨強1 mm/min時示值誤差為0.3 mm，到達最大允許誤差臨界值。對所有比對數據進行分析，參比單位1#和14#在雨強1 mm/min時偏離較大，2#和10#在雨強4 mm/min時偏離較大。因主導實驗室的雨量檢定裝置準確度優于各參比單位的現場校準裝置，且實際操作中人為影響因素較少，理論上實驗室檢定結果(即參考值)的不確定度應小于現場校準結果的不確定度，而各參比單位給出的不確定度與參考值的不確定度一致，表明各參比單位評定的不確定度偏小。

4 結束語

此次比對是針對現場校準工作開展的，因現場校準時環境條件惡劣，不易控制，故在開展此項比對工作前甘肅省氣象計量檢定站進行了詳細的策劃和安排，使比對過程規范，比對方法較合理，比對數據真實、可信，較為客觀地反映了14個移動校準系統的測量能力、校準人員的技術水平以及標準設備的現狀，有效識別出了各參比單位存在的不足和改進方向，為今后進一步加強地市級移動校準系統能力建設，加快氣象現代化建設步伐，改進質量管理體系，加強人員技術培訓等提供了依據。