氣象移動計量校準存在的問題及改進措施探討

李 戟，夏德奇，李 洪，李穎珊

（中國氣象局氣象干部培訓學院湖南分院，湖南 長沙 410125）

區域自動站作為地面氣象觀測站網的重要組成部分，為局部區域的氣預報服務和災害監測提供了大量氣象觀測資料，使有效捕捉中小尺度天氣系統有了可能。當區域站承擔捕捉中小尺度天氣系統的任務時，其觀測質量可能比常規氣象站的要求更高，要求它提供高質量的觀測資料，具備“可靠性、代表性、比較性”的氣象觀測要求[1]。為確保區域自動氣象站觀測數據的準確可靠，對自動氣象站必須實施周期性校準[2]。由于區域自動站為整體性結構，與常規的地面儀器不同，把安裝調試好的自動站重新拆下，集中送檢成本太高、任務太重。因此，理想的方法是進行現場校準和檢測[3]。

1 中國氣象移動計量校準現狀

中國氣象計量業務始于20 世紀50 年代，為保證觀測的準確性和可比性作出了重要貢獻。目前已經形成了以國家氣象計量站為技術核心，以全國32 個省級氣象計量機構為主體的覆蓋全國的氣象計量服務網絡[4]。2000 年開始，中國氣象局積極探索區域自動氣象站現場計量保障模式，但在2003 年以前，氣象部門尚未制定自動氣象站的檢定規程，各省的檢定工作只能部分參照常規儀器檢定規程，利用現有的檢定設備進行檢定[5]。2003 年，全國31 個省市氣象局配置了自動氣象站整機現場校準系統，主要是將各要素標準器及設備安裝在現場校準工程車上，運到自動站使用地點，根據自動站使用地點的環境條件來確定校準方法。

2004 年，中國氣象局監測網絡司出臺了《自動氣象站現場校準方法》（試行）（以下簡稱“《校準方法》”）[6]，并配備了較為科學的校準設備和計量標準器。但對于現場校準引起的有關問題，《校準方法》中沒有進一步探討。

自2013 年開始，中國氣象局投資開發了氣象計量校準自動化系統。2016 年為地市氣象局區域自動站站校準工作配備了移動計量車和標準組。2017 年12 月，中國氣象局觀測司下發《觀測司關于印發氣象計量業務管理辦法的通知》（氣測函〔2017〕196 號），明確了氣象計量業務的職責分工和業務實施等具體細節。2018 年11 月，中國氣象局綜合觀測司印發《地市級移動校準維修系統運行規定》（氣測函〔2018〕151 號），明確國家氣象觀測站進行現場校準并進行業務考核。

2 氣象移動計量校準存在的問題

目前，對區域自動氣象站進行現場校準主要參考2004 年監測網絡司出臺的《校準方法》。但由于種種原因，現場校準過程中引起的有關問題未得到進一步探討和解釋，中國氣象局綜合觀測司和國家氣象計量站也未出臺相應的文件對這些問題進行解釋和補充說明，從而導致全國各地在計量校準過程中存在方法和標準不統一問題，嚴重影響計量校準的檢測結果。下面就氣象計量校準中常見的幾個問題進行分析探討。

2.1 校準點選擇不統一

在氣象移動計量校準中，非常重要的一個指標就是傳感器的校準點選擇。2004 年出臺的《校準方法》中各傳感器校準點是基于當時的校準設備制定，在現場校準過程中存在諸多的問題，增加現場校準的不確定性，給被檢傳感器性能帶來不公正和不科學的判斷，影響校準結果。

目前，全國各地市氣象移動計量校準過程，校準點選擇不統一突出表現在溫度和氣壓傳感器校準點的選擇，其他傳感器校準點的選擇也存在一定的差異。通過對2020年在中國氣象局氣象干部培訓學院湖南分院舉辦的全國第9 和第10 期氣象移動計量校準維修培訓班的學員進行問卷調查，結果表明，來自全國24 個?。ㄊ校?1 位學員中，溫度傳感器校準點選擇-10 ℃、0 ℃、30 ℃的有32 位，占比62.7%；選擇常溫單點校準的有14 位，占比27.5%；選擇其他校準點的有5 位，占比9.8%。氣壓傳感器校準選擇500 hPа、800 hPа、1 000 hPа 的有25 位，占比49.0%；選擇常壓、常壓±50 hPа 的有19 位，占比37.3%；選擇其他校準點的有7 位，占比13.7%。濕度傳感器校準選擇33%RH、87%RH 的有43 位，占比86.3%；選擇其他校準點的有8 位，占比15.7%。風向傳感器校準選擇0°、121°、239°的有42 位，占比82.4%；選擇其他校準點的有9位，占比17.6%。風速傳感器校準和雨量傳感器校準點全國均采用《校準方法》的要求進行。

校準點的選擇之所以出現較大差異，主要是大部分地市氣象局采用了設備廠家培訓時所給的校準點，而有的地市氣象局則嚴格按照《校準方法》執行，也有部分地市氣象局采用的是自行制定的標準。校準點的選擇不同會嚴重影響到校準結果和觀測質量的可靠性。

2.2 校準設備標準器不統一

2016—2018 年，中國氣象局為地市局區域站校準工作配備了移動計量車和標準組，其中計量標準組進行了2 次升級。由于經費的限制，造成全國各地市使用的計量標準組不統一。

全國300 多個地市約180 個地市配備的是升級后的第二代移動校準自動化系統，其余地市使用的仍然是第一代移動計量校準系統，還有少量地市使用的較早的手動計量校準系統。由于使用的校準系統不統一，對氣象移動計量校準的一致性造成很大的不確定性。

在使用的校準系統中包括天津中環天儀廠和北京華云升達廠生產的2 種型號。天津中環天儀廠生產的計量校準設備如溫度、濕度、氣壓等均配備了相應的外置標準器，量值傳遞采用氣象部門的量值溯源體系。而北京華云升達廠生產的溫度、濕度、氣壓計量校準設備均未配備外置標準器，采用的是內置標準器，而且量值傳遞體系采用的是工業計量校準量值溯源體系，溯源體系在兩者之間存在較大的差異，不符合氣象計量量值溯源的要求，也給氣象移動計量校準結果造成較大的不確定性。

2.3 校準數據匯總和數據上傳不統一

2018 年，湖南省作為全國氣象移動計量校準業務運行試點省份之一，湖南省氣象局推出了自動站維護維修、現場核查和社會化保障信息系統平臺及手機APP，并在全國推廣使用。通過該平臺可實現區域自動站現場校準和現場核查數據匯總、記錄的填報上傳、運行評估、統計等功能。

但該平臺在應用過程中存在較為明顯的缺陷，首先，平臺所有的校準數據匯總表采用的是現場核查表而不是現場校準表。自2018 年中國氣象局調整部分骨干區域站為國家氣象觀測站后，要求對這部分區域站進行現場校準而不是現場核查，現場校準和現場核查數據的匯總方法存在顯著的差異，采用現場核查的數據匯總替代現場校準的數據匯總存在明顯的不合理性。其次，平臺數據上傳的方式各地也不一樣，通常采用的數據上傳方式為利用臺站信息化平臺錄入、利用信息化平臺APP 現場錄入、采用校準設備配置的分控器自動錄入及人工填寫等。

通過對2020年中國氣象局氣象干部培訓學院湖南分院舉辦的全國第9 和第10 期氣象移動計量校準維修培訓班的學員進行問卷調查，結果表明，采用臺站信息化平臺錄入和上傳數據的有22 位，占比43.1%；采用信息化平臺APP 現場錄入或電腦網頁版錄入和上傳數據的有16 位，占比31.4%；采用其他方式錄入和上傳數據或數據不上傳的有13 位，占比25.5%。校準記錄的填寫方式各地也不盡相同，有采用核查表錄入數據的，也有采用校準表錄入數據的。通常的做法是現場校準后，通過手機APP 現場填報和上傳相應記錄，現場校準記錄的選擇由現場操作的業務人員自行選擇。由于地市裝備保障人員流動性較大，個人選擇的標準不一致，往往造成同樣的校準結果，不同校準人員選擇填寫的校準記錄不一致，從而給現場校準提供了較大的不確定性。

3 氣象移動計量校準改進措施探討

為提高區域自動站現場校準的科學性，在多次征詢專家、培訓學員和一線業務人員的建議和意見后，給出了相應的解決措施。

3.1 統一各傳感器校準點

以2004 年出臺的《校準方法》為基本參照，調整并統一各傳感器的校準點，如表1 所示。

表1 區域自動站傳感器校準點

首先，《校準方法》中溫度傳感器校準點為常溫單點校準。調整為-10 ℃、0 ℃、30 ℃這3 個校準點，主要是考慮到中國國土面積幅員遼闊，南北維度跨度大，溫度變化范圍為-50～40 ℃。溫度傳感器在不同的溫度區間內會產生飄移，造成測量偏差。調整后的校準點既考慮了中國的地形的特殊性，也考慮到溫度傳感器的工作特性，較單點常溫校準更為合理。

其次，《校準方法》中氣壓傳感器校準為低于常壓50 hPа 點、常壓點和高于常壓50 hPа 這3 個校準點。目前部分地市局采用的是500 hPа、800 hPа、1 000 hPа這3 個校準點主要依據是廠家提供的工業氣壓校準標準。而500 hPа、800 hPа、1 000 hPа 校準點的選擇具有明顯的不合理性，500 hPа 相當于海拔高度約4 000 m，目前中國在海拔4 000m 及以上布設的區域自動站很少，大都集中在東中部地區，海拔高度在1 000 m 及以下地區，500 hPа 校準點的選擇顯然失去了其合理性。氣壓傳感器校準同樣要考慮測量的高度誤差，而低于常壓50 hPа 點、常壓點和高于常壓50 hPа校準點的選擇，既考慮到當地氣壓的實際情況，也考慮到了海拔高差400 m 上下的波動情況，同時還與區域自動站的布設情況相吻合。

需要說明的是，濕度傳感器校準點有專家建議增加一個55%RH 的校準點，理由是溫度、氣壓校準點均為3 個，考慮了低、中、高3 個不同閾值的測量區間，而《校準方法》中濕度校準點僅考慮低濕和高濕2個測量區間，存在一定不合理性，筆者也傾向于調整為低濕、中濕、高濕3 個校準點，但如何調整還有待于中國氣象局國家計量站的試驗測試結果和觀測司出臺新的校準方法而定，目前仍可采用大家約定俗成的做法。雨量傳感器校準、風向、風速傳感器的校準方面，基本采用《校準方法》進行，故維持原來的校準點不變。

3.2 統一校準設備標準器

為保障計量校準結果的科學性和準確性，確保氣象計量校準量值傳遞的準確可靠，有必要統一校準設備的標準器。天津中環天儀廠生產的計量校準設備如溫度、濕度、氣壓等均配備了相應的外置標準器，量值傳遞采用氣象部門的量值溯源體系，校準設備2 年一次的檢定方便、經濟；北京華云升達廠生產的溫度、濕度、氣壓計量校準設備均未配備外置標準器，采用的是內置標準器，而且量值溯源體系采用的工業計量校準量值溯源體系，校準設備檢定均送廠家檢定，費用昂貴而且不符合氣象量值溯源的基本要求。

因此，建議在華云升達廠校準設備增加外置標準器，由于華云升達校準設備均配置有外部檢測端口，可利用多余端口掛接外置標準器，達到2 個廠家計量校準設備標準器的統一。另外，校準設備標準器2 年一次的檢定均統一送中國氣象局國家計量站或中國氣象局指定的具有相關資質的省級氣象部門計量檢定部門進行檢定，確保氣象計量量值溯源體系的完整性和科學性。

3.3 統一校準數據匯總表和數據結果的上傳

校準數據匯總表的填寫理論上應嚴格按照《校準方法》中的數據匯總表填寫，但其中存在幾個問題。首先，傳感器校準點尤其是溫度校準點進行了調整，與它對應的數據匯總表也應相應調整。其次，數據匯總后要統一通過信息系統平臺上傳到上級氣象主管部門并對數據的上傳率、數據質量等進行業務考核。而目前信息系統平臺采用均是現場核查表。因此，在現場校準數據匯總表格填寫時，校準數據的選擇對校準結果會產生極大的影響。為避免人為因素造成校準結果的誤差，建議采用移動計量校準設備配置的分控器自動讀取和上傳校準記錄。另外，完善校準數據匯總表，表格設計可采用每隔1 min 讀取一次標準器和被校傳感器的測量值，總共讀取3 次，以3 次讀數的平均值作為該校準點的讀數值來填寫校準數據匯總表，這樣可避免因人為因素產生的不確定性，提高現場校準的準確性和可靠性。

3.4 調整現場校準的方法

由于區域自動站地理位置相對偏僻，現場校準巡視巡查路途較遠，耗費大量時間。地市級氣象局裝備保障人員數量有限，一般每次校準采用2～3 人同時進行。如果嚴格按照校準流程執行現場校準，每個區域站校準時間需要3～4 h，期間還需要放倒風桿等操作，危險性較大。地市級氣象局裝備保障人員除需要承擔區域自動站校準、核查任務外，還需承擔自動站的維護維修工作，工作量大，工作環境艱苦。因此，在區域自動站備件充足，條件允許的地市，對于自動氣象站的校準，理想的方法是進行實驗室校準和現場校準相結合的自動站氣象站校準方法。即雨量傳感器校準采用現場校準，其余傳感器校準采用實驗室校準，現場只需要進行傳感器更換。這樣既可節省大量的現場校準時間，提高現場校準的效率，也可減輕裝備保障人員的工作強度。

4 結束語

區域自動站現場校準時保障區域自動站數據質量十分關鍵，為提高區域自動站數據質量，必須統一傳感器校準點、統一校準數據的填報和上傳、統一校準設備的量值傳遞朔源體系，克服因人為因素引起的校準結果的偏差，為氣象災害監測、預報預警提供科學、可靠的數據來源，提升氣象防災減災能力。