黃小靜，楊 濤，夏 雪

(1.四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心，成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇四川省重點實驗室，成都 610072)

0 引言

自動氣象站是能夠?qū)崟r觀測溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、蒸發(fā)、雨量和輻射等地面氣象要素并獲取資料的自動化氣象設(shè)備。多氣象要素的連續(xù)動態(tài)實時觀測，為氣象預(yù)報及服務(wù)提供了及時可靠的數(shù)據(jù)資料。另外，這些數(shù)據(jù)資料也是洪澇、干旱、地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警和當?shù)卣M行氣象防災(zāi)減災(zāi)決策的基礎(chǔ)。為了保障氣象數(shù)據(jù)的可靠性，自動氣象站傳感器需定期進行檢定或現(xiàn)場校準[1，2]。除了誤差，檢定或校準結(jié)果的不確定度也是其可靠性的重要參考指標。

近年來，行業(yè)專家對自動氣象站各傳感器的檢定或校準結(jié)果的不確定度開展了大量研究。目前，針對地溫傳感器的現(xiàn)場校準結(jié)果的評定還沒有具體的文獻參考[3]。

文章在參考其他專家研究成果的基礎(chǔ)上，提出了自動氣象站地溫傳感器現(xiàn)場校準結(jié)果不確定度評定模型，分析了不確定度來源，并通過實例說明了計算過程和評定結(jié)果。模型可以應(yīng)用于自動氣象站地溫傳感器現(xiàn)場校準結(jié)果的不確定度評定，評定結(jié)果可以作為校準結(jié)果應(yīng)用時的參考指標。

1 評定方法

測量不確定度的評定方法依據(jù)國家計量技術(shù)規(guī)范JJF 1059進行，該規(guī)范現(xiàn)分為兩部分：JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》，又稱GUM法；JJF 1059.2-2012《用蒙特卡洛法評定測量不確定度》，又稱MCM法。文章應(yīng)用GUM法進行自動氣象站地溫傳感器現(xiàn)場校準結(jié)果的不確定度評定。具體流程分為：1)分析不確定度來源和建立模型；2)評定標準不確定度分量；3)計算合成標準不確定度；4)確定擴展不確定度；5)報告評定結(jié)果[4-6]。

1.1 不確定度來源分析

不確定度的來源及其分布是不確定度評定中的重要因素，其直接影響不確定度評定結(jié)果的準確性。文章結(jié)合不確定度評定理論和現(xiàn)場校準實地調(diào)研，對地溫傳感器現(xiàn)場校準過程中的影響因素進行了詳細分析，主要包含被檢儀器、環(huán)境、標準器、附屬設(shè)備和計算機處理系統(tǒng)等多方面因素，其中已明確以下5個原因：1)測量重復(fù)性引入的不確定度；2)標準器數(shù)字溫度計引入的不確定度；3)地溫采集器測量誤差引入的不確定度；4)恒溫液體槽溫度場的波動性和均勻度引入的不確定度；5)計算機數(shù)據(jù)處理時的修約誤差引入的不確定度。其中由重復(fù)性引入的不確定度分量按A類評定方法計算，其他4個不確定度分量按B類評定方法計算[7，8]。

1.2 A類評定

重復(fù)性引入不確定度分為3種情況：1)標準不確定度；2)測量過程標準不確定度；3)規(guī)范化常規(guī)測量時標準不確定度。自動氣象站地溫傳感器現(xiàn)場校準時，按照現(xiàn)場校準方法規(guī)定的校準程序和條件，在不同溫度點進行多次測量?？梢詤⒖记闆r1)單獨計算各校準點的標準不確定度，也可以參考情況2)和3)計算整個測量樣本的合成不確定度，文章采用前者。其測量重復(fù)性引入的不確定度按標準不確定度的A類評定進行計算，具體評定流程如圖1所示。其中，yij表示在j校準點的第i次測量結(jié)果。

圖1 標準不確定度的A類評定流程

1.3 B類評定

標準不確定度的B類評定是借助于一切可利用的相關(guān)信息進行科學(xué)判斷，得到測量結(jié)果估計值的標準偏差。B類評定的流程如圖2所示。其中區(qū)間半寬度a值是根據(jù)有關(guān)的信息確定的，如相關(guān)技術(shù)資料和儀器特性、校準證書、檢定證書、測試報告提供的數(shù)據(jù)和準確性等級等。

圖2 標準不確定度的B類評定流程

2 評定實例

2.1 A類不確定度評定

依據(jù)自動氣象站現(xiàn)場校準方法，地溫傳感器現(xiàn)場校準以校驗爐液槽作為恒溫設(shè)備，以RCY-1A作為標準器，在-20 ℃、0 ℃、+30 ℃ 3個校準點進行測試。進行A類不確定度評定時，在每個校準點上進行10次等間隔的測量，讀取測量數(shù)據(jù)，計算各校準點測量結(jié)果的算術(shù)平均值的標準偏差，結(jié)果如表1所示。

表1 地溫傳感器現(xiàn)場校準結(jié)果 ℃

-20 ℃、0 ℃、+30 ℃校準點校準結(jié)果因測量重復(fù)性引入的標準不確定度按A類評定得到的uA如下：

-20 ℃校準點：uA=0.0058 ℃；

0 ℃校準點：uA=0.0037 ℃；

+30 ℃校準點：uA=0.0031 ℃。

2.2 B類不確定評定

1)標準器引入的不確定度。由數(shù)字式鉑電阻溫度計的校準證書提供的數(shù)據(jù)可知，其擴展不確定度為0.03 ℃，它對各溫度點的校準結(jié)果的影響是均勻分布的，取包含因子k=1.732，則標準器數(shù)字式鉑電阻溫度計對測量結(jié)果引入的不確定度uB1為：

uB1=0.03/1.732=0.017 ℃

2)地溫采集器在測量過程中引入的不確定度分量。根據(jù)相關(guān)文獻給出的參考數(shù)據(jù)[9-11]，地溫采集器的測量不確定度為0.032 ℃，引入的不確定度服從均勻分布規(guī)律，取包含因子k=1.732，則由地溫采集器測量引入的標準不確定度分量uB2為：

uB2=0.032/1.732=0.017 ℃

3)恒溫液體槽溫度場的波動性和均勻度引起的不確定度。由恒溫溫度槽的技術(shù)指標和測試數(shù)據(jù)可知，溫度場的波動性為0.03 ℃，校準時溫度場的波動性引起的測量誤差服從反正弦分布規(guī)律，由它產(chǎn)生的不確定度呈反正弦分布，取包含因子k=1.4，相應(yīng)的標準不確定度分量uB3為：

uB3=0.03/1.4=0.021 ℃

4)計算機數(shù)據(jù)處理時的修約誤差引入的不確定度。在校準過程中，計算機處理采集的溫度數(shù)據(jù)時保留1位小數(shù)，修約誤差最大為0.05 ℃。修約誤差呈均勻分布，取包含因子k=1.732，則有效數(shù)字修約誤差所引入的標準不確定度uB4為：

uB4=0.05/1.732=0.029 ℃

根據(jù)B類不確定度的評定結(jié)果，求出B類合成標準不確定度uB為：

2.3 合成不確定度和擴展不確定度

根據(jù)A類、B類標準不確定度的評定結(jié)果，計算合成標準不確定度uC為：

根據(jù)合成標準不確定度的評定結(jié)果，計算擴展不確定度U=kuC，一般擴展不確定度服從正態(tài)分布，取包含因子k=2，則有U=2uC，即地溫傳感器現(xiàn)場校準結(jié)果的擴展不確定度U為：

-20 ℃校準點：U=0.088 ℃，k=2；

0 ℃校準點：U=0.086 ℃，k=2；

+30 ℃校準點：U=0.086 ℃，k=2。

結(jié)果表明，-20 ℃校準點校準結(jié)果的擴展不確定度最大。此次現(xiàn)場校準的被校傳感器是用于國家一般站的WZP1型地溫傳感器。根據(jù)自動氣象站現(xiàn)場校準方法，地溫傳感器在各溫度檢定點的最大允許誤差(MPEV)為±0.5 ℃。根據(jù)符合性評定方法，此次校準結(jié)果-20 ℃、0 ℃、+30 ℃校準點的擴展不確定度均小于MPEV的1/3，對符合性評定的影響可忽略不計。當校準結(jié)果的擴展不確定度大于MPEV的1/3時，符合性評定需考慮校準結(jié)果的擴展不確定度。

3 結(jié)束語

文章在分析自動氣象站地溫傳感器現(xiàn)場校準結(jié)果的不確定度來源的基礎(chǔ)上，提出了不確定度評定模型，并給出了評定實例。實例中，-20 ℃、0 ℃、+30 ℃校準結(jié)果的擴展不確定度分別為0.088 ℃、0.086 ℃、0.086 ℃，均小于MPEV的1/3，對符合性評定的影響可忽略不計。該評定模型可以為自動氣象站地溫傳感器現(xiàn)場校準結(jié)果的不確定度評定提供參考，但是不確定度來源分析仍存在不足，未來將進一步開展相關(guān)研究。