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(shù)裝備保障中心，蘭州730020)

0 引言

實(shí)驗(yàn)室比對(duì)能考察測(cè)量量值和出具測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確一致的程度；比對(duì)的結(jié)果可作為各種認(rèn)證、認(rèn)可和考核的評(píng)審證據(jù)及實(shí)驗(yàn)室能力的有效證明[1]。近年全國(guó)各級(jí)計(jì)量單位都在進(jìn)行國(guó)內(nèi)或國(guó)外的計(jì)量比對(duì)工作，確保了量值傳遞的準(zhǔn)確、可靠、一致。黨選發(fā)[2，3]等對(duì)氣象計(jì)量檢定實(shí)驗(yàn)室量值比對(duì)工作進(jìn)行了探討，2011年組織了西北區(qū)域氣象計(jì)量檢定實(shí)驗(yàn)室量值比對(duì)工作，比對(duì)成果得到各方專(zhuān)家的認(rèn)可。2014年寧夏氣象計(jì)量檢定所作為主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室組織西北區(qū)域開(kāi)展了自動(dòng)氣象站溫度、濕度、氣壓3個(gè)要素的量值比對(duì)工作[4]。實(shí)驗(yàn)室計(jì)量比對(duì)已日趨成熟。

地市級(jí)移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)是地市級(jí)氣象部門(mén)對(duì)自動(dòng)氣象站開(kāi)展校準(zhǔn)、核查等業(yè)務(wù)活動(dòng)的裝備保障系統(tǒng)，包括用于計(jì)量自動(dòng)氣象站溫度、濕度、氣壓、雨量、風(fēng)向、風(fēng)速共6個(gè)要素傳感器的標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備。目前全國(guó)340個(gè)地市級(jí)氣象部門(mén)均已配備移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)并在業(yè)務(wù)中使用。由于移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)中的風(fēng)速、風(fēng)向和雨量3要素的標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)量值溯源，無(wú)法確認(rèn)其性能是否符合校準(zhǔn)要求，同時(shí)無(wú)法識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)人員、設(shè)備、技術(shù)等方面存在的問(wèn)題，故無(wú)法確保現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作的準(zhǔn)確、可靠和一致。

為解決上述問(wèn)題，陳城[5]等針對(duì)區(qū)域自動(dòng)氣象站校準(zhǔn)提出對(duì)移動(dòng)氣象標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行計(jì)量比對(duì)，并對(duì)比對(duì)方式和比對(duì)結(jié)果的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了初步探討；部分研究[6-8]在自動(dòng)氣象站風(fēng)速、風(fēng)向、雨量傳感器示值誤差的不確定度分析評(píng)定方面進(jìn)行了論述，有利于比對(duì)結(jié)果的分析。在此基礎(chǔ)上，2020年甘肅省氣象計(jì)量檢定站作為主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室組織開(kāi)展了甘肅省14個(gè)地市級(jí)移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)計(jì)量比對(duì)工作，此次比對(duì)采用歸一化偏差算法對(duì)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析，并提出了改進(jìn)建議。文章通過(guò)介紹比對(duì)試驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理方法及深入分析比對(duì)結(jié)果，為進(jìn)一步提高地市級(jí)移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的計(jì)量研究水平提供參考。

1 比對(duì)試驗(yàn)

1.1 比對(duì)成員

按照J(rèn)JF 1117《計(jì)量比對(duì)》技術(shù)規(guī)范要求確定主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室和參比單位。

主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室：甘肅省氣象計(jì)量檢定站。

參比單位：甘南、臨夏、隴南、慶陽(yáng)、定西、平?jīng)?、天水、武威、張掖、嘉峪關(guān)、酒泉、蘭州、白銀市州局保障中心及甘肅省氣象信息與技術(shù)裝備保障中心探測(cè)保障室共14個(gè)移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。為方便分析，文章以編號(hào)(1#～14#)表示各參比單位。

1.2 比對(duì)路線

文章采用圓環(huán)形線路和固定地點(diǎn)比對(duì)方式進(jìn)行比對(duì)。比對(duì)樣品傳遞路線如圖1所示。比對(duì)樣品首先經(jīng)主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室檢定后，按各參比單位代碼順序進(jìn)行循環(huán)比對(duì)實(shí)驗(yàn)，然后將比對(duì)樣品返回主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行復(fù)檢。

圖1 比對(duì)傳遞路線

1.3 比對(duì)項(xiàng)目

包括風(fēng)速、風(fēng)向、雨量3個(gè)項(xiàng)目。

1.4 比對(duì)樣品

因地市級(jí)移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)只適用于自動(dòng)氣象站傳感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)、核查，故比對(duì)樣品選用自動(dòng)氣象站的傳感器，由主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室提供。在選擇比對(duì)樣品時(shí)，由主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展前期實(shí)驗(yàn)，用各計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)比對(duì)樣品連續(xù)4個(gè)月每月進(jìn)行1次示值誤差的穩(wěn)定性試驗(yàn)，每次試驗(yàn)測(cè)量值與上一次測(cè)量值的最大差值均不可超過(guò)比對(duì)樣品最大允許誤差的1/2，最終確定的比對(duì)樣品信息如表1所示。

表1 比對(duì)樣品信息

1.5 比對(duì)設(shè)備

風(fēng)速比對(duì)設(shè)備采用中環(huán)天儀(天津)氣象儀器有限公司生產(chǎn)的啟動(dòng)風(fēng)速校驗(yàn)儀和風(fēng)速校驗(yàn)儀，風(fēng)向比對(duì)設(shè)備采用中環(huán)天儀(天津)氣象儀器有限公司生產(chǎn)的風(fēng)向校驗(yàn)儀，雨量比對(duì)設(shè)備采用福建省風(fēng)光物資技術(shù)開(kāi)發(fā)公司生產(chǎn)的雨量校準(zhǔn)儀。因地市級(jí)移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)配備批次不同，比對(duì)設(shè)備型號(hào)略有差別。

1.6 比對(duì)方法

依據(jù)中國(guó)氣象局監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)司制定的《自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法(試行)》進(jìn)行。

風(fēng)速比對(duì)點(diǎn)的選擇為：2 m/s、5 m/s、10 m/s、20 m/s、30 m/s；連續(xù)測(cè)量6次啟動(dòng)風(fēng)速，風(fēng)速示值在每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)上連續(xù)測(cè)量4次。

風(fēng)向比對(duì)點(diǎn)的選擇為：0°、28°、90°、180°、239°、267°。

雨量比對(duì)點(diǎn)的選擇為：雨量：10 mm；降水強(qiáng)度：1 mm/min、4 mm/min。每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)上，均連續(xù)測(cè)量3次。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

2.1 參考值的確定

以主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室首末2次檢定數(shù)據(jù)平均值作為參考值。

2.2 比對(duì)結(jié)果的評(píng)價(jià)原則

根據(jù)量值比對(duì)通用能力驗(yàn)證評(píng)價(jià)原則中歸一化偏差值En進(jìn)行評(píng)價(jià)，歸一化偏差公式：

(1)

比對(duì)結(jié)果的判據(jù)：|En|≤1，則表示該參比移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)在該校準(zhǔn)點(diǎn)的校準(zhǔn)結(jié)果滿(mǎn)意；|En|>1，則表示該參比移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)在該校準(zhǔn)點(diǎn)的校準(zhǔn)結(jié)果不滿(mǎn)意。

3 比對(duì)結(jié)果分析

受校準(zhǔn)環(huán)境、設(shè)備及人員等因素影響，比對(duì)時(shí)比對(duì)點(diǎn)不能完全控制在某個(gè)固定數(shù)值，為保證比對(duì)結(jié)果的可靠性，文章僅依據(jù)每個(gè)比對(duì)點(diǎn)的示值誤差進(jìn)行分析和判定。

3.1 比對(duì)樣品穩(wěn)定性分析

按照比對(duì)樣品傳遞路線要求，比對(duì)樣品由主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行初檢和復(fù)檢。為確保比對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，主導(dǎo)單位對(duì)比對(duì)樣品的初檢與復(fù)檢結(jié)果進(jìn)行了分析，6支傳感器的復(fù)檢示值誤差與初檢示值誤差之差的絕對(duì)值均小于傳感器的最大允許誤差，證明比對(duì)樣品在比對(duì)期間均穩(wěn)定可靠。

3.2 風(fēng)速比對(duì)數(shù)據(jù)分析

利用各參比單位試驗(yàn)數(shù)據(jù)、參考值及擴(kuò)展不確定度，通過(guò)式(1)計(jì)算得出各參比單位風(fēng)速校準(zhǔn)裝置的歸一化偏差值En。

各參比單位的風(fēng)速示值誤差均在傳感器最大允許誤差范圍內(nèi)，且各比對(duì)數(shù)據(jù)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(duì)值≤0.2 m/s。因主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)速檢定裝置準(zhǔn)確度遠(yuǎn)優(yōu)于各參比單位的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置，且現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)環(huán)境條件惡劣，對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的影響，理論上實(shí)驗(yàn)室檢定結(jié)果(即參考值)的不確定度應(yīng)小于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度，以此進(jìn)行不確定度驗(yàn)證，各參比單位給出的不確定度均合理。

3.3 風(fēng)向比對(duì)數(shù)據(jù)分析

利用各參比單位試驗(yàn)數(shù)據(jù)、參考值及擴(kuò)展不確定度，通過(guò)式(1)計(jì)算得出各參比單位風(fēng)向校準(zhǔn)裝置的歸一化偏差值En。

各參比單位的風(fēng)向示值誤差均在傳感器最大允許誤差范圍內(nèi)，但參比單位6#在180°點(diǎn)的示值誤差為-4°，接近最大允許誤差臨界值，且各比對(duì)數(shù)據(jù)相差較大，參比單位4#在90°點(diǎn)和1#、7#在239°點(diǎn)與參考值的示值誤差相差較大(即4°)。因主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室使用的風(fēng)向檢定設(shè)備(自動(dòng))與各參比單位使用的校準(zhǔn)設(shè)備(手動(dòng))相接近，準(zhǔn)確度等級(jí)一致，故在不考慮環(huán)境條件影響時(shí)實(shí)驗(yàn)室檢定結(jié)果(即參考值)的不確定度應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度相近或一致，且鄭亮[9]等對(duì)風(fēng)向現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)3點(diǎn)測(cè)量不確定度評(píng)定的結(jié)果為1.9°，由此說(shuō)明各參比單位給出的不確定度均合理。

風(fēng)向現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器為風(fēng)向校驗(yàn)儀，以其刻度值作為標(biāo)準(zhǔn)值，校準(zhǔn)時(shí)風(fēng)向傳感器的風(fēng)向桿固定在定位叉內(nèi)，手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)向桿，風(fēng)向標(biāo)通過(guò)同步機(jī)構(gòu)與風(fēng)向校驗(yàn)儀的指針保持同步，風(fēng)向校驗(yàn)儀經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路輸出相應(yīng)的電信號(hào)，在顯示器上顯示風(fēng)向傳感器格雷碼。因在手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)向桿，通過(guò)肉眼使風(fēng)向校驗(yàn)儀的指針對(duì)準(zhǔn)刻度盤(pán)上校準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)有偏離，導(dǎo)致隨機(jī)誤差偏大，嚴(yán)重影響校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性[10]。

3.4 雨量比對(duì)數(shù)據(jù)分析

利用各參比單位試驗(yàn)數(shù)據(jù)、參考值及擴(kuò)展不確定度，通過(guò)式(1)計(jì)算得出各參比單位雨量校準(zhǔn)裝置的歸一化偏差值En。

參比單位14#在雨強(qiáng)1 mm/min時(shí)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(nèi)，但參比單位1#在雨強(qiáng)1 mm/min時(shí)示值誤差為0.3 mm，到達(dá)最大允許誤差臨界值。對(duì)所有比對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，參比單位1#和14#在雨強(qiáng)1 mm/min時(shí)偏離較大，2#和10#在雨強(qiáng)4 mm/min時(shí)偏離較大。因主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室的雨量檢定裝置準(zhǔn)確度優(yōu)于各參比單位的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置，且實(shí)際操作中人為影響因素較少，理論上實(shí)驗(yàn)室檢定結(jié)果(即參考值)的不確定度應(yīng)小于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)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(píng)定的不確定度偏小。

4 結(jié)束語(yǔ)

此次比對(duì)是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作開(kāi)展的，因現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)環(huán)境條件惡劣，不易控制，故在開(kāi)展此項(xiàng)比對(duì)工作前甘肅省氣象計(jì)量檢定站進(jìn)行了詳細(xì)的策劃和安排，使比對(duì)過(guò)程規(guī)范，比對(duì)方法較合理，比對(duì)數(shù)據(jù)真實(shí)、可信，較為客觀地反映了14個(gè)移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的測(cè)量能力、校準(zhǔn)人員的技術(shù)水平以及標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的現(xiàn)狀，有效識(shí)別出了各參比單位存在的不足和改進(jìn)方向，為今后進(jìn)一步加強(qiáng)地市級(jí)移動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)能力建設(shè)，加快氣象現(xiàn)代化建設(shè)步伐，改進(jìn)質(zhì)量管理體系，加強(qiáng)人員技術(shù)培訓(xùn)等提供了依據(jù)。