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气候观测综合计量检定系统设计需求分析

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1 引言

气象灾害是严重威胁人民生命财产安全的自然灾害。一次灾害所造成的损失往往达到几十亿，甚至上百亿元，对灾区的社会经济产生致命性的打击。气象业务工作水平的提高，是减灾、防灾的有效手段。

　　探测资料的质量对于气象业务和科研工作具有重要影响。一方面表现在高质量的气象产品来源于高质量的探测数据，另一方面表现在对于探测数据质量的准确评估是开展气象产品可靠性评估的基础因素之一。

　　探测仪器的探测性能是决定探测数据质量的关键因素，对探测仪器的探测性能进行准确评估也是准确评估探测数据质量的关键手段。检定、校准、考核是当前气象系统开展探测仪器的探测性能保证与评估工作的主要技术手段。从长期的实践来看，这些技术手段受到技术条件的限制，存在着一些突出的问题。

　　首先，对仪器在综合条件下的探测性能掌握不全面，造成探测性能评估的片面性。

　　长期以来，在网探测仪器的性能主要依靠在标准实验室状态下的校准和检定来进行判断。在这个过程中，对各种环境影响参量进行了严格的控制。这就造成了实验条件与探测仪器的实际工作条件出现了极大的差异。对于仪器的使用环境-真实大气-中的温度、湿度、大气压力等参量的交互变化对其探测性能造成的影响基本忽略，从而造成业务状态下的观测数据质量在很大程度上存在着不确定性。

　　表1是某计量检定机构使用双流法湿度发生器对10支湿度传感器进行的测试数据。其中00号为某国际公认品质突出的进口品牌传感器，其他为国产传感器。可见，即使是00号传感器，其温度在-30℃时的性能与20℃时的性能也存在明显偏差。因此，如果仅以20℃时的测试结果来对传感器的探测性能进行评估，其结果具有严重的片面性。

表1 湿度传感器样品测量误差测试数据

　　其次，部分测试手段难以适应新型探测仪器的探测性能评估，给评估结果带来不确定性。

　　以温度探测仪器探测性能评估为例。由于空气介质温度箱波动大，均匀性差，因此当前在测试中普遍使用液体温度槽作为温度场控制设备。液体温度槽对于玻璃温度表这类无源驱动探测仪器具有良好技术适应性。但是，对于目前数量不断扩大的铂电阻式测温仪器，则由于传感器在液体介质与空气介质中功率耗散情况的差异有可能给探测性能评估带来一个附加的误差。如果不采取技术手段进行确定，将给评估结果带来不可控制的不确定性。

　　第三、拟布网设备的考核手段能力不足，考核周期长，结果具有较强的偶然性，对气象业务造成的影响深远。
　
　　随着气象服务领域的不断拓展和发展，大量的新设备将进入观测网络。对于这些设备的业务性能考核，是设备选型阶段的必须工作。目前由于缺少实验手段，如何准确的评价仪器在纵跨全国的不同气候条件下的性能，是一个困扰选型工作的难题。采取选取个别台站进行现场考核的方式，不但试验周期长，而且由于样本数量较少，试验结果也存在着较大的偶然性。

　　上述问题的存在，严重制约了气象探测网的快速发展，影响了GCOS系统观测结果的可靠性，限制了气象产品质量的提升。

　　为解决以上问题，2007年财政部批准了中国气象局大气探测技术中心申报的公益性行业科研专项项目“气候观测综合计量检定技术研究”，拟通过研制温度、湿度、大气压力、太阳辐射四参量综合环境模拟系统，模拟大气环境状态及其变化，建立科学、合理、充分的气象仪器测量性能评估手段。

2 功能范围分析

　　探测仪器的计量检定、测量性能考核是保证和评估探测仪器探测数据准确性的重要手段。

　　就这两项活动本身来讲，其获取结果的可靠性在很大程度上依赖于其过程的科学性。因此，对于开展计量检定、测量性能考核工作所遵从的标准、规范和方法开展研究，也是保证探测数据准确可靠的重要工作。

　　因此，本系统的功能范围应包括计量检定、考核试验、标准规范方法的制定。同时，考虑对气象仪器技术的推动和科学研究的支撑的需要，产品研发和科学实验也应纳入其功能范围。

　　具体的功能范围如图1所示。

图1 气候观测综合计量检定系统功能范围[1]

3 功能需求分析

　　当前，中国气象探测网的主要观测设备有两类，一是以自动气象站为代表的地面观测设备，一是以探空仪为代表的探空设备。因此，在系统的研究设计中，工作状态分析主要以以上两类设备检定、考核工作的需求为出发点。

3.1 计量检定工作状态

　　探空仪由于其一次性使用和时间漂移特性较大的特点，不适合进行计量检定。因此，系统的检定工作状态主要针对以自动气象站为代表的地面观测设备。

　　自动气象站的观测参量包括空气温度、地表温度、浅层地表温、深层地表温、湿度、大气压力和太阳辐射[2]。其中，空气温度、地表温度、浅层地表温和深层地表温的测量原理相同，可以归并为温度测量。由于人造太阳模拟器在光谱范围和光谱分布上无法实现对太阳光线的真实模拟，因此，测量参量为大气压力，湿度、温度。

　　由于检定工作是在标准实验室环境下进行，现场环境简单，可以通过实验室环境条件控制完成，不需在系统的设计中加以考虑。

　　由此，确定检定工作状态下系统的输出组合如表2所示。

表2 检定状态下系统输出状态组合[1]

3.2 试验考核工作状态

　　试验考核包括对于自动气象站的试验考核和探空仪器的试验考核。

　　在自动气象站的四个观测参量中，环境温度、环境湿度和大气压力的变化均有可能对自动气象站的观测数据产生影响。尽管从理论上讲，环境太阳辐射的变化也有可能对其它量的观测造成影响，但是，考虑到对于地面观测设备，无论是温度、湿度还是气压测量，均非暴露在太阳辐射之下工作，而太阳辐射的引入，对于场的控制将带来较大的影响，大幅度增加了研究和设计的技术风险，完全没有必要。因此，在输出状态组合中，太阳辐射不必作为环境参量引入。

　　探空仪的考核状态与地面仪器的考核状态基本一致，所不同的是探空仪不对太阳辐射参量进行观测[3]。

　　由此，确定试验考核状态下系统的输出组合如表3所示。

表3 仪器考核状态下输出状态组合[1]

4 技术指标的确定

　　气候观测综合计量检定系统技术复杂。在技术指标的确定上，需要兼顾业务需求和技术可行性两个方面。既要避免由于技术指标过低造成难以满足工作需要，又要避免技术指标过高造成资源浪费和研究经费需求过于庞大，更为重要的是要避免由于当前技术发展水平的不足造成研究工作的失败。

　　第三章所确定的三种工作状态对于技术指标的要求具有很大的不同。在地面观测仪器的量程范围内，对于地面仪器的检定，系统需要能够输出高指标的大气压力、温度、湿度量值。对于地面仪器的考核，系统需要在输出某一参量高指标量值的同时，同时输出两个或三个环境参量。在探空仪的考核工作状态下，对于所要考核的参量和环境参量的不确定度指标相对于地面仪器较低，但是量程范围大幅增加。

　　在当前的技术水平下，同时实现量程范围的最大化和技术指标的最优化，存在非常大的技术风险，在技术可行性上存在着极大的不确定性。因此，必须针对不同的工作状态分别提出技术指标，即可以满足业务科研工作的需要，又可以有效降低系统研究、设计和实现的难度。

　　在设计中，以计量检定状态下输出的参量和考核状态下所考核的测量参量为主测参量，以考核状态下对主测参量的测量施加影响的输出参量为环境参量，分别确定了量程范围和不确定度指标。

　　主测参量量程范围覆盖观测仪器的量程范围，环境参量的量程范围覆盖仪器的使用环境范围。对于自动气象站和探空仪来讲，仪器对于环境参量的测量范围就是仪器在该参量中的使用范围；

　　主测参量的不确定度指标首先按其不确定度指标小于被检仪器不确定度的1/3的原则确定[4]。以当前技术水平确实无法实现的，依据国家颁布的《中华人民共和国国家计量检定系统框图》确定。

　　环境参量的不确定度指标的确定，国家尚无统一的标准，根据一般经验推定。根据经验，环境参量对测量性能的影响应该不会超过5%，由此可以推定，环境参量的不确定度应在主测参量不确定度的20倍以内。同时，在到技术实现的可行性较高的条件下，尽可能提高环境参量的不确定度指标。

4.1 以自动气象站为代表的地面观测设备检定工作状态

　　此种状态下技术指标的确定以自动气象站技术指标为依据。

　　中国气象局《新型多要素自动气象站功能规格书》规定新型多要素自动气象站技术指标如表4所示。

表4 新型多要素自动气象站技术指标[2]

　　根据以上原则，确定主测参量的技术指标如表5所示。

表5 检定状态下主测参量技术指标[1]

　　相对湿度 5%～95%RH[为实现高指标的湿度标准装置，目前广泛采用的是双温双压湿度发生原理。受此原理限制，相对湿度最高为95%RH] 1%（≤80%）、2%(＞80%)[ 依据JJG2046-1990《湿度计量器具检定系统框图》确定]，气压 450hPa～1300hPa[气象观测仪器的测量范围为450hPa～1100hPa，但对于大气压力参量，考虑到目前覆盖大气压力段的测量仪器上限一般为1300hPa，为增加样机的通用性，将测量范围上限延展到1300hPa] 0.1hPa。

　　由于在此状态下，所有参量作为主测参量输出，环境控制依靠实验室条件保证，因此，无环境参量技术指标。

4.2 以自动气象站为代表的地面观测设备考核工作状态

　　此种状态下技术指标的确定仍然以自动气象站技术指标为依据。在此状态下，工作状态较检定工作复杂，需对仪器在不同的环境条件下的计量学性能进行考核。一方面要对环境参量进行控制，另一方面要对所考核的参量测试性能进行考核，也就要求所考核的参量的最大允许误差必须满足表5中的规定，涉及了多参量综合控制的问题，各参量控制的交叉耦合给工程技术的研究和实施带来很大的困难。

　　但是，在考核工作中，一个工作时段可以针对某一参数的计量学性能进行考核，对于另一参量的考核可以重新启动一个工作时段进行。因此，在技术指标的确定上，考虑通过以下考虑来降低设计难度。

　　分离主测参量和环境参量，提出不同的技术指标。当对某一参量的计量学性能进行考核时，要求所被测试的参量的准确度必须满足检定工作的要求，具有充分的可信度，才能反映仪器在不同的影响因素的作用下计量学性能的偏移。而对于影响因素的控制，由于其仅仅是环境参量，对仪器计量学性能影响很小，因此，对其控制完全没有必要强调过高的技术指标。

　　在此种工作状态下，太阳辐射参量作为主测参量时其技术指标和环境参量之中的温度参量的技术要求在中华人民共和国国家标准《太阳总辐射表》（GB/T19565-2004）中做了具体规定，因此，该参量的技术指标依据该标准确定。其它参量的技术指标依据前面确定的原则确定。

　　由此，确定该状态下主测参量的技术指标如表6和表7所示，环境参量的技术指标如表8所示。

表6 地面仪器考核状态下

表7 地面仪器考核状态下