自动气象站地温传感器现场校准结果不确定度评定

黄小静，杨 涛，夏 雪

(1.四川省气象探测数据中心，成都 610072；2.高原与盆地暴雨旱涝四川省重点实验室，成都 610072)

0 引言

自动气象站是能够实时观测温度、湿度、气压、风速、风向、蒸发、雨量和辐射等地面气象要素并获取资料的自动化气象设备。多气象要素的连续动态实时观测，为气象预报及服务提供了及时可靠的数据资料。另外，这些数据资料也是洪涝、干旱、地质灾害的监测预警和当地政府进行气象防灾减灾决策的基础。为了保障气象数据的可靠性，自动气象站传感器需定期进行检定或现场校准[1，2]。除了误差，检定或校准结果的不确定度也是其可靠性的重要参考指标。

近年来，行业专家对自动气象站各传感器的检定或校准结果的不确定度开展了大量研究。目前，针对地温传感器的现场校准结果的评定还没有具体的文献参考[3]。

文章在参考其他专家研究成果的基础上，提出了自动气象站地温传感器现场校准结果不确定度评定模型，分析了不确定度来源，并通过实例说明了计算过程和评定结果。模型可以应用于自动气象站地温传感器现场校准结果的不确定度评定，评定结果可以作为校准结果应用时的参考指标。

1 评定方法

测量不确定度的评定方法依据国家计量技术规范JJF 1059进行，该规范现分为两部分：JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》，又称GUM法；JJF 1059.2-2012《用蒙特卡洛法评定测量不确定度》，又称MCM法。文章应用GUM法进行自动气象站地温传感器现场校准结果的不确定度评定。具体流程分为：1)分析不确定度来源和建立模型；2)评定标准不确定度分量；3)计算合成标准不确定度；4)确定扩展不确定度；5)报告评定结果[4-6]。

1.1 不确定度来源分析

不确定度的来源及其分布是不确定度评定中的重要因素，其直接影响不确定度评定结果的准确性。文章结合不确定度评定理论和现场校准实地调研，对地温传感器现场校准过程中的影响因素进行了详细分析，主要包含被检仪器、环境、标准器、附属设备和计算机处理系统等多方面因素，其中已明确以下5个原因：1)测量重复性引入的不确定度；2)标准器数字温度计引入的不确定度；3)地温采集器测量误差引入的不确定度；4)恒温液体槽温度场的波动性和均匀度引入的不确定度；5)计算机数据处理时的修约误差引入的不确定度。其中由重复性引入的不确定度分量按A类评定方法计算，其他4个不确定度分量按B类评定方法计算[7，8]。

1.2 A类评定

重复性引入不确定度分为3种情况：1)标准不确定度；2)测量过程标准不确定度；3)规范化常规测量时标准不确定度。自动气象站地温传感器现场校准时，按照现场校准方法规定的校准程序和条件，在不同温度点进行多次测量。可以参考情况1)单独计算各校准点的标准不确定度，也可以参考情况2)和3)计算整个测量样本的合成不确定度，文章采用前者。其测量重复性引入的不确定度按标准不确定度的A类评定进行计算，具体评定流程如图1所示。其中，yij表示在j校准点的第i次测量结果。

图1 标准不确定度的A类评定流程

1.3 B类评定

标准不确定度的B类评定是借助于一切可利用的相关信息进行科学判断，得到测量结果估计值的标准偏差。B类评定的流程如图2所示。其中区间半宽度a值是根据有关的信息确定的，如相关技术资料和仪器特性、校准证书、检定证书、测试报告提供的数据和准确性等级等。

图2 标准不确定度的B类评定流程

2 评定实例

2.1 A类不确定度评定

依据自动气象站现场校准方法，地温传感器现场校准以校验炉液槽作为恒温设备，以RCY-1A作为标准器，在-20 ℃、0 ℃、+30 ℃ 3个校准点进行测试。进行A类不确定度评定时，在每个校准点上进行10次等间隔的测量，读取测量数据，计算各校准点测量结果的算术平均值的标准偏差，结果如表1所示。

表1 地温传感器现场校准结果 ℃

-20 ℃、0 ℃、+30 ℃校准点校准结果因测量重复性引入的标准不确定度按A类评定得到的uA如下：

-20 ℃校准点：uA=0.0058 ℃；

0 ℃校准点：uA=0.0037 ℃；

+30 ℃校准点：uA=0.0031 ℃。

2.2 B类不确定评定

1)标准器引入的不确定度。由数字式铂电阻温度计的校准证书提供的数据可知，其扩展不确定度为0.03 ℃，它对各温度点的校准结果的影响是均匀分布的，取包含因子k=1.732，则标准器数字式铂电阻温度计对测量结果引入的不确定度uB1为：

uB1=0.03/1.732=0.017 ℃

2)地温采集器在测量过程中引入的不确定度分量。根据相关文献给出的参考数据[9-11]，地温采集器的测量不确定度为0.032 ℃，引入的不确定度服从均匀分布规律，取包含因子k=1.732，则由地温采集器测量引入的标准不确定度分量uB2为：

uB2=0.032/1.732=0.017 ℃

3)恒温液体槽温度场的波动性和均匀度引起的不确定度。由恒温温度槽的技术指标和测试数据可知，温度场的波动性为0.03 ℃，校准时温度场的波动性引起的测量误差服从反正弦分布规律，由它产生的不确定度呈反正弦分布，取包含因子k=1.4，相应的标准不确定度分量uB3为：

uB3=0.03/1.4=0.021 ℃

4)计算机数据处理时的修约误差引入的不确定度。在校准过程中，计算机处理采集的温度数据时保留1位小数，修约误差最大为0.05 ℃。修约误差呈均匀分布，取包含因子k=1.732，则有效数字修约误差所引入的标准不确定度uB4为：

uB4=0.05/1.732=0.029 ℃

根据B类不确定度的评定结果，求出B类合成标准不确定度uB为：

2.3 合成不确定度和扩展不确定度

根据A类、B类标准不确定度的评定结果，计算合成标准不确定度uC为：

根据合成标准不确定度的评定结果，计算扩展不确定度U=kuC，一般扩展不确定度服从正态分布，取包含因子k=2，则有U=2uC，即地温传感器现场校准结果的扩展不确定度U为：

-20 ℃校准点：U=0.088 ℃，k=2；

0 ℃校准点：U=0.086 ℃，k=2；

+30 ℃校准点：U=0.086 ℃，k=2。

结果表明，-20 ℃校准点校准结果的扩展不确定度最大。此次现场校准的被校传感器是用于国家一般站的WZP1型地温传感器。根据自动气象站现场校准方法，地温传感器在各温度检定点的最大允许误差(MPEV)为±0.5 ℃。根据符合性评定方法，此次校准结果-20 ℃、0 ℃、+30 ℃校准点的扩展不确定度均小于MPEV的1/3，对符合性评定的影响可忽略不计。当校准结果的扩展不确定度大于MPEV的1/3时，符合性评定需考虑校准结果的扩展不确定度。

3 结束语

文章在分析自动气象站地温传感器现场校准结果的不确定度来源的基础上，提出了不确定度评定模型，并给出了评定实例。实例中，-20 ℃、0 ℃、+30 ℃校准结果的扩展不确定度分别为0.088 ℃、0.086 ℃、0.086 ℃，均小于MPEV的1/3，对符合性评定的影响可忽略不计。该评定模型可以为自动气象站地温传感器现场校准结果的不确定度评定提供参考，但是不确定度来源分析仍存在不足，未来将进一步开展相关研究。