不同型号自动气象站温度传感器检定数据统计分析

黄小静，郑 亮，李晓红

(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

目前，各省已全面布网自动气象站，在地面气象观测中完全替代人工观测，并实现无人值守。温度是气象观测的关键要素之一，温度传感器测量准确性是观测数据可靠的基础，也是传感器选型和应用评估的依据；因此，文章对现用各种型号温度传感器的准确性进行了全面分析。

关于自动气象站温度传感器的性能，行业工作者和研究人员一直非常关注，相关研究也很多。王晓默[1]等对自动气象站温度数据与人工观测数据进行了对比；付锡桂[2]等对HMP45D湿度传感器温度特性进行了测试与分析；王辉[3]等对HMP45D和HMP155传感器的测量性能进行了对比；任燕[4]等对温度传感器检定数据进行了统计分析。这些研究给行业人员带来了很多启示，但目前仍然存在着分析样本较少和传感器的型号不全等问题。

1 数据来源与统计方法

1.1 数据来源

为了探讨自动气象站温度传感器测量性能，文章对四川省自动气象站2019年台站送检传感器的检定结果进行了分析。此次分析的传感器共4种型号，其中WPZ和HYA-T是地温传感器，HYA-T-H和HMP155是气温传感器。除HMP155是温湿度一体测量传感器，其他都是独立温度测量。检定人员按照《自动气象站温度传感器检定规程》在温度实验室应用ZOGLAB温度自动检定系统对送检传感器进行检定，在对实验条件、设备和检定流程的严格控制下，实验室检定结果的不确定度较小[5，6]。

按照规程要求，此次统计的传感器检定点为-10 ℃、0 ℃、+20 ℃、+50 ℃。在每个温度检定点读数4次，每支传感器在检定过程中将产生16次原始读数。统计分析时，将每1次读数作为1个样本。此次用于统计分析的传感器共1233支，其中WPZ型394支、HYA-T型715支、HYA-T-H型16支、HMP155型108支，对应读数样本分别为6304条、11，440条、256条、1718条。部分样本数不是16的整倍数，是因为某些检定点出现了无读数或缺读数的情况[7-9]。

1.2 统计方法

为了明确传感器的测量性能，文章主要从合格率、误差分布和误差绝对值均值3个特征对样本数据进行统计分析。

1)合格率

根据《检定规程》和《观测指南》，温度传感器的计量性能因用途不同而不同[10]，地温传感器误差不超过±0.3 ℃为合格；气温传感器误差不超过±0.2 ℃为合格。文章中的合格率统计的是传感器的原始读数样本而非传感器检定结果。具体计算方法如公式(1)、(2)所示，结果保留2位小数。

(1)

(2)

式中，QRSi代表i型传感器的合格率；NQSi和NSi代表其读数合格次数和总次数；QRSiTj代表i型传感器在j温度检定点的合格率；NQSiTj和NSiTj代表i型传感器在j温度检定点的读数合格次数和总次数。

2)误差分布

为了考察各型号传感器误差的分布，将传感器按照不同的误差区间对样本进行了统计。误差区间共分为8个，依次为(-∞，-0.3)、[-0.3，-0.2)、[-0.2，-0.1)、[-0.1，0)、[0，+0.1)、[+0.1，+0.2)、[+0.2，+0.3)、[+0.3，+∞)，单位为℃。在不区分温度检定点的情况下，对各传感器读数误差按8个区间计数，再除以总数得到百分比(结果保留2位小数)，将结果绘制成柱状分布图。

3)误差绝对值均值

误差绝对值均值计算如公式(3)所示。

(3)

式中，MESiTj代表传感器温度检定点的误差绝对值均值(结果保留2位小数)；NSiTj代表i型传感器在j温度检定点的读数总次数。为了直观对比，基于各型传感器在各温度检定点的计算结果绘制成柱状散点图。

2 结果分析

2.1 合格率

WPZ、HYA-T、HYA-T-H和HMP155型传感器读数样本合格率分别为98.02%、97.25%、100%和94.07%。文章对各传感器在各温度检定点读数的合格率进行了统计(图1)。其中，HYA-T传感器在所有温度检定点的合格率均达到了100%；其他3种传感器在0 ℃和+20 ℃的合格率明显高于-10 ℃和+50 ℃。日常测量区间主要在0～30 ℃。

图1 各型传感器在各检定点合格率

对于地温传感器，在-10 ℃、0 ℃和+20 ℃ WPZ的合格率都高于HYA-T，而在+50 ℃时，恰恰相反。对于气温传感器，HYA-T-H在-10 ℃、0 ℃、+20 ℃和+50 ℃检定点的合格率均高于HMP155；特别是在-10 ℃和+50 ℃温度检定点，HMP155的合格率远远低于HAY-T-H。HYA-T-H的样本较少，可能合格率100%过于理想，但两类气温传感器的对比趋势应该是合理的。值得注意的是，温湿一体测量的HMP155传感器在-10 ℃和+50 ℃的合格率远远低于其他3种独立测量的传感器，这可能是由独立测量和温湿一体传感器的感温元件和封装结构不同造成的[11，12]。

2.2 误差分布

文章对误差在各温度区间的分布情况进行分析(图2)。各传感器误差在各温度区间分布趋势大致相同，主要集中在-0.2 ～+0.2 ℃，WPZ、HYA-T、HYA-T-H和HMP155误差在此区间的占比分别为94.90%、87.21%、96.09%和75.67%。从误差分布来看，对于地温传感器，WPZ略优于HYA-T；对于气温传感器，HYA-T-H明显优于HMP155；独立测量的WPZ、HYA-T和HYA-T-H优于温湿一体测量的HMP155。

图2 各型传感器在各误差区间分布情况

此外，对误差绝对值超过0.3 ℃的样本进行进一步分析，各传感器误差绝对值在(0.3，0.5]、(0.5，1]、(1，5]和(5，∞)区间的样本占总样本的百分比如表1所示。4种型号传感器在4个区间的分布规律并不一致。为了保证统计结果的全面性，对传感器误差绝对值均值的统计分析考虑了两种情况：一种是保留全样本统计；另一种是将误差绝对值超过0.3 ℃的样本作为异常样本剔除后统计。

表1 误差绝对值超过0.3 ℃的样本分布

2.3 误差绝对值均值

剔除异常样本后，WPZ、HYA-T和HMP155的误差绝对值均值明显降低。除HMP155在-10 ℃温度检定点的误差均值超过了0.1 ℃，其他都在0.1 ℃范围内。从误差绝对值均值来看，对于地温传感器，HYA-T和 WPZ性能差异不大；对于气温传感器，HYA-T-H的性能仍然明显优于HMP155；独立测量的WPZ、HYA-T-H、HYA-T性能明显优于温湿一体的HMP155。

值得注意的是，HMP155在-10 ℃和+50 ℃的误差绝对值均值与其误差均值的绝对值几乎相等。查阅原始数据发现，HMP155样本误差在-10 ℃几乎都为正值，在+50 ℃基本为负值，而其他3种传感器未出现这种情况；可能是因为HMP155响应不够灵敏，存在一定的系统误差。

3 结束语

为了探讨自动气象站温度传感器测量准确性，文章对2019年四川省自动气象站4种型号温度传感器的检定数据进行了统计分析。此次分析涵盖了较全的传感器类型，数据样本也进行了扩展，分析结果可以为自动气象站传感器选型和测评提供依据，这也是对温度传感器检定结果综合应用的一种扩展。四川省完全展开自动气象站传感器实验室检定的时间不长，样本有限，且各型号传感器使用年限也无法确定，结论可能存在一定偏差，未来在数据更完备的情况下，将继续完善此研究。