基于不确定度评定的湿度观测数据质量评估方法研究

陈 平

(北京工商大学，北京 100081)

0 引言

湿度是表征大气干燥程度的物理量。空气湿度是一个无量纲的量，常用%RH表示，用于衡量空气中水汽含量的大小。自动气象站使用的湿度传感器主要有湿敏电容式传感器、标准通风干湿表等。冷镜式露点仪等仪器偶尔也用于气象观测，但由于价格较高，且镜面清洁度维护要求比较复杂，因此较少在自动气象站中使用[1，2]。

空气湿度在大气学、气象学和气候学等许多方面有重要的用途。目前自动气象站湿度传感器主要通过定期的计量检定来保证其数据的准确性，但是计量检定通常是在实验室内相对固定的环境下进行的，现实中的湿度观测主要是在室外复杂环境下开展，可能会受到不同环境因素的影响。因此，分析不同的环境因素对湿度观测数据的影响及其引入的不确定度，对准确评估湿度观测数据的质量具有重要意义[3-7]。

1 湿度观测数据的不确定度评定

1.1 不确定度评定与数学模型的建立

数学建模是开展不确定度评定的前提。为使不确定度评定结果能够真实全面地反映湿度测量数据的准确性，建立的数学模型应该尽可能包含所有影响湿度观测数据的不确定度分量。

湿度传感器观测数据数学模型为：

H=Hc+ΔHτ+ΔHo+ΔHp+ΔHy

(1)

式中，H为湿度观测值(%RH)；Hc为湿度采样值(%RH)；ΔHτ为标准器引入的不确定度值(%RH)；ΔHo为校准时湿度检定箱湿度场的波动度引入的不确定度(%RH)；ΔHp为采集器引入的不确定度值(%RH)；ΔHy为计算机数据处理时的修约引入的不确定度值(%RH)；标准不确定度评定包含的内容以及具体评定流程和方法，可以参见JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》。

1.2 不确定度评定

试验采用两种地面气象观测中常用的湿度传感器作为测试传感器，分别为型号1湿度传感器和型号2湿度传感器；使用数字式标准通风干湿表的测量值作为标准值。数字式标准通风干湿表和测试传感器同步测量，测量间隔为2 min，测量点为30%RH，50%RH，70%RH，90%RH，单点每组测20次。用每个测量点的测试传感器的测量值减去标准通风干湿表的测量值，作为该点的湿度测量误差值，同时计算标准偏差。

1)型号1湿度传感器测量不确定度评估

根据湿度传感器观测数据数学模型，湿度测量结果的不确定度分量主要有湿度标准器修正引入的变化、湿度发生器箱中湿度的均匀性和波动性、数据采集单元的测量误差等。

计算可得型号1湿度传感器的A类标准不确定度uA为0.0474%。

由标准数字式干湿表的技术指标可知，标准数字式干湿表的标准值的测量不确定度为1%。由于测量误差属于均匀分布，则包含因子k=1.732。因此，标准数字式干湿表引入的B类标准不确定度uB1为：

uB1=ΔH1/k=0.577%

(2)

根据湿度检定箱的技术指标可知，其产生的湿度环境的均匀度为1%。由于均匀度引入的测量误差分布属于反正弦分布，因此其包含因子k=1.4。湿度检定箱的均匀性引入的B类标准不确定度uB2为：

uB2=ΔH2/k=0.714%

(3)

试验中数据采集系统湿度测量的最大允许误差为±1%，该不确定度分量属于均匀分布，因此其包含因子k=1.732。由此数据采集系统引入的B类标准不确定度uB3为：

uB3=ΔH3/k=0.577%

(4)

根据数据修约规则，由数据修约引入的最大误差分量为0.05%，该不确定度分量属于均匀分布，因此其包含因子k=1.732。由此数据修约引入的B类标准不确定度uB4为：

uB4=ΔH4/k=0.029%

(5)

综合以上B类标准不确定度分量的评定结果，合成后的B类标准不确定度为：

(6)

合成标准不确定度为：

(7)

扩展不确定度为：

U=2uC=2.172%

(8)

2)型号2湿度传感器测量不确定度评估

湿度观测数据数学模型中列出的不确定度分量主要由湿度标准器、湿度箱、数据采集单元等引入。计算可得型号2湿度传感器A类标准不确定度uA为0.0451%。

根据B类标准不确定度评定结果，B类合成标准不确定度为：

(9)

合成标准不确定度为：

(10)

扩展不确定度为：

U=2uC=2.172%

(11)

湿度传感器的不确定度研究表明：型号1湿度传感器的A类不确定度为0.0474%，B类不确定度为1.085%，合成不确定度为1.086%，扩展不确定度为2.172%；型号2湿度传感器A类不确定度为0.0451%，B类不确定度为1.085%，合成不确定度为1.086%，扩展不确定度为2.172%。

2 结束语

文章通过分析不同环境因素对湿度观测数据的影响及其引入的不确定度，建立湿度观测不确定度评估模型，并进行定量分析，分析结果对准确评估湿度观测数据的质量具有重要意义。