地市级移动校准系统计量比对实践与研究

韩玉婷，宋 媛，汪 鑫，吴丽娜，黄 蕊，雷晓妹，第五朋朋

(甘肃省气象信息与技术装备保障中心，兰州730020)

0 引言

实验室比对能考察测量量值和出具测量结果准确一致的程度；比对的结果可作为各种认证、认可和考核的评审证据及实验室能力的有效证明[1]。近年全国各级计量单位都在进行国内或国外的计量比对工作，确保了量值传递的准确、可靠、一致。党选发[2，3]等对气象计量检定实验室量值比对工作进行了探讨，2011年组织了西北区域气象计量检定实验室量值比对工作，比对成果得到各方专家的认可。2014年宁夏气象计量检定所作为主导实验室组织西北区域开展了自动气象站温度、湿度、气压3个要素的量值比对工作[4]。实验室计量比对已日趋成熟。

地市级移动校准系统是地市级气象部门对自动气象站开展校准、核查等业务活动的装备保障系统，包括用于计量自动气象站温度、湿度、气压、雨量、风向、风速共6个要素传感器的标准器及配套设备。目前全国340个地市级气象部门均已配备移动校准系统并在业务中使用。由于移动校准系统中的风速、风向和雨量3要素的标准器及配套设备目前无法实现量值溯源，无法确认其性能是否符合校准要求，同时无法识别现场校准时人员、设备、技术等方面存在的问题，故无法确保现场校准工作的准确、可靠和一致。

为解决上述问题，陈城[5]等针对区域自动气象站校准提出对移动气象标准设备进行计量比对，并对比对方式和比对结果的评价方法进行了初步探讨；部分研究[6-8]在自动气象站风速、风向、雨量传感器示值误差的不确定度分析评定方面进行了论述，有利于比对结果的分析。在此基础上，2020年甘肃省气象计量检定站作为主导实验室组织开展了甘肃省14个地市级移动校准系统计量比对工作，此次比对采用归一化偏差算法对结果进行总结分析，并提出了改进建议。文章通过介绍比对试验、数据处理方法及深入分析比对结果，为进一步提高地市级移动校准系统的计量研究水平提供参考。

1 比对试验

1.1 比对成员

按照JJF 1117《计量比对》技术规范要求确定主导实验室和参比单位。

主导实验室：甘肃省气象计量检定站。

参比单位：甘南、临夏、陇南、庆阳、定西、平凉、天水、武威、张掖、嘉峪关、酒泉、兰州、白银市州局保障中心及甘肃省气象信息与技术装备保障中心探测保障室共14个移动校准系统。为方便分析，文章以编号(1#～14#)表示各参比单位。

1.2 比对路线

文章采用圆环形线路和固定地点比对方式进行比对。比对样品传递路线如图1所示。比对样品首先经主导实验室检定后，按各参比单位代码顺序进行循环比对实验，然后将比对样品返回主导实验室进行复检。

图1 比对传递路线

1.3 比对项目

包括风速、风向、雨量3个项目。

1.4 比对样品

因地市级移动校准系统只适用于自动气象站传感器的现场校准、核查，故比对样品选用自动气象站的传感器，由主导实验室提供。在选择比对样品时，由主导实验室开展前期实验，用各计量标准装置对比对样品连续4个月每月进行1次示值误差的稳定性试验，每次试验测量值与上一次测量值的最大差值均不可超过比对样品最大允许误差的1/2，最终确定的比对样品信息如表1所示。

表1 比对样品信息

1.5 比对设备

风速比对设备采用中环天仪(天津)气象仪器有限公司生产的启动风速校验仪和风速校验仪，风向比对设备采用中环天仪(天津)气象仪器有限公司生产的风向校验仪，雨量比对设备采用福建省风光物资技术开发公司生产的雨量校准仪。因地市级移动校准系统配备批次不同，比对设备型号略有差别。

1.6 比对方法

依据中国气象局监测网络司制定的《自动气象站现场校准方法(试行)》进行。

风速比对点的选择为：2 m/s、5 m/s、10 m/s、20 m/s、30 m/s；连续测量6次启动风速，风速示值在每个校准点上连续测量4次。

风向比对点的选择为：0°、28°、90°、180°、239°、267°。

雨量比对点的选择为：雨量：10 mm；降水强度：1 mm/min、4 mm/min。每个校准点上，均连续测量3次。

2 试验数据处理方法

2.1 参考值的确定

以主导实验室首末2次检定数据平均值作为参考值。

2.2 比对结果的评价原则

根据量值比对通用能力验证评价原则中归一化偏差值En进行评价，归一化偏差公式：

(1)

比对结果的判据：|En|≤1，则表示该参比移动校准系统在该校准点的校准结果满意；|En|>1，则表示该参比移动校准系统在该校准点的校准结果不满意。

3 比对结果分析

受校准环境、设备及人员等因素影响，比对时比对点不能完全控制在某个固定数值，为保证比对结果的可靠性，文章仅依据每个比对点的示值误差进行分析和判定。

3.1 比对样品稳定性分析

按照比对样品传递路线要求，比对样品由主导实验室进行初检和复检。为确保比对结果的准确可靠，主导单位对比对样品的初检与复检结果进行了分析，6支传感器的复检示值误差与初检示值误差之差的绝对值均小于传感器的最大允许误差，证明比对样品在比对期间均稳定可靠。

3.2 风速比对数据分析

利用各参比单位试验数据、参考值及扩展不确定度，通过式(1)计算得出各参比单位风速校准装置的归一化偏差值En。

各参比单位的风速示值误差均在传感器最大允许误差范围内，且各比对数据接近，参比单位的示值误差与参考值的示值误差最大差值的绝对值≤0.2 m/s。因主导实验室的风速检定装置准确度远优于各参比单位的现场校准装置，且现场校准时环境条件恶劣，对校准结果会产生一定的影响，理论上实验室检定结果(即参考值)的不确定度应小于现场校准结果的不确定度，以此进行不确定度验证，各参比单位给出的不确定度均合理。

3.3 风向比对数据分析

利用各参比单位试验数据、参考值及扩展不确定度，通过式(1)计算得出各参比单位风向校准装置的归一化偏差值En。

各参比单位的风向示值误差均在传感器最大允许误差范围内，但参比单位6#在180°点的示值误差为-4°，接近最大允许误差临界值，且各比对数据相差较大，参比单位4#在90°点和1#、7#在239°点与参考值的示值误差相差较大(即4°)。因主导实验室使用的风向检定设备(自动)与各参比单位使用的校准设备(手动)相接近，准确度等级一致，故在不考虑环境条件影响时实验室检定结果(即参考值)的不确定度应与现场校准结果的不确定度相近或一致，且郑亮[9]等对风向现场校准3点测量不确定度评定的结果为1.9°，由此说明各参比单位给出的不确定度均合理。

风向现场校准使用的标准仪器为风向校验仪，以其刻度值作为标准值，校准时风向传感器的风向杆固定在定位叉内，手动转动风向杆，风向标通过同步机构与风向校验仪的指针保持同步，风向校验仪经光电转换电路输出相应的电信号，在显示器上显示风向传感器格雷码。因在手动转动风向杆，通过肉眼使风向校验仪的指针对准刻度盘上校准点时有偏离，导致随机误差偏大，严重影响校准结果的准确性[10]。

3.4 雨量比对数据分析

利用各参比单位试验数据、参考值及扩展不确定度，通过式(1)计算得出各参比单位雨量校准装置的归一化偏差值En。

参比单位14#在雨强1 mm/min时示值误差超出传感器最大允许误差，其余参比单位的雨量示值误差均在传感器最大允许误差范围内，但参比单位1#在雨强1 mm/min时示值误差为0.3 mm，到达最大允许误差临界值。对所有比对数据进行分析，参比单位1#和14#在雨强1 mm/min时偏离较大，2#和10#在雨强4 mm/min时偏离较大。因主导实验室的雨量检定装置准确度优于各参比单位的现场校准装置，且实际操作中人为影响因素较少，理论上实验室检定结果(即参考值)的不确定度应小于现场校准结果的不确定度，而各参比单位给出的不确定度与参考值的不确定度一致，表明各参比单位评定的不确定度偏小。

4 结束语

此次比对是针对现场校准工作开展的，因现场校准时环境条件恶劣，不易控制，故在开展此项比对工作前甘肃省气象计量检定站进行了详细的策划和安排，使比对过程规范，比对方法较合理，比对数据真实、可信，较为客观地反映了14个移动校准系统的测量能力、校准人员的技术水平以及标准设备的现状，有效识别出了各参比单位存在的不足和改进方向，为今后进一步加强地市级移动校准系统能力建设，加快气象现代化建设步伐，改进质量管理体系，加强人员技术培训等提供了依据。