JKZ1-1型电子探空仪基测箱误差值修正分析

陈龙福 郑俊锦陈璐艳刘祥金

(1.福建省大气探测技术保障中心，福建 福州 350008；2.福建省气象台，福建 福州 350001)

1 概述

福建省地处我国东南沿海，山多、地形复杂，受季风环流影响明显，强对流天气、暴雨、台风等气象自然灾害频繁发生。高空气象观测系统作为综合气象观测系统的重要组成部分，在天气预报和气候监测中发挥着重要作用，其资料不仅要满足天气预报的要求，也要满足气候预报预测和气候研究的要求。在研究高空大气的特性时,了解各种气象要素随高度的分布十分重要。各要素随天气和季节变化，各地不同，诸如风向风速随高度变化要比温度、气压和湿度复杂得多。为提升福建省气象高空探测能力，2020年全省四个高空测风站安装并试运行GPZ2型自动探空系统。JKZ1-1型电子探空仪基测箱是GPZ2型自动探空系统的一部分，是在探空仪(GTS11,GTS12,GTS13)施放前，对探空仪的温度、湿度、大气压力传感器基值测定，电池赋能的检测；对地面基值的测定，就是为了消除或减少由于探空仪基点改变所造成的测量误差，避免该误差直接影响实际探测的结果。符合要求的基测箱用于探空气球施放前对数字探空仪的温度、湿度、气压地面基值测定，确定探空仪是否符合施放要求。

2 主要技术指标

JKZ1型电子探空仪基测箱主要技术指标如表1所示。

表1 JKZ1型电子探空仪基测箱技术指标

3 组成结构与功能

3.1 组成结构

基测箱由标准器单元、数据采集控制单元、智能显示终端单元(包含修正参数)、数据传输电路单元、供电单元及检测室(含承装饱和盐溶液托盘)组成；标准器由通风干湿球温度表(PTB100铂电阻温度传感器)、气压传感器、湿敏电容传感器等组成。基测箱内部结构主要有检测室、湿度零点检测室、采集控制单元，基测箱原理框图如图1所示。

图1 JKZ1-1型电子探空仪基测箱原理

3.2 功能

智能显示终端可显示基测箱标准器采集自测试室的温度、相对湿度、零点湿度、大气压力；网络和串口数据端口可通过无线或有线通信方式，向上位机输出基测箱的标准测量值，进行相关参数设置；显示为探空仪供电电压(可调)和探空仪镁电池赋能电压；在检定基测箱过程中，各检定点干湿球温度、湿度参数、气压示值误差可通过智能显示屏进行修正。

4 检定与误差分析

4.1 标准器、标准装置

JKZ1-1型电子探空仪基测箱测温采用铂电阻温度传感器，测压传感器则是PTB 210传感器，与现用自动气象站的传感器相同，因此这两个要素传感器检定可依托3MS省级气象计量检定业务系统。将基测箱的温度传感器抽出，放入可调控温度变化的液体恒温槽中，用温度检定平台检定干湿球温湿度表，在0～40℃范围内每10℃点检定一次，得出各检定点的误差值；检定气压则是将平台上通气管与基测箱的气压传感器的气嘴连接，用3MS的气压传感器检定单元检定基测箱的气压传感器。根据福建探空站点分布情况，检定范围为920～1040 hPa,每间隔30hPa为一个检定点，按正反行程(高压到低压或低压到高压)检定，计算得出各检定点正反行程误差值。温度、气压经检定和误差修正后才能湿度检定，湿度检定后不可进行温度和气压误差修正。基测箱测湿采用世界气象组织推荐的精度(可达±2%RH)较高的干湿表法，检定时把整个测湿装置从基测箱移至湿度检定箱(C4-340X型)并固定于中间位置，湿度检定设置点为33%RH、75%RH、95%RH；基测箱检定、误差值修正流程如图2所示。

图2 JKZ1-1型电子探空仪基测箱误差修正流程图

4.2 误差修正方法

4.2.1 计量检定员权限的误差修正

基测箱送到实验室检定、校准，误差修正直接在基测箱智能显示屏上进行。由于基测箱测湿原理是干湿表法[1]，干湿表法的湿球温度变化对湿度测量结果影响很大，湿球温度0.1 ℃变化，影响湿度测量结果1%RH，所以须先进行温度或气压要素的检定，计算得出温度、气压要素误差值，然后在基测箱的智能显示终端单元，通过管理权限进行干湿球温度误差值[2-5]和气压误差值修正[6]，修正值以同向(同为正误差或同为负误差)最小绝对值全量程进行修正，如果无法取得最小修正值，就不必进行修正；接下来进行湿度校准，误差修正(方法与温度、气压一样)，湿度经智能显示修正后必须再校准一次，得出各校准点的误差值，并出具校准证书。

4.2.2 探空站探测人员地面基测时修正

基测箱检定完成后成为标准器，且只能根据计量检定所出具的校准证书上的湿度误差值进行修正，不能在基测箱操作，相当于补充修正。具体操作是：读取基测箱的湿度值减去证书上湿度误差值，作为湿度标准值，有了湿度标准，就可以判定探空仪是否符合施放要求。

4.3 实例验证

根据目前探空仪生产工艺水平和基测箱指标要求，探空仪地面基测值不合格集中在湿度传感器，探空仪湿度传感器不合格平均每月1台，而探空仪气压传感器不合格几乎为0。基测箱误差值修正情况会对探空仪探测数据准确性产生较大影响，以2020年1～5月福建省气象台探空站施放探空仪合格情况进行统计，将施放前探空仪通过JKZ1-1型基测箱进行检定，探空仪各要素检定误差数量统计如表2所示。

表2 2020年1～5月探空仪各要素误差值的数量

通过表2分析可得出，在基测箱湿度检定之前已进行温度、气压误差值修正，基测箱湿度检定后，湿度误差值为-1%RH没进行修正，按JKZ1-1型基测箱技术指标要求，湿度误差值在±2%RH以内就可投入业务使用，将有98台原属于不合格的探空仪被判定为合格产品投入业务使用，从而影响探空湿度数据的准确；如果基测箱湿度误差值仪为+1%RH没进行修正，会将98台本该合格的探空仪判定为不合格；如果基测箱湿度2%RH的误差值没修正，将影响32台探空仪被判定为不合格。所以，基测箱虽经检定校准合格，最后环节湿度误差修正正确与否，将直接影响探空数据的准确与探空仪产品的合理使用。

5 结束语

空中温度、气压和湿度的探测，主要是用气球携带探空仪直接测量，再利用无线电工作方式向地面传输数据。由于探空仪在施放过程中，探空所处的环境比地面恶劣，而且是一次性使用，施放后无法人工控制，所以在施放前一定要保证探空仪准确可靠。基测箱作为探空仪地面基值测定的标准，按标准量值传递的要求，其地面基值的测定属于校准性质。在基测箱检定过程中，检定、误差修正顺序要正确，否则会造成合格的探空仪被判不合格而作报废处理，或将不合格的探空仪误判为合格，以致造成更大的错误。