自动气象站温度观测数据不确定度分析方法研究

陈 平

(北京工商大学，北京 100081)

0 引言

气温是表示空气冷热程度的物理量。气温观测数据可以表征一个地方的热状况特征，在科学研究、天气预报、经济建设、社会生活、防灾减灾、国防等应用上都具有重要作用[1]。

自动气象站的温度观测是集温度传感器、数据采集器、数据处理为一体的综合自动观测系统。目前自动气象站温度计技术指标的检测通常是在实验室特定环境状态下开展的，但由于真实观测中存在各种不同的影响因素，会给温度观测引入附加的测量不确定度[2-4]。文章首先建立温度观测不确定度评估模型，分析影响温度观测的各种可能因素，然后针对自动气象站温度观测数据进行定量分析。

1 温度观测数据不确定度评定

1.1 温度观测不确定度数学模型的建立

为了进行温度传感器观测数据的不确定评定，考虑影响温度观测的因素，首先建立数学模型：

T=Tc+ΔTτ+ΔTo+ΔTy+ΔTs

(1)

式中，T为温度观测值(℃)；Tc为温度采样值(℃)；ΔTτ为标准器引入的不确定度值(℃)；ΔTo为校准时温度波动性产生的不确定度值(℃)；ΔTy为采集器产生的不确定度值(℃)；ΔTs为年稳定产生的不确定度值(℃)。

由于公式中所有变量都是通过独立的方法观测或者计算得到的，因此所有变量之间是相互独立的。

1.2 不确定度评定

温度传感器测试系统包括型号A和型号B的自校式铂电阻数字式测温仪、WLR-60D温度检定槽、JJQ1型信号模拟采集器和计算机。标准器为RCY-1铂电阻数字测温仪，测量范围：-60～+100 ℃，测量不确定度0.03 ℃。依据自动气象站检定方法，选取-30 ℃、-10 ℃、0 ℃、30 ℃、40 ℃、60 ℃作为检定点，分别计算型号A和型号B温度传感器各检定点测量误差的算术平均值的标准偏差。

1)型号A测量不确定度评估

根据型号A温度传感器各检定点测量误差的算术平均值的标准偏差得出A类标准不确定度uA=0.015 ℃。

标准器的测量误差对测量结果引起的不确定度uB1=0.017 ℃。温度检定槽的不均匀性引起的标准不确定度uB2=ΔC2/1.4=0.007 ℃。

采集器采用信号模拟器对气象要素传感器进行检验，在80～140 Ω(-60～80 ℃)，信号模拟器在采集时满量程内最大误差为0.03 ℃，取包含因子k=1.732，则由采集器模拟器引起的标准不确定度uB3=ΔC3/k=0.017 ℃。

温度传感器的年稳定性是指传感器在1 a内，其性能保持不变的能力。铂电阻温度传感器的稳定性技术指标为小于±0.01 ℃，其对应的标准不确定度为：

(2)

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0.026 ℃。

型号A温度传感器合成标准不确定度为：

(3)

扩展不确定度：U=2uC=0.060 ℃

2)型号B温度传感器测量不确定度评估

型号B温度传感器各检定点测量误差的算术平均值的标准偏差作为A类标准不确定度uA。

型号B的B类标准不确定度的计算方法与型号A的计算方法类似，根据型号B的B类标准不确定度评定结果，B类合成标准不确定度为：

(4)

合成标准不确定度为：

(5)

扩展不确定度为：

U=2uC=0.068 ℃

(6)

温度传感器的不确定度研究表明：自动气象站所配备的型号A温度传感器的不确定度为0.060 ℃；自动气象站所配备的型号B温度传感器的不确定度为0.068 ℃。

2 结束语

温度观测数据广泛应用于社会生活的各方面，目前自动气象站温度计的检测通常是在实验室标准环境条件下开展的，校准证书上通常会给出此次校准结果的不确定度。但是由于真实观测中存在各种影响因素，会给温度观测引入附加的测量不确定度。文章从整体上分析影响自动气象站观测的各种可能因素，并建立不确定度数学模型，然后对自动气象站温度观测数据进行了不确定度评估。通过对自动气象站温度观测数据的不确定度评估，可以有效保证温度观测资料的可比性、准确性和一致性。