JKZ1-1型電子探空儀基測箱誤差值修正分析

陳龍福 鄭俊錦陳璐艷劉祥金

(1.福建省大氣探測技術(shù)保障中心，福建 福州 350008；2.福建省氣象臺，福建 福州 350001)

1 概述

福建省地處我國東南沿海，山多、地形復(fù)雜，受季風(fēng)環(huán)流影響明顯，強(qiáng)對流天氣、暴雨、臺風(fēng)等氣象自然災(zāi)害頻繁發(fā)生。高空氣象觀測系統(tǒng)作為綜合氣象觀測系統(tǒng)的重要組成部分，在天氣預(yù)報和氣候監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用，其資料不僅要滿足天氣預(yù)報的要求，也要滿足氣候預(yù)報預(yù)測和氣候研究的要求。在研究高空大氣的特性時,了解各種氣象要素隨高度的分布十分重要。各要素隨天氣和季節(jié)變化，各地不同，諸如風(fēng)向風(fēng)速隨高度變化要比溫度、氣壓和濕度復(fù)雜得多。為提升福建省氣象高空探測能力，2020年全省四個高空測風(fēng)站安裝并試運行GPZ2型自動探空系統(tǒng)。JKZ1-1型電子探空儀基測箱是GPZ2型自動探空系統(tǒng)的一部分，是在探空儀(GTS11,GTS12,GTS13)施放前，對探空儀的溫度、濕度、大氣壓力傳感器基值測定，電池賦能的檢測；對地面基值的測定，就是為了消除或減少由于探空儀基點改變所造成的測量誤差，避免該誤差直接影響實際探測的結(jié)果。符合要求的基測箱用于探空氣球施放前對數(shù)字探空儀的溫度、濕度、氣壓地面基值測定，確定探空儀是否符合施放要求。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

JKZ1型電子探空儀基測箱主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 JKZ1型電子探空儀基測箱技術(shù)指標(biāo)

3 組成結(jié)構(gòu)與功能

3.1 組成結(jié)構(gòu)

基測箱由標(biāo)準(zhǔn)器單元、數(shù)據(jù)采集控制單元、智能顯示終端單元(包含修正參數(shù))、數(shù)據(jù)傳輸電路單元、供電單元及檢測室(含承裝飽和鹽溶液托盤)組成；標(biāo)準(zhǔn)器由通風(fēng)干濕球溫度表(PTB100鉑電阻溫度傳感器)、氣壓傳感器、濕敏電容傳感器等組成?；鶞y箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有檢測室、濕度零點檢測室、采集控制單元，基測箱原理框圖如圖1所示。

圖1 JKZ1-1型電子探空儀基測箱原理

3.2 功能

智能顯示終端可顯示基測箱標(biāo)準(zhǔn)器采集自測試室的溫度、相對濕度、零點濕度、大氣壓力；網(wǎng)絡(luò)和串口數(shù)據(jù)端口可通過無線或有線通信方式，向上位機(jī)輸出基測箱的標(biāo)準(zhǔn)測量值，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置；顯示為探空儀供電電壓(可調(diào))和探空儀鎂電池賦能電壓；在檢定基測箱過程中，各檢定點干濕球溫度、濕度參數(shù)、氣壓示值誤差可通過智能顯示屏進(jìn)行修正。

4 檢定與誤差分析

4.1 標(biāo)準(zhǔn)器、標(biāo)準(zhǔn)裝置

JKZ1-1型電子探空儀基測箱測溫采用鉑電阻溫度傳感器，測壓傳感器則是PTB 210傳感器，與現(xiàn)用自動氣象站的傳感器相同，因此這兩個要素傳感器檢定可依托3MS省級氣象計量檢定業(yè)務(wù)系統(tǒng)。將基測箱的溫度傳感器抽出，放入可調(diào)控溫度變化的液體恒溫槽中，用溫度檢定平臺檢定干濕球溫濕度表，在0～40℃范圍內(nèi)每10℃點檢定一次，得出各檢定點的誤差值；檢定氣壓則是將平臺上通氣管與基測箱的氣壓傳感器的氣嘴連接，用3MS的氣壓傳感器檢定單元檢定基測箱的氣壓傳感器。根據(jù)福建探空站點分布情況，檢定范圍為920～1040 hPa,每間隔30hPa為一個檢定點，按正反行程(高壓到低壓或低壓到高壓)檢定，計算得出各檢定點正反行程誤差值。溫度、氣壓經(jīng)檢定和誤差修正后才能濕度檢定，濕度檢定后不可進(jìn)行溫度和氣壓誤差修正?；鶞y箱測濕采用世界氣象組織推薦的精度(可達(dá)±2%RH)較高的干濕表法，檢定時把整個測濕裝置從基測箱移至濕度檢定箱(C4-340X型)并固定于中間位置，濕度檢定設(shè)置點為33%RH、75%RH、95%RH；基測箱檢定、誤差值修正流程如圖2所示。

圖2 JKZ1-1型電子探空儀基測箱誤差修正流程圖

4.2 誤差修正方法

4.2.1 計量檢定員權(quán)限的誤差修正

基測箱送到實驗室檢定、校準(zhǔn)，誤差修正直接在基測箱智能顯示屏上進(jìn)行。由于基測箱測濕原理是干濕表法[1]，干濕表法的濕球溫度變化對濕度測量結(jié)果影響很大，濕球溫度0.1 ℃變化，影響濕度測量結(jié)果1%RH，所以須先進(jìn)行溫度或氣壓要素的檢定，計算得出溫度、氣壓要素誤差值，然后在基測箱的智能顯示終端單元，通過管理權(quán)限進(jìn)行干濕球溫度誤差值[2-5]和氣壓誤差值修正[6]，修正值以同向(同為正誤差或同為負(fù)誤差)最小絕對值全量程進(jìn)行修正，如果無法取得最小修正值，就不必進(jìn)行修正；接下來進(jìn)行濕度校準(zhǔn)，誤差修正(方法與溫度、氣壓一樣)，濕度經(jīng)智能顯示修正后必須再校準(zhǔn)一次，得出各校準(zhǔn)點的誤差值，并出具校準(zhǔn)證書。

4.2.2 探空站探測人員地面基測時修正

基測箱檢定完成后成為標(biāo)準(zhǔn)器，且只能根據(jù)計量檢定所出具的校準(zhǔn)證書上的濕度誤差值進(jìn)行修正，不能在基測箱操作，相當(dāng)于補(bǔ)充修正。具體操作是：讀取基測箱的濕度值減去證書上濕度誤差值，作為濕度標(biāo)準(zhǔn)值，有了濕度標(biāo)準(zhǔn)，就可以判定探空儀是否符合施放要求。

4.3 實例驗證

根據(jù)目前探空儀生產(chǎn)工藝水平和基測箱指標(biāo)要求，探空儀地面基測值不合格集中在濕度傳感器，探空儀濕度傳感器不合格平均每月1臺，而探空儀氣壓傳感器不合格幾乎為0?；鶞y箱誤差值修正情況會對探空儀探測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大影響，以2020年1～5月福建省氣象臺探空站施放探空儀合格情況進(jìn)行統(tǒng)計，將施放前探空儀通過JKZ1-1型基測箱進(jìn)行檢定，探空儀各要素檢定誤差數(shù)量統(tǒng)計如表2所示。

表2 2020年1～5月探空儀各要素誤差值的數(shù)量

通過表2分析可得出，在基測箱濕度檢定之前已進(jìn)行溫度、氣壓誤差值修正，基測箱濕度檢定后，濕度誤差值為-1%RH沒進(jìn)行修正，按JKZ1-1型基測箱技術(shù)指標(biāo)要求，濕度誤差值在±2%RH以內(nèi)就可投入業(yè)務(wù)使用，將有98臺原屬于不合格的探空儀被判定為合格產(chǎn)品投入業(yè)務(wù)使用，從而影響探空濕度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確；如果基測箱濕度誤差值儀為+1%RH沒進(jìn)行修正，會將98臺本該合格的探空儀判定為不合格；如果基測箱濕度2%RH的誤差值沒修正，將影響32臺探空儀被判定為不合格。所以，基測箱雖經(jīng)檢定校準(zhǔn)合格，最后環(huán)節(jié)濕度誤差修正正確與否，將直接影響探空數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與探空儀產(chǎn)品的合理使用。

5 結(jié)束語

空中溫度、氣壓和濕度的探測，主要是用氣球攜帶探空儀直接測量，再利用無線電工作方式向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)。由于探空儀在施放過程中，探空所處的環(huán)境比地面惡劣，而且是一次性使用，施放后無法人工控制，所以在施放前一定要保證探空儀準(zhǔn)確可靠。基測箱作為探空儀地面基值測定的標(biāo)準(zhǔn)，按標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞的要求，其地面基值的測定屬于校準(zhǔn)性質(zhì)。在基測箱檢定過程中，檢定、誤差修正順序要正確，否則會造成合格的探空儀被判不合格而作報廢處理，或?qū)⒉缓细竦奶娇諆x誤判為合格，以致造成更大的錯誤。