1 引言

        氣象災(zāi)害是嚴(yán)重威脅人民生命財產(chǎn)安全的自然災(zāi)害。一次災(zāi)害所造成的損失往往達(dá)到幾十億，甚至上百億元，對災(zāi)區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生致命性的打擊。氣象業(yè)務(wù)工作水平的提高，是減災(zāi)、防災(zāi)的有效手段。

　　探測資料的質(zhì)量對于氣象業(yè)務(wù)和科研工作具有重要影響。一方面表現(xiàn)在高質(zhì)量的氣象產(chǎn)品來源于高質(zhì)量的探測數(shù)據(jù)，另一方面表現(xiàn)在對于探測數(shù)據(jù)質(zhì)量的準(zhǔn)確評估是開展氣象產(chǎn)品可靠性評估的基礎(chǔ)因素之一。

　　探測儀器的探測性能是決定探測數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，對探測儀器的探測性能進(jìn)行準(zhǔn)確評估也是準(zhǔn)確評估探測數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵手段。檢定、校準(zhǔn)、考核是當(dāng)前氣象系統(tǒng)開展探測儀器的探測性能保證與評估工作的主要技術(shù)手段。從長期的實(shí)踐來看，這些技術(shù)手段受到技術(shù)條件的限制，存在著一些突出的問題。

　　首先，對儀器在綜合條件下的探測性能掌握不全面，造成探測性能評估的片面性。

　　長期以來，在網(wǎng)探測儀器的性能主要依靠在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下的校準(zhǔn)和檢定來進(jìn)行判斷。在這個過程中，對各種環(huán)境影響參量進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。這就造成了實(shí)驗(yàn)條件與探測儀器的實(shí)際工作條件出現(xiàn)了極大的差異。對于儀器的使用環(huán)境-真實(shí)大氣-中的溫度、濕度、大氣壓力等參量的交互變化對其探測性能造成的影響基本忽略，從而造成業(yè)務(wù)狀態(tài)下的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量在很大程度上存在著不確定性。

　　表1是某計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)使用雙流法濕度發(fā)生器對10支濕度傳感器進(jìn)行的測試數(shù)據(jù)。其中00號為某國際公認(rèn)品質(zhì)突出的進(jìn)口品牌傳感器，其他為國產(chǎn)傳感器?？梢?，即使是00號傳感器，其溫度在-30℃時的性能與20℃時的性能也存在明顯偏差。因此，如果僅以20℃時的測試結(jié)果來對傳感器的探測性能進(jìn)行評估，其結(jié)果具有嚴(yán)重的片面性。
 

表1 濕度傳感器樣品測量誤差測試數(shù)據(jù)

　　其次，部分測試手段難以適應(yīng)新型探測儀器的探測性能評估，給評估結(jié)果帶來不確定性。

　　以溫度探測儀器探測性能評估為例。由于空氣介質(zhì)溫度箱波動大，均勻性差，因此當(dāng)前在測試中普遍使用液體溫度槽作為溫度場控制設(shè)備。液體溫度槽對于玻璃溫度表這類無源驅(qū)動探測儀器具有良好技術(shù)適應(yīng)性。但是，對于目前數(shù)量不斷擴(kuò)大的鉑電阻式測溫儀器，則由于傳感器在液體介質(zhì)與空氣介質(zhì)中功率耗散情況的差異有可能給探測性能評估帶來一個附加的誤差。如果不采取技術(shù)手段進(jìn)行確定，將給評估結(jié)果帶來不可控制的不確定性。

　　第三、擬布網(wǎng)設(shè)備的考核手段能力不足，考核周期長，結(jié)果具有較強(qiáng)的偶然性，對氣象業(yè)務(wù)造成的影響深遠(yuǎn)。
　
　　隨著氣象服務(wù)領(lǐng)域的不斷拓展和發(fā)展，大量的新設(shè)備將進(jìn)入觀測網(wǎng)絡(luò)。對于這些設(shè)備的業(yè)務(wù)性能考核，是設(shè)備選型階段的必須工作。目前由于缺少實(shí)驗(yàn)手段，如何準(zhǔn)確的評價儀器在縱跨全國的不同氣候條件下的性能，是一個困擾選型工作的難題。采取選取個別臺站進(jìn)行現(xiàn)場考核的方式，不但試驗(yàn)周期長，而且由于樣本數(shù)量較少，試驗(yàn)結(jié)果也存在著較大的偶然性。

　　上述問題的存在，嚴(yán)重制約了氣象探測網(wǎng)的快速發(fā)展，影響了GCOS系統(tǒng)觀測結(jié)果的可靠性，限制了氣象產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

　　為解決以上問題，2007年財政部批準(zhǔn)了中國氣象局大氣探測技術(shù)中心申報的公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目“氣候觀測綜合計(jì)量檢定技術(shù)研究”，擬通過研制溫度、濕度、大氣壓力、太陽輻射四參量綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)，模擬大氣環(huán)境狀態(tài)及其變化，建立科學(xué)、合理、充分的氣象儀器測量性能評估手段。

2 功能范圍分析

　　探測儀器的計(jì)量檢定、測量性能考核是保證和評估探測儀器探測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的重要手段。

　　就這兩項(xiàng)活動本身來講，其獲取結(jié)果的可靠性在很大程度上依賴于其過程的科學(xué)性。因此，對于開展計(jì)量檢定、測量性能考核工作所遵從的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和方法開展研究，也是保證探測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的重要工作。

　　因此，本系統(tǒng)的功能范圍應(yīng)包括計(jì)量檢定、考核試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方法的制定。同時，考慮對氣象儀器技術(shù)的推動和科學(xué)研究的支撐的需要，產(chǎn)品研發(fā)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)也應(yīng)納入其功能范圍。

　　具體的功能范圍如圖1所示。
 

圖1 氣候觀測綜合計(jì)量檢定系統(tǒng)功能范圍[1]

3 功能需求分析

　　當(dāng)前，中國氣象探測網(wǎng)的主要觀測設(shè)備有兩類，一是以自動氣象站為代表的地面觀測設(shè)備，一是以探空儀為代表的探空設(shè)備。因此，在系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，工作狀態(tài)分析主要以以上兩類設(shè)備檢定、考核工作的需求為出發(fā)點(diǎn)。

3.1 計(jì)量檢定工作狀態(tài)

　　探空儀由于其一次性使用和時間漂移特性較大的特點(diǎn)，不適合進(jìn)行計(jì)量檢定。因此，系統(tǒng)的檢定工作狀態(tài)主要針對以自動氣象站為代表的地面觀測設(shè)備。

　　自動氣象站的觀測參量包括空氣溫度、地表溫度、淺層地表溫、深層地表溫、濕度、大氣壓力和太陽輻射[2]。其中，空氣溫度、地表溫度、淺層地表溫和深層地表溫的測量原理相同，可以歸并為溫度測量。由于人造太陽模擬器在光譜范圍和光譜分布上無法實(shí)現(xiàn)對太陽光線的真實(shí)模擬，因此，測量參量為大氣壓力，濕度、溫度。

　　由于檢定工作是在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，現(xiàn)場環(huán)境簡單，可以通過實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件控制完成，不需在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中加以考慮。

　　由此，確定檢定工作狀態(tài)下系統(tǒng)的輸出組合如表2所示。
 

表2 檢定狀態(tài)下系統(tǒng)輸出狀態(tài)組合[1]

3.2 試驗(yàn)考核工作狀態(tài)

　　試驗(yàn)考核包括對于自動氣象站的試驗(yàn)考核和探空儀器的試驗(yàn)考核。

　　在自動氣象站的四個觀測參量中，環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和大氣壓力的變化均有可能對自動氣象站的觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。盡管從理論上講，環(huán)境太陽輻射的變化也有可能對其它量的觀測造成影響，但是，考慮到對于地面觀測設(shè)備，無論是溫度、濕度還是氣壓測量，均非暴露在太陽輻射之下工作，而太陽輻射的引入，對于場的控制將帶來較大的影響，大幅度增加了研究和設(shè)計(jì)的技術(shù)風(fēng)險，完全沒有必要。因此，在輸出狀態(tài)組合中，太陽輻射不必作為環(huán)境參量引入。

　　探空儀的考核狀態(tài)與地面儀器的考核狀態(tài)基本一致，所不同的是探空儀不對太陽輻射參量進(jìn)行觀測[3]。

　　由此，確定試驗(yàn)考核狀態(tài)下系統(tǒng)的輸出組合如表3所示。

表3 儀器考核狀態(tài)下輸出狀態(tài)組合[1]

4 技術(shù)指標(biāo)的確定

　　氣候觀測綜合計(jì)量檢定系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜。在技術(shù)指標(biāo)的確定上，需要兼顧業(yè)務(wù)需求和技術(shù)可行性兩個方面。既要避免由于技術(shù)指標(biāo)過低造成難以滿足工作需要，又要避免技術(shù)指標(biāo)過高造成資源浪費(fèi)和研究經(jīng)費(fèi)需求過于龐大，更為重要的是要避免由于當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平的不足造成研究工作的失敗。

　　第三章所確定的三種工作狀態(tài)對于技術(shù)指標(biāo)的要求具有很大的不同。在地面觀測儀器的量程范圍內(nèi)，對于地面儀器的檢定，系統(tǒng)需要能夠輸出高指標(biāo)的大氣壓力、溫度、濕度量值。對于地面儀器的考核，系統(tǒng)需要在輸出某一參量高指標(biāo)量值的同時，同時輸出兩個或三個環(huán)境參量。在探空儀的考核工作狀態(tài)下，對于所要考核的參量和環(huán)境參量的不確定度指標(biāo)相對于地面儀器較低，但是量程范圍大幅增加。

　　在當(dāng)前的技術(shù)水平下，同時實(shí)現(xiàn)量程范圍的最大化和技術(shù)指標(biāo)的最優(yōu)化，存在非常大的技術(shù)風(fēng)險，在技術(shù)可行性上存在著極大的不確定性。因此，必須針對不同的工作狀態(tài)分別提出技術(shù)指標(biāo)，即可以滿足業(yè)務(wù)科研工作的需要，又可以有效降低系統(tǒng)研究、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的難度。

　　在設(shè)計(jì)中，以計(jì)量檢定狀態(tài)下輸出的參量和考核狀態(tài)下所考核的測量參量為主測參量，以考核狀態(tài)下對主測參量的測量施加影響的輸出參量為環(huán)境參量，分別確定了量程范圍和不確定度指標(biāo)。
 
　　主測參量量程范圍覆蓋觀測儀器的量程范圍，環(huán)境參量的量程范圍覆蓋儀器的使用環(huán)境范圍。對于自動氣象站和探空儀來講，儀器對于環(huán)境參量的測量范圍就是儀器在該參量中的使用范圍；

　　主測參量的不確定度指標(biāo)首先按其不確定度指標(biāo)小于被檢儀器不確定度的1/3的原則確定[4]。以當(dāng)前技術(shù)水平確實(shí)無法實(shí)現(xiàn)的，依據(jù)國家頒布的《中華人民共和國國家計(jì)量檢定系統(tǒng)框圖》確定。

　　環(huán)境參量的不確定度指標(biāo)的確定，國家尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)推定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，環(huán)境參量對測量性能的影響應(yīng)該不會超過5%，由此可以推定，環(huán)境參量的不確定度應(yīng)在主測參量不確定度的20倍以內(nèi)。同時，在到技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可行性較高的條件下，盡可能提高環(huán)境參量的不確定度指標(biāo)。

4.1 以自動氣象站為代表的地面觀測設(shè)備檢定工作狀態(tài)

　　此種狀態(tài)下技術(shù)指標(biāo)的確定以自動氣象站技術(shù)指標(biāo)為依據(jù)。

　　中國氣象局《新型多要素自動氣象站功能規(guī)格書》規(guī)定新型多要素自動氣象站技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 新型多要素自動氣象站技術(shù)指標(biāo)[2]

　　根據(jù)以上原則，確定主測參量的技術(shù)指標(biāo)如表5所示。
 

表5 檢定狀態(tài)下主測參量技術(shù)指標(biāo)[1]

　　相對濕度 5%～95%RH[為實(shí)現(xiàn)高指標(biāo)的濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置，目前廣泛采用的是雙溫雙壓濕度發(fā)生原理。受此原理限制，相對濕度最高為95%RH] 1%（≤80%）、2%(＞80%)[ 依據(jù)JJG2046-1990《濕度計(jì)量器具檢定系統(tǒng)框圖》確定]，氣壓 450hPa～1300hPa[氣象觀測儀器的測量范圍為450hPa～1100hPa，但對于大氣壓力參量，考慮到目前覆蓋大氣壓力段的測量儀器上限一般為1300hPa，為增加樣機(jī)的通用性，將測量范圍上限延展到1300hPa] 0.1hPa。

　　由于在此狀態(tài)下，所有參量作為主測參量輸出，環(huán)境控制依靠實(shí)驗(yàn)室條件保證，因此，無環(huán)境參量技術(shù)指標(biāo)。

4.2 以自動氣象站為代表的地面觀測設(shè)備考核工作狀態(tài)

　　此種狀態(tài)下技術(shù)指標(biāo)的確定仍然以自動氣象站技術(shù)指標(biāo)為依據(jù)。在此狀態(tài)下，工作狀態(tài)較檢定工作復(fù)雜，需對儀器在不同的環(huán)境條件下的計(jì)量學(xué)性能進(jìn)行考核。一方面要對環(huán)境參量進(jìn)行控制，另一方面要對所考核的參量測試性能進(jìn)行考核，也就要求所考核的參量的最大允許誤差必須滿足表5中的規(guī)定，涉及了多參量綜合控制的問題，各參量控制的交叉耦合給工程技術(shù)的研究和實(shí)施帶來很大的困難。

　　但是，在考核工作中，一個工作時段可以針對某一參數(shù)的計(jì)量學(xué)性能進(jìn)行考核，對于另一參量的考核可以重新啟動一個工作時段進(jìn)行。因此，在技術(shù)指標(biāo)的確定上，考慮通過以下考慮來降低設(shè)計(jì)難度。

　　分離主測參量和環(huán)境參量，提出不同的技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)對某一參量的計(jì)量學(xué)性能進(jìn)行考核時，要求所被測試的參量的準(zhǔn)確度必須滿足檢定工作的要求，具有充分的可信度，才能反映儀器在不同的影響因素的作用下計(jì)量學(xué)性能的偏移。而對于影響因素的控制，由于其僅僅是環(huán)境參量，對儀器計(jì)量學(xué)性能影響很小，因此，對其控制完全沒有必要強(qiáng)調(diào)過高的技術(shù)指標(biāo)。

　　在此種工作狀態(tài)下，太陽輻射參量作為主測參量時其技術(shù)指標(biāo)和環(huán)境參量之中的溫度參量的技術(shù)要求在中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《太陽總輻射表》（GB/T19565-2004）中做了具體規(guī)定，因此，該參量的技術(shù)指標(biāo)依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)確定。其它參量的技術(shù)指標(biāo)依據(jù)前面確定的原則確定。

　　由此，確定該狀態(tài)下主測參量的技術(shù)指標(biāo)如表6和表7所示，環(huán)境參量的技術(shù)指標(biāo)如表8所示。
 

表6 地面儀器考核狀態(tài)下

 表7 地面儀器考核狀態(tài)下

表8 地面儀器考核狀態(tài)下環(huán)境參量技術(shù)指標(biāo)[1]

4.3 探空儀考核工作狀態(tài)

　　此種狀態(tài)下技術(shù)指標(biāo)的確定以中國氣象局《L波段二次測風(fēng)雷達(dá)-電子探空儀系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)要求》(暫定)所確定的技術(shù)要求和芬蘭維薩拉探空儀技術(shù)指標(biāo)為依據(jù)。電子探空儀技術(shù)指標(biāo)如表9所示。

 表9 電子探空儀技術(shù)指標(biāo)[3，6]

　　此種工作狀態(tài)，與自動氣象站考核工作狀態(tài)基本相同，所不同的是儀器的測量范圍和不確定度指標(biāo)。因此，系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的確定思路基本與該狀態(tài)相同。由此，確定主測參量技術(shù)指標(biāo)如表10所示。
 

表10 探空儀考核狀態(tài)主測參量技術(shù)指標(biāo)[1]

　　環(huán)境參量的技術(shù)指標(biāo)的確定原則與自動氣象站考核工作狀態(tài)相同，如表11所示。
 

表11 探空儀考核狀態(tài)下環(huán)境參量技術(shù)指標(biāo)[1]

5 結(jié)論

　　對氣候觀測綜合計(jì)量檢定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行分析，確定合理的技術(shù)要求，是系統(tǒng)研制的第一步工作。

　　本文從目標(biāo)需求的角度，對氣候觀測綜合計(jì)量檢定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行了分析，確定了具體的功能范圍、輸出狀態(tài)要求及系統(tǒng)輸出的技術(shù)指標(biāo)。在分析的過程中，即充分考慮了系統(tǒng)完成后未來的業(yè)務(wù)需求，又考慮了技術(shù)上的可行性，充分實(shí)現(xiàn)了二者之間的平衡。

　　目前，以本文介紹的技術(shù)需求為設(shè)計(jì)目標(biāo)的研究過程正在推進(jìn)。相信系統(tǒng)的最終研制成功將對探測儀器的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的保證，對于新型探測產(chǎn)品的研發(fā)、對于以獲取探測數(shù)據(jù)為目的的科學(xué)研究工作具有積極的支撐作用。