數(shù)字式電子探空儀校準(zhǔn)規(guī)范編制說明

《數(shù)字式電子探空儀校準(zhǔn)規(guī)范》(編制說明)編寫組2024年06月18日5《數(shù)字式電子探空儀校準(zhǔn)規(guī)范》編制說明1任務(wù)來源經(jīng)全國氣象專用計(jì)量器具計(jì)量技術(shù)委員會向國家市場監(jiān)督管理總局申報(bào)，根據(jù)市監(jiān)計(jì)量發(fā)[2021]50號文，“市場監(jiān)管總局辦公廳關(guān)于下達(dá)《2021年國家計(jì)量技術(shù)規(guī)范制定、修訂及宣貫計(jì)劃》的通知”，國家市場監(jiān)督管理總局于2021年11月批準(zhǔn)立項(xiàng)，由中國氣象局氣象探測中心、中國氣象局上海物資管理處、黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心共同制定《數(shù)字式電子探空儀校準(zhǔn)規(guī)范》，歸口于全國氣象專用計(jì)量器具計(jì)量技術(shù)委員會。2制定規(guī)范的必要性探空儀是通過攜帶電子儀器并由氣球上升來進(jìn)行測量，其測量原理基于假定氣球移動軌跡為水平自由體的假設(shè)，通過氣球的空中軌跡來測量風(fēng)向和風(fēng)速。這使得探空儀能夠提供包括溫度、氣壓、相對濕度等氣象要素的原始數(shù)據(jù)，并通過計(jì)算轉(zhuǎn)換為氣象要素值。無線電探空儀的測量是高空氣象學(xué)的基石，它為天氣預(yù)報(bào)、氣候研究和多種應(yīng)用提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。數(shù)字式電子探空儀作為國際通用的觀測儀器，其結(jié)構(gòu)和功能要求主要遵循中國氣象局的《常規(guī)高空氣象觀測業(yè)務(wù)規(guī)范》（2010）以及《CIMO指南》第八版中的規(guī)定。這些規(guī)范明確提出了探空儀需要實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度和高空間分辨率的測量，涵蓋了從地面到36公里高空的大氣溫度、濕度、氣壓和風(fēng)向風(fēng)速等參數(shù)。為了保持無線電探空儀測量的高準(zhǔn)確性，定期進(jìn)行比較試驗(yàn)和校準(zhǔn)是必不可少的。比較試驗(yàn)涉及同時飛行多種類型的無線電探空儀，以評估它們之間的相對性能；而校準(zhǔn)則是在受控條件下使用高精度設(shè)備來驗(yàn)證傳感器的準(zhǔn)確性。根據(jù)《CIMO指南》第八版要求，探空儀傳感器除在出廠前必須進(jìn)行校準(zhǔn)，還應(yīng)定期對探空儀傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，國家或地區(qū)應(yīng)定期對探空儀傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，以確保其性能符合標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)WMO指南，購買大量無線電探空儀時，應(yīng)確認(rèn)制造商所采用的校準(zhǔn)方法，以確保其再現(xiàn)性和精度。要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化性能檢查，對隨機(jī)挑選的代表性樣品進(jìn)行更全面的分析。鑒于無線電探空儀的類型及其批量校準(zhǔn)的重要性，WMO儀器和觀察方法委員會建議各成員國在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對選定的無線電探空儀樣品進(jìn)行全國或區(qū)域性的測試，以驗(yàn)證制造商提供的性能校準(zhǔn)是否有效。在校準(zhǔn)過程中使用的參考傳感器應(yīng)能夠溯源至國家標(biāo)準(zhǔn)，并在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中以適當(dāng)?shù)念l次進(jìn)行檢驗(yàn)。而我國目前與探空儀檢定相關(guān)的國家技術(shù)規(guī)范，僅有《JJG268-1982GZZ2-1型轉(zhuǎn)筒式電碼探空儀檢定規(guī)程》，從氣象要素的傳感器原理到信號處理方式，已不能滿足目前的數(shù)字式電子探空儀的校準(zhǔn)和計(jì)量需求?；谝陨显?，制定《數(shù)字式電子探空儀校準(zhǔn)規(guī)范》成為必要，它不僅確保了探空儀測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，也符合國際和國內(nèi)的相關(guān)規(guī)范要求，對于提升氣象觀測的質(zhì)量和效率，促進(jìn)氣象科學(xué)的發(fā)展具有重大意義。3編制過程3.1項(xiàng)目調(diào)研起草人對數(shù)字式電子探空儀的生產(chǎn)、使用和溯源情況等做了詳盡調(diào)查：（1）生產(chǎn)情況：我國生產(chǎn)的數(shù)字式電子探空儀在溫度、氣壓、位勢高度和風(fēng)等要素的探測性能方面，已達(dá)到甚至超越了世界先進(jìn)水平的VAISALA探空系統(tǒng)。在技術(shù)性能方面，已顯著超越現(xiàn)有的L波段業(yè)務(wù)探空系統(tǒng)。然而，在濕度傳感器方面，我國與世界先進(jìn)水平還存在一定差距。據(jù)調(diào)研，我國目前尚無高性能高空濕度傳感器的工業(yè)化產(chǎn)品研制能力。我國的衛(wèi)星導(dǎo)航探空儀廠家普遍選用奧地利E+E公司生產(chǎn)的濕度傳感器，法國、德國、日本等國家也采用該傳感器作為濕度傳感器。（2）使用情況：目前我國由長峰、長望、大橋和華云天儀等單位研制的國產(chǎn)衛(wèi)星導(dǎo)航探空儀已滿足了常規(guī)高空氣象觀測業(yè)務(wù)需求，并應(yīng)用于高空氣象和氣候觀測業(yè)務(wù)中，有效提升了業(yè)務(wù)觀測能力，推動我國高空氣象和氣候觀測能力達(dá)到WMO關(guān)于天氣和氣候觀測系統(tǒng)指標(biāo)要求。（3）全國溯源與校準(zhǔn)情況：鑒于數(shù)字式電子探空儀類型多樣且批量校準(zhǔn)的重要性，世界氣象組織(WMO)儀器和觀測方法委員會敦促成員國在全國或區(qū)域范圍內(nèi)對選定的無線電探空儀樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測試，以確保制造商提供的校準(zhǔn)有效。然而，現(xiàn)有的《JJG268-1982GZZ2-1型轉(zhuǎn)筒式電碼探空儀檢定規(guī)程》在傳感器原理、信號處理方式等方面已無法滿足數(shù)字式電子探空儀的校準(zhǔn)和計(jì)量需求。此外，探空儀在結(jié)構(gòu)原理、計(jì)量特性、測試方法等方面具有特殊性，導(dǎo)致校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法面臨一定挑戰(zhàn)，因此，目前國內(nèi)相關(guān)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)較少開展探空儀的校準(zhǔn)工作。我站（國家氣象計(jì)量站）在接收各行業(yè)探空儀用戶送來校準(zhǔn)的探空儀產(chǎn)品時，往往采用用戶提供的技術(shù)文件或參照地面自動氣象站相關(guān)規(guī)程進(jìn)行校準(zhǔn)。這表明，探空儀校準(zhǔn)領(lǐng)域存在急需填補(bǔ)的空白。項(xiàng)目過程中，我們分別調(diào)研和委托了國內(nèi)專業(yè)計(jì)量機(jī)構(gòu)、校準(zhǔn)設(shè)備生產(chǎn)廠家等，如國瑞智公司、中電49所、FLUKE公司等單位，獲得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和幫助。他們提出的寶貴意見和建議對規(guī)范的制訂和完善起到了非常重要的作用?；谝陨锨闆r，本規(guī)范的制定主要針對國內(nèi)高空氣象觀測應(yīng)用的數(shù)字式電子探空儀，以主流探空儀廠家的產(chǎn)品為應(yīng)用目標(biāo)制定技術(shù)規(guī)范。3.2主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)和文件主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)和文件有：QX/T36—2005GTS1型數(shù)字探空儀GJB2405—1995探空儀通用規(guī)范GJB6294—2008軍用電子探空儀通用規(guī)范中國氣象局.常規(guī)高空氣象觀測業(yè)務(wù)規(guī)范.北京：氣象出版社，2010GJB6556高空氣象探測儀器和設(shè)備WMO-No.8《GuidetoInstrumentsandMethodsofObservation》(2018)北斗-GPS導(dǎo)航衛(wèi)星高空氣象觀測系統(tǒng)功能需求書(氣測函〔2012〕165號文)北斗-GPS導(dǎo)航衛(wèi)星高空氣象觀測系統(tǒng)考核大綱和北斗-GPS導(dǎo)航衛(wèi)星高空氣象觀測系統(tǒng)考核方案(氣測函〔2013〕143號文)衛(wèi)星導(dǎo)航探空儀功能規(guī)格需求書和《Ⅱ型衛(wèi)星導(dǎo)航探空儀測試大綱(氣測函〔2020〕05號)另外，規(guī)范的編寫格式遵從了JJF1071-2010《國家計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范編寫規(guī)則》的要求，編寫過程中參考了JJF1001-2011《通用計(jì)量術(shù)語及定義》、JJF1094-2002《測量儀器特性評定》、JJF1059.1-2010《測量不確定度評定與表示》。3.3編寫分工中國氣象局氣象探測中心作為本技術(shù)規(guī)范的主要起草單位，于2021年組織了中國氣象局上海物資管理處和黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心的起草人員，共同成立了編寫組。編寫組由遲曉珠、李建英、董克非、趙倫嘉、王楓、孫哲、黃清治等7名同志組成，具體分工如下：-遲曉珠同志負(fù)責(zé)規(guī)范編寫及相關(guān)的試驗(yàn)工作，起草正文內(nèi)容及相關(guān)文檔，并組織技術(shù)討論。-李建英同志負(fù)責(zé)制定規(guī)范的框架結(jié)構(gòu)，對技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行審定和把關(guān)。-董克非和趙倫嘉同志負(fù)責(zé)收集項(xiàng)目所需的試驗(yàn)樣品，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法，并確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。-王楓、孫哲、黃清治同志負(fù)責(zé)收集和整理相關(guān)資料與文獻(xiàn)，匯總處理專家意見，并對文件及數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核。4主要制訂內(nèi)容說明4.1范圍數(shù)字式電子探空儀，有別于采用非電量測量、編碼信號傳輸?shù)?，機(jī)械式或模擬電子式的探空儀,是指使用電子傳感器（如熱敏電阻、電容式傳感器等）來檢測氣象參數(shù)，并且采用數(shù)字信號處理技術(shù)，將傳感器收集的氣象數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，能夠以更高的速度傳輸數(shù)據(jù)。本規(guī)范規(guī)定的探空儀傳感器的計(jì)量特性、校準(zhǔn)條件和校準(zhǔn)方法，均適用于數(shù)字式電子探空儀（以下稱探空儀）大氣壓力、溫度、濕度傳感器的校準(zhǔn)，4.2概述探空儀作為國際通用觀測儀器，是采用氣球攜帶電子儀器，配有氣溫、相對濕度和氣壓傳感器，能夠?qū)y量原始值經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)換，得到氣象要素值（溫度、相對濕度、氣壓），來實(shí)現(xiàn)對高空大氣的測量。探空儀溫度、濕度測量元件一般是安裝在探空儀盒體伸出的支架上，氣壓傳感器則安裝在探空儀內(nèi)部,從地面至100hPa進(jìn)行探測。探空儀可以由自由升空的氣球攜帶，也可以是下投式、火箭式或平漂式等高空觀測模式。4.3計(jì)量特性根據(jù)CIMO指南的要求，無線電探空儀需在極寬的氣象條件范圍內(nèi)工作，即量程為：溫度范圍：-90℃至50℃；相對濕度范圍：0%RH至100%RH；氣壓范圍：5hPa至1060hPa。根據(jù)我國高空大氣的特征和高空探測的需求，目前國內(nèi)探空儀的溫度測量范圍均為-90℃至50℃，關(guān)于靜態(tài)允許誤差，則CIMO指南和WMO行業(yè)指導(dǎo)資料中未作明確說明。結(jié)合探空儀氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國軍標(biāo)文件，本規(guī)范將溫度測量范圍設(shè)為-90℃至50℃；最大允許誤差為：當(dāng)溫度≥-80℃時，△T≤0.2℃；當(dāng)溫度<-80℃時，△T≤0.3℃。對于氣壓測量，由于高空高度反算氣壓的精度高于氣壓傳感器的精度，因此探空儀氣壓傳感器主要用于測量低空氣壓，測量范圍限定為100hPa至1060hPa。關(guān)于氣壓傳感器的靜態(tài)測量允許誤差，WMO和國外探空儀未明確說明，本規(guī)范參照探空儀氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國軍標(biāo)文件，及國內(nèi)探空儀廠家性能指標(biāo)，將具體誤差范圍設(shè)為：氣壓≥500hPa時，△P≤2hPa；氣壓<500hPa時，△P≤1hPa。濕度測量范圍，常溫（25℃）下為10%RH到95%RH，靜態(tài)允許誤差指標(biāo)方面，針對高空探測需求，對相對濕度在低溫下的性能提出要求：環(huán)境溫度≥-25℃時，△U≤5%RH；環(huán)境溫度<-25℃時，△U≤10%RH，這符合探空儀氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國軍標(biāo)文件，以及國內(nèi)探空儀行業(yè)實(shí)際。在本規(guī)范中，探空儀觀測的氣象變量測量單位為：壓力的單位為百帕斯卡（hPa）；溫度的單位為攝氏度（℃）；相對濕度的單位為百分比（%RH）。4.4校準(zhǔn)條件根據(jù)JJF1094-2002《測量儀器特性評定》，編寫組認(rèn)為，應(yīng)通過選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備，使校準(zhǔn)結(jié)果可以滿足合格性判定的三分之一原則，即U95≤1根據(jù)探空儀計(jì)量特性，溫度傳感器最大允許誤差為0.2℃，則13MPEV=0.067℃，即U95<0.067℃才能滿足校準(zhǔn)要求。經(jīng)試驗(yàn)，采用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)器，恒溫液槽為配套設(shè)備的系統(tǒng)，其U探空儀相對濕度最大允許誤差為環(huán)境溫度≥-25℃時，△U≤5%RH；環(huán)境溫度<-25℃時，△U≤10%RH，經(jīng)試驗(yàn)，采用一級精密露點(diǎn)儀為標(biāo)準(zhǔn)器，濕度發(fā)生器為配套設(shè)備的系統(tǒng)，其U95為1.6%RH，可以滿足U探空儀氣壓測量最大允許誤差為氣壓≥500hPa時，△P≤2hPa；氣壓<500hPa時，△P≤1hPa，經(jīng)試驗(yàn)，采用數(shù)字氣壓計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)器，氣壓檢定箱為配套設(shè)備的系統(tǒng)，其U954.5校準(zhǔn)方法數(shù)字式電子探空儀通常使用無線電波進(jìn)行信號傳輸，通過內(nèi)置的發(fā)射器發(fā)送信號，或同步到衛(wèi)星，或通過GPS信號將數(shù)據(jù)發(fā)送回地面站。國產(chǎn)主流廠家探空儀產(chǎn)品都有七針接口串口插座，用于傳感器數(shù)據(jù)的輸出，可直接用于校準(zhǔn)過程。但也有探空儀，如國外品牌，不具有接口插座，只有天線發(fā)射和接受輸出部件，則要根據(jù)用戶要求采用不同的數(shù)據(jù)接收形式，對探空儀進(jìn)行實(shí)時校準(zhǔn)。項(xiàng)目組征集的探空儀樣品，都具有7芯排針彎座，伸出探空儀主機(jī)泡沫盒，自帶電池供電或外接5V電壓供電，通過串行通信輸出各參量測量值。4.5.1溫度測量誤差校準(zhǔn)探空儀的溫度測量元件為球狀熱敏電阻，是和濕度測量元件一起安裝在探空儀盒體伸出的探測臂上。因此用恒溫槽進(jìn)行校準(zhǔn)時，要做好防水及絕緣保護(hù)?？刹捎脤?dǎo)熱良好且耐低溫的塑料軟管或玻璃試管，包裹好整個探測臂，探入恒溫槽。通過探空儀接口插座輸出數(shù)據(jù)。同時放入標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，應(yīng)與探空儀感溫部分盡可能處于同一水平面。計(jì)算機(jī)同時錄取標(biāo)準(zhǔn)溫度值和探空儀溫度測量輸出值。對不具有串行插座的探空儀產(chǎn)品，則要使用無線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至探空接收機(jī)，以采集探空儀輸出的溫度信號。根據(jù)CIMO指南表述及探空儀實(shí)際應(yīng)用狀況，若無特殊要求，探空儀溫度傳感器通常只做下降趨勢的單行程測量。校準(zhǔn)點(diǎn)在探空儀測量范圍內(nèi)選不少于三個測試點(diǎn)，可選擇避開廠家原校準(zhǔn)點(diǎn)。示值讀取應(yīng)記錄4組或更多的數(shù)據(jù)，用于表征示值重復(fù)性。示值誤差計(jì)算是每個測試點(diǎn)都用探空儀的測量結(jié)果的平均值減去標(biāo)準(zhǔn)值的平均值。4.5.2相對濕度測量誤差校準(zhǔn)相對濕度的校準(zhǔn)采用精密露點(diǎn)儀作為標(biāo)準(zhǔn)器。相對濕度的計(jì)算方法是在一定溫度下的空氣中水蒸氣分壓與相同溫度下飽和水蒸氣壓的比值。其中作為計(jì)算公式的分子，空氣中的水蒸氣分壓是通過精密露點(diǎn)儀測得的，即準(zhǔn)確測量氣體的露點(diǎn)溫度或霜點(diǎn)溫度后計(jì)算得到。飽和水蒸氣壓的計(jì)算方法有兩種，一是按照BS1339-1:2002推薦的Sonntag公式，二是按照WMOGuide-8推薦的簡化公式。由于探空儀大多應(yīng)用于氣象場合，本規(guī)范采用后者計(jì)算空氣中的水蒸氣分壓。然而，作為分母的相同溫度下飽和水蒸氣壓，存在WMO和標(biāo)準(zhǔn)方法兩種不同的計(jì)算方法。在標(biāo)準(zhǔn)方法中，環(huán)境溫度高于0℃時計(jì)算水面上的飽和水蒸氣壓，低于0℃時則計(jì)算冰面上的飽和水蒸氣壓。而在WMO方法中，由于過冷現(xiàn)象在云和上層大氣中確實(shí)發(fā)生，WMO多年前決定采用水面上的飽和水蒸氣壓值，不考慮氣溫。這樣做的目的是為了防止在大氣中出現(xiàn)過冷水時相對濕度超過100%RH。在這種情況下，根據(jù)WMO方法計(jì)算得到的100%RH相對濕度值實(shí)際上大于標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算出的100%RH。表1中的數(shù)據(jù)比較了在不同溫度下，根據(jù)兩種方法計(jì)算100%RH相對濕度的差值。表1WMO方法和標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算相對濕度的結(jié)果溫度WMO方法標(biāo)準(zhǔn)方法WMO方法標(biāo)準(zhǔn)方法0℃100%RH100%RH100%RH100%RH-10℃100%RH110.3%RH90.7%RH100%RH-20℃100%RH121.7%RH82.2%RH100%RH-30℃100%RH134.3%RH74.5%RH100%RH-40℃100%RH148.3%RH67.4%RH100%RH可以看出，按WMO方法計(jì)算，在-30℃時，相對濕度達(dá)到74.5%RH已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)方法定義的飽和。因此，本規(guī)范推薦的校準(zhǔn)點(diǎn)在-30℃時，上限為70%RH。這與目前送我站計(jì)量的國內(nèi)外各探空儀產(chǎn)品的性能表現(xiàn)相吻合。因此在直接讀取精密露點(diǎn)儀的相對濕度示值時，要注意是WMO標(biāo)準(zhǔn)的相對濕度輸出。根據(jù)CIMO指南表述及探空儀實(shí)際應(yīng)用，探空儀相對濕度傳感器校準(zhǔn)采用單行程，按用戶要求或探空儀類型（上升式或下投式）采用上升趨勢或下降趨勢。校準(zhǔn)點(diǎn)在探空儀測量范圍內(nèi)選不少于三個測試點(diǎn)，可選擇避開廠家原校準(zhǔn)點(diǎn)。示值讀取應(yīng)記錄4組或更多的數(shù)據(jù)，用于表征示值重復(fù)性。示值誤差計(jì)算是每個測試點(diǎn)都用探空儀的測量結(jié)果的平均值減去標(biāo)準(zhǔn)值的平均值。4.5.3氣壓測量誤差校準(zhǔn)探空儀氣壓傳感器主要用于測量低空氣壓，測量范圍定為100hPa至1060hPa，100hPa以