國家級太陽輻射測量標準及其質量控制

楊 云權繼梅 丁 蕾 邊澤強

（中國氣象局氣象探測中心，北京100081）

國家級太陽輻射測量標準及其質量控制

楊 云*權繼梅 丁 蕾 邊澤強

（中國氣象局氣象探測中心，北京100081）

太陽輻射測量標準僅采取定期參加國際比對的溯源方法不能完全滿足質量保證的要求。只有聯(lián)合國際比對和期間核查的控制方法，才能確保測量標準的測量不確定度持續(xù)控制在誤差允許范圍之內(nèi)。我國太陽輻射測量標準與世界輻射測量基準（WRR）比對結果的不確定度為0.17%，滿足世界氣象組織（WMO）要求，并達到世界先進水平。為了保證在兩次國際周期比對間隔之間的準確可靠，并保證其處于良好置信度的校準狀態(tài)，定期對測量標準的重復性和穩(wěn)定性進行期間核查，以圖形記憶方式對太陽輻射測量標準的測量過程進行連續(xù)和長期的統(tǒng)計控制。通過期間核查，保證了太陽輻射測量標準的重復性不大于0.1%，年穩(wěn)定性小于0.25%，未超出控制界限且分布呈隨機狀態(tài)，保證了測量過程處于穩(wěn)定受控狀態(tài)，滿足建標要求。

太陽輻射測量標準；量值溯源；期間核查；質量控制

引 言

太陽輻射是地球-大氣系統(tǒng)最重要的能量來源［1］，也是產(chǎn)生大氣運動的主要動力［2-3］。觀測到達地球表面的太陽輻射，是地球-大氣系統(tǒng)能量收支的重要項目之一［4-5］。長期準確的輻射觀測是研究氣候變化、評估輻射模式及開發(fā)利用太陽能資源的重要基礎［6］。太陽輻射的準確測量，與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、氣象科學研究、太陽能利用以及人類社會有密切關系。計量標準是將計量基準傳遞到國民經(jīng)濟和社會生活各個領域的紐帶，是確保量值傳遞和量值溯源、實現(xiàn)全國計量單位制的統(tǒng)一和量值準確可靠的主要保障措施［7］。標準儀器的性能，必須在兩次國際直接輻射表比對（IPC）之間定期進行監(jiān)控，以防在兩次國際比對中間儀器性能退化［8］。

國外研究結果表明：觀測儀器的誤差是導致模式計算值與測量值之間偏差的原因之一［9］；在利用成份和法校準總輻射表的量值傳遞過程中，標準直接輻射表和標準總輻射表（加遮光測量散射輻射）引入的不確定度占總不確定度的60%［10］。對太陽輻射測量標準進行溯源和質量控制，可減小量值傳遞過程中由標準器引入的不確定度。

1958—1975年我國的太陽輻射測量標準由瑞典生產(chǎn)的3臺埃斯川姆補償型輻射表組成（表號分別為180，216和175），并按IPS-1956絕對輻射標尺進行量值傳遞。1975年從瑞典引進了3臺新型埃斯川姆補償型輻射表（表號分別為705，706和707），1975—1981年以這3臺新型埃斯川姆補償型輻射表作為標準進行量值傳遞。根據(jù)世界氣象組織（WMO）1977年第7次會議決議，從1981年1月1日起開始實行新的世界輻射測量基準（WRR）。所以，1981年從美國進口了兩臺H-F型自校準腔體直接輻射表（表號分別為19743和20294）和405型控制器及太陽跟蹤器。1981年11月以20294腔體直接輻射表為標準（該儀器值由WRR傳遞）進行了一系列的比對工作，發(fā)現(xiàn)該標準與原標準（表號為705）的比值為1.041，并非1.022。根據(jù)我國實際情況，將該標準乘以1.041，并從1982年1月1日開始實施。同時也確定兩臺腔體直接輻射表的總不確定度不大于0.25%（包含因子k＝1），重復性不大于0.1%，滿足WMO《氣象儀器與觀測方法指南》（第5版）要求，所以從1982年開始，以這兩臺腔體直接輻射表作為標準進行量值傳遞。由于當時沒有參加國際比對的可能，采用有間隔地直接購進帶有標準量值儀器的方法，保證了我國太陽輻射標準量值與國際同步。

1990年，經(jīng)國家技術監(jiān)督局考核批準，我國太陽輻射測量標準正式建標。由這兩臺腔體直接輻射表組成的太陽輻射標準組來實現(xiàn)，為我國在太陽輻照度的最高標準，并簽發(fā)了計量標準合格證書，（［90］國技量氣象證字第002號），由國家氣象計量站負責保存和使用。1991年又進口了1臺PMO-6型絕對腔體直接輻射表（表號為850406），經(jīng)國家技術監(jiān)督局對計量標準的復查考核，滿足 WMO要求，從此我國太陽輻射測量標準由3臺腔體直接輻射表組成［11］。多年來，通過不斷改進建立了完善的管理制度和質量保證體系，包括計量標準器的量值傳遞和溯源、校準方法的選擇及確認、校準過程的控制及數(shù)據(jù)質量控制、人員的配備及對人員的技能要求等［12］，并通過了歷次國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局組織的計量標準復查考核（質量技術監(jiān)督部門對計量標準測量能力的評定和開展量值傳遞資格的確認）。作為 WMO亞洲儀器中心（RIC-北京），從2000年起，每5年參加1次由WMO組織的國際直接輻射表比對，將量值直接溯源到WRR（由世界輻射中心（WRC）保持，該中心位于瑞士達沃斯），保證了我國和部分亞洲國家太陽輻照測量標準的準確性。自建標以來，3臺計量標準每年進行一次互比，對其重復性和穩(wěn)定性進行期間核查，以圖形記憶方式對計量標準的測量過程進行連續(xù)和長期的統(tǒng)計控制，確保測量過程處于穩(wěn)定受控狀態(tài)，保證了我國太陽輻射測量標準的長期穩(wěn)定性。

1 太陽輻射測量標準的量值溯源

隨著國家逐步改革開放，參加國際比對的機會逐步增加，我國太陽輻射測量標準，1983年1月參加了美洲區(qū)域輻射中心在美國舉行的比對；1989年1月參加了WMO在日本舉行的第1次Ⅱ、Ⅴ區(qū)域直接輻射表比對；1995年參加了在區(qū)域輻射中心（日本）舉辦的區(qū)域直接輻射表比對；作為WMO亞洲儀器中心（RIC-北京），從2000年開始系統(tǒng)地直接參加WMO世界輻射中心組織的每5年1次的國際直接輻射表比對溯源活動，保證了我國太陽輻射測量標準與WRR的一致性。作為RIC-北京，還承擔了部分國家的太陽輻射標準量值傳遞任務，定期與朝鮮、越南等國家的太陽輻射測量標準進行比對。1994年我國建立了8個輻射儀器區(qū)域檢定點，每個檢定點配備了3臺穩(wěn)定性為±2%的TBQ-2-B型工作級標準總輻射表和3臺穩(wěn)定性為±1%的TBS-2-B型工作級標準直接輻射表，組成我國的省級太陽輻射測量標準組。它們分別由黑龍江、新疆、甘肅、西藏、浙江、廣東、云南省氣象局計量站和國家氣象計量站負責保存和使用。每兩年舉行1次全國標準輻射儀器比對和人員培訓，采用計量檢定或校準的方式對全國以及部分國家的標準輻射儀器進行量值傳遞（圖1），然后再用工作級標準檢定工作用輻射表，確保了WRR在我國及部分國家傳遞的準確性。

圖1 我國太陽輻射量值溯源（傳遞）框圖Fig.1 Traceability of national solar radiation

我國太陽輻射測量標準15年來3次與世界輻射測量基準（WRR）直接比對，比對結果見表1，其中WRR因子f由式（1）計算：

式（1）中，S為我國太陽輻射測量標準測量的太陽直接輻射，單位：W·m－2；W為世界輻射標準組測量的太陽直接輻射平均值，單位：W·m－2。

2010年9月24日—10月14日，第11次國際直接輻射表比對（IPC-Ⅺ），我國太陽輻射測量標準（表號為850406）與 WRR的誤差［15］見圖2，與世界各區(qū)域輻射中心測量標準比較見表2。由表1、圖2和表2可知，我國太陽輻射測量標準滿足WMO要求，并達到世界先進水平。

表1 我國太陽輻射測量標準的WRR因子［13-15］Table 1 WRR factor of national solar radiation measurement standards（from Reference［13-15］）

圖2 我國太陽輻射測量標準與WRR的誤差［15］Fig.2 Deviation of national solar radiation measurement standards from WRR（from Reference［15］）

表2 我國太陽輻射測量標準與各區(qū)域輻射中心輻射標準的WRR因子［15］Table 2 The WRR factor of China and other regional centers of radiation measurement standard（from Reference［15］）

2 太陽輻射測量標準的期間核查

任何儀器，由于材料的老化、使用或保存環(huán)境的變化、搬運等原因，都可能引起其計量特性的變化。在對太陽輻射測量標準的管理中，僅采取定期參加國際比對的方法不能完全滿足質量保證的要求。只有聯(lián)合國際比對和期間核查的控制方法，才能確保太陽輻射測量標準的測量結果的測量不確定度持續(xù)地控制在規(guī)定的允許范圍內(nèi)。國際比對5年1次，為了保證計量標準裝置在兩次國際比對間隔之間的準確可靠，并保證良好置信度的校準狀態(tài)，對太陽輻射測量標準每年進行1次期間核查，以確定標準器是否保持其原有狀態(tài)。

期間核查是根據(jù)規(guī)定程序進行的操作。該操作過程一般包括由被核查的對象適時地測量一個核查標準，記錄核查數(shù)據(jù)，必要時建立數(shù)據(jù)庫或畫出控制圖，以便及時檢查測量數(shù)據(jù)的變化情況，證明被核查對象的狀態(tài)滿足規(guī)定的要求，或與期望的狀態(tài)有所偏離，需要采取措施或預防措施［16］。

根據(jù)太陽輻射儀器的特點和實際情況確定了核查方法。由于太陽輻射儀器的校準以太陽為光源，在自然條件下進行，測量對象隨時間不斷變化。本文采用3臺計量標準同時對太陽輻照度進行測量，用任意兩臺計量標準測量結果的比值作為核查標準。這樣即使太陽輻照度發(fā)生變化，但測量結果比值不變，也就是說，雖然也采用了實物作為被測物體，可作為核查標準的是數(shù)據(jù)而不是實物，其優(yōu)點是降低了對被測件穩(wěn)定性的要求。

根據(jù)期間核查方法規(guī)定的程序和日程，每年9—10月對太陽輻射測量標準進行核查，主要包括計量標準的重復性和穩(wěn)定性，以保持其校準狀態(tài)的可信度。期間核查在室外太陽光下進行，選擇天空晴朗，太陽高度角不小于15°，太陽輻射穩(wěn)定，空氣溫度為20±10℃，風速低于5 m·s－1，相對濕度不超過80%的天氣條件。在入射光線與儀器感應面垂直時輻照度不低于500 W·m－2的條件下［17］，采用平行比對法進行（圖3）。

2.1 計量標準的重復性

重復性是指在相同的測量條件下，儀器重復測量同一個被測參數(shù)所展示出的相近示值的能力。重復性通常用測量結果的分散性來定量表示，即用單次測量結果yi的實驗標準差s（yi）來表示。重復性應滿足檢定或校準結果的測量不確定度的要求［12］，我國太陽輻射測量標準的重復性應不大于新建計量標準時測得的重復性0.1%的要求。

圖3 我國太陽輻射測量標準期間核查Fig.3 National solar radiation measurement standards period verification

太陽輻射測量標準重復性的試驗方法為在相同測量條件下，對3臺計量標準進行n次獨立同步重復測量，用測量結果相互間的比值的標準偏差作為計量標準的重復性，解決了重復性的測量問題。若得到的任意兩臺計量標準測量結果的比值為yi（i＝1，2，…，n），則其重復性s（yi）為

式（2）中，為任意兩臺計量標準n次測量結果比值的算術平均值；n為重復測量次數(shù)，n應盡可能大，一般不少于10次。

我國太陽輻射測量標準的重復性見圖4，其中，S1，S2，S8分別為各計量標準（表號為19743、表號為20294和表號為850406）測得的太陽直接輻照度。由圖4可知，由國家氣象計量站保持的我國太陽輻射測量標準的重復性不大于0.1%，滿足測量不確定度要求。

圖4 我國太陽輻射測量標準的重復性Fig.4 Repeatability of national solar radiation measurement standards

2.2 計量標準的穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是指計量標準保持其計量特性隨時間恒定的能力，與所考慮時間段的長短有關。計量標準由計量標準器和配套設備所組成，因此計量標準的穩(wěn)定性應包括計量標準器和配套設備的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性的試驗方法為每年用被考核的計量標準對核查標準進行1組n次的重復測量，取其算術平均值作為測量結果，以相鄰兩年的測量結果之差作為該時間段內(nèi)計量標準的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性應小于計量標準的最大允許誤差的絕對值或不確定度［12］。對于我國太陽輻射測量標準的穩(wěn)定性要求其年變化量應不大于0.25%。

由于天空的不穩(wěn)定性，為減小重復測量誤差對測量結果引入的不確定度，在條件允許的情況下，應盡可能多地增加測量次數(shù)，使測量結果中由重復性測量誤差引入的不確定度分量降至最低或甚至可以忽略。本文對3臺計量標準進行N組測量（N＞8），每組測量20次。假定其中1臺為核查標準，取其他兩臺計量標準與核查標準N組測量結果的比值的平均值，得到計量標準的校準系數(shù)，再與上一次結果的差值作為計量標準的穩(wěn)定性，由圖5可知，我國太陽輻射測量標準的年變化量保持在0.25%的允許變化量范圍內(nèi)。

圖5 我國太陽輻射測量標準的穩(wěn)定性Fig.5 Stability of national solar radiation measurement standards

2.3 測量過程中的統(tǒng)計控制——控制圖法

控制圖（又稱休哈特（Shewhart）控制圖）是對測量過程是否處于統(tǒng)計控制狀態(tài)的一種圖形記錄。它能判斷并提供測量過程中是否存在異常因素的信息，以便于查明產(chǎn)生異常的原因，并采取措施使測量過程重新處于統(tǒng)計控制狀態(tài)［12］。

為了使太陽輻射測量標準處于質量控制之中，本文采用平均值控制圖，來判斷測量過程中是否受到不受控的系統(tǒng)效應的影響，以圖形記憶方式對我國太陽輻射測量標準的測量過程進行連續(xù)和長期的統(tǒng)計控制（圖6），圖6中比值為S8／S1值的平均，保證了測量過程處于穩(wěn)定受控狀態(tài)，通過了國家質檢總局的計量標準考核。圖6中，中心線CL、控制上線UCL和控制下線LCL分別為

為方便起見，將控制范圍均分為6個區(qū)，每個區(qū)的寬度均相當于所采用統(tǒng)計控制量的標準偏差σ。自上而下分別標記為A，B，C，C，B和A，A區(qū)為警戒區(qū)。由圖6可知，我國太陽輻射測量標準的測試點未超出控制界限且分布呈隨機狀態(tài)，測試點出現(xiàn)在A區(qū)中的概率為0，未進入警戒區(qū)。說明測量過程未受到不受控的系統(tǒng)狀態(tài)影響，即太陽輻射測量標準的測量過程受控。

圖6 我國太陽輻射測量標準控制圖Fig.6 National solar radiation measurment standard control

2.4 核查標準的建立

在計量標準的穩(wěn)定性測量過程中，不可避免地引入被測對象對穩(wěn)定性測量的影響，為使這一影響盡可能地小，必須選擇一穩(wěn)定的測量對象作為穩(wěn)定性測量的核查標準［7］。2010年從瑞士世界輻射中心進口了一臺與我國太陽輻射測量標準具有相同準確度等級的PMO6-cc型絕對腔體直接輻射表（表號為0808）。通過長期考核，該標準具有良好的穩(wěn)定性和重復性，滿足作為核查標準的要求。因此，2013年正式建立了核查標準，并首次使用該核查標準對我國太陽輻射測量標準進行了期間核查，3臺計量標準與核查標準的測量結果的一致性見圖7（S0為腔體直接輻射表（表號為0808）測得的太陽直接輻照度），其中計量標準（表號為850406）與核查標準的最大相對誤差為0.11%（0.86 W·m－2），標準偏差為0.43 W·m－2；計量標準（表號為19743）最大相對誤差為0.24%（1.88 W·m－2），標準偏差為1.24 W·m－2；計量標準（表號為20294）最大相對誤差為0.10%（0.74 W·m－2），標準偏差為0.45 W·m－2；滿足建標報告要求。核查標準的保存應保證其穩(wěn)定性，避免溫度、濕度、電磁場、振動等外界因素的影響。當太陽輻射測量標準參加國際比對后，應立即對核查標準進行測量，將WRR量值賦予核查標準。

圖7 我國太陽輻射測量標準與核查標準的一致性Fig.7 Consistency of national solar radiation measurement standards with check standard

3 太陽輻射測量標準的不確定度

不確定度是根據(jù)所用到的信息，表征賦予被測量值分散性的非負參數(shù)［18］。對于我國太陽輻射測量標準的要求是其不確定度不大于0.25%。

測量不確定度取決于氣象條件和直接輻射表的性能，特別是取決于環(huán)日輻射（太陽盤面附近的一部分散射輻射）的分布和直接輻射表的視場角。當校準系列中的所有直接輻射表都具有相同的視場角（和斜角）時，或當環(huán)日輻射很小并直射很強時，不確定度最小［19］。

國際直接輻射表比對時，由于參加比對的儀器由各國參加人員自己操作控制，如儀器跟蹤太陽，數(shù)據(jù)采集以及采樣時間的同步等。世界輻射中心（WRC）只負責將各國提供的數(shù)據(jù)與WRR比較后，給出比值的平均值（WRR factor）和標準偏差，不對校準結果的不確定度進行評定。2010年，我國太陽輻射測量標準PMO-6（表號為850406）參加了WMO國際直接輻射表比對。在3周的時間里與世界輻射標準組進行同步測量，總共測量了664個數(shù)據(jù)，由于天氣條件等原因，其中被正式采用的數(shù)據(jù)有323個，與WRR比值的平均值為1.000198，標準偏差為0.000876（即實驗測量列中任一次測量結果的標準差，用s（f）表示）。以獨立觀測列的算術平均值作為最終測量結果，則重復性測量結果的標準不確定度（A類不確定度）為

式（6）中，n為測試次數(shù)。

測量結果的B類標準不確定度主要包括WRR的不確定度（每臺世界輻射標準組（WSG）儀器的不確定度優(yōu)于0.058%（k＝1.96），WRR由4臺 WSG儀器的平均值計算，擴展不確定度為0.0335%（k＝1.96））；二次儀表高精度輻射數(shù)據(jù)采集器引入的不確定度為0.00003V（k＝2）；比對時大氣的穩(wěn)定性引入的不確定度為0.06%（k＝1）；太陽跟蹤器跟引入的不確定度為0.1%（k＝2.449）等。通過計算，我國太陽輻射測量標準與WRR比對結果的不確定度為0.17%（k＝2）。

4 小 結

研究表明：

1）我國自建立太陽輻射測量以來，在計量標準方面，一直采取不同的方式保持與國際標準接軌，保證了我國太陽輻射觀測數(shù)據(jù)與世界輻射測量基準的一致性。

2）我國太陽輻射測量標準的重復性不大于0.1%，年穩(wěn)定性小于0.25%，與世界輻射測量基準比對結果的不確定度為0.17%，滿足 WMO要求，并達到世界先進水平。

3）太陽輻射測量標準僅僅采取定期參加國際比對方法不能滿足質量保證的要求。只有聯(lián)合國際比對和期間核查的控制方法，才能確保其測量不確定度持續(xù)控制在規(guī)定的允許范圍內(nèi)。通過期間核查，根據(jù)由定期觀測結果計算得到的統(tǒng)計控制量變化情況可以推斷出測量過程是否處于統(tǒng)計控制狀態(tài)。

4）太陽輻射標準的量值溯源（傳遞）應選擇天氣晴朗、環(huán)日輻射很小且直接輻射很強的天氣條件，最好選擇海拔高度高的地方進行。通過增加測量次數(shù)，使測量結果中由重復性測量誤差引入的不確定度分量降至最低甚至可以忽略。

本文主要從我國太陽輻射測量標準的重復性、穩(wěn)定性、測量過程的統(tǒng)計控制、核查標準的建立以及測量結果的不確定度分析幾個方面介紹如何對我國太陽輻射測量標準進行質量控制，這對我國太陽輻射最高標準的溯源和量值傳遞至關重要。隨著經(jīng)濟發(fā)展、科技進步，我國太陽輻射測量標準與世界輻射測量基準保持著很好的一致性，人才隊伍建設與業(yè)務技術水平也緊跟國際步伐。但也存在一定問題：如輻射儀器的溯源（傳遞）要求檢定場地應四周空曠，但隨著城市建設的發(fā)展，近年來太陽輻射檢定外場周邊環(huán)境也在逐步發(fā)生變化。擁有滿足要求的輻射儀器檢定外場越來越困難，而這正是提高我國太陽輻射測量準確度的基本保證。氣象行業(yè)的省級太陽輻射測量標準量值直接溯源到國家太陽輻射測量標準。為了保證這些計量標準在兩次比對間隔之間的準確可靠，省級計量標準也應在兩次比對之間進行1次期間核查，保證省級計量標準處于良好置信度的校準狀態(tài)，但由于省級人員缺乏等問題，目前還未能完全實現(xiàn)。

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National Solar Radiation Measurement Standards and Quality Control

Yang Yun Quan Jimei Ding Lei Bian Zeqiang
（Meteorological Observation Center of CMA，Beijing100081）

In order to ensure the accuracy of national solar radiation measurements and the world radiometric reference（WRR）transfer，quality control is carried out on the solar radiation measurement standards.There is a full set of sound management system and quality guarantee measure over many years’improvement，including the measurement standard of value transfer and traceability，the selection and validation of calibration method，calibration process and data quality control，staffed and personnel skill requirements and so on.It also passes the measurement standard reexamination organized by General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine（AQSIQ）.

The radiation value is directly traceable to the WRR every five years through attending the World Meteorological Organization（WMO）International Pyrheliometer Comparisons（IPC），and then the metrological verification or calibration method is adopted for the standard radiation instrument value transfer，to ensure the accuracy of WRR in China and neighboring countries.China national solar radiation measuring standard is directly compared with the WRR for 3 times in 15 years，and comparison results of the uncertainty is 0.17%，surpassing requirements of WMO.

In order to ensure measurement standards between the international cycle comparison interval，and keep them in good confidence calibration status，the repeatability and stability of solar radiation measurement standards should be checked every year to determine standards in original state.In fact，there should be more times of checking if conditions allow to reduce the uncertainty introduced by the repeatability of measurement error.Mean value control chart is used to judge whether the measurement process is affected by uncontrolled system bias，and graphics memory way is used to achieve continuous and long-term statistical quality control.Period verification shows the solar radiation measurement repeatability and years of stability is no more than 0.1%and less than 0.25%，within the control limits and taking a random distribution state.That ensures the measuring process in a stable controlled status，meeting the standard requirements.

Above all，the WRR international comparison itself cannot ensure the national solar radiation measurement standards fully meet the quality assurance requirements，a lot of collaborative international comparison and period verification should be carried out to ensure that the measurement uncertainty is controlled within the allowable range of 0.25%.

solar radiation measurement standard；traceability；period checking；quality control

楊云，權繼梅，丁蕾，等.國家級太陽輻射測量標準及其質量控制.應用氣象學報，2015，26（1）：95-102.

10.11898／1001-7313.20150110

2014-03-12收到，2014-09-11收到再改稿。

中國氣象局氣候變化專項（CCSF201439）

*email：yyaoc＠cma.gov.cn