降水現(xiàn)象儀測量結(jié)果的不確定度評定方法

汪 瑋，張世國，王 敏，章 超，王毛翠

(安徽省大氣探測技術(shù)保障中心，合肥 230031)

0 引言

降水是常規(guī)氣象觀測項目，是表征天氣現(xiàn)象的物理量。降水現(xiàn)象是指云中液態(tài)、固態(tài)、混合態(tài)的水滴(凍)物從空中落到地面上的一種天氣現(xiàn)象，是大氣水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[1，2]。準(zhǔn)確的降水量、降水類型測量信息對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸和防災(zāi)減災(zāi)等有著特殊的應(yīng)用價值[3，4]。降水現(xiàn)象儀是一種自動觀測降水現(xiàn)象的儀器，可實現(xiàn)降水類型的自動判別，減輕了基層觀測人員的工作壓力，增加了降水現(xiàn)象觀測的頻次，能夠全面且連續(xù)地反映降水現(xiàn)象[5]。

雨滴譜式降水現(xiàn)象儀是在雨滴譜儀的基礎(chǔ)上改造實現(xiàn)的。中國氣象局已經(jīng)在國家地面氣象觀測站列裝了雨滴譜式降水現(xiàn)象儀2300余臺，并建成降水現(xiàn)象儀計量檢測實驗室對在用設(shè)備進行檢測[6]。文章分析了該實驗室檢測雨滴譜式降水現(xiàn)象儀粒徑粒速測量誤差的不確定度來源，介紹了不確定度評定方法，為今后實驗室內(nèi)示值誤差的測量不確定度評定和降水現(xiàn)象儀計量檢測實驗室的比對工作提供參考。

1 檢測系統(tǒng)

1.1 雨滴譜式降水現(xiàn)象儀工作原理

不同降水現(xiàn)象的降水粒子，在直徑和下落末速度的分布上有各自對應(yīng)關(guān)系。雨滴譜式降水現(xiàn)象儀根據(jù)降水粒子對激光信號的衰減影響程度，檢測降水粒子的直徑和下落末速度，確定降水粒子的分布[7]。圖1是儀器的測量原理示意圖。

1—發(fā)射端；2—降水粒子；3—平行光束；4—接收端

雨滴譜式降水現(xiàn)象儀基本工作原理：發(fā)射端發(fā)出一束平行光束，接收端使用透鏡和光電二極管，將接收到的光信號轉(zhuǎn)為電信號。平行光束覆蓋范圍即檢測降水粒子的采樣空間。當(dāng)降水粒子穿越采樣空間時將造成接收到的光信號強度衰減，粒子直徑影響光信號衰減的幅度，粒子速度影響光信號衰減的持續(xù)時間。雨滴譜式降水現(xiàn)象儀通過光信號衰減幅度和持續(xù)時間按特定的處理算法計算降水粒子的速度和粒徑，并判斷降水粒子種類，實現(xiàn)降水類天氣現(xiàn)象的自動識別[8，9]。

1.2 檢測系統(tǒng)指標(biāo)

降水現(xiàn)象儀計量檢測實驗室檢測系統(tǒng)由雨滴和冰雹模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置組成，包括加液器、數(shù)字計數(shù)器、冰雹沖擊測試機、數(shù)字毫秒計和游標(biāo)卡尺等?？梢阅M具有特定粒徑和速度的雨滴或冰雹，作為參考標(biāo)準(zhǔn)，用于檢測被測儀器粒徑粒速測量的示值誤差。雨滴和冰雹模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置的檢測指標(biāo)如下：

1)雨滴粒子模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置

雨滴粒徑模擬點包括：1.7 mm、2.4 mm、4.4 mm、4.8 mm，粒徑不確定度：U=0.12 mm(k=2)；

雨滴速度模擬范圍1～5 m/s，速度不確定度：U=0.12 m/s(k=2)；

每分鐘可模擬雨滴10～60 次，穿越待測儀器采樣區(qū)。

2)冰雹粒子模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置

冰雹粒徑模擬點包括：15 mm、20 mm、25 mm，粒徑不確定度：U=0.76 mm(k=2)；

冰雹速度模擬范圍10～20 m/s，速度不確定度：U=1.5 m/s(k=2)；

每分鐘可擊發(fā)冰雹粒子1～20次，穿越待測儀器采樣區(qū)。

2 測量不確定度評定方法

依據(jù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》規(guī)定，區(qū)別各輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定方法上的差異，將被測降水現(xiàn)象儀的測量不確定度的評定劃分為A類評定和B類評定。

2.1 建立測量模型

在相同環(huán)境下，采用雨滴、冰雹模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置，對被測降水現(xiàn)象儀進行示值誤差檢測，采用比較法，其粒徑和粒速示值誤差的測量模型為：

Δv=vi-vs

(1)

式中，Δv為被測降水現(xiàn)象儀的粒徑(或粒速)示值誤差；vi為被測降水現(xiàn)象儀粒徑(或粒速)示值；vs為雨滴(冰雹)模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置粒徑(或粒速)的參考值。

2.2 水滴測量的不確定度評定

水滴測量的不確定度評定包括水滴粒徑、粒速測量的A類、B類以及擴展不確定度評定。

1)A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

粒徑不確定度的評定是通過雨滴模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置分別模擬不同粒徑的降水，測試點分別為：1.7 mm、2.4 mm、4.2 mm、4.4 mm，每個測試點測量n次。然后采用JJF 1059.1-2012中規(guī)定的方法計算，利用貝塞爾公式計算測量結(jié)果均值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

(2)

根據(jù)公式(2)得到被測降水現(xiàn)象儀在不同雨滴粒徑測試點粒徑均值的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度(表1)所示。

表1 雨滴粒徑均值的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度 mm

粒速不確定度的評定是通過調(diào)整雨滴下落高度，模擬不同粒速的降水，雨滴下落高度分別為0.135 m、0.15 m、0.16 m，對應(yīng)的穿越速度為1.63 m/s、1.71 m/s和1.77 m/s。每個測試點測量n次。采用JJF 1059.1-2012中規(guī)定的方法計算，利用公式(2)計算被測降水現(xiàn)象儀粒速均值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA，計算結(jié)果如表2所示。

表2 雨滴粒速均值的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度 m/s

2)水滴粒徑測量的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

設(shè)計研制的標(biāo)準(zhǔn)器為雨滴模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置，粒徑模擬不確定度U=0.12 mm(k=2)，粒速模擬不確定度U=0.12 m/s(k=2)，因此雨滴模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置模擬準(zhǔn)確性所引入的粒徑測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度為uB1=0.06 mm，粒速測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度為uB1=0.06 m/s。

3)擴展不確定度

依據(jù)國家計量校準(zhǔn)規(guī)范要求，計算出被測降水現(xiàn)象儀雨滴粒徑、粒速的合成不確定度和擴展不確定度。由式(3)先計算出被測降水現(xiàn)象儀雨滴粒徑、粒速的合成不確定度uc，計算結(jié)果如表3、表4所示。

表3 雨滴粒徑的合成不確定度 mm

表4 雨滴粒速的合成不確定度 m/s

(3)

取包含因子k=2，按式(4)計算出被測降水現(xiàn)象儀在不同粒徑、粒速的擴展不確定度，保留1位小數(shù)，得出被測降水現(xiàn)象儀雨滴粒徑均值的擴展不確定度：U=0.2 mm(k=2)，雨滴粒速均值的擴展不確定度：U=0.2 m/s(k=2)。

U=kuc

(4)

2.3 冰球測量的不確定度評定

冰球測量的不確定度評定包括冰球粒徑、粒速測量的A類、B類以及擴展不確定度評定。

1)A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

粒徑不確定度的評定是通過使用冰雹模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置分別模擬不同粒徑的冰雹，測試點分別為：15 mm、20 mm、25 mm，每個測試點測量n次。采用JJF 1059.1-2012中規(guī)定的方法計算，利用公式(2)計算被測降水現(xiàn)象儀冰雹粒徑均值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA，計算結(jié)果如表5所示。

表5 冰球粒徑均值的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度 mm

粒速不確定度的評定是通過使用冰雹模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置模擬不同粒速的冰雹，粒速測試點分別為13 m/s和20 m/s，每個測試點測量n次。采用JJF 1059.1-2012中規(guī)定的方法計算，利用公式(2)計算被測降水現(xiàn)象儀冰雹粒速均值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA，計算結(jié)果如表6所示。

表6 冰雹粒速均值的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度 m/s

2)冰球粒徑測量的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

設(shè)計研制的標(biāo)準(zhǔn)器為冰雹模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置，粒徑模擬不確定度U=0.76 mm(k=2)，粒速模擬不確定度U=1.5 m/s(k=2)，因此冰雹模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置模擬準(zhǔn)確性所引入的粒徑測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度為uB1=0.38 mm，粒速測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度為uB1=0.75 m/s。

3)擴展不確定度

依據(jù)國家計量校準(zhǔn)規(guī)范要求，計算出被測降水現(xiàn)象儀冰雹粒徑、粒速的合成不確定度和擴展不確定度。由式(3)先計算出被測降水現(xiàn)象儀冰雹粒徑和粒速的合成不確定度uc，計算結(jié)果如表7、表8所示。

表7 冰雹粒徑的合成不確定度 mm

表8 冰雹粒速的合成不確定度 m/s

取包含因子k=2，按式(4)計算出被測降水現(xiàn)象儀在不同冰雹粒徑、粒速的擴展不確定度，保留1位小數(shù)，得出被測降水現(xiàn)象儀冰雹粒徑均值的擴展不確定度：U=0.8 mm(k=2)，冰雹粒速均值的擴展不確定度：U=1.6 m/s(k=2)。

3 結(jié)束語

雨滴譜式降水現(xiàn)象儀的測試工作采用直接比較法，檢測結(jié)果的測量不確定度來源主要有被測儀器和測量標(biāo)準(zhǔn)器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。測量標(biāo)準(zhǔn)器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量相對較大，占合成不確定度的75%～85%。從評定結(jié)果可以看出，通過降水現(xiàn)象儀的實測數(shù)據(jù)，綜合分析得出雨滴粒徑、粒速的測量不確定度分別為U=0.2 mm(k=2)、U=0.2 m/s(k=2)，冰雹粒徑、粒速的測量不確定度分別為U=0.8 mm(k=2)、U=1.6 m/s(k=2)。