關(guān)于自動(dòng)氣象站氣壓傳感器的測(cè)量誤差受環(huán)境溫度影響的研究

劉海珍，鄭樹芳，溫曉輝，崔玉陽(yáng)，馬修才，有 思

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2.新巴爾虎左旗氣象局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021200；3.呼倫貝爾市氣象局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000）

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)常用的自動(dòng)氣象站氣壓傳感器（后面簡(jiǎn)稱氣壓傳感器）為PTB210 型號(hào)、PTB220 型號(hào)和DYC1 型號(hào)（PTB330 型號(hào)），且氣壓傳感器均采用硅電容絕對(duì)壓力傳感器進(jìn)行大氣壓力的測(cè)量，由于電容介質(zhì)電介常數(shù)隨環(huán)境大氣壓力、相對(duì)濕度和環(huán)境溫度的變化而變化，從而導(dǎo)致氣壓傳感器的測(cè)量結(jié)果會(huì)不同程度地受到環(huán)境溫度的影響[1-3]。在實(shí)際工作中，根據(jù)JJG（氣象）001—2015 自動(dòng)氣象站氣壓傳感器檢定規(guī)程[4]的要求，實(shí)驗(yàn)室檢定氣壓傳感器時(shí)，其環(huán)境溫度必須控制在（20±2）℃，但經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢定合格的氣壓傳感器，由于實(shí)際業(yè)務(wù)運(yùn)行是在自然環(huán)境中進(jìn)行的，其環(huán)境溫度變化區(qū)間較大，因此其測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生不同程度的失真。雖然根據(jù)生產(chǎn)廠家提供資料，已對(duì)不同環(huán)境溫度下氣壓傳感器輸出值與實(shí)際氣壓值的關(guān)系給出了溫度補(bǔ)償[5]，但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，其測(cè)量結(jié)果受自然環(huán)境溫度的影響仍然較大。

我國(guó)地域廣闊，全年環(huán)境溫度變化較大，最低可達(dá)到-40 ℃以下，最高可達(dá)到40 ℃以上，對(duì)于經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢定合格的氣壓傳感器在觀測(cè)場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果是否準(zhǔn)確，以及由于環(huán)境溫度的變化而對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響已有學(xué)者開展了一些研究。文獻(xiàn)[6]研究了PTB220 型號(hào)的氣壓傳感器在22 ℃和32 ℃的環(huán)境溫度下其測(cè)量誤差的變化情況，得出該傳感器不僅型號(hào)單一，氣溫測(cè)試點(diǎn)也單一。文獻(xiàn)[7]研究了PTB330 型號(hào)的氣壓傳感器在0～40 ℃之間的5 個(gè)整10 ℃點(diǎn)的環(huán)境溫度下，分別對(duì)其700～1 100 hPa 之間的5 個(gè)整100 hPa 點(diǎn)進(jìn)行性能測(cè)試。該傳感器同樣型號(hào)單一，并且0 ℃以下未對(duì)氣壓傳感器進(jìn)行性能測(cè)試。文獻(xiàn)[8-9]研究環(huán)境溫度對(duì)氣壓傳感器測(cè)量結(jié)果的影響，但同樣都存在儀器型號(hào)單一問(wèn)題。

針對(duì)上述情況，本文選取了內(nèi)蒙古地區(qū)目前經(jīng)常使用的PTB210 型號(hào)、PTB220 型號(hào)和DYC1 型號(hào)（PTB330型號(hào)）的氣壓傳感器，置于-40～40 ℃之間的9 個(gè)整10 ℃點(diǎn)的環(huán)境溫度下，分別對(duì)其500～1 100 hPa 之間的7 個(gè)整100 hPa 點(diǎn)進(jìn)行了性能測(cè)試，并對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行了定量分析。研究結(jié)果可為天氣預(yù)報(bào)、氣候分析、科學(xué)研究提供準(zhǔn)確及時(shí)的氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[10-11]。

1 測(cè)試系統(tǒng)

1.1 測(cè)試設(shè)備

選取不同廠家、不同型號(hào)的氣壓傳感器作為被測(cè)對(duì)象，即PTB210 型號(hào)、PTB220 型號(hào)和DYC1 型號(hào)（PTB330型號(hào)）各8 只氣壓傳感器。

氣壓傳感器性能測(cè)試用的設(shè)備包括數(shù)字多用表、數(shù)字氣壓計(jì)、氣壓發(fā)生器、調(diào)溫調(diào)濕箱、精密露點(diǎn)儀，這些設(shè)備均定期進(jìn)行溯源，并在溯源有效期內(nèi)。測(cè)試用設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及用途如表1 所示。

表1 核查標(biāo)準(zhǔn)和主要配套設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)和用途

1.2 測(cè)試方法

將精密露點(diǎn)儀的感應(yīng)器固定于調(diào)溫調(diào)濕箱體內(nèi)中心位置，將被測(cè)試的氣壓傳感器置于調(diào)溫調(diào)濕箱體內(nèi)且與精密露點(diǎn)儀的感應(yīng)器靠近的位置，并將所有被測(cè)試的氣壓傳感器置于同一水平面上，其余測(cè)試用設(shè)備放置于調(diào)溫調(diào)濕箱外，然后將被測(cè)試氣壓傳感器分別與數(shù)據(jù)采集器（數(shù)字多用表）、氣壓發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)器（數(shù)字氣壓計(jì)）進(jìn)行連接，通過(guò)調(diào)溫調(diào)濕箱發(fā)生并控制箱內(nèi)濕度和溫度，精密露點(diǎn)儀實(shí)時(shí)獲取箱內(nèi)溫度和濕度數(shù)據(jù)，通過(guò)3MS 氣壓自動(dòng)檢定系統(tǒng)軟件獲取數(shù)字氣壓計(jì)示值和氣壓傳感器示值。測(cè)試所用設(shè)備的布設(shè)圖如圖1 所示。

圖1 測(cè)試所用設(shè)備的布設(shè)圖

為了排除環(huán)境溫度對(duì)數(shù)字氣壓計(jì)的影響，將實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度始終控制在（20±2）℃，然后通過(guò)調(diào)溫調(diào)濕箱控制器控制箱體內(nèi)的環(huán)境溫度來(lái)模擬不同的環(huán)境溫度，依次為40 ℃、30 ℃、20 ℃、10 ℃、0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃、-40 ℃，通過(guò)氣壓發(fā)生器控制氣壓測(cè)試點(diǎn)，依次為500 hPa、600 hPa、700 hPa、800 hPa、900 hPa、1 000 hPa 和1 100 hPa。先設(shè)定調(diào)溫調(diào)濕箱內(nèi)的溫度為40 ℃，待箱內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定值并穩(wěn)定10 min 后，設(shè)定氣壓測(cè)試點(diǎn)為500 hPa，待氣壓達(dá)到設(shè)定值并穩(wěn)定后，分別讀取數(shù)字氣壓計(jì)氣壓示值和氣壓傳感器氣壓示值，各讀取12 次，將氣壓傳感器氣壓示值減去經(jīng)修正后的數(shù)字氣壓計(jì)氣壓示值，得到氣壓傳感器的氣壓示值誤差，然后計(jì)算得到氣壓傳感器的氣壓示值誤差平均值。再依次設(shè)定調(diào)溫調(diào)濕箱內(nèi)的溫度為30 ℃、20 ℃、10 ℃、0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃、-40 ℃，對(duì)氣壓測(cè)試點(diǎn)500 hPa 進(jìn)行氣壓測(cè)量。其余氣壓測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試過(guò)程與500 hPa 點(diǎn)的測(cè)試過(guò)程一樣。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 測(cè)量結(jié)果

根據(jù)測(cè)試方法，氣壓傳感器的氣壓示值誤差平均值可由公式（1）計(jì)算得到。將其作為測(cè)量結(jié)果，氣壓傳感器的氣壓示值誤差也稱為氣壓傳感器的氣壓測(cè)量誤差。

式中：j為第j個(gè)氣壓測(cè)試點(diǎn)；i為讀數(shù)次數(shù)；為氣壓傳感器第j個(gè)氣壓測(cè)試點(diǎn)的氣壓測(cè)量誤差平均值，單位為hPa；pij為氣壓傳感器第j個(gè)氣壓測(cè)試點(diǎn)的第i次氣壓示值，單位為hPa；p′ij為數(shù)字氣壓計(jì)第j個(gè)氣壓測(cè)試點(diǎn)的第i次氣壓示值，單位為hPa；δj為數(shù)字氣壓計(jì)第j個(gè)氣壓測(cè)試點(diǎn)的修正值，單位為hPa。

2.2 異常值剔除

測(cè)量數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了與其他值偏離較遠(yuǎn)且不符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的個(gè)別值，可以通過(guò)格拉布斯準(zhǔn)則[12-13]來(lái)判別其是否為異常值，若為異常值時(shí)，則將其剔除；否則將其保留。設(shè)一組重復(fù)觀測(cè)數(shù)據(jù)為[x1，x2，…，xn]，假設(shè)其中xd為不符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的可疑值時(shí)，若式（2）成立，則可判定xd為異常值，并將其剔除。

式中：xd為假設(shè)的可疑值；x為重復(fù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值；G(α,n)為格拉布斯準(zhǔn)則的臨界值，可查表得到；α為顯著水平，一般取0.05；n為重復(fù)次數(shù)；s為重復(fù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2.3 數(shù)據(jù)修約

對(duì)于中間結(jié)果和最終測(cè)量結(jié)果均按通用規(guī)則（四舍六入，逢五取偶）進(jìn)行數(shù)字修約[12-13]，中間結(jié)果修約到小數(shù)點(diǎn)后三位，最終測(cè)量結(jié)果修約到小數(shù)點(diǎn)后兩位。

3 測(cè)量結(jié)果分析

利用格拉布斯準(zhǔn)則將被測(cè)試PTB210 型號(hào)、PTB220型號(hào)和DYC1 型號(hào)氣壓傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)中的異常值剔除；再利用式（1）分別得到被測(cè)試PTB210 型號(hào)、PTB220 型號(hào)和DYC1 型號(hào)氣壓傳感器的測(cè)量誤差平均值；然后利用Excel[14-15]分別形成被測(cè)試PTB210 型號(hào)、PTB220 型號(hào)和DYC1 型號(hào)氣壓傳感器的測(cè)量誤差平均值隨環(huán)境溫度變化的趨勢(shì)圖，如圖2～圖4 所示。

圖2 8只被測(cè)試PTB210 型號(hào)氣壓傳感器的測(cè)量誤差平均值隨環(huán)境溫度變化的趨勢(shì)圖

圖3 8只被測(cè)試PTB220 型號(hào)氣壓傳感器的測(cè)量誤差平均值隨環(huán)境溫度變化的趨勢(shì)圖

圖4 8只被測(cè)試DYC1 型號(hào)氣壓傳感器的測(cè)量誤差平均值隨環(huán)境溫度變化的趨勢(shì)圖

對(duì)圖2～圖4 進(jìn)行分析可得出：3 種型號(hào)的氣壓傳感器的測(cè)量誤差平均值均隨環(huán)境溫度的變化而變化；3 種型號(hào)的氣壓傳感器的測(cè)量誤差平均值基本上均在20 ℃左右最小，這與實(shí)驗(yàn)室檢定環(huán)境溫度控制在（20±2）℃的要求相符合。以20 ℃為基準(zhǔn)，當(dāng)環(huán)境溫度從20 ℃增到40 ℃時(shí)，或者從20 ℃減到-40 ℃時(shí)，3 種型號(hào)的氣壓傳感器的測(cè)量誤差平均值均隨之變大，其中低溫對(duì)其測(cè)量結(jié)果的影響比較大，尤其是-30 ℃以下的環(huán)境溫度對(duì)其測(cè)量結(jié)果的影響更大；3 種型號(hào)的氣壓傳感器在測(cè)量范圍的最低點(diǎn)500 hPa 和最高點(diǎn)1 100 hPa，其測(cè)量結(jié)果受環(huán)境溫度影響較大，在常壓點(diǎn)900 hPa，其測(cè)量結(jié)果受環(huán)境溫度影響較小；在3 種型號(hào)中，PTB210 型號(hào)和DYC1 型號(hào)的氣壓傳感器的測(cè)量結(jié)果整體上受環(huán)境溫度的影響較大，而PTB220 型號(hào)氣壓傳感器的測(cè)量結(jié)果整體上受環(huán)境溫度的影響較小。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于自動(dòng)氣象站氣壓傳感器檢定規(guī)程規(guī)定的實(shí)驗(yàn)室檢定環(huán)境溫度的要求與其在觀測(cè)場(chǎng)的環(huán)境溫度有很大的差別，文章將環(huán)境溫度對(duì)自動(dòng)氣象站氣壓傳感器示值誤差的影響進(jìn)行了研究，即選取國(guó)內(nèi)常用的PTB210型號(hào)、PTB220 型號(hào)和DYC1 型號(hào)各8 只儀器置于-40～40 ℃之間的9 個(gè)整10 ℃點(diǎn)的環(huán)境溫度下分別對(duì)其500～1 100 hPa 之間的7 個(gè)整100 hPa 點(diǎn)進(jìn)行了性能測(cè)試，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了定量分析。

結(jié)果表明：PTB210 型號(hào)、PTB220 型號(hào)和DYC1 型號(hào)的氣壓傳感器的測(cè)量誤差平均值均隨環(huán)境溫度的變化而變化；3 種型號(hào)的氣壓傳感器的測(cè)量誤差平均值基本上均在20 ℃左右最小，這與實(shí)驗(yàn)室檢定環(huán)境溫度控制在（20±2）℃的要求相符合。以20 ℃為基準(zhǔn)，當(dāng)環(huán)境溫度從20 ℃增到40 ℃時(shí)，或者從20 ℃減到-40 ℃時(shí)，3 種型號(hào)的氣壓傳感器的測(cè)量誤差平均值均隨之變大，其中低溫對(duì)其測(cè)量結(jié)果的影響比較大，尤其是-30 ℃以下的環(huán)境溫度對(duì)其測(cè)量結(jié)果的影響更大。3 種型號(hào)的氣壓傳感器在測(cè)量范圍的最低點(diǎn)500 hPa 和最高點(diǎn)1 100 hPa，其測(cè)量結(jié)果受環(huán)境溫度的影響較大，在常壓點(diǎn)900 hPa，其測(cè)量結(jié)果受環(huán)境溫度影響較小。在3 種型號(hào)中，PTB210 型號(hào)和DYC1 型號(hào)的氣壓傳感器的測(cè)量結(jié)果整體上受環(huán)境溫度的影響較大，而PTB220 型號(hào)的氣壓傳感器的測(cè)量結(jié)果整體上受環(huán)境溫度的影響較小。本文研究結(jié)果可為天氣預(yù)報(bào)、氣候分析、科學(xué)研究提供準(zhǔn)確及時(shí)的氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。