降水现象仪测量结果的不确定度评定方法

汪 玮，张世国，王 敏，章 超，王毛翠

(安徽省大气探测技术保障中心，合肥 230031)

0 引言

降水是常规气象观测项目，是表征天气现象的物理量。降水现象是指云中液态、固态、混合态的水滴(冻)物从空中落到地面上的一种天气现象，是大气水循环的重要环节[1，2]。准确的降水量、降水类型测量信息对于农业生产、交通运输和防灾减灾等有着特殊的应用价值[3，4]。降水现象仪是一种自动观测降水现象的仪器，可实现降水类型的自动判别，减轻了基层观测人员的工作压力，增加了降水现象观测的频次，能够全面且连续地反映降水现象[5]。

雨滴谱式降水现象仪是在雨滴谱仪的基础上改造实现的。中国气象局已经在国家地面气象观测站列装了雨滴谱式降水现象仪2300余台，并建成降水现象仪计量检测实验室对在用设备进行检测[6]。文章分析了该实验室检测雨滴谱式降水现象仪粒径粒速测量误差的不确定度来源，介绍了不确定度评定方法，为今后实验室内示值误差的测量不确定度评定和降水现象仪计量检测实验室的比对工作提供参考。

1 检测系统

1.1 雨滴谱式降水现象仪工作原理

不同降水现象的降水粒子，在直径和下落末速度的分布上有各自对应关系。雨滴谱式降水现象仪根据降水粒子对激光信号的衰减影响程度，检测降水粒子的直径和下落末速度，确定降水粒子的分布[7]。图1是仪器的测量原理示意图。

1—发射端；2—降水粒子；3—平行光束；4—接收端

雨滴谱式降水现象仪基本工作原理：发射端发出一束平行光束，接收端使用透镜和光电二极管，将接收到的光信号转为电信号。平行光束覆盖范围即检测降水粒子的采样空间。当降水粒子穿越采样空间时将造成接收到的光信号强度衰减，粒子直径影响光信号衰减的幅度，粒子速度影响光信号衰减的持续时间。雨滴谱式降水现象仪通过光信号衰减幅度和持续时间按特定的处理算法计算降水粒子的速度和粒径，并判断降水粒子种类，实现降水类天气现象的自动识别[8，9]。

1.2 检测系统指标

降水现象仪计量检测实验室检测系统由雨滴和冰雹模拟标准装置组成，包括加液器、数字计数器、冰雹冲击测试机、数字毫秒计和游标卡尺等。可以模拟具有特定粒径和速度的雨滴或冰雹，作为参考标准，用于检测被测仪器粒径粒速测量的示值误差。雨滴和冰雹模拟标准装置的检测指标如下：

1)雨滴粒子模拟标准装置

雨滴粒径模拟点包括：1.7 mm、2.4 mm、4.4 mm、4.8 mm，粒径不确定度：U=0.12 mm(k=2)；

雨滴速度模拟范围1～5 m/s，速度不确定度：U=0.12 m/s(k=2)；

每分钟可模拟雨滴10～60 次，穿越待测仪器采样区。

2)冰雹粒子模拟标准装置

冰雹粒径模拟点包括：15 mm、20 mm、25 mm，粒径不确定度：U=0.76 mm(k=2)；

冰雹速度模拟范围10～20 m/s，速度不确定度：U=1.5 m/s(k=2)；

每分钟可击发冰雹粒子1～20次，穿越待测仪器采样区。

2 测量不确定度评定方法

依据JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》规定，区别各输入量的标准不确定度评定方法上的差异，将被测降水现象仪的测量不确定度的评定划分为A类评定和B类评定。

2.1 建立测量模型

在相同环境下，采用雨滴、冰雹模拟标准装置，对被测降水现象仪进行示值误差检测，采用比较法，其粒径和粒速示值误差的测量模型为：

Δv=vi-vs

(1)

式中，Δv为被测降水现象仪的粒径(或粒速)示值误差；vi为被测降水现象仪粒径(或粒速)示值；vs为雨滴(冰雹)模拟标准装置粒径(或粒速)的参考值。

2.2 水滴测量的不确定度评定

水滴测量的不确定度评定包括水滴粒径、粒速测量的A类、B类以及扩展不确定度评定。

1)A类标准不确定度

粒径不确定度的评定是通过雨滴模拟标准装置分别模拟不同粒径的降水，测试点分别为：1.7 mm、2.4 mm、4.2 mm、4.4 mm，每个测试点测量n次。然后采用JJF 1059.1-2012中规定的方法计算，利用贝塞尔公式计算测量结果均值的标准不确定度：

(2)

根据公式(2)得到被测降水现象仪在不同雨滴粒径测试点粒径均值的A类标准不确定度(表1)所示。

表1 雨滴粒径均值的A类标准不确定度 mm

粒速不确定度的评定是通过调整雨滴下落高度，模拟不同粒速的降水，雨滴下落高度分别为0.135 m、0.15 m、0.16 m，对应的穿越速度为1.63 m/s、1.71 m/s和1.77 m/s。每个测试点测量n次。采用JJF 1059.1-2012中规定的方法计算，利用公式(2)计算被测降水现象仪粒速均值的标准不确定度uA，计算结果如表2所示。

表2 雨滴粒速均值的A类标准不确定度 m/s

2)水滴粒径测量的B类标准不确定度

设计研制的标准器为雨滴模拟标准装置，粒径模拟不确定度U=0.12 mm(k=2)，粒速模拟不确定度U=0.12 m/s(k=2)，因此雨滴模拟标准装置模拟准确性所引入的粒径测量标准不确定度为uB1=0.06 mm，粒速测量标准不确定度为uB1=0.06 m/s。

3)扩展不确定度

依据国家计量校准规范要求，计算出被测降水现象仪雨滴粒径、粒速的合成不确定度和扩展不确定度。由式(3)先计算出被测降水现象仪雨滴粒径、粒速的合成不确定度uc，计算结果如表3、表4所示。

表3 雨滴粒径的合成不确定度 mm

表4 雨滴粒速的合成不确定度 m/s

(3)

取包含因子k=2，按式(4)计算出被测降水现象仪在不同粒径、粒速的扩展不确定度，保留1位小数，得出被测降水现象仪雨滴粒径均值的扩展不确定度：U=0.2 mm(k=2)，雨滴粒速均值的扩展不确定度：U=0.2 m/s(k=2)。

U=kuc

(4)

2.3 冰球测量的不确定度评定

冰球测量的不确定度评定包括冰球粒径、粒速测量的A类、B类以及扩展不确定度评定。

1)A类标准不确定度

粒径不确定度的评定是通过使用冰雹模拟标准装置分别模拟不同粒径的冰雹，测试点分别为：15 mm、20 mm、25 mm，每个测试点测量n次。采用JJF 1059.1-2012中规定的方法计算，利用公式(2)计算被测降水现象仪冰雹粒径均值的标准不确定度uA，计算结果如表5所示。

表5 冰球粒径均值的A类标准不确定度 mm

粒速不确定度的评定是通过使用冰雹模拟标准装置模拟不同粒速的冰雹，粒速测试点分别为13 m/s和20 m/s，每个测试点测量n次。采用JJF 1059.1-2012中规定的方法计算，利用公式(2)计算被测降水现象仪冰雹粒速均值的标准不确定度uA，计算结果如表6所示。

表6 冰雹粒速均值的A类标准不确定度 m/s

2)冰球粒径测量的B类标准不确定度

设计研制的标准器为冰雹模拟标准装置，粒径模拟不确定度U=0.76 mm(k=2)，粒速模拟不确定度U=1.5 m/s(k=2)，因此冰雹模拟标准装置模拟准确性所引入的粒径测量标准不确定度为uB1=0.38 mm，粒速测量标准不确定度为uB1=0.75 m/s。

3)扩展不确定度

依据国家计量校准规范要求，计算出被测降水现象仪冰雹粒径、粒速的合成不确定度和扩展不确定度。由式(3)先计算出被测降水现象仪冰雹粒径和粒速的合成不确定度uc，计算结果如表7、表8所示。

表7 冰雹粒径的合成不确定度 mm

表8 冰雹粒速的合成不确定度 m/s

取包含因子k=2，按式(4)计算出被测降水现象仪在不同冰雹粒径、粒速的扩展不确定度，保留1位小数，得出被测降水现象仪冰雹粒径均值的扩展不确定度：U=0.8 mm(k=2)，冰雹粒速均值的扩展不确定度：U=1.6 m/s(k=2)。

3 结束语

雨滴谱式降水现象仪的测试工作采用直接比较法，检测结果的测量不确定度来源主要有被测仪器和测量标准器引入的标准不确定度。测量标准器引入的标准不确定度分量相对较大，占合成不确定度的75%～85%。从评定结果可以看出，通过降水现象仪的实测数据，综合分析得出雨滴粒径、粒速的测量不确定度分别为U=0.2 mm(k=2)、U=0.2 m/s(k=2)，冰雹粒径、粒速的测量不确定度分别为U=0.8 mm(k=2)、U=1.6 m/s(k=2)。