楊 云權(quán)繼梅 丁 蕾 邊澤強(qiáng)

（中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京100081）

國(guó)家級(jí)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及其質(zhì)量控制

楊 云*權(quán)繼梅 丁 蕾 邊澤強(qiáng)

（中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京100081）

太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)僅采取定期參加國(guó)際比對(duì)的溯源方法不能完全滿足質(zhì)量保證的要求。只有聯(lián)合國(guó)際比對(duì)和期間核查的控制方法，才能確保測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量不確定度持續(xù)控制在誤差允許范圍之內(nèi)。我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)與世界輻射測(cè)量基準(zhǔn)（WRR）比對(duì)結(jié)果的不確定度為0.17%，滿足世界氣象組織（WMO）要求，并達(dá)到世界先進(jìn)水平。為了保證在兩次國(guó)際周期比對(duì)間隔之間的準(zhǔn)確可靠，并保證其處于良好置信度的校準(zhǔn)狀態(tài)，定期對(duì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性和穩(wěn)定性進(jìn)行期間核查，以圖形記憶方式對(duì)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量過程進(jìn)行連續(xù)和長(zhǎng)期的統(tǒng)計(jì)控制。通過期間核查，保證了太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)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(jī)狀態(tài)，保證了測(cè)量過程處于穩(wěn)定受控狀態(tài)，滿足建標(biāo)要求。

太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)；量值溯源；期間核查；質(zhì)量控制

引 言

太陽(yáng)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(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿Γ?-3］。觀測(cè)到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射，是地球-大氣系統(tǒng)能量收支的重要項(xiàng)目之一［4-5］。長(zhǎng)期準(zhǔn)確的輻射觀測(cè)是研究氣候變化、評(píng)估輻射模式及開發(fā)利用太陽(yáng)能資源的重要基礎(chǔ)［6］。太陽(yáng)輻射的準(zhǔn)確測(cè)量，與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、氣象科學(xué)研究、太陽(yáng)能利用以及人類社會(huì)有密切關(guān)系。計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)是將計(jì)量基準(zhǔn)傳遞到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活各個(gè)領(lǐng)域的紐帶，是確保量值傳遞和量值溯源、實(shí)現(xiàn)全國(guó)計(jì)量單位制的統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確可靠的主要保障措施［7］。標(biāo)準(zhǔn)儀器的性能，必須在兩次國(guó)際直接輻射表比對(duì)（IPC）之間定期進(jìn)行監(jiān)控，以防在兩次國(guó)際比對(duì)中間儀器性能退化［8］。

國(guó)外研究結(jié)果表明：觀測(cè)儀器的誤差是導(dǎo)致模式計(jì)算值與測(cè)量值之間偏差的原因之一［9］；在利用成份和法校準(zhǔn)總輻射表的量值傳遞過程中，標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表和標(biāo)準(zhǔn)總輻射表（加遮光測(cè)量散射輻射）引入的不確定度占總不確定度的60%［10］。對(duì)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行溯源和質(zhì)量控制，可減小量值傳遞過程中由標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度。

1958—1975年我國(guó)的太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)由瑞典生產(chǎn)的3臺(tái)埃斯川姆補(bǔ)償型輻射表組成（表號(hào)分別為180，216和175），并按IPS-1956絕對(duì)輻射標(biāo)尺進(jìn)行量值傳遞。1975年從瑞典引進(jìn)了3臺(tái)新型埃斯川姆補(bǔ)償型輻射表（表號(hào)分別為705，706和707），1975—1981年以這3臺(tái)新型埃斯川姆補(bǔ)償型輻射表作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量值傳遞。根據(jù)世界氣象組織（WMO）1977年第7次會(huì)議決議，從1981年1月1日起開始實(shí)行新的世界輻射測(cè)量基準(zhǔn)（WRR）。所以，1981年從美國(guó)進(jìn)口了兩臺(tái)H-F型自校準(zhǔn)腔體直接輻射表（表號(hào)分別為19743和20294）和405型控制器及太陽(yáng)跟蹤器。1981年11月以20294腔體直接輻射表為標(biāo)準(zhǔn)（該儀器值由WRR傳遞）進(jìn)行了一系列的比對(duì)工作，發(fā)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)與原標(biāo)準(zhǔn)（表號(hào)為705）的比值為1.041，并非1.022。根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況，將該標(biāo)準(zhǔn)乘以1.041，并從1982年1月1日開始實(shí)施。同時(shí)也確定兩臺(tái)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(fù)性不大于0.1%，滿足WMO《氣象儀器與觀測(cè)方法指南》（第5版）要求，所以從1982年開始，以這兩臺(tái)腔體直接輻射表作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量值傳遞。由于當(dāng)時(shí)沒有參加國(guó)際比對(duì)的可能，采用有間隔地直接購(gòu)進(jìn)帶有標(biāo)準(zhǔn)量值儀器的方法，保證了我國(guó)太陽(yáng)輻射標(biāo)準(zhǔn)量值與國(guó)際同步。

1990年，經(jīng)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局考核批準(zhǔn)，我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)正式建標(biāo)。由這兩臺(tái)腔體直接輻射表組成的太陽(yáng)輻射標(biāo)準(zhǔn)組來實(shí)現(xiàn)，為我國(guó)在太陽(yáng)輻照度的最高標(biāo)準(zhǔn)，并簽發(fā)了計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)合格證書，（［90］國(guó)技量氣象證字第002號(hào)），由國(guó)家氣象計(jì)量站負(fù)責(zé)保存和使用。1991年又進(jìn)口了1臺(tái)PMO-6型絕對(duì)腔體直接輻射表（表號(hào)為850406），經(jīng)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局對(duì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)查考核，滿足 WMO要求，從此我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)由3臺(tái)腔體直接輻射表組成［11］。多年來，通過不斷改進(jìn)建立了完善的管理制度和質(zhì)量保證體系，包括計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的量值傳遞和溯源、校準(zhǔn)方法的選擇及確認(rèn)、校準(zhǔn)過程的控制及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、人員的配備及對(duì)人員的技能要求等［12］，并通過了歷次國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局組織的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)復(fù)查考核（質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門對(duì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量能力的評(píng)定和開展量值傳遞資格的確認(rèn)）。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(guó)際直接輻射表比對(duì)，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(dá)沃斯），保證了我國(guó)和部分亞洲國(guó)家太陽(yáng)輻照測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。自建標(biāo)以來，3臺(tái)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)每年進(jìn)行一次互比，對(duì)其重復(fù)性和穩(wěn)定性進(jìn)行期間核查，以圖形記憶方式對(duì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量過程進(jìn)行連續(xù)和長(zhǎng)期的統(tǒng)計(jì)控制，確保測(cè)量過程處于穩(wěn)定受控狀態(tài)，保證了我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

1 太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的量值溯源

隨著國(guó)家逐步改革開放，參加國(guó)際比對(duì)的機(jī)會(huì)逐步增加，我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，1983年1月參加了美洲區(qū)域輻射中心在美國(guó)舉行的比對(duì)；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(duì)；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(duì)；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(guó)際直接輻射表比對(duì)溯源活動(dòng)，保證了我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)與WRR的一致性。作為RIC-北京，還承擔(dān)了部分國(guó)家的太陽(yáng)輻射標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞任務(wù)，定期與朝鮮、越南等國(guó)家的太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)。1994年我國(guó)建立了8個(gè)輻射儀器區(qū)域檢定點(diǎn)，每個(gè)檢定點(diǎn)配備了3臺(tái)穩(wěn)定性為±2%的TBQ-2-B型工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)總輻射表和3臺(tái)穩(wěn)定性為±1%的TBS-2-B型工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表，組成我國(guó)的省級(jí)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)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(jì)量站和國(guó)家氣象計(jì)量站負(fù)責(zé)保存和使用。每?jī)赡昱e行1次全國(guó)標(biāo)準(zhǔn)輻射儀器比對(duì)和人員培訓(xùn)，采用計(jì)量檢定或校準(zhǔn)的方式對(duì)全國(guó)以及部分國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)輻射儀器進(jìn)行量值傳遞（圖1），然后再用工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)檢定工作用輻射表，確保了WRR在我國(guó)及部分國(guó)家傳遞的準(zhǔn)確性。

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

我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)15年來3次與世界輻射測(cè)量基準(zhǔn)（WRR）直接比對(duì)，比對(duì)結(jié)果見表1，其中WRR因子f由式（1）計(jì)算：

式（1）中，S為我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的太陽(yáng)直接輻射，單位：W·m－2；W為世界輻射標(biāo)準(zhǔn)組測(cè)量的太陽(yáng)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(guó)際直接輻射表比對(duì)（IPC-Ⅺ），我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)（表號(hào)為850406）與 WRR的誤差［15］見圖2，與世界各區(qū)域輻射中心測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)比較見表2。由表1、圖2和表2可知，我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)滿足WMO要求，并達(dá)到世界先進(jìn)水平。

表1 我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的WRR因子［13-15］Table 1 WRR factor of national solar radiation measurement standards（from Reference［13-15］）

圖2 我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)與WRR的誤差［15］Fig.2 Deviation of national solar radiation measurement standards from WRR（from Reference［15］）

表2 我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)與各區(qū)域輻射中心輻射標(biāo)準(zhǔn)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(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)等原因，都可能引起其計(jì)量特性的變化。在對(duì)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的管理中，僅采取定期參加國(guó)際比對(duì)的方法不能完全滿足質(zhì)量保證的要求。只有聯(lián)合國(guó)際比對(duì)和期間核查的控制方法，才能確保太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果的測(cè)量不確定度持續(xù)地控制在規(guī)定的允許范圍內(nèi)。國(guó)際比對(duì)5年1次，為了保證計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置在兩次國(guó)際比對(duì)間隔之間的準(zhǔn)確可靠，并保證良好置信度的校準(zhǔn)狀態(tài)，對(duì)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)每年進(jìn)行1次期間核查，以確定標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行的操作。該操作過程一般包括由被核查的對(duì)象適時(shí)地測(cè)量一個(gè)核查標(biāo)準(zhǔn)，記錄核查數(shù)據(jù)，必要時(shí)建立數(shù)據(jù)庫(kù)或畫出控制圖，以便及時(shí)檢查測(cè)量數(shù)據(jù)的變化情況，證明被核查對(duì)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(yù)防措施［16］。

根據(jù)太陽(yáng)輻射儀器的特點(diǎn)和實(shí)際情況確定了核查方法。由于太陽(yáng)輻射儀器的校準(zhǔn)以太陽(yáng)為光源，在自然條件下進(jìn)行，測(cè)量對(duì)象隨時(shí)間不斷變化。本文采用3臺(tái)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)對(duì)太陽(yáng)輻照度進(jìn)行測(cè)量，用任意兩臺(tái)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果的比值作為核查標(biāo)準(zhǔn)。這樣即使太陽(yáng)輻照度發(fā)生變化，但測(cè)量結(jié)果比值不變，也就是說，雖然也采用了實(shí)物作為被測(cè)物體，可作為核查標(biāo)準(zhǔn)的是數(shù)據(jù)而不是實(shí)物，其優(yōu)點(diǎn)是降低了對(duì)被測(cè)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(duì)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行核查，主要包括計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性和穩(wěn)定性，以保持其校準(zhǔn)狀態(tài)的可信度。期間核查在室外太陽(yáng)光下進(jìn)行，選擇天空晴朗，太陽(yáng)高度角不小于15°，太陽(yáng)輻射穩(wěn)定，空氣溫度為20±10℃，風(fēng)速低于5 m·s－1，相對(duì)濕度不超過80%的天氣條件。在入射光線與儀器感應(yīng)面垂直時(shí)輻照度不低于500 W·m－2的條件下［17］，采用平行比對(duì)法進(jìn)行（圖3）。

2.1 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性

重復(fù)性是指在相同的測(cè)量條件下，儀器重復(fù)測(cè)量同一個(gè)被測(cè)參數(shù)所展示出的相近示值的能力。重復(fù)性通常用測(cè)量結(jié)果的分散性來定量表示，即用單次測(cè)量結(jié)果yi的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差s（yi）來表示。重復(fù)性應(yīng)滿足檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度的要求［12］，我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性應(yīng)不大于新建計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)測(cè)得的重復(fù)性0.1%的要求。

圖3 我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)期間核查Fig.3 National solar radiation measurement standards period verification

太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)性的試驗(yàn)方法為在相同測(cè)量條件下，對(duì)3臺(tái)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行n次獨(dú)立同步重復(fù)測(cè)量，用測(cè)量結(jié)果相互間的比值的標(biāo)準(zhǔn)偏差作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性，解決了重復(fù)性的測(cè)量問題。若得到的任意兩臺(tái)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果的比值為yi（i＝1，2，…，n），則其重復(fù)性s（yi）為

式（2）中，為任意兩臺(tái)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)n次測(cè)量結(jié)果比值的算術(shù)平均值；n為重復(fù)測(cè)量次數(shù)，n應(yīng)盡可能大，一般不少于10次。

我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性見圖4，其中，S1，S2，S8分別為各計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)（表號(hào)為19743、表號(hào)為20294和表號(hào)為850406）測(cè)得的太陽(yáng)直接輻照度。由圖4可知，由國(guó)家氣象計(jì)量站保持的我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性不大于0.1%，滿足測(cè)量不確定度要求。

圖4 我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性Fig.4 Repeatability of national solar radiation measurement standards

2.2 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是指計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)保持其計(jì)量特性隨時(shí)間恒定的能力，與所考慮時(shí)間段的長(zhǎng)短有關(guān)。計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)由計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備所組成，因此計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性應(yīng)包括計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法為每年用被考核的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)核查標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行1組n次的重復(fù)測(cè)量，取其算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果，以相鄰兩年的測(cè)量結(jié)果之差作為該時(shí)間段內(nèi)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性應(yīng)小于計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的最大允許誤差的絕對(duì)值或不確定度［12］。對(duì)于我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性要求其年變化量應(yīng)不大于0.25%。

由于天空的不穩(wěn)定性，為減小重復(fù)測(cè)量誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果引入的不確定度，在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能多地增加測(cè)量次數(shù)，使測(cè)量結(jié)果中由重復(fù)性測(cè)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(duì)3臺(tái)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行N組測(cè)量（N＞8），每組測(cè)量20次。假定其中1臺(tái)為核查標(biāo)準(zhǔn)，取其他兩臺(tái)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)與核查標(biāo)準(zhǔn)N組測(cè)量結(jié)果的比值的平均值，得到計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)系數(shù)，再與上一次結(jié)果的差值作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性，由圖5可知，我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的年變化量保持在0.25%的允許變化量范圍內(nèi)。

圖5 我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性Fig.5 Stability of national solar radiation measurement standards

2.3 測(cè)量過程中的統(tǒng)計(jì)控制——控制圖法

控制圖（又稱休哈特（Shewhart）控制圖）是對(duì)測(cè)量過程是否處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)的一種圖形記錄。它能判斷并提供測(cè)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(cè)量過程重新處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)［12］。

為了使太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)處于質(zhì)量控制之中，本文采用平均值控制圖，來判斷測(cè)量過程中是否受到不受控的系統(tǒng)效應(yīng)的影響，以圖形記憶方式對(duì)我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量過程進(jìn)行連續(xù)和長(zhǎng)期的統(tǒng)計(jì)控制（圖6），圖6中比值為S8／S1值的平均，保證了測(cè)量過程處于穩(wěn)定受控狀態(tài)，通過了國(guó)家質(zhì)檢總局的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)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(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)的寬度均相當(dāng)于所采用統(tǒng)計(jì)控制量的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ。自上而下分別標(biāo)記為A，B，C，C，B和A，A區(qū)為警戒區(qū)。由圖6可知，我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試點(diǎn)未超出控制界限且分布呈隨機(jī)狀態(tài)，測(cè)試點(diǎn)出現(xiàn)在A區(qū)中的概率為0，未進(jìn)入警戒區(qū)。說明測(cè)量過程未受到不受控的系統(tǒng)狀態(tài)影響，即太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量過程受控。

圖6 我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)控制圖Fig.6 National solar radiation measurment standard control

2.4 核查標(biāo)準(zhǔn)的建立

在計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性測(cè)量過程中，不可避免地引入被測(cè)對(duì)象對(duì)穩(wěn)定性測(cè)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(cè)量對(duì)象作為穩(wěn)定性測(cè)量的核查標(biāo)準(zhǔn)［7］。2010年從瑞士世界輻射中心進(jìn)口了一臺(tái)與我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)具有相同準(zhǔn)確度等級(jí)的PMO6-cc型絕對(duì)腔體直接輻射表（表號(hào)為0808）。通過長(zhǎng)期考核，該標(biāo)準(zhǔn)具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，滿足作為核查標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，2013年正式建立了核查標(biāo)準(zhǔn)，并首次使用該核查標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了期間核查，3臺(tái)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)與核查標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果的一致性見圖7（S0為腔體直接輻射表（表號(hào)為0808）測(cè)得的太陽(yáng)直接輻照度），其中計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)（表號(hào)為850406）與核查標(biāo)準(zhǔn)的最大相對(duì)誤差為0.11%（0.86 W·m－2），標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.43 W·m－2；計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)（表號(hào)為19743）最大相對(duì)誤差為0.24%（1.88 W·m－2），標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.24 W·m－2；計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)（表號(hào)為20294）最大相對(duì)誤差為0.10%（0.74 W·m－2），標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.45 W·m－2；滿足建標(biāo)報(bào)告要求。核查標(biāo)準(zhǔn)的保存應(yīng)保證其穩(wěn)定性，避免溫度、濕度、電磁場(chǎng)、振動(dòng)等外界因素的影響。當(dāng)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)參加國(guó)際比對(duì)后，應(yīng)立即對(duì)核查標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，將WRR量值賦予核查標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)與核查標(biāo)準(zhǔn)的一致性Fig.7 Consistency of national solar radiation measurement standards with check standard

3 太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量值分散性的非負(fù)參數(shù)［18］。對(duì)于我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的要求是其不確定度不大于0.25%。

測(cè)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(yáng)盤面附近的一部分散射輻射）的分布和直接輻射表的視場(chǎng)角。當(dāng)校準(zhǔn)系列中的所有直接輻射表都具有相同的視場(chǎng)角（和斜角）時(shí)，或當(dāng)環(huán)日輻射很小并直射很強(qiáng)時(shí)，不確定度最?。?9］。

國(guó)際直接輻射表比對(duì)時(shí)，由于參加比對(duì)的儀器由各國(guó)參加人員自己操作控制，如儀器跟蹤太陽(yáng)，數(shù)據(jù)采集以及采樣時(shí)間的同步等。世界輻射中心（WRC）只負(fù)責(zé)將各國(guó)提供的數(shù)據(jù)與WRR比較后，給出比值的平均值（WRR factor）和標(biāo)準(zhǔn)偏差，不對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度進(jìn)行評(píng)定。2010年，我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)PMO-6（表號(hào)為850406）參加了WMO國(guó)際直接輻射表比對(duì)。在3周的時(shí)間里與世界輻射標(biāo)準(zhǔn)組進(jìn)行同步測(cè)量，總共測(cè)量了664個(gè)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(gè)，與WRR比值的平均值為1.000198，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.000876（即實(shí)驗(yàn)測(cè)量列中任一次測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差，用s（f）表示）。以獨(dú)立觀測(cè)列的算術(shù)平均值作為最終測(cè)量結(jié)果，則重復(fù)性測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度（A類不確定度）為

式（6）中，n為測(cè)試次數(shù)。

測(cè)量結(jié)果的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要包括WRR的不確定度（每臺(tái)世界輻射標(biāo)準(zhǔn)組（WSG）儀器的不確定度優(yōu)于0.058%（k＝1.96），WRR由4臺(tái) WSG儀器的平均值計(jì)算，擴(kuò)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(duì)時(shí)大氣的穩(wěn)定性引入的不確定度為0.06%（k＝1）；太陽(yáng)跟蹤器跟引入的不確定度為0.1%（k＝2.449）等。通過計(jì)算，我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)與WRR比對(duì)結(jié)果的不確定度為0.17%（k＝2）。

4 小 結(jié)

研究表明：

1）我國(guó)自建立太陽(yáng)輻射測(cè)量以來，在計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)方面，一直采取不同的方式保持與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌，保證了我國(guó)太陽(yáng)輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)與世界輻射測(cè)量基準(zhǔn)的一致性。

2）我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性不大于0.1%，年穩(wěn)定性小于0.25%，與世界輻射測(cè)量基準(zhǔn)比對(duì)結(jié)果的不確定度為0.17%，滿足 WMO要求，并達(dá)到世界先進(jìn)水平。

3）太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)僅僅采取定期參加國(guó)際比對(duì)方法不能滿足質(zhì)量保證的要求。只有聯(lián)合國(guó)際比對(duì)和期間核查的控制方法，才能確保其測(cè)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(cè)結(jié)果計(jì)算得到的統(tǒng)計(jì)控制量變化情況可以推斷出測(cè)量過程是否處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)。

4）太陽(yáng)輻射標(biāo)準(zhǔn)的量值溯源（傳遞）應(yīng)選擇天氣晴朗、環(huán)日輻射很小且直接輻射很強(qiáng)的天氣條件，最好選擇海拔高度高的地方進(jìn)行。通過增加測(cè)量次數(shù)，使測(cè)量結(jié)果中由重復(fù)性測(cè)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(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性、穩(wěn)定性、測(cè)量過程的統(tǒng)計(jì)控制、核查標(biāo)準(zhǔn)的建立以及測(cè)量結(jié)果的不確定度分析幾個(gè)方面介紹如何對(duì)我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量控制，這對(duì)我國(guó)太陽(yáng)輻射最高標(biāo)準(zhǔn)的溯源和量值傳遞至關(guān)重要。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步，我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)與世界輻射測(cè)量基準(zhǔn)保持著很好的一致性，人才隊(duì)伍建設(shè)與業(yè)務(wù)技術(shù)水平也緊跟國(guó)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(chǎng)地應(yīng)四周空曠，但隨著城市建設(shè)的發(fā)展，近年來太陽(yáng)輻射檢定外場(chǎng)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(chǎng)越來越困難，而這正是提高我國(guó)太陽(yáng)輻射測(cè)量準(zhǔn)確度的基本保證。氣象行業(yè)的省級(jí)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)量值直接溯源到國(guó)家太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。為了保證這些計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)在兩次比對(duì)間隔之間的準(zhǔn)確可靠，省級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)在兩次比對(duì)之間進(jìn)行1次期間核查，保證省級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)處于良好置信度的校準(zhǔn)狀態(tài)，但由于省級(jí)人員缺乏等問題，目前還未能完全實(shí)現(xiàn)。

［1］ 鄭有飛，關(guān)福來，蔡子穎，等.我國(guó)南方中東部地區(qū)地面太陽(yáng)總輻射變化規(guī)律.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2011，22（3）：312-320.

［2］ 李曉文，李維亮，周秀驥.中國(guó)近30年太陽(yáng)輻射狀況研究.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，1998，9（1）：24-31.

［3］ 李清泉，王蘭寧，徐影.輻射參數(shù)化方案對(duì)氣候模擬和回報(bào)的影響.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2005，16（增刊Ⅰ）：12-21.

［4］ 邱金桓，許瀟鋒，楊景梅.北京等7個(gè)氣象臺(tái)站太陽(yáng)總輻射觀測(cè)資料的準(zhǔn)確度評(píng)估.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2008，19（3）：287-296.

［5］ 楊云，丁蕾，程興宏，等.PSP總輻射表靈敏度系數(shù)的熱偏移訂正方法.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2012，23（5）：585-592.

［6］ 宋建洋，鄭向東，程興宏，等.臨安與龍鳳山輻射數(shù)據(jù)質(zhì)量及初步結(jié)果比較.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2013，24（1）：65-74.

［7］ 鄧媛芳，倪育才，丁躍清.計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核講義.全國(guó)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量檢定人員考核委員會(huì)，2008.

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［11］ 楊云，王冬，呂文華，等.我國(guó)太陽(yáng)輻射標(biāo)準(zhǔn)與量值傳遞.儀器儀表學(xué)報(bào)，2007，28（8）：429-435.

［12］ JJF 1033—2008計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范.北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2008.

［13］ WMO International Pyrheliometer Comparison IPC-Ⅸ Final Report.MeteoSwiss Working Report No.197，2001.

［14］ WMO International Pyrheliometer Comparison IPC-ⅩFinal Report.WMO／DT No.1320，2006.

［15］ WMO International Pyrheliometer Comparison IPC-Ⅺ Final Report.WMO IOM Report No.108，2011.

［16］ 《法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)考核規(guī)范》實(shí)施指南.北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2012.

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［19］ GB／T 14890—94工作直接輻射表的校準(zhǔn)方法.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

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(quán)繼梅，丁蕾，等.國(guó)家級(jí)太陽(yáng)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及其質(zhì)量控制.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，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(guó)氣象局氣候變化專項(xiàng)（CCSF201439）

*email：yyaoc＠cma.gov.cn