《仪器和观测方法指南》总论

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1、第1章 总论1.1 气象观测1.1.1 概述进行气象（及有关环境的和地球物理的）观测是为了各种的理由。气象观测可应用于天气分析和预报的实时准备、气候调研、与局地天气有关的业务（例如当地机场的飞机操作、陆地和海上的建设工程）、水文和农业气象学以及气候学的研究。气象仪器和观测方法指南的目的是为了在气象测量和观测中作得更好而提出建议以支持上述各种活动。此类建议有许多其它的出处，使用者可参考本指南的附录。其中列出了有关仪器和观测方法理论与实践的广泛参考书目。附录也包括有关国家的惯例、国家的和国际的标准器以及通用的文献。它还包括世界气象组织（WMO）仪器和观测方法委员会（CIMO）有关的技术会议，仪器使

2、用和仪器的国际比对等所发表的报告目录。以及由WMO发行的有关气象观测特殊应用方面的其它手册和指南尤其是有关全球观测系统（WMO1981a和1989），航空气象学（WMO，1990）水文学（WMO1994），农业气象学（WMO，1981b）和气候学（WMO，1983）的。根据CIMO的推荐，WMO的几个区域协会已经建立了区域仪器中心（RIC），以保持标准器并提供建议。在附录1.A中给出了它们的授权范围和地区的名称。在本指南中，除另有说明外，当采用统计方法表示时，不确定度是，即置信水平为95%（见1.6）。1.1.2 代表性 观测资料所需要的密度或分辨率，与分析和应用相适应的各种现象的时间和空间尺

3、度两者均有关。WMO（1981a）对气象现象的水平尺度分类如下：（a）小尺度（小于100km），例如雷暴、局地风、龙卷；（b）中尺度（100-1000km），例如锋面，云团；（c）大尺度（1000-5000km）例如低压，反气旋；（d）行星尺度（大于5000mk），例如高空对流层长波。水平尺度同现象的时间尺度密切相关，因此，短期天气预报要求在一个有限区域内由较密集的站网进行较多时次的观测，以便检测出一些小尺度现象及其随后的发展。当预报时效增长时，要求的观测空间范围也要随之扩大。气象观测根据其用途应使之具有代表性。例如，天气观测站典型的必须代表其周围达到100km的范围，以便确定中尺度和较大尺度

4、的现象。对于小尺度或局地的应用来说，面积可能为10km大小或更小。气象站的暴露状况是决定其代表性的关键因素（见1.3.3节）。气象站的代表性误差要远大于单纯的仪器系统设定的代表性误差。在丘陵或滨海地区的气象站，对于较大尺度或中尺度来说，似乎不具代表性。然而，即使在不具代表性的气象站，其观测时间上的同一性，仍能使应用者有效地使用这些资料。1.6节讨论仪器系统所要求的和可达到的准确度。使用良好的仪器系统进行正确操作可达到所规定的准确度。但在实践中，并非总能维持这种情况。良好的观测实践需要熟练的技能培训装备和支持。这些条件并非总能在足够程度上具备。同样，在几米到100km尺度范围内， 均具有良好的开

5、阔状态和代表性也难于实现。1.1.3 气象站历史沿革资料气象观测必须按照气象站的暴露和设备与操作的类型和条件而定。使用者可能需要知道观测的环境。在气候研究中，必须详细地考查气象站的历史沿革。这一点现在变得特别重要。与必须关注气象资料有关的其它资料包括在1.3节中所述的气象站的建立与维持的全部材料，以及所发生的有关变化，包括检定与维护的历史（有参考价值的），以及气象站开阔状况的演变和人员变动的情况。对某些对仪器安装特别敏感的要素来说，环境资料特别重要，如降水，风和温度。与气象资料有关的历史沿革资料的一个特别重要的方式是涉及气象资料及与之相关的历史沿革资料的真实性和可用性。1.2 气象观测系统对观

6、测资料的要求可以用现场测量，或用遥感（包括空基（bear）遥感 ）系统来获得。根据不同感应系统的能力来测量所需要的要素。WMO（1981a）针对全球、区域的和国家的不同尺度以及根据应用概述了对观测资料的要求。设计满足这些要求的全球观测系统，它是由地基子系统和空间子系统组成。地基子系统按照具体的应用包括各种类型的气象站（例如地面天气站、高空站、气候站等）。空间子系统按照具有探测任务的空间飞行器，和相应的用于指令、控制和资料接收的地面部分共同组成。在本指南随后的有关章节中将涉及及地基系统，同时也提及空间系统。1.3 气象站的一般要求按照气象站和观测网的类型，对各种要素的要求已在WMO（1981a）

7、中详述。本节中，主要考虑典型的气候站或地面天气站网的观测要求。下面是在气象站上进行地面观测所要观测的要素，（其中的章次参考本指南第1编）：现在天气 （第14章）过去天气 （第14章）风向和风速 （第5章）云量 （第15章）云状 （第15章）云底高度 （第15章）能见度 （第9章）气温 （第2章）相对湿度 （第4章）气压 （第3章）降水 （第6章）积雪 （第6章）日照和或太阳辐射 （第7、8章）土壤温度 （第2章）蒸发 （第10章）除云状以外，以上全部要素都可用现有的仪器进行测量。然而，就现在的技术水平来说，对现在天气、过去天气、云量和云高、积雪，尚不能像观测人员那样使用仪器对上述现象进行全程观

8、测。某些气象站进行高空测量（第1编第12章和第13章），土壤湿度（第1编第11章）、臭氧（第1编第16章氧和大气成份测量（第1编第17章）。其中有些项目使用了本指南第2编所述的特种仪器系统。观测方法和适用的仪器使用包含在本指南随后的一些章中。1.3.1 自动气象站天气、气候或航空用途所要求的大多数气象要素能用自动仪器测量（第2编第1章）。由于自动系统测量能力的增强，完全的自动气象站与以观测人员为主体（配备或不配备自动仪器）的气象站的比率在稳步增长。在本指南以下的几节中，有关站点的位置和仪器的安装变换、检查与维护，均等同地应用于自动气象站和有观测员的气象站。1.3.2 观测员由于多种理由，要求配

9、备气象观测员：（a）藉助于适当的仪器，按要求的准确度，进行天气和/或气候观测：（b）保持仪器和观测场地处于良好状态；（c）编码和发送观测记录（在无自动编码和通信系统的情况下）；（d）维护现场自记设备，包括当需要时更换自记纸；（e）当无自动系统或自动系统不能用时，整理或校核每周的和/或每月的气候资料的记录；（f）当自动设备不能对全部要求的要素进行观测，或自动系统不能运行时，提供补充观测或替代观测。观测员必须由适当的气象部门进行培训和/或授予证书，以示他们能胜任观测工作并达到要求的标准。他们必须能理解自己所使用的具体观测系统采用的仪器和操作技术的指导规程。对观测员的仪器培训要求，本指南将在第3编第

10、4章中给出。1.3.3 位置与暴露状况1.3.3.1 位置选择气象站应设计成能按照气象站的类型进行有代表性的测量（或观测）。因此，天气站网中的站应进行能满足天气尺度要求的观测。而航空气象观测站应对特殊的局地（机场）特征进行观测。一些兼有几种目的的站，如航空的、天气的气候的站，对观测点及其相应的各种传感器的精确位置有最为严格的要求。例如，下列考虑的原则可应用于区域的或国家的站网作为典型的天气或气候站选址和对仪器安装状况的要求，（有关适用的具体仪器和测量方法的资料在随后的几章中详述）：（a）室外仪器必须安装在一块约10m 7m 的水平地面内，用浅草覆盖或具有局地代表性的地表，用稀疏的篱笆或木栅围绕

11、，以阻止未经批准的人员进入。在围栏内，留出一块2m2m 的裸地，用作地面状态观测和深度浅于30cm 的土壤温度观测；（b）测点不应设在凹地，附近应无陡峭的倾斜地表，假如这些条件不能遵从，则该观测值仅能表征纯粹的局地意义上的独特性。（c）测点应远离树木、建筑物、墙或其它障碍物。任何此类障碍（包括栅栏）离雨量器承水口上边沿的距离，应不小于障碍物高度的两倍，最好四倍于此高度；（d）日照计、雨量器、风速表必须安装在暴露状况满足各面要求的位置上，并如同其它仪器一样需要位于同一场地。（e）必须指出，就测定风速和风向来说，围栏场地可能并非最佳测点；对风来说，另外的对风更开敞的测点，可能更合乎需要。（f）非常

12、开阔的测点对大多数仪器来说是符合要求的，而对雨量器来说就不合适。因为此类测点，除微风以外会减少截获的降水，一定程度的屏障是需要的；（g）假如仪器围栏妨碍对周围场地获得充分开阔的视野，为了观测能见度必须选择另一个测点；（h）为了观测云和能见度，场地必须尽量开敞，并要求对天空及周围地区有最开阔的视野；（i）在沿海站，要求有开阔的海面视野，但又不应太接近悬崖边沿。因为悬崖引发的风的旋涡，将影响降水量和风的测量；（j）云和能见度的夜间观测，最好在不受外来灯光影响的测点进行。1.3.3.2 气象站的坐标测站的位置必须准确地获知，并记录。测站的坐标是：（a）纬度，准确到分；（b）经度，准确到分；（c）测站

13、位于平均海平面以上的高度。即测站的海拔高度，精确到米。这些坐标，可参考选定测点的标绘图确定，可能不同于测站据以命名的相应城镇、村庄或机场的坐标。对某些目的来说，可能要求其坐标有较高的精密度。气象站海拔高度定义为安装雨量器的地面距平均海平面的高度。或者假如无雨量器计，则定义为温度表百叶箱下方地面的平均海拔高度。假如既无雨量计器，又无百叶箱，则定义为该站附近地带的平均海拔高度。若该站报告气压，则海拔高度与该站气压有关，必须分别规定。此时测站气压报告涉及的高度就是基准高度；这样的气压值称为“本站气压”。并被视作为保持气压纪录连续性所指定的高度（WMO，1993）。若气象站建在机场，必须对其高度作出规

14、定（见第2编第2章以及（WMO，1990）。高度测量的定义和平均海拔高度的定义在WMO（1992）中给出。1.3.4 仪器变更和同一性观测场地的特征通常随时间变化。例如在邻近地带树木成长、建筑物的建立。选择的场地应使这些影响尽可能减少到最小程度。特别重要的是使仪器变更的影响和/或具体仪器测点的变更的影响，尽可能减至最小。虽然对新仪器的静态特性可有比较好的了解。但当把它们用于测点气候条件下进行业务观测时，新仪器会引入该点气候值明显的变化。为了防范出现这种不测，在老的测量系统退役前，必须对新仪器进行相当长时间（至少1年）的对比观测。当测点变更时，则要进行同样的对比观测。当这种程序不可能在所有测点都

15、实施时，有必要选择具代表性的测点进行对比观测，尽量减少测量资料因测量方法改变或测点被迫变更所造成的变化。1.3.5 检查和维护1.3.5.1 测站检查所有陆地天气站和主要的气候站至少每两年检查一次。农业气象站和特种站必须相当短的时段内进行检查，以确保维持高标准观测和仪器的正常运转。此类检查的主要目的在于明确：（a）仪器的位置与安装状况是否已经测知和是否合乎要求；（b）如同所需要的那样，仪器是否属于被批准的型号，是否属于良好的等级，以及是否根据需要定期用标准器作了检定；（c）观测方法以及由观测值计算导出量的程序是否统一；（d）观测员是否胜任其职责。仪器标准化方面更进一步的资料详见1.5节。1.3

16、.5.2 维护观测场地和仪器应该定期维护。这样在两次测站检查期间，观测质量不会明显降低。日常的（预防性的）维护计划包括：观测场地的定期治理（例如割草和清洁仪器的外表），按照生产厂的推荐对自动仪器的进行校验。按计划在站上或在中心站点进行常规质量控制检验，必须在最早可能的阶段，检测出设备的故障。根据故障的性质和站的类型，按照认同的优先顺序和时间分段，对设备进行更换或修理。特别重要的是对资料用于气候目的的测站要妥善保存有关仪器故障和采取的补救行动的值班记录。台站检查和管理方面的更多资料，详见WMO（1989）。1.4 对仪器的总要求1.4.1 设想的特性气象仪器的最重要要求是：（a）准确度（对于某一

17、特定变量，按照规定的要求）；（b）可靠性；（c）操作与维护方便；（d）设计简单（符合要求）；（e）耐久；考虑前两个要求，一种仪器应该在长时间内保持已知的准确度是很重要的。这比开始有高的准确度，但在工作条件下，却不能长期保持更好。通常仪器的初始检定与设想输出之间会出现一定的偏差。当正常工作时，需要对观测资料进行修正。重要的是：修正值应与仪器共同保存在观测站上，并明确指导观测员具体使用。结构简单、结实、操作与维护方便也是重要的。因为，大多数气象仪器要年复一年地连续使用，并且可能被安装在远离修理条件好的地方，对全部或部分地暴露在自然条件下的仪器，结构坚固是特别重要的，如仪器具备这些特点，将会减少获得

18、良好观测资料所需的整个费用，它的价值胜过起始价格。1.4.2 自记仪器在气象上，使用许多自记仪器均属于如下类型：感应元件的位移由杠杆放大，杠杆带动自记笔在自记纸上移动，自记纸则卷在由钟机驱动的钟筒上。这种自记仪器不仅在轴承处，而且在自记笔和自记纸之间应尽可能地减小磨擦。仪器具有调整自记笔在自记纸上的压力的装置，这种压力应减少到最小，以使自记纸上画出连贯的清晰的记录曲线。在钟机驱动的自记仪器上，也要有作时间记号的装置。在设计用于寒冷气候的自记仪器时，必须特别注意确保它们的性能不受严寒和潮湿的影响。并且日常的操作程序（作时间记号等），能够由带手套的观测员来实施。自记仪器应该经常与直读式仪器作比对。

19、愈来愈多的仪器使用磁带或半导体微电路的电子记录方法。对轴承、磨擦和寒冷天气下工作的诸多相同考虑，也适用于这些仪器的机械部件。1.5 测量标准的定义1.5.1 测量标准的定义“标准”这个词和其它相似的术语，描述各种仪器、方法和刻度，用以建立计量准确度。计量标准的术语由标准化国际组织（ISO，1993a）与国际法制计量组织，国际度量衡局和其它组织共同给出。一些定义如下：测量标准（Measurement Standard）：一个实物量具，计量仪器，标准物质或测量系统，用以定义、实现、保存或复现一个量的单位或一个量值、或多个量值，以作为一个标准。例如：1kg质量标准 100电阻标准注：1、一组类似的实

20、物量具或测量仪器，通过它们的联合使用，建立一个标准，称为“集合标准”。2、一组经选择的值的标准，单个的或联合的，提供一组相同类型的量值，称为“组标准”。国际基准（International Standard）：经国际协议承认的标准器，在国际上用它对相关量的所有其它标准定值的根据。国家基准（National Standard）：经国家承认使用的标准器，在国内，用它作为有关量的其它标准定值的根据。主基准（Primary Standard）：指定的或广泛公认的作为具有最高计量学属性的标准器，其值不用参考相同参量的其它标准器即可接受。副基准（Secondary Standard）：与相同量的主基准比对

21、后定值的标准器。参考标准（Reference Standard）：在确定的地区或确定的组织内，通常具有最高计量学属性的标准器。工作标准（Working Standard）：日常用以校准或检验实物量具、测量仪器或标准物质的标准器。注1工作标准器通常由参考标准器校准；2为确保测量正确通常使用的工作标准称为“考核标准”。传递标准（Transfer Standard）：用作中介比对标准的标准器。注：当中介物不是标准器时，应该使用“传递设备”这个术语。移动式标准（Travelling Standard）：具有某些特殊结构的标准器，用于在不同地区之间传递。集合标准（Collective Standard）

22、：一组相同的实物量具或测量仪器，通过它们的联合使用，履行标准器的作用。例如：世界辐射基准注：1、集合标准通常提供一个量的单一值。2、由集合标准提供的值是由各个仪器提供的值的认可的平均值。溯源性（Traceability）：测量结果或标准值的一种特性，据此可以通过连续的比较链，将测量结果与规定的标准器（通常是国家基准或国际基准）联系起来，它们都具有固定的不确定度。校准（Calibration）：在规定条件下，为建立测量仪器或测量系统或实物量具的指南值与相应的已知物理量值的关系的全部工作。（按我国计量器具检定规程JJG1001-82规定Calibration有两种含义及译名：1、校准。2、定度，详

23、见该规程译注）。注：1、校准的结果允许测量仪器、测量系统或实物量具的示值的误差估计，或允许在任意标尺上的刻度的确定。2、校准也可以确定其它计量学属性。3、校准的结果可记录在文件中，有时称为校准证书或校准报告。4、校准的结果有时用校准因数表示，或者一系列校准因数用校准曲线形式表示。1.5.2 标准化程序为了在国家的和国际的等级上有效的监督气象仪器的标准化，WMO已采用了国家的和区域的标准系统。气压和辐射的区域基准的地点分别在第1编第3章（附录3.13）和第1编第7章（附录7.C）中给出。通常，区域基准由区域协会指定，国家基准由各成员国指定。除非特别说明，作为区域的和国家的基准指定的仪器应该藉助于

24、移动式标准器至少每5年比对一次。作为移动式标准器不必具有基准或二级标准的准确度。然而，它们应足够坚固，经得起移动而不改变校准值。类似地在气象部门业务上使用的仪器应该定期与国家基准直接或间接地比对。在气象部门内部的仪器比对，只要有可能应在仪器发往气象站去的那时进行；随后如同1.3.5节所建议的那样，进行每次例行检查。检查员所用的便携式标准仪器在每次检查前和检查后，应该与气象部门的标准仪器进行检验。比对应在不同设计（或工作原理）的业务用仪器之间进行，以确保测量在时间和空间上的同一性。1.5.3 单位和常数1.5.3.1 单位气象观测使用下列单位：（a）气压用百帕（hPa）；（b）温度用摄氏度（）；

25、（c）地面和高空风速用米/秒（ms-1）或节（Kt）；（d）风向用度（），由北按顺时钟旋转以0-36标度，其中36为北风，09为东风；（e）相对湿度用百分数（%）；（f）降水用毫米（mm）；（g）蒸发用毫米（mm）；（h）能见度用米（m）和千米（km）；（I）辐照度用瓦/米2（Wm-2），辐照量用焦耳/米2（Jm-2）；（j）日照时数用小时（h）；（k）云高用米（m）；（l）云量用八分之一；（我国用1/10译注）（m）高空观测中采用的位势，用标准位势米（）；注：国际单位制（SI）应作为气象要素定值，包括用于国际交换的报告的单位系统。标准位势米定义为0.980665动力米；在对流层中的各高度上，

26、位势米与用米表示的高度在数值上是接近的。1.5.3.2 常数气象上应用下列常数：（a）标准状态下冰点的绝对温度；（b）水三相点的绝对温度；（c）标准重力；（d）0时的水银密度；其它常数由WMO（1988；1973）给出。1.6 测量准确度1.6.1 气象测量1.6.1.1 概述本节涉及在物理测量中与准确度评价和不确定度测量有关的定义以及推断出在气象学中要求的和能实现的不确定度的陈述。首先讨论在气象测量中一些特殊问题。测量这一术语在1.6.2节中作了精心的定义，但在本指南中的大多数情况下，很少严格地用它表示测量过程或测量的结果。也可把它称为“观测”。一个单次测量就是一个样本，典型的是一个传感器系

27、统的一系列的点或瞬间读数。由此可得出一个平均值或平滑值即是进行了一次观测。有关这种理论性探讨的讨论参见第2编第1和第2章。准确度、误差和不确定度这些术语在1.6.2节中将给予明确的定义。其中把准确度解释成一个质量术语，它的数量表述即是不确定度。这是很好的作法，值得鼓励。尽管如此，在本指南中允许使用通用的不太精确的准确度，如“准确度x”，应该读作“在置信水平为95%时，不确定度x”。1.6.1.2 误差来源及其估计在本指南随后的几章中，将专门详细地讨论各种气象测量中误差的来源。但是，在通常情况下，这些误差可视作是通过溯源性和测量条件的积累的结果。可以方便地以气温为例，讨论其误差是如何产生的。而对

28、气压、风和其它气象量适应下列论述并不困难，在单次测量中温度的误差源有：（a）在国际的、国家的和工作的标准器中的误差和在它们之间比对中的误差。对于气象应用来说，认为这些误差可以忽略不计；（b）在工作标准、移动标准和或考核标准与现场仪器之间、在实验室或在现场的液体浴槽中比对求出的误差。（假如，溯源性就是这样建立起来的）。假如比对实施良好，（即在95%的置信水平、0.1K的不确定度包括以上（a）的误差）则以上求出的误差是小的，但是它们容易变得较大，取决于操作者的技能和设备的质量。（c）现场的温度表及其转换器的非线性，飘移，可重复性和复现性（取决于温度表元件的类型）；（d）在温度表敏感元件和温度表防辐

29、射罩中的空气之间的热交换的效能是必须确保元件是处在与空气的热平衡状态中。在设计良好的通风防辐射罩中，此项误差很小。否则它可能较大。（e）温度表防辐射罩的效能，必须确保防辐射罩中的空气与紧密环绕防辐射罩的空气具有相同的温度。在设计良好的情况下，此项误差很小。但是在特殊情况下，有效的和无效的防射罩之间的温度差，可达3以上。（f）安装状况应确保使防辐射罩处于有代表性的温度处。附近的热源热汇（建筑物，防辐射罩周围的其它无代表性的表面）和地形（小山、陆水边界）可能引起较大的误差。上述误差源的最后3项或4项的影响，只要测点位于合适的地带并仔细操作，就能保持较小的程度。若非这样，它们可能造成很大的误差（不过

30、，只要没有别的变化，对于某些统计目的来说，这些误差是可控制的）然而、在误差讨论中，它们有时仍可被忽略。虽然传感器的实验室校准完全能限定此类误差。系统误差和随机误差在所有上述各阶段中均可出现。在气象学中，确定一个真值是困难的。对设计得很好的现场仪器比对，可以确定仪器的特性，以使对从上述（a）至（e）各阶段产生的不确定度给出好的估计。安装状况的影响可通过把本站资料与附近各站的数值分析场进行比较来很好地决定。这是一种有效的业务性质量控制程序。在测站单个观测值与分析场内插值之间的差异，起因于分析场以及测站性能的误差造成的。假如周围测站适合于进行良好的分析，则在一定时间周期内，在分析场内每个测点的平均误

31、差可假定为零。在那样的情况下，测站与分析场之间差值的平均值和标准偏差可以计算出来。这些值作为测站测量系统的误差（包括安装状况的影响）。因此，估计的长期平均值的不确定度可能十分小（假如站的状况没有变化的话）。并且这是气候变化研究的基础。1.6.2 测量及其误差的定义下面有关测量准确度的术语取自国际标准化组织（ISO）（1993a）。它包括应用于气象观测实践中的许多定义。有关测量不确定度的计算和表述，（ISO）（1993b）给出了很有用的和详细的实施指导。测量（Measurement）：以确定被测对象量值为目的的全部操作。注：此类操作可以自动完成。测量结果（Result of a measurem

32、ent）；由测量所得到的被测量的值。注：1、当给出结果时，必须明确是否是指示器表示的值，是未修正结果或已修正结果，是否是几个值的平均。2、完整的测量结果说明，应包括有关测量不确定度的信息。已修正结果（Corrected result）：经系统误差修正后的测量结果值（量值）Value (of a quantity)：一个特定量的大小，它通常表示为一个测量单位乘以一个数。例如：一根杆的长度：5.34米。（量的）真值True Value (of a quantity)一个与给定量的定义值相一致的值。注：1、这是一个由理想的测量所获得的值。2、真值实质上是无法决定的。测量准确度（Accuracy of

33、 measurement）：测量结果与被测量的真值之间的一致程度。注：1、“准确度”是一个定性概念；2、“精密度”不应用作“准确度”。（测量结果的）重复性Repeatability (of result of measurement)：在同样的测量条件下，对相同的被测量进行上述测量的结果之间相一致的程度。注：1、此类条件称为重复性条件；2、可重复性条件包括：（a）相同的测量程序；（b）同一个观测者；（c）在同样的条件下（包括天气）使用相同的测量仪器；（d）同一地点；（e）在短时间内重复测量。3、重复性可以定量地用测量结果的分散性来表示。（测量结果的）复现性Reproducibility (of

34、 result of measurement)；在不同条件下，对相同的被测量进行测量的结果之间相一致的程度。注：1、复现性的准确陈述，要求对改变了的条件进行说明；2、变化的条件包括：（a）测量原量；（b）测量方法；（c）观测者；（d）测量仪器；（e）参考标准；（f）地点；（g）使用条件（包括天气）；（h）时间。3、复现性可用测量结果的分散性定量地表示；4、这里是所述结果通常理解为已经修正后的结果。（测量）不确定度Uncertainty (of measurement)：与测量结果有关的一种变量，用它表征为可合理地归因于被测量的测量值的离散。注：例如，该变量可看成是标准偏差（或它的倍数），或在一

35、定置信水平下的区间的半宽；测量的不确定度通常由许多分量组成。这些分量中的某些可以由系列测量结果的统计分布来估计，并能用实验标准偏差来表征。其它的分量也能用标准偏差来表征，根据经验或其它资料，由假定的概率分布来作出估计；不言而喻，测量的结果是被测量的最好估计值，所有的不确定度的分量，包括那些由系统性的影响引起的，诸如：与修正值的参考标准有关，都会对各分量有贡献。（测量）误差Error (of measurement)：测量的结果减去被测量的真值。注：因真值不能确定，在实践中采用约定真值。偏差（Deviation）：测量值减去其约定真值。随机误差（Random error）：测量结果减去其平均值，

36、该平均值是在可重复性条件下，对同一被测量进行多次测量得出的平均值。注：1、随机误差等于误差减去系统误差；2、由于仅能进行有限次测量，所以确定随机误差只能凭估计。系统误差（Systematic error）：在可重复条件下，对同一被测量进行多次测量求得的平均值减去被测量的真值。注：1、系统误差等于误差减去随机误差；2、像真值那样，系统误差及其起因不能完全知道。修正值（Correction）：在未修正的测量结果上加上的代数值，以作为对系统误差的补偿。1.6.3 仪器的特性当考虑仪器的准确度时，必须了解仪器的某些其它的属性。下列属性均取自ISO（1993a）：灵敏度（Sensitivity）：测量仪

37、器的响应变化除以相应的激励变化。注：灵敏度可依赖于激励值。鉴别力（Discrimination）：测量仪器响应激励值微小变化的能力。分辨率（Resolution）：指示器件对被指示量的紧密相邻值作有意义地辨别的能力的定量表示。滞差（Hysteresis）：测量仪器对确定的激励作用的响应特性，表现为与先前的激励结果有关。稳定度（仪器的稳定性）Stability (of an instrument)：仪器维持计量特性随时间不变的能力。飘移（Drift）：测量仪器的计量特性随时间的缓慢变化。响应时间（Response time）：激励受到规定的突变时间与响应到达并保持在其规定的最后稳定值时刻的时间间

38、隔。在气象学中经常用到下列其它定义：响应时间的陈述（Statement of response time）：常常以达到阶跃变化的90%所需时间作为响应时间。有时把该阶跃变化的50%的时间称为半响应时间。响应时间的计算（Calculation of response time）：在大多数简单系统中，对阶跃变化的响应是： （1.1）式中，Y是经历了时间t后的变化，A是阶跃变化的幅度，t是从阶跃变化开始所经历的时间，是具有时间量纲的该系统的特征参数。参数称为时间常数，或滞后系数。它是阶跃变化之后，仪器到达最后稳定读数的l/e所需的时间。在其它系统中，这种响应比较复杂，这里不予考虑。滞后误差（Lag

39、error）：由于观测仪器的有限响应时间，而使一组测量可能具有误差。1.6.4 单个仪器测量的不确定度ISO（1993b）可用于对不确定度的表述和计算。其中给出了详细的、实际的计算和报告方法，并用许多解说性的例证对适用的统计方法进行了综合论述。1.6.4.1 观测值的统计分布用一业务用仪器对所测变量进行n次比对，而所有其它主要变量保持不变时，同时假如真值用参考标准来确立，并且假定测量变量具有高斯（Gaussian）分布，则测量结果表现为下列图形：一个仪器比对数据分布图这里，T是真值，是一台仪器观测到的n次O值的平均值，是观测值相对于其平均值的标准偏差。在这种情况下，下列特性可以识别出来：（a）

40、系统误差，由代数差T给出；（b）精密度，与标准偏差有关。如果标准偏差小，那么业务观测可以在狭窄统计限区内再现。假如标准偏差大，虽然观测也可以再现，但仅能在较宽的统计限区内再现可以认为，这样的测量是不精确的，或是不确定的。（c）准确度，由下式（T）f（，n）的大小表示，式中f是一个概率函数，它需要有大的n值，以确定标准偏差和误差曲线的特性。RMS（均方根）常常用来近似地表示标准偏差。1.6.4.2 真值估计在正常情况下，用实际观测来估计真值。如果不存在系统误差，或者系统误差已从数据中除去，那么真值可用极大量的、细心操作的独立测量的平均值来逼近。当测量次数较少时，其平均值有它自己的分布。我们只能指

41、出预料的真值落入确定的限区内。为此，我们必须为这些限区选择一个概率（置信水平），并且必须知道平均值的误差分布。这种见解的一种很有用的清晰处理及相关的论题可参见Natrella（1966）。更进一步的讨论可参见Eisenhart（1963）。1.6.4.2.1 真值估计n大的情况当观测数n大时，样本平均值的分布属于高斯型（即正态分布校注）。甚至观测误差本身不是高斯分布时也是如此。在这种情况下，或者由于其它理由，已知当样本值的分布是高斯型时，平均值的真值可望落入下式所得出的限区内：上限： （1.3）下限： （1.4）式中，是经系统误差修正后的观测值的平均值，是总体标准偏差，Z是一个因子，按置信水平

42、来选择，它可以从（单侧）正态分布表中得到。Z的一些数值如下：置信水平（单侧）95%97.5%99.5%Z1.6451.9602.575上表中所列置信水平，即是真值将不会落在计算的特定限值（上限或下限）之外的条件。当我们希望说明真值落在这两个限度之间的置信水平时，则必须考虑上外界区和下外界区。由此可见平均值的真值落在和限度之间的概率为95%时，Z取数值1.96（上表的Z值是单侧，此处的Z是双侧校注）。1.6.4.2.2 真值估计n小的情况当n小时，在观测误差属于高斯分布或近似高斯分布的条件下，样本平均值遵循Student的“t”分布。在这种情况下，对于一个选定的置信水平，我们可由下式求得上限和下

43、限：上限： （1.5）下限： （1.6）式中，t是一个决定所选择的置信水平的因子（Student的“t”），n是测量次数，是总体标准偏差的估计量，可根据得到的测量值采用以下公式求得： （1.7）这里是单个观测值经系统误差修正后的值。一些t值如下：置信水平（单侧）95%97.5%99.5%df16.31412.70663.65742.1322.7764.60481.8602.3063.355601.6712.0002.660这里df是与观测次数有关的自由度，用df=n-1表示。在此表中，所用置信水平是有条件的。该条件是，真值不会落在计算得出的特定限度（上限或下限）的外边。当我们想要陈述置信水平时

44、，真值将落在两个限区之间。在n大时，必须给定容差。由此可见当根据9次测量（df=8）做出估计时，真值落在和限区之间概率为95%的t值相等。当n变大时，t值按近于Z值。可以看出，当df=60时，Z值几乎与t值相等。为此，当测量次数大于或等于60时，常常使用Z表（而不是t表）。1.6.4.2.3 估计真值补充说明研究者应该考虑到，误差分布是否相似于高斯型。某些变量本身，如日照、能见度、湿度和云幕高度的分布，并不是高斯型。因此，应按照它们各自特有的分布所适应的规律进行处理（Brooks和Carruthers，1953）。实际上，观测值包含了随机误差和系统误差。在每种情况下，只要系统误差已知，观测平均

45、值都作了系统误差修正。当这样处理后，真值估计仍然不准确。这是由于表达式中仍有随机误差。还由于系统误差中存在一些未知的成份。对系统误差的不确定度应该建立限值，并加到随机误差的不确定度上，以便得到总体不确定度。然而，除非系统误差的不确定度能用概率项来表示，并适当地与随机误差合并，否则，我们就不可能知道置信水平。因此，希望能定出全部系统误差。1.6.5 准确度要求1.6.5.1 概述应该测出的气象变量的准确度随所测量的特定用途而变。通常，测量设备或系统运行性能的限度，将由被测要素在空间和时间尺度上适宜于应用的变率而定。任何测量结果可认为由两部分组成；信号与噪声。信号构成测定量。而噪声是不相干的部分。

46、噪声可能以几种方式出现：出自测量误差，由于观测没有按正确的时间和地点进行，或者由于被观测量在短周期或小尺度出现不规则性。而这些不规则性与观测值无关，必须把它平滑掉。假定观测误差能很好地减少，而来自其它原因的噪声处于准确度限度以内。观测技能的进一步提炼可改善噪声的测量，但对信号不能给出更好的结果。在某些极端情况下，仪器它的误差大于信号本身的幅度能给出弱的信息或无信号的信息。因此，为了不同的目的，噪声和信号的振幅，分别按下列原则决策：（a）超过性能的限度，改进是不必要的；（b）低于性能的限度，获取的数据是无价值的。上述这种论证，限定和决策原则（a）和（b）曾由WMO（1970）对高空资料作过广泛地

47、研究。然而，有关准确度要求的陈述，通常并非从此类推论得出，而是对实际可获得性能的理解得出的，这是一个方面。另一方面，也是资料的使用者的需要的结果。1.6.5.2 要求的性能和能达到的性能测量系统的性能包括可靠性、资金、日常性开支和生存期价值，空间分辨率。但是这里讨论的性能仅限于准确度（包括尺度分辨率）和时间分辨率。已对上述讨论的各种准确度要求作了陈述。需要和可能均随时间而变化。这里给出的陈述在编写时应属于最有权威的。对其发展来说，可能是有用的指南，但它们并非是完全定形的结论。最常用于天气学、航空与航海气象学和气候学的对各种变量的要求在附录1.B2中作了总括。这里仅给出了有关地面测量的要求。可供

48、国际交流。风测量的不确定度要求，分别对风向和风速给出，因为测风报告就是分开的。附录1.C3规定了全球资料处理系统（Global Data Processing System）中心对三维风场和地面场的要求。它概述了为使数值天气预报获得最佳结果包括短期的和中期的预报应用所需的资料。由于仪器和观测技术的进步，各传感器或观测系统满足所述各项要求的能力在不断地提高。在附录1.B4中，给出了现在可供使用的、典型的传感器或观测系统的特性。应该注意到，业务上可达到准确度，在许多情况下，不能满足表中所述的要求。然而，在所有情况下，可达到的准确度均优于限值（WMO，1970（b）范畴的水平），若超过该限值则所获资

49、料成了可忽略的值了。对某些量来说，只有用最高质量的设备和观测程序，才能达到相应的准确度。参考文献Brooks, C. E. P. and Carruthers, N., 1953: Handbook of Statistical Methods in Meteorology. MO 538,Meteorological Office, London.Eisenhart, C., 1963: Realistic evaluations of precision and accuracy of instrument calibration systems.National Bureau of St

50、andards- C, Engineering and Instrumentation, Journal of Research, Volume 67C, Number2 (April-June 1963).International Organization for Standardization, 1993a:International Vocabulary of Basic and GeneralTerms in Metrology. ISBN 92-67-01075-1.International Organization for Standardization, 1993b:Guid

51、e to the Expression of Uncertainty in Measurement. ISBN 92-67-10188-9.Natrella, M.G., 1996: Experimental Statistics. National Bureau of Standards Handbook91,Washington, D.C.World Meteorological Organization, 1970:Performance Requirements of Aerological Instruments (C. L. Hawson). Technical Note No.1

52、12,WMO-No. 267.TP.151,Geneva.World Meteorological Organization, 1973:International Meteorological Tables (S.Letestu).WMO-No. 188, Geneva.World Meteorological Organization,1981a:Manual on the Global Observing Sytem.Volume I,Global aspects,WMO-No.544,Geneva.World Meteorological Organization,1981b: gui

53、de to Agricultural Meteorological Practices.Second edition,WMO-No.134,Geneva.World Meteorological Organization 1983:Guide to Climatological Practices.Second edition,WMO-No.100,Geneva.World Meteorological Organization,1988:Technical Regulations.Volume I,Appendix A,WMO-No.49,Geneva.World Meteorologica

54、l Organization,1989:Guide on the Global Observing System.WMO-No.488,Geneva.World Meteorological Organization,1990:Guide on Meteorological Observation and Information Distribution Systems at Aerodromed.WMO-No.731,Geneva.World Meteorological Organization 1992:International Meteorological Vocabulary. S

55、econd edition,WMO-No.182,Geneva.World Meteorological Organization,1993:Weather Reporting. Volume A, Observing stations ,WMO-No.9,Geneva.World Meteorological Organization,1994:Guide to Hydrological Practices.Fifth edition,WMO-No.168,Geneva.附录1.A区域仪器中心（RICs） 1考虑到在气象仪器定期校准与维护方面的需要，以满足高质量的气象与水文资料日益增长的需求

56、和各成员国对气象仪器标准化方面的要求，对国际仪器比对与评价以及仪器专家的培训的需要，建议成立区域仪器中心5。2区域仪器中心指定实现如下任务：（a）保持一批与已认可的国际的或国家的基准相联系的气象标准仪器，记录它们的性能和比对装置；（b）协助区域内成员国校准其国家标准仪器，或者用在以下（c）中所提到的标准仪器与之比对。保持区域内各成员国和WMO秘书处在有关可用标准仪器方面进行沟通；（c）参照WMO建议，为证明仪器与基准相一致而作好准备；（d）按照标准方法组织仪器的评价与比对；（e）为区域内各成员国有关仪器性能和适用性方面有关指导材料做顾问；（f）以提供实验室和外场安装的方式，协助WMO组织气象仪

57、器区域专题讲座会或维修实习班，以及校准和比对；此外以对设备示范和提出专家咨询进行援助；（g）建立备有关于仪器理论和实践方面的书籍和期刊的图书馆；（h）与其它区域仪器中心合作，促进气象仪器标准化3下列区域仪器中心已由有关区域指定：第一区协：色狄卡奥兰（Seddika-Oran）（阿尔及利亚）（Algeria），开罗（Cairo）（埃及）（Egypt），内罗毕（Nairobi）（肯尼亚）（Kenya），哈博罗内（Gaborone）（博茨瓦纳）（Botswana）,第二区协：北京（Beijing）（中国）（China），筑波（Tsukuba）（日本）（Japan），第三区协：布利诺斯艾利斯（Buen

58、os Aires）（阿根廷）（Argentina），第四区协：（巴巴多斯）（Barbados）（哥斯达黎加）（Costa Rica），美国（United States）；第六区协：德拉普（Trappes）（法国）（France） 仪器和观测委员会第9次届会，1985年，建议。；仪器和观测委员会第9次届会，1985年，建议。附录1.B业务准确度要求与常用仪器性能（1）变量（2）范围（3）报告的分辨率（4）观测/测量方式（5）要求的准确度（6）传感器时间常数（7）输出的平均时间（8）可达到的业务准确度（9）注释1. 温度1.1气温1.2气温极值1.3海面温度-60-+60-60-+60-2-+40

59、0.1K0.1K0.1KIII0.1K0.5K0.1K20s20s20s1min1min1min0.2K0.2K0.2K温度表防太阳辐射罩的设计可能影响可达到的准确度和有效的时间常数2. 湿度2.1露点温度2.2相对湿度-60-+355 100%0.1K1%II0.5K3%20s1min0.5K当相对湿度接近饱和时，假如直接测量，倾向于0.1K20s40s1min1min湿球温度0.2K固态和其它3-5K%由于通风和清洁问题，可能出现较大误差固态传感器可显示显著的温度和湿度相依性。当相对湿度接近饱和时，若直接测量倾向于1%3. 大气压3.1气压3.2倾向920-1080hPa无详细说明0.1hPa0.1hPaII0.1hPa0.2hPa20s1min0.1hPa0.2hPa范围直至海平面，准确度受风的动压和转换器的温度系数的严重影响。瞬间值之间的差值。4. 云4.1云量4.2云底高度0-8/8100m时不受影响不受影响1/810m可重复性周期（30s）的分群算法可用来自动估计低云量。*由于对仪器测量云底没有定义，准确度难于确定5. 风5.1风速5.2风向5.3阵风0-75m s-10-3600-75m s-10.5m s-1100.5m s-1AAA0.5m s-1，5m s-1时；10%，5m s-1时1010%距离常数2-5mls2min和/或10m