溫鹽深測量儀(CTD)資料質(zhì)量對比分析*

任 強 于 非 魏傳杰 范聰慧 司廣成

(中國科學(xué)院海洋研究所 海洋環(huán)境工程技術(shù)研究發(fā)展中心, 青島 266071)

溫鹽深測量儀(CTD)資料質(zhì)量對比分析*

任 強 于 非①魏傳杰 范聰慧 司廣成

(中國科學(xué)院海洋研究所 海洋環(huán)境工程技術(shù)研究發(fā)展中心, 青島 266071)

溫鹽深測量儀(CTD)是目前國際上應(yīng)用最為廣泛的物理海洋調(diào)查儀器設(shè)備之一。2014年, 中國科學(xué)院海洋研究所在黃海布放的潛標(biāo)上搭載了 3種不同型號的CTD(37Coastal、CTD48和304Plus), 本文分別對這3種CTD所獲取的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了對比分析。三者數(shù)據(jù)兩兩對比結(jié)果顯示, 37Coastal與CTD48壓力及溫度數(shù)據(jù)最為接近, 鹽度數(shù)據(jù)則為37Coastal與304Plus相差最小。3種設(shè)備的壓力、溫度及電導(dǎo)率數(shù)據(jù)穩(wěn)定性對比結(jié)果如下: 37Coastal壓力數(shù)據(jù)穩(wěn)定性表現(xiàn)最好; 三者溫度數(shù)據(jù)穩(wěn)定性表現(xiàn)一致; 而37Coastal鹽度數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和CTD48一致。三種設(shè)備均能適應(yīng)海洋真實的物理環(huán)境參數(shù)變化觀測，同時各自有其不同的使用環(huán)境，對于不同海域環(huán)境使用需要進(jìn)行詳細(xì)評估,綜合各個方面的因素確定最終適合自身科學(xué)研究需求的方案。

CTD; 傳感器; 質(zhì)量

物理海洋學(xué)的研究離不開大量的實測海洋數(shù)據(jù), 海洋調(diào)查是獲取實時海洋數(shù)據(jù)最直接且最為有效的方法, 集成了各種性能優(yōu)異的傳感器儀器設(shè)備是海洋調(diào)查的基礎(chǔ)。海洋的溫鹽深觀測是現(xiàn)今海洋調(diào)查的基本內(nèi)容之一,從20世紀(jì)60年代開始溫鹽深測量儀(CTD)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于海洋調(diào)查中(陳上及和馬繼瑞, 1991; 張愛軍, 1992), 它的發(fā)展隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而同步前進(jìn)。CTD能適應(yīng)如走航實時觀測、定點自容觀測、拋棄式探頭觀測等多種觀測方式, 并且獲取調(diào)查海區(qū)水體現(xiàn)場實時的高精度物理環(huán)境參數(shù), 是目前物理海洋調(diào)查中使用最為廣泛的儀器設(shè)備之一。傳感器技術(shù)是調(diào)查設(shè)備的基礎(chǔ), 其各方面性能是衡量儀器設(shè)備好壞的關(guān)鍵, 同時也是調(diào)查數(shù)據(jù)質(zhì)量的保證, 各種數(shù)據(jù)訂正方案應(yīng)運而生(Fofonoff et al., 1974; Giles and McDougall, 1986; Grose, 1981; 任強等, 2014), 但是在長期的觀測中,傳感器的穩(wěn)定性、漂移、準(zhǔn)確度等指標(biāo)依然是最重要的部分。目前, 世界上已有許多設(shè)備生產(chǎn)廠家推出了高精度的 CTD, 但是各個廠家采用不同類型的傳感器, 因而傳感器性能等方面會存在一定的差異性。本文將對3種不同型號的CTD所測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

1 傳感器性能及資料來源

中國科學(xué)院海洋研究所于2014年6月在黃海中部布放坐底潛標(biāo), 其上搭載了3種不同廠家生產(chǎn)的溫鹽深測量儀, 型號分別為美國Sea-Bird公司的 SBE 37 Coastal(以下簡稱37Coastal)、德國Sea&Sun公司的CTD 48, 以及意大利Idronaut公司的304Plus, 3種設(shè)備適用于近海應(yīng)用并且都能夠添加溶解氧等附加傳感器。表1為3種CTD的各個傳感器參數(shù),從表1中可知, 各CTD的壓力、溫度和電導(dǎo)率傳感器的精度和分辨率差別較小, 其傳感器指標(biāo)能滿足近海海洋的長期觀測, 并且能夠獲得高精度和高分辨率的壓力、溫度及鹽度等數(shù)據(jù)。該潛標(biāo)布放時間為4個月左右, 3種設(shè)備在潛標(biāo)的位置如圖1所示。本文主要針對3種設(shè)備所獲取的溫鹽深數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行對比分析, 討論傳感器精度及穩(wěn)定性等指標(biāo)參數(shù)。

表1 傳感器技術(shù)指標(biāo)表Tab.1 Technical index of sensor

圖1 潛標(biāo)構(gòu)造及CTD分布圖Fig.1 Construction of subsurface buoy and distribution of CTD

2 數(shù)據(jù)對比分析

2.1 壓力數(shù)據(jù)對比

圖2(見文后彩圖)為3種傳感器獲取的壓力數(shù)據(jù), 藍(lán)色曲線代表 37Coastal, 紅色代表304Plus, 黑色代表CTD48。從圖2中可以看出,三者所獲得的壓力呈周期波動, 其波動周期均為15d, 與大小潮周期一致。37Coastal的壓力曲線與CTD48基本重合, 而304Plus的壓力曲線與其他二者存在微小偏差。進(jìn)而, 對三者壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩相減并求各自方差(圖3見文后彩圖), 結(jié)果顯示, CTD48與37Coastal的壓力差最小, 平均壓力差值為 0.02m左右, 兩者方差為 0.0796m; 304Plus比其他兩者壓力差稍微偏大, 偏差值約為0.2m。由于海底地形復(fù)雜, 受地勢及海底沉積物的影響, 潛標(biāo)在海底的真實狀態(tài)可能是傾斜的, 所以會造成安裝設(shè)備出現(xiàn)絕對高度差, 導(dǎo)致304Plus測量的壓力與其他兩者存在偏差。

圖2 壓力曲線圖Fig.2 Pressure curve

圖3 各組壓力差值圖Fig.3 Pressure difference among groups

3種 CTD的采樣間隔均為半小時, 在海洋中某個點上的要素值在半小時內(nèi)的正常變化值非常微小, 其對應(yīng)的傳感器獲取的數(shù)據(jù)波動范圍也應(yīng)該很小, 因此能夠利用數(shù)據(jù)梯度值(兩兩相減)判斷獲取的數(shù)據(jù)穩(wěn)定程度, 同時數(shù)據(jù)的穩(wěn)定程度能夠反映傳感器的穩(wěn)定性能。根據(jù)三者的壓力數(shù)據(jù)求壓力梯度▽P的絕對值(圖4), 平均絕對值小則表示數(shù)據(jù)波動小且數(shù)據(jù)穩(wěn)定。計算結(jié)果如下: 37Coastal的平均絕對值▽P和▽P標(biāo)準(zhǔn)差分別為 0.008m 和0.004m; 304Plus的平均絕對值▽P和▽P標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.1275m和0.1562m; CTD48的平均絕對值▽P和▽P標(biāo)準(zhǔn)差分別為 0.1232m 和0.1492m。數(shù)值結(jié)果表明, 37Coastal平均絕對值▽P 和▽P 標(biāo)準(zhǔn)差均為三者中最小, 而 CTD48和304Plus的數(shù)值結(jié)果幾乎相等。同時,三者的壓力方差分析P值均大于0.05, 說明三 者之間不存在顯著的差異。

圖4壓力梯度▽P 與圖3的壓力差dP顯 示, 在相同的時間節(jié)點上出現(xiàn)了數(shù)據(jù)振幅異 常增大的現(xiàn)象。而后對2014年6～10月西太平 洋臺風(fēng)過境該潛標(biāo)點的時間進(jìn)行了統(tǒng)計(表 2),從時間上可以看出, 壓力變化劇烈期與臺風(fēng) 過境時間相一致, 說明臺風(fēng)的過境造成水體 大幅擾動, 短時間內(nèi)急劇變化的水體擾動對 傳感器有一定影響, 使自身測量受到一定的 干擾。并且, 不同的傳感器對劇烈變化的環(huán)境 參數(shù)響應(yīng)時間不一致, 使同一時間測量到的 壓力值不相等, 因此在水團(tuán)環(huán)境劇烈變化時 期內(nèi), 不同傳感器壓力測量值有一定偏差。從以上壓力數(shù)據(jù)分析表明, 三種壓力傳感器性能方面都表現(xiàn)良好, 在不考慮安裝角度及潛標(biāo)姿態(tài)的情況下對于本次實驗來說CTD48與37Coastal壓力數(shù)據(jù)相差最小, 如果把潛標(biāo)的姿態(tài)造成的高度差進(jìn)行修正過后, 其三者的壓力數(shù)據(jù)都幾乎相等, 因此在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度方面基本相同, 且 37Coastal壓力傳感器在穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢。

圖4 壓力梯度曲線圖Fig.4 Pressure gradient curve

表2 臺風(fēng)過境時間表Tab.2 Transit time of typhoon

2.2 溫度數(shù)據(jù)對比

圖5 溫度曲線圖Fig.5 Temperature curve

圖5(見文后彩圖)為不同CTD采集的溫度數(shù)據(jù), 可以看出三者基本一致, 任意兩者的相關(guān)系數(shù)均在 0.99以上。對溫度進(jìn)行兩兩相減(圖6(見文后彩圖))可以看出, 37Coastal和CTD48的溫差最小且數(shù)據(jù)波動小, 平均溫差為–0.005°C, 其標(biāo)準(zhǔn)差為0.0014°C。而其他兩組溫度差均呈現(xiàn)出一個變大的趨勢, 最大溫度差為 0.055°C, 且標(biāo)準(zhǔn)差大于第一組(37Coastal和 CTD48)。三者方差分析結(jié)果均為 P>0.05,說明溫度之間不存在顯著性差異。

同處理壓力數(shù)據(jù)類似, 對3組溫度數(shù)據(jù)分別求時間序列上的溫度梯度▽T (圖7)。結(jié)果顯示, 三者▽T 波動情況一致, 3組數(shù)據(jù)任意兩者相關(guān)系數(shù)在 0.98以上, 說明三者溫度測量值偏差非常小。37Coastal的平均絕對值▽T和▽T標(biāo)準(zhǔn)差分別為 0.0050°C 和 0.0084°C, CTD48的平均絕對值▽T和▽T標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0050°C和0.0085°C, 304Plus的平均絕對值▽T和▽T標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0059°C和0.086°C,數(shù)值顯示三者溫度傳感器所獲取的數(shù)據(jù)波動小, 其傳感器穩(wěn)定性能幾乎一致。

圖6 各溫度差值曲線圖Fig.6 Temperature difference among groups

圖7 溫度梯度曲線圖Fig.7 Temperature gradient curve

2.3 鹽度數(shù)據(jù)對比

在長時間序列的測量過程中, 傳感器本身的異常電信號干擾等會產(chǎn)生少量的錯誤異常值, 應(yīng)先刪除部分異常錯誤數(shù)據(jù), 圖8(見文后彩圖)為去掉異常數(shù)據(jù)后的鹽度曲線。數(shù)據(jù)顯示, 三者在 160(開始測量時間)～265d(圖8中鹽度突變時間點)的數(shù)據(jù)吻合程度較好, 而在第265d以后37Coastal的數(shù)據(jù)與其他兩者的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了較大偏差, 其他兩組數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變且高度一致趨勢。

圖8 鹽度曲線圖Fig.8 Salinity curve

第 293d為該潛標(biāo)回收時間點, 且在潛標(biāo)回收后對該點進(jìn)行了 SBE 9型 CTD的投放,該CTD是國內(nèi)外應(yīng)用非常廣泛且具有高數(shù)據(jù)質(zhì)量的溫鹽深測量儀器。在該時間點上37Coastal、304Plus與CTD48的鹽度值(PSU)分別為 32.9、31.8、31.8, 三者鹽度最大相差1.1。圖9為SBE9型CTD所獲取的該點鹽度數(shù)據(jù), 與潛標(biāo)同一深度的鹽度為 32.9, 與37Coastal測得的鹽度相同。因此, 可以判斷304Plus和CTD48鹽度數(shù)據(jù)異常, 同時能夠說明304Plus和CTD48在第265d以后所測得的鹽度異常。3種 CTD基本在同一深度位置, 304Plus和 CTD48鹽度值同時出現(xiàn)異常突變,考慮到不同設(shè)備的傳感器探頭同時出現(xiàn)同樣故障的概率極低, 導(dǎo)致該現(xiàn)象出現(xiàn)的可能是二者的電導(dǎo)率傳感器同時被某生物附著, 電導(dǎo)率測量管堵塞, 測量值出現(xiàn)異常。

圖9 SBE911鹽度曲線圖(第293d)Fig.9 SBE911 salinity curve (293th day)

排除生物附著等外力因素影響, 對第265d以后的鹽度數(shù)據(jù)進(jìn)行截斷, 取 160～265d鹽度數(shù)據(jù)(三者相對穩(wěn)定區(qū)間)進(jìn)行對比(圖10見文后彩圖)。圖10中顯示, 三者數(shù)據(jù)變化趨勢整體一致, 其中37Coastal與304Plus數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)較其他兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)高, 達(dá)到了0.97, 37Coastal與CTD48數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.9。對3組數(shù)據(jù)求相互鹽度差值(圖11見文后彩圖), 可以看出第一組鹽度差(37Coastal與304Plus)波動最小, 其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.016和0.03, 均小于其他兩組數(shù)據(jù)。

同處理壓力和溫度數(shù)據(jù)類似, 分別對3組鹽度數(shù)據(jù)求時間序列上的鹽度梯度▽S (圖12)。計算出37Coastal的平均絕對值▽S和▽S標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.003和0.0047, CTD48的平均絕對值▽S和▽S標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.003和0.0067, 304Plus的平均絕對值▽S和▽S標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.020和0.029。說明37Coastal和 CTD48在數(shù)據(jù)穩(wěn)定性方面一致, 但是從前文可知, 37Coastal和304Plus數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度更高。三種設(shè)備中只有 37Coastal帶有泵結(jié)構(gòu), 通過泵的作用使三種傳感器能對同一微水團(tuán)進(jìn)行測量,從最大程度上保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性, 對于復(fù)雜海況條件下及剖面式投放的數(shù)據(jù)測量具有優(yōu)勢。

圖10 鹽度曲線圖(去除異常值)Fig.10 Salinity curve (remove outliers)

圖11 各組鹽度差值曲線圖Fig.11 Salinity difference among groups

圖12 鹽度梯度曲線圖Fig.12 Salinity gradient curve

3 結(jié)語

本文對搭載在坐底潛標(biāo)平臺上的 3種不同型號的自容式溫鹽深測量設(shè)備(37Coastal、CTD48和 304Plus)所獲取的長時間序列的壓力、溫度和鹽度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。分析結(jié)果表明, 三者傳感器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性等方面存在微小差異。37Coastal專門被設(shè)計用于復(fù)雜的近海海況, 因而其在變化劇烈的近海環(huán)境下所獲取的溫度和鹽度數(shù)據(jù)質(zhì)量均有優(yōu)異的表現(xiàn), 而CTD48和304Plus的主要適應(yīng)對象為深海探測, 在以后的工作中將會通過其在大洋中的數(shù)據(jù)對比來比對各自傳感器的性能。目前, 從集成度、操作性及經(jīng)濟(jì)性等方面考慮, CTD48和 304Plus兩種設(shè)備要優(yōu)于37Coastal。所以, 3種設(shè)備對海洋真實的物理環(huán)境參數(shù)變化觀測在其準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性等方面都有良好的保障, 對不同的探測環(huán)境需要認(rèn)真選擇不同的探測傳感器, 以發(fā)揮儀器本身最大的應(yīng)用價值。對于如何選擇不同種類的溫鹽深傳感器要結(jié)合自身的科研需求以及使用環(huán)境等, 根據(jù)需求而后詳細(xì)評估目前各個型號的溫鹽深傳感器的精度、準(zhǔn)確度、量程及漂移性等方面指標(biāo), 并且在布放的成本以及難度系數(shù)等方面也需要認(rèn)真考慮, 綜合各個方面的因素確定最終適合自身科學(xué)研究需求的方案。

陳上及, 馬繼瑞. 1991. 海洋數(shù)據(jù)處理分析方法及其應(yīng)用. 北京: 海洋出版社

任強, 于非, 刁新源, 等. 2014. 處理走航式海洋多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)(MVP)溫度和電導(dǎo)率滯后效應(yīng)的方法. 海洋科學(xué), 38(8): 59-66

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Grose P L. 1981. CTD data processing. Washington DC, USA: Center for Environmental Assessment Services, NOAA

Comparison and Analysis on Conductivity-Temperature-Depth System (CTD) Data Quality

REN Qiang, YU Fei*, WEI Chuan-Jie, FAN Cong-Hui, SI Guang-Cheng
(Marine environmental engineering technology research and Development Center, Institute of oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China) *Corresponding author, Email: yuf@qdio.ac.cn

Conductivity-temperature-depth system (CTD) is one of the world’s most widely used instruments in physical oceanography. In this paper, oceanographic data acquired by three different types of CTD (37Coastal, 304Plus, and CTD48) were compared and analyzed. These CTDs were carried in the subsurface buoy placed in the Yellow Sea by Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences in 2014. Results showed that the minimum pressure and temperature difference were both between 37Coastal and CTD48, while the highest correlation coefficient in salinity was between 37Coastal and 304Plus. The stability of the pressure, temperature and conductivity data acquired by those tree CTDs showed that pressure data of 37Coastal were the best of all. Three CTDs had similar stability on temperature data while the salinity data of 37Coastal were consistent with that of CTD48. This equipment can get the real environmental physical parameters accurately, and each one has its different use environment. It's must have detailed assessment that used at different marine environment, and comprehensive all aspects of factors to choose a scheme that suitable for scientific research.

conductivity-temperature-depth; sensor; quality

P715.4

10.12036/hykxjk20160719003

* 資助項目: 中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(XDA11020301); 國家自然科學(xué)基金委青年基金(41206020, 41306021); 國家自然科學(xué)基金委員會-山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項目(U1406401)。任強, 男,碩士研究生, E-mail: rqiocas1989@163.com

① 通訊作者: 于非, 男, 研究員, 博士生導(dǎo)師, 從事海洋調(diào)查與區(qū)域海洋學(xué)研究工作, E-mail:yuf@qdio.ac.cn

2016-07-19, 收修改稿日期: 2016-07-31