CZT1-2型船載拖曳式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)走航測量性能檢驗(yàn)及測量數(shù)據(jù)海上比測

石超英，王愛軍，王　聰，韓兆輝，王巖峰

（1.國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心，天津　300112；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東　青島　266061）

CZT1-2型船載拖曳式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)走航測量性能檢驗(yàn)及測量數(shù)據(jù)海上比測

石超英1，王愛軍1，王聰1，韓兆輝2，王巖峰2

（1.國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心，天津300112；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東青島266061）

船載拖曳式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)是測量溫度、深度、濁度、溶解氧、pH和葉綠素等多種海洋環(huán)境要素，提供海洋環(huán)境信息的重要觀測設(shè)備。通過對(duì)2011年8月在渤海開展的CZT1-2型船載拖曳式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)比測試驗(yàn)，研究了該國產(chǎn)設(shè)備在渤海海區(qū)的適用效果。結(jié)果表明，傳感器定點(diǎn)比測試驗(yàn)中，溫度、鹽度等數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)較好，而硝酸鹽、磷酸鹽、亞硝酸鹽、硅酸鹽和氨氮等營養(yǎng)鹽的相對(duì)誤差較大。在海試試驗(yàn)中，船載拖曳式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)經(jīng)過了8 h試驗(yàn)，完成了預(yù)期的試驗(yàn)項(xiàng)目，拖體系統(tǒng)（含傳感器）和甲板單元工作正常，具有良好的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。本次海上比測試驗(yàn)為船載拖曳式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)進(jìn)行改善、優(yōu)化提供依據(jù)，為其產(chǎn)業(yè)化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并對(duì)海上試驗(yàn)提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。

拖曳式剖面測量系統(tǒng)；渤海；比測

船載拖曳式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)是以波浪式拖曳為主要工作方式，且其軌跡和姿態(tài)可控的拖曳體。CZT1-2型船載拖曳式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)主要針對(duì)100 m水深以內(nèi)的海域，可測量溫度、鹽度、深度、濁度、溶解氧、pH、葉綠素和營養(yǎng)鹽等海洋環(huán)境要素，為海洋工程、海洋開發(fā)、海洋研究等領(lǐng)域提供海洋環(huán)境信息［1］。

為了保證海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“拖曳剖面觀測在渤海海域水質(zhì)監(jiān)控的應(yīng)用研究”的質(zhì)量，國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心、國家海洋局第一海洋研究所、國家海洋監(jiān)測中心等單位，共同組織實(shí)施了此次在渤海的海上比測試驗(yàn)，檢驗(yàn)各傳感器的主要技術(shù)性能指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果為課題驗(yàn)收提供支撐，同時(shí)也為船載拖曳式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)進(jìn)行改善、優(yōu)化提供依據(jù)，為其產(chǎn)業(yè)化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1　比測試驗(yàn)方法

本次海上試驗(yàn)的CZT1-2型船載拖曳式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)主要由可控制軌跡和姿態(tài)的拖曳體，以及溫度、鹽度、深度、濁度、溶解氧、pH、葉綠素、營養(yǎng)鹽及數(shù)據(jù)采集器和拖曳組成。海上比測試驗(yàn)用船為“意興輪”，拖曳系統(tǒng)試驗(yàn)用船為“煙港拖18”，于2011年8月23日13：48匯合于121°09.50'E，37° 54.00'N，然后同時(shí)開始采樣測試，整個(gè)試驗(yàn)歷時(shí)2 d。

比測試驗(yàn)項(xiàng)目包括：船載拖曳式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)布放與回收、實(shí)時(shí)傳輸距離試驗(yàn)、拖曳體運(yùn)動(dòng)軌跡試驗(yàn)和傳感器數(shù)據(jù)比測試驗(yàn)，其中拖曳體運(yùn)動(dòng)軌跡試驗(yàn)包括（5～6）kn，（6～7）kn，（7～8）kn，（8～9）kn，（9～10）kn航速下分別完成自動(dòng)控制狀態(tài)下的5～15 m（或5～20，5～25 m）波浪式剖面和20 m定深拖曳，以及（8～8.5）kn航速下（5～60）m波浪式手動(dòng)剖面拖曳（渤海最大水深85 m，因此預(yù)期最大下潛深度為60 m）。傳感器數(shù)據(jù)比測試驗(yàn)是指在工作剖面上設(shè)置4個(gè)站位的垂直剖面定點(diǎn)測量，其結(jié)果與拖曳體攜帶的傳感器在同樣水深中的測量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。本次海上比測定點(diǎn)測量中的溫度、鹽度、深度、濁度、和pH等要素的測量儀器為SBE25 CTD，溶解氧為現(xiàn)場采用使用碘量法滴定得到［2-3］，而5項(xiàng)營養(yǎng)鹽要素則是采樣冷藏帶回實(shí)驗(yàn)室使用分光光度計(jì)測量得到［4］。

表1　4個(gè)垂直剖面站位的位置及取樣深度

2　比測數(shù)據(jù)處理方法

2.1各測站的數(shù)據(jù)處理

對(duì)于各測站的拖曳走航系統(tǒng)和采水器樣品的溫度、鹽度、pH、溶解氧、濁度等測量數(shù)據(jù)，分別按式（1）～式（3）計(jì)算出各觀測要素的相關(guān)系數(shù)、誤差絕對(duì)值和相對(duì)誤差絕對(duì)值。

式中：|Δji|，δji和Rj分別為j測站i測量值的誤差絕對(duì)值、相對(duì)誤差絕對(duì)值和該測點(diǎn)相關(guān)系數(shù)；Xji和分別為拖曳走航系統(tǒng)在j測站i測量值和該測點(diǎn)的測量平均值；Yji和分別為采水器樣品在第j測站i測量值和該測點(diǎn)的測量平均值。

將計(jì)算后的誤差絕對(duì)值和相對(duì)誤差絕對(duì)值當(dāng)作樣本，分別求出該樣本的最大值平均值和方差σj，作為誤差絕對(duì)值的最大值、平均值和方差。

2.2所有測站總體樣本的數(shù)據(jù)處理

將處理好的各測站拖曳走航系統(tǒng)和采水?dāng)?shù)據(jù)分別首尾相接，得到拖曳走航系統(tǒng)和SBE 25 CTD剖面儀的觀測數(shù)據(jù)的總體樣本。分別計(jì)算出各觀測要素的總體樣本的相關(guān)系數(shù)、誤差絕對(duì)值和相對(duì)誤差絕對(duì)值。依據(jù)總體樣本的誤差絕對(duì)值和相對(duì)誤差絕對(duì)值，計(jì)算總體樣本的誤差絕對(duì)值和相對(duì)誤差絕對(duì)值的最大值、平均值和方差。

3　比測結(jié)果與分析

3.1（5～10）kn航速下波浪式和20 m定深拖曳試驗(yàn)

比測試驗(yàn)中，分別以（5～6）kn，（6～7）kn，（7～8）kn，（8～9）kn，（9～10）kn航速航行，在每個(gè)航速下分別完成自動(dòng)控制狀態(tài)下的5～15 m（或5～20 m，5～25 m）波浪式剖面和20 m定深拖曳（見圖1），要求每個(gè)航速下波浪式剖面自動(dòng)重復(fù)10次以上，定深拖曳達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后重復(fù)30 min［6］。

圖1　波浪式和定深剖面試驗(yàn)中深度對(duì)時(shí)間的變化

從圖1可以看出，本次海試圓滿完成了預(yù)期的波浪式剖面和20 m定深拖曳試驗(yàn)項(xiàng)目，拖體系統(tǒng)（含傳感器）和甲板單元工作正常，具有良好的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。（5～10）kn航速20 m定深拖曳試驗(yàn)中，拖體的平均深度均大于19.96 m，標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.05 m。圖2可看到（5～10）kn航速下波浪式剖面試驗(yàn)中各傳感器測量數(shù)據(jù)隨時(shí)間和深度的變化，各傳感器數(shù)據(jù)傳輸正常，其中溫度、鹽度、DO和葉綠素4個(gè)參數(shù)隨著深度的變化有顯著的變化，而pH和濁度則沒有顯著變化。

3.2（8～8.5）kn航速（5～60）m波浪式拖曳試驗(yàn)

本次海試還進(jìn)行了波浪式手動(dòng)拖曳試驗(yàn)，試驗(yàn)中拖曳系統(tǒng)放纜90 m，以（8～8.5）kn航速，拖體進(jìn)行了5個(gè)（5～60）m波浪式手動(dòng)剖面拖曳，試驗(yàn)中最大剖面深度達(dá)到60 m，達(dá)到了預(yù)期深度、完成了預(yù)期的正弦剖面運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖3可見，（5～60）m波浪式剖面試驗(yàn)中傳感器數(shù)據(jù)傳輸正常，各傳感器的測量結(jié)果隨時(shí)間和深度的變化有顯著的波浪式變化，試驗(yàn)效果較好。

3.3定點(diǎn)比測試驗(yàn)

比測試驗(yàn)中，在工作剖面上設(shè)置4個(gè)站位的垂直剖面，對(duì)拖曳體攜帶的傳感器所測量的溫度、鹽度、pH、溶解氧、濁度、葉綠素a、硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽和氨氮9項(xiàng)要素，進(jìn)行定點(diǎn)比測。

圖2　定深拖曳試驗(yàn)中溫度、鹽度、pH、DO、葉綠素a、濁度隨時(shí)間、深度變化

表2列出了拖曳體各傳感器數(shù)據(jù)的相關(guān)性與誤差分析。拖體的溫度、鹽度與SBE25CTD的數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)較好，其相關(guān)系數(shù)分別為0.944 6和0.992 7。pH傳感器與采集水樣所得數(shù)據(jù)之間的絕對(duì)誤差最大值為0.22。在比測過程中，溶解氧、葉綠素a和濁度等其相對(duì)誤差絕對(duì)值的最大值較大，原因可能是拖曳測量和站位測量的測量位置不完全一致導(dǎo)致的。

由表3所示，硝酸鹽、磷酸鹽、亞硝酸鹽、硅酸鹽和氨氮等營養(yǎng)鹽的相對(duì)誤差很大，主要原因可能是營養(yǎng)鹽原位快速反應(yīng)探測的技術(shù)尚存在諸多問題，營養(yǎng)鹽的數(shù)據(jù)測量有一定時(shí)間的延遲導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確［5］。另一可能的原因是，裝載拖曳走航系統(tǒng)與定點(diǎn)比測試驗(yàn)的船只并不能保證完全在同一地點(diǎn)，因此存在一定的時(shí)間差異，也會(huì)導(dǎo)致最后比測數(shù)據(jù)上差異較大。

圖3　波浪式拖曳試驗(yàn)中溫度、鹽度、pH、DO、葉綠素a、濁度隨時(shí)間、深度變化

4　結(jié)論

船載拖曳式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)是測量溫度、深度、濁度、溶解氧、pH和葉綠素等多種海洋環(huán)境要素，提供海洋環(huán)境信息的重要觀測設(shè)備［1，6］。本次渤海海域的海上比測試驗(yàn)，船載拖曳式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)經(jīng)過了8 h試驗(yàn)，順利完成了預(yù)期的波浪式剖面和20 m定深拖曳試驗(yàn)項(xiàng)目，（5～10）kn航速20 m定深拖曳試驗(yàn)中，拖體的平均深度均大于19.96 m，標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.05 m，（8～8.5）kn航速（5～60）m波浪式剖面拖曳試驗(yàn)中最大剖面深度達(dá)到60 m。拖體系統(tǒng)（含傳感器）和甲板單元工作正常，具有良好的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。

在傳感器定點(diǎn)比測試驗(yàn)中，溫度、鹽度等數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)良好；溫度、鹽度、pH、DO、濁度、葉綠素a等其誤差絕對(duì)最大值依次為1.45℃，0.08，0.22，0.81 mL/L，1.50 NTU，5.69 mg/m3；硝酸鹽、磷酸鹽、亞硝酸鹽、硅酸鹽和氨氮等營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差很大，其主要原因可能是營養(yǎng)鹽原位快速反應(yīng)探測的技術(shù)尚存在諸多問題，且沒有經(jīng)過校準(zhǔn)，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。

另外，基于本次海試中營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差很大，建議比測設(shè)備和拖曳系統(tǒng)測量設(shè)備在比測時(shí)盡可能保持時(shí)空的一致性，避免因所測量水團(tuán)的空間位置不同和采樣時(shí)間不同而引入不必要的誤差。同時(shí)，濁度、葉綠素a、硝酸鹽、磷酸鹽、亞硝酸鹽、硅酸鹽和氨氮等采集水樣分析的要素應(yīng)在船上取樣后立即分析，這樣得出的數(shù)據(jù)更具有可比性。

表2　定點(diǎn)比測試驗(yàn)中各傳感器數(shù)據(jù)誤差一覽表

表3　定點(diǎn)比測試驗(yàn)中各營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)誤差一覽表

［1］國家海洋局第一海洋研究所.HY/T158-2013.拖曳式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

［2］國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心.HY/T096-2007海水溶解氧測量儀檢測方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［3］劉彬.溶解氧的測定［J］.化學(xué)傳感器，2011（04）：68-72.

［4］國家海洋局第一海洋研究所.GB/T12763.1海洋調(diào)查規(guī)范第2部分：海水水文觀測［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［5］四川大學(xué).HY/T093-2005海水營養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

［6］王巖峰.拖曳式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、功能評(píng)價(jià)及應(yīng)用［D］.青島：中國科學(xué)院研究生院（海洋研究所），2006：38-53.

Examination of Measuring Properties and Comparison of Measuring Data at Sea for the CZT1-2 Ship-borne Multi-Parameter Drag Measurement System

SHI Chao-ying1，WANG Ai-jun1，WANG Cong1，HAN Zhao-hui2，WANG Yan-feng2
1.National Center of Ocean Standards and Metrology，Tianjin 300112，China；
2.First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061，Shandong Province，China

The ship-borne drag multi-parameter profile measurement system is important observing equipment used to measure various marine environmental factors，including temperature，depth，turbidity，dissolved oxygen，pH and chlorophyll concentration，and to provide information on the marine environment.Based on the test for the CZT1-2 ship-borne multi-parameter drag profile system carried out in August 2011 in the Bohai Sea，this paper studies the applicable effect of domestic equipment in Bohai area.The results show that in the fixed-point comparison tests of sensors，correlation coefficients of temperature，salinity are relatively good，while the relative errors of nitrates，nitrites，phosphates，silicates and ammonia nitrogen are larger.In the sea test，a 8-h test for the ship-borne drag multi-parameter profile measurement system has completed the expected experimental programs，during which the drag system（including sensors）and the deck component work well and have good reliability and environmental adaptability，providing a sound basis for the improvement，optimization and industrialization of the system.This paper also puts forward corresponding suggestions for improving the tests at sea.

drag profile measurement system；Bohai Sea；comparison

P715

A

1003-2029（2016）02-0071-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.013

2015-09-04

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（200805025）

石超英（1982-），女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榛瘜W(xué)計(jì)量。E-mail：tenfly04@126.com