兩型國產(chǎn)CTD海上比測試驗結(jié)果分析

雷發(fā)美，商少平，賀志剛，戴 昊

(1.廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院，福建 廈門 361005；2.廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點實驗室，福建 廈門 361005；3.廈門大學(xué)海洋觀測技術(shù)研發(fā)中心，福建 廈門 361005)

海洋覆蓋了地球表面積的70%以上，與人類生活息息相關(guān)，隨著全球氣候快速變化，研究海洋的重要性日益凸顯，對海洋經(jīng)濟開發(fā)、海洋環(huán)境保護等具有非常重要的意義。溫鹽深剖面儀(Conductivity-Temperature-Depth profiler，CTD)是測量海洋物理特性的重要工具，它為海洋學(xué)家提供了不同深度(D)下精確的海水溫度(T)和鹽度(S)等參數(shù)，從而能夠更加準確地揭示海洋的基本物理特性。

牛付震(2009)、張龍等(2017)歸納了國外CTD的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[1-2]。在CTD出現(xiàn)以前，海洋界使用顛倒溫度表和南森采水瓶獲得溫度和鹽度相對深度的分布。從上世紀60年代開始，現(xiàn)場的電子式溫鹽深裝置作為基本的水文調(diào)查設(shè)備被推廣運用。在數(shù)十年的發(fā)展過程中，美國的CTD測量技術(shù)一直走在世界前列，著名的CTD生產(chǎn)廠家有SeaBird(海鳥公司)、FSI、YSI等。日本的CTD產(chǎn)品與海洋調(diào)查緊密結(jié)合，致力于小型低功耗產(chǎn)品的研發(fā)，注重發(fā)展鏈式系留傳感器測量技術(shù)。英國、意大利等歐洲國家也一直進行CTD測量技術(shù)的研究和開發(fā)，意大利Idronaut公司研發(fā)的300系列CTD，采用大口徑七電極電導(dǎo)率(C)傳感器，傳感器性能得到明顯改善，并且采用A/D轉(zhuǎn)換電路代替了海鳥公司產(chǎn)品采用的振蕩器設(shè)計，在同類產(chǎn)品中具有較高的競爭力。

于厚隆等(2000)總結(jié)了國內(nèi)溫鹽深設(shè)備的發(fā)展趨勢，我國于1958年首次試制成功顛倒溫度計并投入應(yīng)用，而CTD測量技術(shù)的研究始于上世紀70年代，在上世紀80年代成功研制200、1 000、3 000 m CTD[3]。近年來，我國加大了自主研發(fā)海洋測量儀器設(shè)備的力度，CTD測量技術(shù)發(fā)展迅速，已取得一定的成果[4]。相繼成功研制了船體固定式、拖曳式、拋棄式等多種CTD，但是仍存在自主創(chuàng)新能力不強，數(shù)據(jù)采集速度較慢，集成化程度不高，智能化程度較低，儀器長期穩(wěn)定性不佳等技術(shù)短板[2]。基于目前國內(nèi)海洋儀器的現(xiàn)狀，為了對國產(chǎn)CTD的性能和實際使用情況有個量化的結(jié)果，本研究在我國南海東北部海域針對海洋技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)的較為成熟、具備產(chǎn)品化條件的CTD開展檢驗與驗證。

關(guān)于不同型號的CTD之間的比測，國內(nèi)外進行過大量的海試試驗[4]。20世紀80年代，挪威科學(xué)家Gytre(1989)用小型CTD與Neil Brown CTD進行了同架比測試驗[5]。到20世紀90年代，加拿大Bedford海洋研究所Hendry(1992)對EG&G Mark V CTD、SBE 9 CTD、Guildline Instruments 8737 CTD和顛倒溫度計進行了對比[6]。Alberola等(1996)和Mizuno等(1998)則把XCTD(Expendable Conductivity Temperature Depth)與CTD進行了比測[7-8]。瑞典的海洋科學(xué)工作者Frankois等(2002)將意大利Idronaut公司OCEAN SEVEN 320 CTD與美國SeaBird公司的SBE 911 Plus CTD進行了海上比測[9]。Uchida等(2007)則用SBE 9 Plus CTD來校正SBE 3 CTD[10]。在國內(nèi)，張兆英(2003)對國產(chǎn)高精度CTD和SBE 911 Plus CTD進行了海上測試[11]。國家海洋標準計量中心對國產(chǎn)SZC15-2 CTD與進口SBE 25 CTD進行了海上比測[4]。任強等(2016)則對3種型號的CTD(分別為CTD 37 Coastal、CTD 48和CTD 304 Plus)進行了長達4個月的數(shù)據(jù)對比[12]。以上海試試驗的目的不完全相同，試驗方法也有差異，數(shù)據(jù)處理步驟也有所不同，但大都采用平均誤差(或平均絕對誤差)和均方根誤差等進行比較。

在前人對CTD比測做了大量研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際情況，本研究提出了符合本次海上試驗及后期數(shù)據(jù)處理的方法。旨在提出一種規(guī)范化的CTD海上比測試驗步驟及后期數(shù)據(jù)的處理方法，以便促進國產(chǎn)技術(shù)成果的完善與固化，提高設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性和批量一致性，為國產(chǎn)海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的規(guī)?；瘧?yīng)用和推廣提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 參與比測試驗的CTD

參與比測試驗的國產(chǎn)CTD由兩家單位提供，分別為甲單位和乙單位，兩家單位各提供4臺CTD，甲單位的CTD編號分別為1#、2#、3#、4#，乙單位CTD的編號分別為5#、6#、7#、8#。比測使用的標準CTD為美國海鳥公司的SBE 19 Plus CTD，該CTD試驗前經(jīng)國家海洋計量站青島分站檢定合格。各CTD的具體指標如表1所示。

表1 試驗所用CTD主要技術(shù)參數(shù)

注：“—”表示該設(shè)備未明確給出對應(yīng)的參數(shù)。

1.2 海上比測方法

試驗從2013年8月3日開始持續(xù)到8月10日，使用福建海洋研究所的延平2號科考船，比測地點在我國南海東北部海域，站位坐標如表2所示。該海域海底地勢較為平坦，水深滿足試驗要求，各站點水深均大于CTD檢定深度20%以上，確保儀器在試驗過程中不會觸底。

安裝CTD時，國產(chǎn)CTD和標準CTD采用同架捆綁的方式固定在不銹鋼金屬框架內(nèi)。標準CTD安置在中間，國產(chǎn)CTD按對角線方位固定，底端對齊，盡可能讓所有CTD的傳感器保持在同一水平面上，具體安裝方式見圖1。框架頂端與船上鋼纜連接，通過鋼纜把整個框架吊入水中進行測量。

表2 CTD比測站位

圖1 5臺CTD同步捆綁

進行CTD下放測量時，海況應(yīng)該在3級以下，CTD入水后停留5 min左右，此時間段為感溫時間，若海況較高，則可以適當加大儀器浸沒深度，確保該時間內(nèi)儀器均在海面以下，不會再次浮出水面。感溫結(jié)束后大約以0.7 m/s(延平2號絞車非空檔最大速度)的速度下放，隨著鋼纜的釋放，繞軸的半徑變小，CTD下放的速度逐漸變慢。下放過程中絞車可以固定角速度釋放，也可以在某些深度稍作停留，每暫停1次，在剖面數(shù)據(jù)上將會出現(xiàn)拐點，這些拐點有助于數(shù)據(jù)的分析。下放過程中，實時注意絞車的計數(shù)器和測深儀的讀數(shù)，防止儀器觸底。鋼纜計數(shù)器達到預(yù)定深度時，根據(jù)現(xiàn)場鋼纜的傾斜角度和海底深度的情況，繼續(xù)下放適當深度，讓儀器實際到達的深度與預(yù)計深度大致相同。到達預(yù)定深度之后，回收鋼纜，儀器出水，導(dǎo)出數(shù)據(jù)，檢查數(shù)據(jù)狀態(tài)，若無異常，準備下一次試驗。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

由于本研究為第三方獨立開展的適用性檢驗試驗，對CTD誤差造成的原因不做具體分析，僅對獲取的數(shù)據(jù)與約定的真值進行對比，根據(jù)實際需要，提出適合本試驗的數(shù)據(jù)處理方法：

1.3.1 真值 以檢定好的SBE 19 Plus CTD作為標準CTD，該CTD精度高，約定該測量值為真值。

1.3.2 質(zhì)控 所有CTD剖面數(shù)據(jù)由各單位自帶的軟件處理輸出后采用滾動3倍標準差進行質(zhì)控，并對鹽度數(shù)據(jù)做平滑處理，處理完后保留整個連續(xù)的測量數(shù)據(jù)，下降和上升剖面暫時不進行分割。

1.3.3 平均 若相互比較的兩臺CTD頻率不同，則把高頻平均成低頻。甲單位和標準CTD頻率一致，不做處理，乙單位頻率為1 Hz，標準CTD為4 Hz，因此把標準CTD數(shù)據(jù)進行平均，每4個數(shù)據(jù)取一個平均值，使兩者頻率一致。

1.3.4 對齊 海洋數(shù)據(jù)一般以深度或者時間為軸[5]，也有的采用拐點對齊進行比測分析[4]。但本研究中，壓力(P)傳感器也是比測項目中的一項，也就是說不知道壓力數(shù)據(jù)的誤差究竟有多少，甚至不能保證壓力數(shù)據(jù)的準確性，故不能用壓力(或深度)為比對的標準軸。若以時間為軸，則很難確定兩者同時開始測量的時間點，強行按時間對齊可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯位。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的特點，在比測過程中，不考慮架子的傾斜和各傳感器安裝的水平差異，各臺CTD的真實采樣深度是一樣的，不同CTD壓力探頭的變化趨勢一致，壓力數(shù)據(jù)的相關(guān)性應(yīng)該非常高，如果相關(guān)性差，那么這個比對就沒有意義[4]。因此只需要把各臺CTD壓力變化趨勢一致的數(shù)據(jù)點對齊即可，可以采用劉玉周等(2003)使用的移相相關(guān)法[13]把數(shù)據(jù)進行對齊分析。

移相相關(guān)是指將采樣序列xi或yi的前面數(shù)據(jù)去掉部分，即采樣序列向左移位，從而改變初相使得兩者的相關(guān)性最高。對于本研究試驗數(shù)據(jù)而言，就是選取標準CTD下行過程中表層下降或者底層上升的轉(zhuǎn)折點附近的一段壓力序列，然后在被測試CTD的壓力序列中找出與其相關(guān)性最高的一段數(shù)據(jù)序列，這樣就可以求出這兩臺CTD的相位差，一般來說這個相位差即為整個壓力數(shù)據(jù)序列的相位差，扣除這個相位差即可對齊兩臺CTD的采樣數(shù)據(jù)，移相相關(guān)計算結(jié)果見圖2。如果測量時在一個剖面中設(shè)置多個拐點(即測量時稍作停留或者略微向上提升)，則可以計算出多個相位差，正常情況下，這些相位差應(yīng)該相等，如果相位差不等，會出現(xiàn)遞增或者遞減的情況，表明這兩個數(shù)據(jù)序列的采樣頻率略有不同。例如，經(jīng)過移相相關(guān)對齊后發(fā)現(xiàn)甲單位的CTD頻率比標準CTD略高，這一點從甲單位CTD自身的時鐘記錄信息也可以證明，查看數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)甲單位的時間軸并非嚴格按1 s遞增，過一段時間就有部分時間會重復(fù)1次。采樣頻率的不同不會影響測量的真實性，但數(shù)據(jù)需要插值處理后才能與標準器進行比對。

1.3.5 精度計算 數(shù)據(jù)對齊后，去除感溫段和上行段的數(shù)據(jù)，試驗中所有剖面的CTD數(shù)據(jù)均正常，只需使用下行階段的數(shù)據(jù)，上行的數(shù)據(jù)作為備份使用。對CTD下行剖面數(shù)據(jù)進行對比分析，計算公式分別如下：

圖2 2013年8月6日乙單位7#CTD在X2站壓力移相相關(guān)校準前后對比

(1)

(2)

式(1、2)中：u為平均誤差，σ為均方根誤差。xi、yi為兩種觀測方式在同一深度的測量值，其單位由測量的量決定(壓力為Pa，溫度為℃，電導(dǎo)率為mS/cm)，xi表示參試儀器測量結(jié)果，yi為標準儀器測量結(jié)果，n為樣本個數(shù)。根據(jù)國家標準[14]，用均方根誤差來表示參試儀器的精度，呂國濤等(2009)也采用均方根誤差來表示精度[15]。

1.3.6 誤差傳播 由于標準CTD自身存在誤差，計算國產(chǎn)CTD精度時，應(yīng)當使用誤差傳播[14]定律扣除標準儀器的誤差。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)獲取結(jié)果

由于甲、乙兩家CTD的最大測量深度不同，先進行低量程800 m深度的測量。原本計劃在X1、X2、X3站位分別進行2次CTD投放試驗，但在X2站第二次測量時標準CTD開關(guān)未開，該剖面無法進行比對，在X3站時，由于天氣變化，海況不允許，第二次投放取消。在C1～C4站仍進行800 m深度測量試驗，但在C2～C4站換甲、乙單位的另外兩臺CTD，標準器不變。在C2站測量時，乙單位1臺CTD電池電量不足，沒有獲取數(shù)據(jù)，在C5站補做，保證甲、乙兩單位的每臺CTD至少有6個800 m剖面的數(shù)據(jù)可以用于對比。C5站補做完成后開始乙單位1 500 m深度試驗，從C5～C8站每個站位均做兩次，做完2個站位換另外2臺CTD，測量過程中各臺儀器沒有出現(xiàn)故障，每臺CTD均有4個1 500 m剖面的數(shù)據(jù)可以用于對比。試驗具體測量情況見表3。

表3 CTD海上比測投放情況

續(xù)表3

X1站第一次測量的數(shù)據(jù)見圖3和圖4，圖3a和圖4a為溫度測量結(jié)果，和標準CTD相比，曲線幾乎完全吻合。圖3b和圖4b為壓力測量結(jié)果，曲線趨勢和各個拐點及逆壓現(xiàn)象基本一致，但乙單位的最大值相對比較小。圖3c和圖4c為電導(dǎo)率測量結(jié)果，曲線吻合很好，相比之下，甲單位電導(dǎo)率曲線與標準曲線的吻合程度略微好于乙單位。圖3d和圖4d為鹽度測量結(jié)果，從圖3d可以看出，甲單位的曲線與標準曲線趨勢非常一致，但尖峰正好相反，原因不明，圖4d中乙單位的鹽度曲線與標準曲線總體趨勢一致，但細微之處存在一些偏差，改進空間較大，但從其他站位的數(shù)據(jù)來看，有的CTD鹽度曲線吻合程度相當好，說明乙單位CTD之間的一致性有待改進。限于篇幅，其余站位數(shù)據(jù)圖不一一給出。

圖3 2013年8月5日甲單位CTD與標準CTD在X1站第一次測量獲取的原始數(shù)據(jù)

圖4 2013年8月5日乙單位CTD與標準CTD在X1站第一次測量獲取的原始數(shù)據(jù)

2.2 誤差計算結(jié)果

對各組CTD的壓力、溫度、電導(dǎo)率、鹽度數(shù)據(jù)進行處理后，各項平均誤差、均方根誤差和最大誤差(m)的計算結(jié)果見表4。

從表4可以看出，甲單位CTD的壓力平均誤差在-1～17 kPa之間，而乙單位CTD的壓力平均誤差均為負，800 m測量時，在-22～-6 kPa之間，1 500 m測量時，在-33～-17 kPa之間，隨著測量深度加大，平均誤差也在逐漸增加。甲單位的4臺CTD的溫度平均誤差比較一致，均在-0.02 ℃左右，乙單位的溫度平均誤差分布在-0.07～0.05 ℃之間，只有8#CTD在1 500 m測量時為負，其余均為正。甲單位電導(dǎo)率平均誤差也比較一致，均在0.01 mS/cm左右，乙單位的電導(dǎo)率平均誤差在0.00～0.07 mS/cm之間，除了7#CTD不同深度差別較大之外，其余3臺隨深度的變化較小。甲單位CTD鹽度的平均誤差均為0.02，乙單位CTD鹽度的平均誤差在-0.13～0.04之間，不同CTD之間差異較大。

表4 國產(chǎn)CTD誤差分析結(jié)果

從表4中最大誤差來看，甲單位CTD壓力的最大誤差總體上比乙單位??；溫度的最大誤差兩者相當，但甲單位CTD的溫度最大誤差比真值小，而乙單位的比真值大；甲單位CTD電導(dǎo)率最大誤差總體比乙單位小，但甲單位CTD的鹽度最大誤差明顯比乙單位大，究其原因，是鹽度曲線上所有的尖峰方向恰好相反(圖3d)。

從表4中均方根誤差來看，甲單位CTD的壓力、溫度、電導(dǎo)率的均方根誤差的平均值分別為14 kPa、0.04 ℃、0.02 mS/cm，由于壓力精度采用的是滿量程的相對誤差，而乙單位4臺CTD滿量程平均值為7.94 MPa，因此將甲單位壓力均方根誤差轉(zhuǎn)換成相對值后為0.18% FS，乙單位各項均方根誤差分別為24 kPa(與甲單位一樣，轉(zhuǎn)換成相對值為0.22% FS)、0.05 ℃、0.05 mS/cm，而表1中比測用的標準CTD各項精度分別為0.1% FS、0.005 ℃、0.005 mS/cm。從三者均方根誤差可以看出，參試單位的儀器精度與標準儀器較為接近，特別是甲單位，因此必須考慮測量誤差之間的積累和傳播。根據(jù)誤差傳播定律，兩者之間的誤差為線性傳播，采用如下公式[14]進行計算：

(3)

式(3)中：mz為合成誤差，m1為標準CTD精度，m2為國產(chǎn)CTD精度，三者單位一致。根據(jù)式(3)計算的國產(chǎn)CTD精度結(jié)果見表5。

表5 國產(chǎn)CTD實測精度

2.2 討論

從以上各項精度的計算結(jié)果來看，甲單位CTD的壓力、溫度、電導(dǎo)率實測精度分別為0.15% FS、0.04 ℃、0.02 mS/cm，與產(chǎn)品標稱精度0.10% FS、0.01 ℃、0.01 mS/cm接近，但溫度偏差較大。乙單位CTD的壓力、溫度、電導(dǎo)率實測精度分別為0.20% FS、0.05 ℃、0.05 mS/cm，其中壓力的實測精度高于產(chǎn)品標稱精度(標稱精度為2% FS)，溫度和電導(dǎo)率的實測精度則與標稱精度(分別為0.05 ℃和0.05 mS/cm)相當。由于試驗中的各CTD均未給出鹽度標稱精度，因此不對鹽度精度進行對比。總體上，兩家國產(chǎn)CTD各項實測精度基本上達到或接近自身產(chǎn)品指標參數(shù)。

試驗中，默認各臺CTD壓力探頭的變化趨勢是一致的，且其余參數(shù)的測量與壓力同步進行。數(shù)據(jù)分析時，既不能使用壓力(或深度)對齊，也不能采用時間對齊，因為不僅不能準確對齊各臺CTD的起始時間，而且不同CTD采樣頻率可能不完全一樣，例如甲單位和標準CTD的產(chǎn)品說明中采樣頻率均為4 Hz，但甲單位的實際頻率為4.006 791 Hz，若不處理，即使起點時刻對齊，后續(xù)的采樣時間也無法對齊。因此，本研究采用移相相關(guān)法來對齊不同CTD之間的原始數(shù)據(jù)，避免引入新的誤差，以便更加準確的進行后續(xù)誤差分析。從數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，移相相關(guān)法能有效的對齊不同CTD之間的數(shù)據(jù)，該方法也可以為其他海洋監(jiān)測儀器(例如XCTD、XBT、Glider等)的比測試驗提供經(jīng)驗借鑒。

3 結(jié)論

在本研究海試過程中，各參試儀器沒有出現(xiàn)機械和性能故障，獲取了相應(yīng)的剖面數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)完整真實有效。國產(chǎn)CTD獲取的數(shù)據(jù)與標準CTD的數(shù)據(jù)曲線趨勢一致，線形基本吻合。甲單位CTD各項指標精度高于乙單位，且甲單位不同CTD之間的一致性較好。兩家國產(chǎn)CTD各項實測精度基本上達到或接近產(chǎn)品標稱精度，但與標準CTD相比，還有一定差距。由于不同單位CTD的產(chǎn)品標稱精度不同，定位不同，因此，使用時可以有選擇地用于與其觀測精度指標相匹配的觀測。本研究使用的移相相關(guān)法，能有效的對齊不同CTD之間的數(shù)據(jù)，避免使用壓力(深度)或時間對齊帶來的誤差，文中的海上比測方法和數(shù)據(jù)處理方法也可以為其他類似的海洋設(shè)備比測提供經(jīng)驗借鑒。

致謝：感謝延平2號科考船上所有船員的熱心幫助。