海氣界面觀測浮標現(xiàn)場原位校準技術研究

賈偉廣， 朱麗萍， 秦鑫培， 于建清

(國家海洋標準計量中心，天津 300112)

1 引 言

海氣界面觀測浮標是一套以海氣界面熱通量和動量通量為監(jiān)測目標的綜合浮標系統(tǒng)[1]，此系統(tǒng)可實時獲取海面上約3 m高度的氣溫、氣壓等氣象參數(shù)，同時還可測量海表面下水溫、波浪等水文參數(shù)，實現(xiàn)海氣界面氣象和水文參數(shù)的同步觀測。

目前，國外已開展的海氣浮標陣列主要有3大陣列[2]：熱帶太平洋浮標觀測陣列(tropical atmos-phere ocean，TAO)、大西洋預報與研究觀測浮標陣列(prediction and research moored array in the tropical tlantic，PIRATA)和熱帶印度洋浮標陣列(research moored array for african-asian-australian monsoon anal-ysis and prediction，RAMA)，國內外技術人員開展浮標整機檢定校準研究，大都是定期更換分體傳感器，均未考慮整體計量檢定校準技術。在國內，國家海洋技術中心、山東省科學院海洋儀器儀表研究所等機構陸續(xù)開展的海氣浮標計量校準工作，多是組裝前對多個類型、不同參數(shù)傳感器分體獨立檢定校準，整機組裝完畢布放入海后，幾乎不再進行校準工作。目前，海氣浮標整機檢定校準均未采用現(xiàn)場原位校準，尋找海氣界面觀測浮標現(xiàn)場原位校準新技術，確保其測量數(shù)據準確可信是當前研究的重點。

海氣浮標量值傳遞研究人員綜合考慮現(xiàn)場校準技術難度、浮標回收費用成本等因素，選配校準船只前往浮標所在海域進行校準工作，提出一種現(xiàn)場原位校準技術。

2 觀測浮標現(xiàn)場原位校準技術

2.1 觀測浮標現(xiàn)場原位校準項目

校準海氣界面觀測浮標就是對浮標搭載的各種傳感器進行計量檢測[3]。海氣浮標配備氣象傳感器，采集海面上的氣象數(shù)據，同時還裝配水文傳感器，測量海表面下水文數(shù)據。

因為觀測參數(shù)類型不同，所以校準項目分為兩部分：氣象參數(shù)和水文參數(shù)。

在海氣浮標工作海域，布放一套裝配全部校準參數(shù)標準器具的標準浮標船[4](含1臺準確度較高的波浪騎士浮標)，海氣浮標和標準浮標船獨立工作，聯(lián)合觀測[5]。

氣象參數(shù)共6項：氣溫、氣壓、風速、風向、相對濕度和太陽輻射度，海氣浮標選配生產單位有：山東省科學院海洋儀器儀表研究所(魯儀所)、國家海洋技術中心(技術中心)和錦州陽光氣象公司(錦州陽光)產品；標準浮標船配備芬蘭VAISALA、美國HACH、美國EPPLEY的儀器。相關設備信息如表1所示。

水文參數(shù)共4項：水溫、波浪、流速、流向，海氣浮標裝配生產單位有：魯儀所、技術中心產品，標準浮標船配備美國Sea-bird、荷蘭DATAWELL、挪威Aanderaa的儀器。相關設備如表2所示。

表1 氣象參數(shù)標準器和被校儀器信息Tab.1 Meteorological standard and calibrated instruments

表2 水文參數(shù)標準器和被校儀器信息Tab.2 Hydrological standard and calibrated instruments

2.2 觀測浮標現(xiàn)場原位校準過程

2019-07-09至2019-09-30對布放在某島北部國家淺海海洋綜合試驗場內的海氣界面觀測浮標(經度N：37.5822356，緯度E：122.0766592)進行現(xiàn)場原位校準技術研究。海氣浮標和標準浮標船上搭載傳感器主要位置如圖1所示。

圖1 海氣界面觀測浮標和標準浮標船F(xiàn)ig.1 Air-sea interface observation buoy and standard ship

具體校準過程如下：

首先，對擬校準的、已布放在海洋綜合試驗場海域內的海氣浮標工作性能進行評測，研判已搭載的傳感器類型、測量范圍、精度等信息[6]，對標準浮標船進行標準器選配、安裝和性能調試，做到校準參數(shù)種類全覆蓋、測量范圍全滿足。然后，在距離海氣浮標300 m遠海域，研究人員布放一套標準浮標船(含波浪騎士浮標)，確保海氣浮標和標準浮標船水文氣象環(huán)境一致無差別。經過81天同步聯(lián)合觀測后，回收標準浮標船。最后，對兩套系統(tǒng)分別獲得的水文和氣象數(shù)據分析處理，評測測量誤差[7]，評判是否滿足國家技術規(guī)范要求。

3 現(xiàn)場原位校準數(shù)據結果分析

海氣界面觀測浮標校準過程耗時較長、數(shù)據量較大，為便于分析，校準數(shù)據結果分析也分為兩個部分：氣象參數(shù)和水文參數(shù)。

3.1 氣象參數(shù)校準數(shù)據結果分析

海試期間由于受到超強臺風“利奇馬”影響，6項參數(shù)測量數(shù)據區(qū)間較大，實際測量結果如下：

氣溫校準過程中，變化范圍是18.9～28.1℃，最大示值誤差絕對值是0.2 ℃；氣壓校準過程中，變化范圍是920.1～1 028.8 hPa，最大示值誤差絕對值是0.3 hPa；風速校準過程中，變化范圍是3.5～26.3 m/s，最大示值誤差絕對值是 0.3 m/s；風向參數(shù)測量范圍均是0°～360°，本實驗中最大示值誤差絕對值是5.0°；相對濕度校準過程中，變化范圍是(65～99)%RH，最大示值誤差絕對值是4%RH；太陽輻射度校準過程中，變化范圍是0～956 W/m2，最大示值誤差絕對值是28 W/m2。海試結果顯示，氣象參數(shù)滿足《海濱觀測規(guī)范》[8]和《氣象觀測規(guī)范》[9]技術性能要求。

部分試驗數(shù)據如表3～表8所示。

表3 氣溫校準數(shù)據和示值誤差Tab.3 Partial test data of air temperature ℃

表4 氣壓校準數(shù)據和示值誤差Tab.4 Partial test data of air pressure hPa

表5 風速校準數(shù)據和示值誤差Tab.5 Partial test data of wind speed m/s

表6 風向校準數(shù)據和示值誤差Tab.6 Partial test data of wind direction (°)

3.2 水文參數(shù)校準數(shù)據結果分析

對于水文參數(shù)水溫、波浪、流速和流向的校準，均采用標準浮標船裝配技術性能較高的標準器方式，采用感溫迅速且精度較高的鉑電阻水溫探頭，同時配備波浪觀測領域技術性能極其優(yōu)異的波浪騎士MKⅢ浮標[10]，并且搭載國際通用的挪威Aanderaa海流計[11]，從儀器源頭確保標準數(shù)據準確可靠，校準結果真實可信[12]。

表7 相對濕度校準數(shù)據和示值誤差

表8 太陽輻射度校準數(shù)據和示值誤差Tab.8 Partial test data of solar radiance W/m2

海試校準數(shù)據結果如下：

水溫變化范圍是18.9～26.9 ℃，最大示值誤差絕對值是0.8 ℃；波浪場有波高、波周期和波向三個分量[13]，波高變化范圍是0.3～3.2 m，最大示值誤差絕對值是0.20 m；波周期變化范圍是2.3～6.9 s，最大示值誤差絕對值是0.3 s；波向變化范圍是0°～360°，最大示值誤差絕對值是10°；流場也是矢量場，分為流速和流向兩個參數(shù)[14]，流速校準時，海氣浮標和校準船每30 min測量一次流速值，流速變化范圍是0.08～0.59m/s，最大示值誤差絕對值是0.05 m/s，流向變化范圍是0°～360°，最大示值誤差絕對值是4°，數(shù)據結果滿足《海濱觀測規(guī)范》要求[15]，基本達到陸地實驗室校準水平。

水文參數(shù)校準試驗部分數(shù)據如表9～表14所示。

表9 水溫校準數(shù)據和示值誤差Tab.9 Partial test data of water temperature ℃

表10 波高校準數(shù)據和示值誤差Tab.10 Partial test data of wave height m

表11 波周期校準數(shù)據和示值誤差Tab.11 Partial test data of wave period s

表12 波向校準數(shù)據和示值誤差Tab.12 Partial test data of wave direction (°)

表13 流場流速校準數(shù)據和示值誤差Tab.13 Partial test data of flow rate m/s

表14 流場流向校準數(shù)據和示值誤差Tab.14 Partial test data of flow direction (°)

從表9～表14可以看出，當天海況較差，標準浮標船姿態(tài)運動較大，對海流測量造成一定影響[16]，但是經過后期數(shù)據處理，可得兩套觀測系統(tǒng)的流速、流向值一致性較好，能夠反映該試驗場海域往復流特點。

分析實驗數(shù)據可知，與海洋氣象參數(shù)現(xiàn)場校準技術一樣，水文參數(shù)現(xiàn)場校準技術滿足量值傳遞技術規(guī)范要求。

4 結 語

研究人員依托國家淺海海洋綜合試驗場專業(yè)設備，進行海氣界面觀測浮標計量校準技術研究。經過一段時間現(xiàn)場海試，數(shù)據結果顯示基本達到陸地實驗室校準水平，技術性能滿足《海濱觀測規(guī)范》和《氣象觀測規(guī)范》要求，技術可行。

提出一種海氣浮標量值傳遞方法，改變以往只能單個參數(shù)、耗時費力的固有校準模式，可在海氣浮標正常工作狀態(tài)下，較好地實現(xiàn)氣象和水文參數(shù)的現(xiàn)場原位校準，確保其測量數(shù)據可以準確量值溯源，數(shù)據準確可靠，為海氣浮標量值溯源提供了一種新的有效途徑。

后續(xù)工作可以增加海試時長，獲取更多試驗數(shù)據，提高技術成熟度，早日形成規(guī)范化技術標準。