潛標CTD的現(xiàn)場溫鹽比測方法研究

陳 釗，魏傳杰*，刁新源，陳 磊，孫 毅，趙張南，潘 俊

（1.中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071；2. 中國科學院海洋大科學研究中心，山東 青島 266071）

潛標是一種在水下進行長期海洋環(huán)境觀測的錨定系統(tǒng)，主要結(jié)構(gòu)包括主浮球、多種海洋觀測儀器、聲學釋放器、重力錨和串聯(lián)儀器的纜繩，大規(guī)模布放潛標已成為遠洋綜合科考船的常規(guī)作業(yè)內(nèi)容[1-3]。溫鹽深剖面測量儀（CTD）作為測量海洋物理性質(zhì)的重要觀測儀器有多種測量布放方式，包括站位測量，走航測量和長期定點測量[4-6]。潛標CTD是長期定點測量的典型方案，是潛標系統(tǒng)中必不可少的設備，可以為科研人員提供不同深度下精確的海水溫度、鹽度等參數(shù)[7]，對大洋暖池形成機制、熱鹽環(huán)流效應等研究有重要意義[8]。

溫鹽傳感器的制作工藝和材料特性決定了其測量結(jié)果會隨時間漂移[9]，解決這一問題的方法為傳感器校準。目前，陸地實驗室校準技術(shù)已經(jīng)較為完善[10]，通過恒溫槽、鉑電阻溫度計、測溫電橋、鹽度計、壓力計等設備可進行高精度的數(shù)據(jù)校準[11]，但潛標CTD由于時間和成本原因無法全部帶回陸地進行校準，科考船也不具備海上校準的設備和條件，潛標CTD在長期使用后儀器數(shù)據(jù)發(fā)生漂移、準確度降低，對科學研究的正確性和可信性造成嚴重影響[12]。設計一種潛標CTD的作業(yè)現(xiàn)場比測方法具有現(xiàn)實需求和重要意義。本文依據(jù)船載CTD的作業(yè)內(nèi)容，為SBE37潛標CTD設計了一種比測裝置，以SBE911船載CTD為測量標準，計算了潛標CTD的溫鹽傳感器校準系數(shù)，并將該系數(shù)下獲取的數(shù)據(jù)與未校準的數(shù)據(jù)進行比較，為提升我國海洋科學觀測網(wǎng)的數(shù)據(jù)準確度提供了技術(shù)支撐。

1 比測設備

1. 1 船載CTD和潛標CTD

校準實驗室的核心設備為恒溫槽，槽內(nèi)各個位置的水溫一致[13]，而且可以通過測溫電橋和標準鉑電阻精確測量[14]。大洋的溫鹽結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定[15]，在短時間內(nèi)不會發(fā)生大幅度變化，并且大洋可視為分層水體[16]，其水平方向上的臨近點可視為同一水團[17]，其溫鹽可由SBE911船載CTD進行測量，通過一定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)平均可得到該位置的相對準確的溫鹽值。SBE911船載CTD是目前深海觀測中應用最為廣泛的產(chǎn)品，在同類海洋儀器中具有最高的測量精度[18]，其技術(shù)指標如表1所示。

表1 SBE911船載CTD技術(shù)指標

SBE37潛標CTD具有高精度溫鹽傳感器，其電導率傳感器配置有抽水泵，測量準確度與SBE911船載CTD一致，目前廣泛應用于潛標系統(tǒng)中，是使用最多的潛標CTD，其技術(shù)指標如表2所示。

表2 SBE37潛標CTD技術(shù)指標

本文將以2020年9月進行了實驗室校準的船載CTD數(shù)據(jù)作為標準，對SBE37潛標CTD的測量數(shù)據(jù)進行對比。

1. 2 裝置設計

本文設計的比測裝置需要滿足以下兩點：

（1）為使?jié)摌薈TD與船載CTD測量同一層水體，二者的溫鹽探頭需要在同一平面上。

（2）根據(jù)儀器的結(jié)構(gòu)設計，潛標CTD的布放方式為探頭一端朝上豎直放置[19]。

本文根據(jù)這兩點設計了用于比測的CTD底托架，如圖1所示。布放船載CTD時將底托架固定于CTD整體的下方，在底托架上有上下四根固定橫桿，最多可在一個站位的船載CTD作業(yè)中校準8臺潛標CTD，可以滿足一套及以上潛標系統(tǒng)的CTD使用數(shù)量。

圖1 比測底托架安裝示意

2 比測實驗

2. 1 實驗方法

本實驗于2020年9月依托“科學”號西太平洋航次進行，實驗步驟如下：

（1）設置潛標CTD的采樣間隔為5 s，并與船載CTD進行時間同步，將其固定在比測所用的底托架上。

（2）進行船載CTD作業(yè)，在下放過程中選取船載CTD顯示溫度為27℃, 25℃, 20℃, 15℃,10℃, 5℃, 3℃附近的位置，并記錄到達該位置的時間。每個位置靜置2 min，使兩種CTD測量的水團充分混合。

（3）船載CTD回收后，讀取潛標CTD數(shù)據(jù)，根據(jù)時間查找比測數(shù)據(jù)，取靜置時間段內(nèi)第2 min的數(shù)據(jù)進行平均，以減小水團不穩(wěn)定引起的誤差。

CTD溫鹽剖面圖如圖2所示。

圖2 船載CTD溫鹽剖面圖

2. 2 求解校準系數(shù)

通過儀器配置說明，溫度校準系數(shù)a0,a1,a2,a3的相關表達式為[20]：

式中：Tκ（℃）代表船載CTD第κ組溫度平均值；Ntκ（Hz）代表潛標CTD第κ組溫度通道頻率平均值。通過5組數(shù)據(jù)的回歸分析方法確定a0,a1,a2,a3值。

電導率校準系數(shù)g,h,i,j的相關表達式為：

式中：δ=3.25×10-6，ε=-9.57×10-8，Cκ（S/m）代表船載CTD第κ組電導率平均值；Fcκ（kHz）代表潛標CTD第κ組電導率通道頻率平均值；Tκ（℃）代表船載CTD第κ組溫度平均值；pκ（dbar）代表船載CTD第κ組壓力平均值。在實驗室校準中，pκ項近似為0，往往忽略不計[21]，而由于本實驗是在大洋高壓環(huán)境中進行，所以pκ項為重要參數(shù)，必須參與計算，求解所需數(shù)據(jù)見表3。

表3 求解校準系數(shù)使用的相關數(shù)據(jù)

3 比測結(jié)果

該實驗中使用的潛標CTD有3組校準系數(shù)，分別為2014年3月的原始校準系數(shù)、2020年5月的實驗室校準系數(shù)和2020年6月的比測校準系數(shù)，其中比測校準系數(shù)由式（1）、式（2）和表3數(shù)據(jù)計算得出，溫度校準系數(shù)見表4，電導率校準系數(shù)見表5。

表4 溫度校準系數(shù)

表5 電導率校準系數(shù)

分別選取6組參考溫度、電導率真值，通過實驗室校準系數(shù)分別計算出Ntκ(Hz)和Fcκ(kHz)，將二者代入原始校準系數(shù)和比測校準系數(shù)，通過式（1）和式（2）由比測系數(shù)和原始系數(shù)分別計算溫度、電導率值和相應誤差。計算電導率時假定溫度為20℃，壓力項忽略。

溫度比測結(jié)果如表6所示，誤差對比見圖3(a)，電導率比測結(jié)果如表7所示，誤差對比見圖3(b)。

表6 溫度比測結(jié)果

表7 電導率比測結(jié)果

圖3 溫度和電導率誤差對比

由表6、表7和圖3可知，通過原始校準系數(shù)和比測所得校準系數(shù)計算的溫度、電導率值與與實驗室校準后的結(jié)果存在誤差。對二者的誤差進行比較，比測誤差較原始的誤差小，在選取的12個溫度和電導率特征點上，比測誤差絕對值比原始誤差絕對值小的有6個，相同的有3個，大的有3個。溫度比測誤差絕對值的均值為3.833 3×10-4℃，原始誤差絕對值的均值為5.500 0×10-4℃，電導率比測誤差絕對值的均值為2.166 7×10-4S/m，原始誤差絕對值的均值為2.3333×10-4S/m。

4 結(jié) 論

本文設計了一種比測裝置，該裝置使?jié)摌薈TD與船載CTD測量同一水團，便于兩者進行數(shù)據(jù)對比。通過現(xiàn)場實驗對兩種CTD進行比測，以船載CTD作為標準數(shù)據(jù)，通過回歸分析方法計算了船載CTD的溫鹽傳感器校準系數(shù)。通過給定真值和實驗室校準系數(shù)計算出傳感器頻率值，再將該值與校準前后的系數(shù)代入計算公式，分別得到校準前后測量儀器的誤差。實驗結(jié)果表明，以船載CTD為標準對潛標CTD進行比測后，數(shù)據(jù)誤差降低，本文中設計的比測方法對提高測量設備準確性有一定作用。

由于本文中使用的潛標CTD是用于實驗室計量認證，使用率較低，所以該CTD的數(shù)據(jù)漂移并不明顯，其測量結(jié)果與實驗室校準后的測量結(jié)果相差不大，這導致比測實驗對數(shù)據(jù)準確度的提高效果不顯著。若實驗設備在具有腐蝕性的海水中長期使用，本實驗的效果將更加明顯。實際上，海水溫鹽場的波動較為明顯，無法達到恒溫槽效果，本文中的船載CTD數(shù)據(jù)經(jīng)過平均處理后，船載CTD與潛標CTD數(shù)據(jù)一致性較好，有一定偶然性。此外，本實驗需要使用0～1 500 m的CTD數(shù)據(jù)，所以該校準方法僅適用于1 500 m以深的海區(qū)，且必須為溫鹽結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的大洋區(qū)。

本文中的比測方法可以提高潛標CTD的測量精度，可為作業(yè)現(xiàn)場的CTD校準提供一種解決方案，但是此方法限制條件較多，不能適用于所有海區(qū)。因此，進行陸地實驗室校準或建設一套船載的標定系統(tǒng)才能從根本上提高潛標CTD的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題。