盧少磊，孫朝輝，劉增宏，許建平

（1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江　杭州　310012；2.國(guó)家海洋局第二海洋研究所，浙江　杭州　310012）

COPEX和HM2000與APEX型剖面浮標(biāo)比測(cè)試驗(yàn)及資料質(zhì)量評(píng)價(jià)

盧少磊1，2，孫朝輝1，2，劉增宏1，2，許建平1，2

（1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310012；2.國(guó)家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州310012）

利用船載CTD儀、國(guó)外剖面浮標(biāo)（APEX）和實(shí)驗(yàn)室鹽度計(jì)等標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)備，在西北太平洋海域?qū)?種型號(hào)國(guó)產(chǎn)剖面浮標(biāo)（COPEX和HM2000）進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)試驗(yàn)，并對(duì)觀(guān)測(cè)資料質(zhì)量進(jìn)行了定性和定量分析與評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：（1）COPEX和HM2000型剖面浮標(biāo)觀(guān)測(cè)的鹽度資料均能達(dá)到國(guó)際Argo計(jì)劃提出的±0.01的精度要求；（2）HM2000的最小觀(guān)測(cè)深度離海面1 m以?xún)?nèi)，最大觀(guān)測(cè)深度基本穩(wěn)定在2 000 m左右，并能保持在1 000 m深度附近漂移，而COPEX的最小觀(guān)測(cè)深度在8～9 m之間，最大觀(guān)測(cè)深度則在1 800～1 900 m之間波動(dòng)，且漂移深度都在600～800 m之間；（3）COPEX和HM2000都獲得了70條以上有效觀(guān)測(cè)剖面。總體而言，兩種國(guó)產(chǎn)剖面浮標(biāo)觀(guān)測(cè)的溫、鹽度資料都是可信、可靠的。但試驗(yàn)中暴露的一些問(wèn)題和不足仍有待不斷改進(jìn)和完善。

COPEX；HM2000；APEX；剖面浮標(biāo)；比測(cè)試驗(yàn)；質(zhì)量評(píng)價(jià)

國(guó)際Argo計(jì)劃自2000年啟動(dòng)實(shí)施以來(lái)，35個(gè)國(guó)家和地區(qū)在全球海洋中陸續(xù)投放了約11 000多個(gè)Argo剖面浮標(biāo)，目前在海上正常工作的浮標(biāo)總數(shù)約在3 800個(gè)左右，已經(jīng)成為全球海洋觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的重要支柱，正源源不斷地為國(guó)際社會(huì)提供全球海洋0～2 000 m深度范圍內(nèi)的海洋溫度和鹽度資料，迄今所獲剖面資料總數(shù)已達(dá)130萬(wàn)條，并正以每年約12萬(wàn)條剖面的速度增加。Argo已經(jīng)成為從海盆尺度到全球尺度物理海洋學(xué)研究的主要數(shù)據(jù)源，而且也已在海洋和大氣科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究及其業(yè)務(wù)化預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中得到廣泛應(yīng)用［1-6］。在未來(lái)兩年內(nèi)將最終建成由4 000個(gè)剖面浮標(biāo)組成的“全球Argo”實(shí)時(shí)海洋觀(guān)測(cè)網(wǎng)，每年補(bǔ)充布放的浮標(biāo)約需800～1 000個(gè)左右［7-8］。

截至2014年底，我國(guó)已累計(jì)在太平洋和印度洋海域布放了300多個(gè)Argo剖面浮標(biāo)，目前仍有190多個(gè)在海上正常工作，成為國(guó)際Argo計(jì)劃的重要成員國(guó)。然而，我國(guó)Argo計(jì)劃布放的剖面浮標(biāo)主要由美國(guó)Teledyne Webb公司研制的APEX型剖面浮標(biāo)，以及由法國(guó)NKE公司研制的PROVOR型和ARVOR型剖面浮標(biāo)。我國(guó)雖自“十五”計(jì)劃開(kāi)始，就已著手國(guó)產(chǎn)剖面浮標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)發(fā)工作，先后研制出了多種型號(hào)的自持式剖面漂流浮標(biāo)，并采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位和數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)行了多次海上布放試驗(yàn)，但至今尚未得到國(guó)際Argo計(jì)劃認(rèn)可，用于全球Argo實(shí)時(shí)海洋觀(guān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)中［9-10］。目前，在全球Argo觀(guān)測(cè)網(wǎng)中使用的剖面浮標(biāo)除了上述3種型號(hào)外，還有美國(guó)斯克里普斯海洋研究所研制的SOLO型和SOLO-II型剖面浮標(biāo)，以及日本海洋科技中心與TSK公司共同研制的Navis型剖面浮標(biāo)等。在這些型號(hào)的剖面浮標(biāo)中，APEX型浮標(biāo)的開(kāi)發(fā)時(shí)間最早，技術(shù)性能最穩(wěn)定，特別受到各Argo成員國(guó)的青睞，目前約占全球Argo觀(guān)測(cè)網(wǎng)中浮標(biāo)總數(shù)的57%。

為了幫助國(guó)產(chǎn)剖面浮標(biāo)走出國(guó)門(mén)參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，早日成為全球Argo大家庭中的重要一員，從而為中國(guó)Argo計(jì)劃，乃至國(guó)際Argo計(jì)劃的組織實(shí)施做出貢獻(xiàn)，中國(guó)Argo實(shí)時(shí)資料中心于2014年10月發(fā)起并組織實(shí)施了一次國(guó)內(nèi)外剖面浮標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)試驗(yàn)，得到了國(guó)內(nèi)兩家剖面浮標(biāo)研制單位（國(guó)家海洋技術(shù)中心和中船重工第710研究所）的積極響應(yīng)和高度重視，同時(shí)也獲得了中國(guó)科學(xué)院海洋研究所承擔(dān)的國(guó)家基金委開(kāi)放航次的全方位支持。希望通過(guò)本次海上比測(cè)試驗(yàn)和觀(guān)測(cè)資料質(zhì)量評(píng)價(jià)，能為國(guó)產(chǎn)剖面浮標(biāo)的定型和商業(yè)化生產(chǎn)，以及躋身全球Argo觀(guān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)行列提供科學(xué)依據(jù)。

1　試驗(yàn)海區(qū)及主要儀器設(shè)備

1.1試驗(yàn)區(qū)域與布放浮標(biāo)位置

本次比測(cè)試驗(yàn)任務(wù)搭載了中國(guó)科學(xué)院海洋研究所承擔(dān)的國(guó)家自然科學(xué)基金委西太平洋科學(xué)考察實(shí)驗(yàn)研究秋季航次，由“科學(xué)一號(hào)”調(diào)查船執(zhí)行完成。故剖面浮標(biāo)的比測(cè)試驗(yàn)區(qū)域就位于西北太平洋海區(qū)，比測(cè)點(diǎn)選擇在該航次離岸最遠(yuǎn)、最東側(cè)的位置上，盡可能遠(yuǎn)離黑潮主干區(qū)域（圖1）。浮標(biāo)投放工作始于2014年11月21日，結(jié)束于11月22日。

圖1　試驗(yàn)海區(qū)與比測(cè)站位置

表1　2個(gè)比測(cè)站上的剖面浮標(biāo)信息及投放概位

在2個(gè)比測(cè)站（CP1站和CP2站）上共布放了5個(gè)剖面浮標(biāo)（表1），其中CP1站布放了3種型號(hào)的浮標(biāo)，即APEX型（編號(hào)為2901578）、COPEX型（編號(hào)為143004）和HM2000型（編號(hào)為15322），CP2站上僅有APEX型（編號(hào)為2901579）和COPEX型（編號(hào)為143003）各1個(gè)。同時(shí)，在2個(gè)比測(cè)站上還進(jìn)行了準(zhǔn)同步船載CTD儀觀(guān)測(cè)，以及利用攜帶的玫瑰型采水器采集特定層次上的海水樣品，并使用AUTOSAL 8400B型實(shí)驗(yàn)室鹽度計(jì)進(jìn)行鹽度測(cè)定。

1.2主要儀器設(shè)備

比測(cè)試驗(yàn)使用了3種型號(hào)的剖面浮標(biāo)，分別為：（1）APEX型剖面浮標(biāo)2個(gè)，由美國(guó)Teledyne Webb研究公司研制生產(chǎn)；（2）COPEX型剖面浮標(biāo)2個(gè)，由國(guó)家海洋技術(shù)中心研制；（3）HM2000型剖面浮標(biāo)1個(gè)，由中船重工第710研究所研制。主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2所示［11-12］。

表2　APEX、COPEX和HM2000型剖面浮標(biāo)的主要技術(shù)指標(biāo)

需要說(shuō)明的是，本次試驗(yàn)中使用的5個(gè)剖面浮標(biāo)均具有雙向通訊功能，即在浮標(biāo)觀(guān)測(cè)期間能任意改變預(yù)先設(shè)計(jì)的測(cè)量參數(shù)（如觀(guān)測(cè)周期、觀(guān)測(cè)層次和剖面深度等）。其中2個(gè)APEX型剖面浮標(biāo)采用銥衛(wèi)星通訊，在0～2 000 m深度范圍的測(cè)量間隔設(shè)置為2 m（約1 000層）；兩種類(lèi)型的國(guó)產(chǎn)浮標(biāo)均采用了北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，但它們的剖面觀(guān)測(cè)間隔不盡相同，COPEX型在0～2 000 m水深范圍內(nèi)可測(cè)量52層，而HM2000型約為134層。為了能在較短的比測(cè)時(shí)間內(nèi)獲得更多的觀(guān)測(cè)剖面，設(shè)置的循環(huán)周期為2～3 d，即在2 d或3 d間隔內(nèi)就能獲得一條0～2 000 m水深范圍內(nèi)溫、鹽度剖面資料。

除了剖面浮標(biāo)之間的相互比較外，還采用了常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)，主要有：（1）船載SBE-911型CTD儀，由美國(guó)海鳥(niǎo)公司生產(chǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示；（2）AUTOSAL 8400B型實(shí)驗(yàn)室高精度鹽度計(jì)，由加拿大Guildline公司生產(chǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表3　SBE-911型CTD儀主要技術(shù)指標(biāo)

表4　AUTOSAL 8400B型實(shí)驗(yàn)室鹽度計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)

1.3比測(cè)程序與比測(cè)數(shù)據(jù)

當(dāng)調(diào)查船抵達(dá)比測(cè)站后，首先利用船載CTD儀進(jìn)行定點(diǎn)剖面觀(guān)測(cè)，并在上升過(guò)程中利用玫瑰型采水器采集特定層次上的海水樣品；然后再分別布放剖面浮標(biāo)。

船載CTD儀的剖面觀(guān)測(cè)深度為0～4 000 m；采集水樣從50 m到4 000 m共設(shè)16層?？紤]到剖面浮標(biāo)的最大觀(guān)測(cè)深度為2 000 m，且上層海洋受到外界因素的影響較大，故比測(cè)范圍主要選擇在1 000～2 000 m的深水區(qū)內(nèi)。為此，每個(gè)比測(cè)站上僅有1000m和1 500 m兩個(gè)采水層符合上述條件。最終，用于比較分析的現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)有：（1）船載CTD儀觀(guān)測(cè)剖面2個(gè)；（2）特定層上的鹽度值4個(gè)（通過(guò)實(shí)驗(yàn)室高精度鹽度計(jì)對(duì)采集的水樣進(jìn)行鹽度測(cè)定獲得）；（3）APEX、COPEX、HM2000型浮標(biāo)觀(guān)測(cè)剖面各1個(gè)（與船載CTD儀間隔約24 h的準(zhǔn)同步觀(guān)測(cè)結(jié)果）；（4）APEX、COPEX、HM2000型浮標(biāo)從2014年11月21日至2015年5月21日期間（歷時(shí)6個(gè)月）的全部觀(guān)測(cè)剖面（約70～100條），用于檢驗(yàn)浮標(biāo)長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)的穩(wěn)定性和可靠性。

同時(shí)，中國(guó)Argo實(shí)時(shí)資料中心要求參與本次試驗(yàn)的浮標(biāo)其觀(guān)測(cè)剖面深度為0～2 000 m，漂移深度為1 000 m，且至少能提供70個(gè)有效觀(guān)測(cè)剖面。如果按照國(guó)際Argo計(jì)劃的要求［13-14］（每隔10 d觀(guān)測(cè)一條溫、鹽度剖面），相當(dāng)于浮標(biāo)的工作壽命不低于2 a。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

為了對(duì)國(guó)內(nèi)外剖面浮標(biāo)獲得的溫、鹽度觀(guān)測(cè)資料質(zhì)量（或觀(guān)測(cè)精度）有一全面了解和掌握，利用已經(jīng)獲取的準(zhǔn)同步觀(guān)測(cè)資料，計(jì)算并繪制了多種分析圖表（如T-S點(diǎn)聚圖、溫鹽度垂直分布圖和代表性層次上的溫、鹽度差比對(duì)表等），以便對(duì)剖面浮標(biāo)觀(guān)測(cè)資料的質(zhì)量做一番客觀(guān)分析與評(píng)價(jià)。

需要說(shuō)明的是，由于浮標(biāo)的第一條觀(guān)測(cè)剖面是在布放24 h后獲得的，再加上浮標(biāo)具有“隨波逐流”漂移的特性，故即使是第一條觀(guān)測(cè)剖面，其對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度與船載CTD儀觀(guān)測(cè)時(shí)的位置也是不盡相同的。因此，在評(píng)價(jià)資料質(zhì)量時(shí)，盡可能選擇1 000 m以深的觀(guān)測(cè)層次進(jìn)行比較分析。此外，考慮到用于比測(cè)的采水層次（每站僅2個(gè)）十分有限，而實(shí)際上在本航次實(shí)施的8個(gè)船載CTD儀觀(guān)測(cè)站上，均利用玫瑰型采水器采集了水樣，共獲得了54個(gè)鹽度值。利用這些特定層上的鹽度值首先檢驗(yàn)了船載CTD儀觀(guān)測(cè)剖面的可靠性和測(cè)量精度，發(fā)現(xiàn)船載CTD儀與實(shí)驗(yàn)室鹽度計(jì)測(cè)定的特定層上的鹽度（兩者為準(zhǔn)同步觀(guān)測(cè)，即獲得的CTD資料是探頭下放時(shí)的觀(guān)測(cè)結(jié)果，而非CTD探頭上升時(shí)在特定層上采集水樣時(shí)同步觀(guān)測(cè)的鹽度數(shù)據(jù)），除在一個(gè)測(cè)站的2 000 m層上兩者鹽度值相差（實(shí)驗(yàn)室鹽度計(jì)測(cè)定的鹽度值偏低）較大外，在其他比測(cè)站和層上均十分接近，甚至幾乎重合。計(jì)算的各特定層上的鹽度差均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精度要求［15］。也就是說(shuō)，本航次使用的船載CTD儀觀(guān)測(cè)剖面是可靠、也是可信的，完全可以用來(lái)驗(yàn)證剖面浮標(biāo)觀(guān)測(cè)結(jié)果的可靠性和觀(guān)測(cè)精度。

2.1T-S點(diǎn)聚分布

利用T-S點(diǎn)聚圖或T-S曲線(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)剖面觀(guān)測(cè)資料進(jìn)行質(zhì)量控制是最常用、最直觀(guān)的方法之一，也是國(guó)際Argo資料管理小組推薦的資料質(zhì)量控制方法［16-17］。

圖2給出了兩個(gè)比測(cè)站位上船載CTD儀與不同型號(hào)浮標(biāo)觀(guān)測(cè)的第1條深水剖面的T-S點(diǎn)聚分布?？梢钥闯?，試驗(yàn)海區(qū)T-S點(diǎn)聚大體呈反“S”型分布，除在溫度8～10℃和20～25℃區(qū)間內(nèi)T-S點(diǎn)聚比較分散外，其他溫度區(qū)間T-S點(diǎn)聚都比較集中，尤其在5℃以下，T-S點(diǎn)聚幾乎處于一條直線(xiàn)上，表明無(wú)論是國(guó)產(chǎn)剖面浮標(biāo)，還是從國(guó)外引進(jìn)的剖面浮標(biāo)的觀(guān)測(cè)資料與船載CTD儀的觀(guān)測(cè)結(jié)果基本上是吻合的，尤其在1 000 m以下，三者幾乎重合。

圖2　兩個(gè)比測(cè)站的T-S點(diǎn)聚分布（CP1：a；CP2：b）

至于兩個(gè)溫度區(qū)間（大約處于1 000 m以淺水層）內(nèi)T-S點(diǎn)聚比較離散，且愈往淺水層，離散似乎越明顯的原因，除了上層海水容易受到風(fēng)、太陽(yáng)輻射等外界因素的作用和影響外，還與本海區(qū)500～800 m中層受到域外低溫、低鹽水團(tuán)（稱(chēng)“北太平洋中層水”）的影響有關(guān)。而深層（1 000 m水深以下）海水在某一特定區(qū)域或時(shí)間內(nèi)，其水體的溫、鹽度性質(zhì)具有相對(duì)穩(wěn)定的特性，這也是在開(kāi)展深海大洋調(diào)查時(shí)，無(wú)論是采用船載CTD儀還是剖面浮標(biāo)，要求其觀(guān)測(cè)深度盡可能取得大些（一般要求在2 000 m，甚至更大的深度）的原因所在。一旦船載CTD儀或剖面浮標(biāo)所攜帶的溫、鹽（電導(dǎo)率）、深（壓力）傳感器發(fā)生故障，導(dǎo)致觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?；蛘`差時(shí)，可以方便觀(guān)測(cè)人員辨別真?zhèn)尾⑿Ｕ`差，以確保觀(guān)測(cè)資料的質(zhì)量。

2.2溫、鹽度垂直分布

上述分布特征在溫、鹽度垂直分布圖（圖3）中也是顯而易見(jiàn)的。以水深1 000 m為界，浮標(biāo)與船載CTD儀觀(guān)測(cè)的溫、鹽度分布曲線(xiàn)在上層的吻合程度明顯要比深層差，而且由特定層上實(shí)驗(yàn)室鹽度計(jì)測(cè)定的鹽度值（圖中“▲”表示）與兩者的觀(guān)測(cè)結(jié)果同樣是吻合的。

圖3　兩個(gè)比測(cè)站的溫、鹽度垂直分布（CP1：a～b；CP2：c～d）

圖4是兩個(gè)比測(cè)站上1 000 m以深的溫、鹽度垂直分布。可以清楚地看到，在大比例尺圖中由多種儀器設(shè)備（船載CTD儀、剖面浮標(biāo)和實(shí)驗(yàn)室鹽度計(jì)等）獲得的溫、鹽度剖面資料間，雖變化趨勢(shì)大體一致，但對(duì)應(yīng)層上的溫、鹽度值還是有些差異的。這與上面提到的這些儀器設(shè)備提供的數(shù)據(jù)并非同步觀(guān)測(cè)有關(guān)，即使是特定層上的船載CTD鹽度與實(shí)驗(yàn)室鹽度計(jì)測(cè)定的，也只是準(zhǔn)同步的觀(guān)測(cè)結(jié)果。不過(guò)，采用不同儀器設(shè)備觀(guān)測(cè)的鹽度值相比溫度還是要更接近些，充分表明了在深層海洋中，溫度變化還是比較可觀(guān)的。這也是國(guó)際Argo計(jì)劃啟動(dòng)深海（＞3 000 m）Argo觀(guān)測(cè)，以及發(fā)起研制深海Argo剖面浮標(biāo)的重要因素，因?yàn)樯顚雍Ｋ淖兓c輸送，對(duì)全球氣候變化的作用和影響，甚至貢獻(xiàn)會(huì)更大。

圖4　兩個(gè)比測(cè)站的溫、鹽度深層垂直分布（CP1：a～b；CP2：c～d）

需要指出的是，在CP1站上COPEX型浮標(biāo)似乎在1 500 m深度以下存在鹽度異常，即浮標(biāo)鹽度值要略低（或略高）于船載CTD儀觀(guān)測(cè)的結(jié)果，顯然不符合海洋深層的自然變化規(guī)律。事實(shí)上，在觀(guān)測(cè)了26條剖面后，這種鹽度異?，F(xiàn)象的確已經(jīng)完全消失，將會(huì)在分析鹽度時(shí)間系列分布一節(jié)中敘述。

2.3溫、鹽度時(shí)間系列分布

為了檢驗(yàn)剖面浮標(biāo)長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)的可靠性和穩(wěn)定性，選擇了試驗(yàn)前6個(gè)月（2014年11月21日至2015年5月21日）內(nèi)的觀(guān)測(cè)剖面進(jìn)行比較分析。從繪制的每個(gè)浮標(biāo)的漂移軌跡（圖5）中可以看到，其中3個(gè)浮標(biāo)布放后呈曲線(xiàn)狀向西漂移，1個(gè)浮標(biāo)則向東后又折向西漂移，而另一個(gè)浮標(biāo)幾乎在原地打轉(zhuǎn)。

圖5　浮標(biāo)漂移軌跡

圖6給出了兩個(gè)站位上3種型號(hào)浮標(biāo)在6個(gè)月內(nèi)全部觀(guān)測(cè)剖面的T-S點(diǎn)聚分布。從圖中可以看出，試驗(yàn)期間該海域內(nèi)T-S點(diǎn)聚不僅呈反“S”型分布，而且在12～18℃和4℃以下兩個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，除143004號(hào)浮標(biāo)的鹽度值在深層出現(xiàn)少許離散外，T-S點(diǎn)聚幾乎均聚集在一條直線(xiàn)上。這也充分表明了，無(wú)論是國(guó)外還是國(guó)產(chǎn)浮標(biāo)，在長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的試驗(yàn)觀(guān)測(cè)期間，所提供的溫、鹽度資料都是穩(wěn)定、可靠的。

圖6　比測(cè)浮標(biāo)T-S點(diǎn)聚和溫、鹽度垂直分布（a:CP1；b:CP2）

在對(duì)143004號(hào)（COPEX型）浮標(biāo)的溫、鹽度時(shí)間系列（圖7）分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，該浮標(biāo)的前26條剖面在約1 500 m層以下都存在鹽度“尖峰”現(xiàn)象，之后這種異?，F(xiàn)象幾乎完全消失。是電導(dǎo)率傳感器在高壓狀態(tài)下發(fā)生故障導(dǎo)致的觀(guān)測(cè)誤差，還是傳感器在生產(chǎn)或安裝過(guò)程中的某個(gè)環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題所致，建議由浮標(biāo)研制單位會(huì)同傳感器生產(chǎn)商能盡可能找出故障原因，以免在日后的浮標(biāo)生產(chǎn)中隱藏類(lèi)似問(wèn)題。不過(guò)，在中國(guó)Argo實(shí)時(shí)資料中心引進(jìn)布放的300多個(gè)浮標(biāo)中，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)此類(lèi)現(xiàn)象。

圖7　143004號(hào)浮標(biāo)的鹽度垂直分布

需要指出的是，15322號(hào)（HM2000型）浮標(biāo)在完成40個(gè)0～2 000 m深水剖面后，根據(jù)研制單位的報(bào)告，因浮標(biāo)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)生故障，無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行深水觀(guān)測(cè)，故于2015年2月13日將最大剖面觀(guān)測(cè)深度調(diào)整為1 200 m，并在5月25日后完全停止工作，累計(jì)獲得了77條有效觀(guān)測(cè)剖面。由于比測(cè)試驗(yàn)時(shí)，研制單位僅有一個(gè)庫(kù)存HM2000型剖面浮標(biāo)，而在此之前（2014年10月25日），另有4個(gè)同類(lèi)型浮標(biāo)布放在南海區(qū)域，除一個(gè)（15331號(hào)）浮標(biāo)因漂移進(jìn)入淺水區(qū)域而較早停止工作外，其他3個(gè)（15323，15327，15329號(hào)）到2015年5月22日都一直在正常工作，獲得的有效觀(guān)測(cè)剖面數(shù)均已在80條以上。圖8顯示了其中的15329號(hào)浮標(biāo)在2014年10月25日至2015年5月22日期間的漂移軌跡及其與歷史APEX浮標(biāo)觀(guān)測(cè)結(jié)果的比較?？梢钥吹?，無(wú)論是T-S點(diǎn)聚還是溫、鹽度垂直分布，兩者的分布趨勢(shì)均十分相似，特別是在溫度5℃或1 000 m深度以下，T-S點(diǎn)聚或溫、鹽度垂直分布幾乎趨于一條直線(xiàn)，表明兩者的觀(guān)測(cè)結(jié)果基本吻合。由此可見(jiàn)，比測(cè)試驗(yàn)期間HM2000型浮標(biāo)能取得70個(gè)以上有效觀(guān)測(cè)剖面并非偶然。

圖8　南海HM2000型浮標(biāo)觀(guān)測(cè)結(jié)果比較

綜上所述，從定性分析來(lái)看，本次試驗(yàn)中2種型號(hào)國(guó)產(chǎn)剖面浮標(biāo)的觀(guān)測(cè)資料，無(wú)論與國(guó)外同類(lèi)型浮標(biāo)，還是船載CTD儀觀(guān)測(cè)結(jié)果比較，T-S點(diǎn)聚和溫、鹽度垂直分布趨勢(shì)都是比較一致的，也就是說(shuō)，這些浮標(biāo)觀(guān)測(cè)的溫、鹽度資料基本上是可信、可靠的。

2.4壓力（深度）分布

在比測(cè)試驗(yàn)之前，中國(guó)Argo實(shí)時(shí)資料中心要求浮標(biāo)觀(guān)測(cè)的剖面深度為0～2 000 m，且漂移深度停留在1 000 m附近。圖9給出了各型浮標(biāo)提供的最小、最大觀(guān)測(cè)深度和漂移深度的變化情況。

圖9　各型浮標(biāo)最小觀(guān)測(cè)深度（a）、漂移深度（b）及最大觀(guān)測(cè)深度（c）分布曲線(xiàn)

由圖可見(jiàn)，除個(gè)別剖面外，HM2000和APEX型浮標(biāo)的最小觀(guān)測(cè)深度都在距海面1 m以?xún)?nèi)，而COPEX型浮標(biāo)的最小觀(guān)測(cè)深度幾乎都在8～9 m之間。最大觀(guān)測(cè)深度從總體上看，APEX型浮標(biāo)要優(yōu)于國(guó)產(chǎn)浮標(biāo)，基本上控制在1 900～2 000 m之間；2個(gè)COPEX型浮標(biāo)中，其中一個(gè)（143004號(hào)）也能控制在1 900～2 000 m之間，但另一個(gè)則在1 800 m上下波動(dòng)；HM2000型浮標(biāo)經(jīng)過(guò)前期數(shù)個(gè)剖面的調(diào)整后，基本上能保持2 000 m深度，但大約30個(gè)剖面后，由于浮標(biāo)驅(qū)動(dòng)模塊出現(xiàn)故障，最大觀(guān)測(cè)深度調(diào)整為1 200 m，可見(jiàn)其提供的剖面能始終保持在新調(diào)整的深度上。從各型浮標(biāo)的漂移深度來(lái)看，APEX始終能保持在1 000 m深度附近漂移；而HM2000在經(jīng)過(guò)前期幾條剖面的調(diào)整后，同樣能保持在1 000 m深度附近漂移，但在2015年4月20日后則下沉到1 100 m深度附近漂移；2個(gè)COPEX型浮標(biāo)的漂移深度經(jīng)過(guò)前期幾條剖面的調(diào)整后，基本上都在600～800 m深度間漂移，相比之下，143004號(hào)浮標(biāo)的變化幅度要大于143003號(hào)，前者最大壓力差可達(dá)100 m。

3　觀(guān)測(cè)資料質(zhì)量評(píng)價(jià)

為了對(duì)浮標(biāo)觀(guān)測(cè)資料質(zhì)量或觀(guān)測(cè)精度有定量了解和掌握，分別計(jì)算了船載CTD儀、實(shí)驗(yàn)室鹽度計(jì)與不同型號(hào)浮標(biāo)提供的第1條深水剖面在幾個(gè)特定層上的鹽、溫度差，詳見(jiàn)表5所示。首先由船載CTD儀與實(shí)驗(yàn)室鹽度計(jì)之間的鹽度差可以看出，其差值在0～0.007之間，符合《海洋調(diào)查規(guī)范（GB/T 12763.2-2007）-海洋水文要素調(diào)查》對(duì)鹽度準(zhǔn)確度一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（±0.02）的規(guī)定，以及國(guó)際Argo計(jì)劃提出的±0.01的鹽度精度要求。顯而易見(jiàn)，本航次使用的船載CTD儀的觀(guān)測(cè)精度是高的，也是值得信賴(lài)的，可以用來(lái)作為評(píng)判浮標(biāo)觀(guān)測(cè)資料質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

同樣由表5可見(jiàn)，APEX與CTD在各比測(cè)層上的鹽度差均小于±0.01，個(gè)別層上甚至優(yōu)于±0.001；HM2000在各比測(cè)層上的鹽度差也均要小于±0.01；COPEX除個(gè)別層次上稍大于±0.01外，在大多數(shù)比測(cè)層上也都能達(dá)到國(guó)際Argo計(jì)劃提出的觀(guān)測(cè)精度要求。

表5　兩個(gè)比測(cè)站特定層上的鹽度比對(duì)結(jié)果

然而，從2個(gè)比測(cè)站（表6）上由CTD儀和浮標(biāo)觀(guān)測(cè)的溫度值比較發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是國(guó)外還是國(guó)產(chǎn)浮標(biāo)，與CTD的溫度差都比較大，除了在2 000 m層溫度差均處于-0.008 3～0.011 7℃范圍內(nèi)，以及1 800 m層上個(gè)別溫差在-0.019 5～0.014 4℃間外，在大部分比測(cè)層上均要大于±0.02℃，不但沒(méi)有達(dá)到《海洋調(diào)查規(guī)范（GB/T 12763.2-2007）-海洋水文要素調(diào)查》對(duì)溫度準(zhǔn)確度一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（±0.02℃）的規(guī)定，且離國(guó)際Argo計(jì)劃提出的溫度觀(guān)測(cè)誤差小于±0.005℃要求，更是相差甚遠(yuǎn)。這應(yīng)該是顯而易見(jiàn)的結(jié)果。除了缺乏可供比測(cè)的同步溫度數(shù)據(jù)外，這樣的溫度差也足以證明，即使在深層海洋中，海水溫度的變化也要遠(yuǎn)大于鹽度。

不過(guò)，通常來(lái)說(shuō)，由船載CTD儀或剖面浮標(biāo)所攜帶的溫度和電導(dǎo)率（可換算成鹽度）傳感器，前者（溫度傳感器）的性能和可靠性要遠(yuǎn)優(yōu)于后者，且溫度測(cè)量的精確度也要明顯高于鹽度。所以，人們?cè)诶蒙鲜鰞x器設(shè)備對(duì)深海大洋進(jìn)行溫、鹽度測(cè)量時(shí)，往往只關(guān)注和重視電導(dǎo)率傳感器的觀(guān)測(cè)誤差。值得指出的是，目前國(guó)內(nèi)廣泛利用的船載CTD儀，雖有一部分?jǐn)y帶了玫瑰型采水器，可以通過(guò)采集水樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室鹽度測(cè)定，但似乎沒(méi)有同時(shí)攜帶顛倒溫度表進(jìn)行溫度同步測(cè)量的。所以，即使人們想要對(duì)溫度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)同步比較觀(guān)測(cè)與資料質(zhì)量評(píng)價(jià)，目前仍缺少有效的比測(cè)手段。

利用在試驗(yàn)海域收集到的歷史CTD和Argo剖面觀(guān)測(cè)資料，根據(jù)客觀(guān)估計(jì)方法計(jì)算得到了浮標(biāo)剖面處的氣候態(tài)溫、鹽度值，進(jìn)一步比較分析了不同浮標(biāo)在代表性層（1 800 m）上與氣候態(tài)資料的差異。圖10給出了CP1站1 800 m等壓面上浮標(biāo)與氣候態(tài)溫、鹽度時(shí)間序列分布。由圖可見(jiàn)，CP1站附近深水海域的氣候態(tài)溫、鹽度分布較為平穩(wěn)，其變化范圍分別在2.289～2.311℃和34.607～34.618之間，而浮標(biāo)觀(guān)測(cè)結(jié)果的變化幅度則要大些，且溫度比鹽度的變化更大，其中HM2000（15322號(hào)）觀(guān)測(cè)的溫、鹽度值變化范圍分別為2.233～2.398℃和34.601～34.611；COPEX（143004號(hào)）分別為2.205～2.435℃和 34.552～34.676；APEX（2901579號(hào)） 分別為2.197～2.394℃和 34.607～34.618。比較而言，HM2000和APEX型浮標(biāo)的溫、鹽度范圍與氣候態(tài)比較接近，平均溫差在0.047～0.051℃之間，平均鹽差均為0.004。COPEX與氣候態(tài)平均溫差為0.049℃，位于HM2000和APEX的平均溫差之間，但平均鹽差卻達(dá)到了0.021。顯然，這與該浮標(biāo)前期觀(guān)測(cè)的26個(gè)剖面，在1 500 m深度以下存在比較明顯的鹽度“尖峰”有關(guān)。

表6　兩個(gè)比測(cè)站特定層上的溫度比對(duì)結(jié)果

圖10　CP1站1 800 m等壓面上浮標(biāo)與氣候態(tài)溫、鹽度時(shí)間序列分布

同樣，繪制了CP2站1 800 m等壓面上浮標(biāo)與氣候態(tài)溫、鹽度時(shí)間序列分布（圖略），并計(jì)算了平均溫、鹽度差，結(jié)果表明，氣候態(tài)溫、鹽度分布與CP1站一樣較為平穩(wěn)，其變化范圍分別在2.224～2.386℃和34.604～34.618之間。浮標(biāo)觀(guān)測(cè)的溫度變化雖波動(dòng)較大，范圍在2.195～2.454℃之間，但變化趨勢(shì)還是比較一致的，亦與氣候態(tài)變化趨勢(shì)接近；浮標(biāo)觀(guān)測(cè)的鹽度范圍（34.597～34.618）似乎更接近于氣候態(tài)（34.604～34.618），且變化趨勢(shì)也十分相近。無(wú)論是國(guó)產(chǎn)浮標(biāo)（143003號(hào)），還是進(jìn)口浮標(biāo)（2901578號(hào)），其與氣候態(tài)的平均溫差分別為0.043℃和0.049℃，兩者十分接近，而且平均鹽度差更要相近些，分別為0.006和0.004。

4　結(jié)論

在本次比測(cè)試驗(yàn)中，首先利用與船載CTD儀同步獲取的幾個(gè)特定層上的鹽度值（通過(guò)采集海水樣品再使用高精度實(shí)驗(yàn)室鹽度計(jì)測(cè)定），檢驗(yàn)了船載CTD儀觀(guān)測(cè)結(jié)果的可靠性，兩者鹽度差（最大為0.007）遠(yuǎn)高于±0.01的精度要求。為此，利用船載CTD儀觀(guān)測(cè)的鹽度作為比測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值，來(lái)驗(yàn)證剖面浮標(biāo)觀(guān)測(cè)資料的質(zhì)量及其觀(guān)測(cè)精度。同時(shí)，還利用試驗(yàn)海區(qū)歷史Argo數(shù)據(jù)（經(jīng)全球Argo資料中心的嚴(yán)格質(zhì)量控制）檢驗(yàn)了國(guó)產(chǎn)剖面浮標(biāo)長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)資料的穩(wěn)定性和可靠性。得到如下結(jié)論：

（1）2種型號(hào)（COPEX和HM2000）國(guó)產(chǎn)剖面浮標(biāo)觀(guān)測(cè)的鹽度資料是可信、可靠的，不僅能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鹽度準(zhǔn)確度一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（±0.02），而且能滿(mǎn)足國(guó)際Argo計(jì)劃提出的±0.01的高要求。

（2）HM2000的最小觀(guān)測(cè)深度離海面1 m以?xún)?nèi)，COPEX在8～9 m之間；最大觀(guān)測(cè)深度HM2000基本上能保持2 000 m，COPEX則在1 800～1 900 m之間波動(dòng)，極少數(shù)剖面能達(dá)到2 000 m深度；HM2000基本上能保持在1 000 m深度附近漂移，而COPEX漂移深度都在600～800 m之間。

（3）COPEX和HM2000都獲得了70條以上有效觀(guān)測(cè)剖面，但后者大約40條剖面的最大觀(guān)測(cè)深度僅為1 200 m；前者至今仍在海上正常工作，但后者已經(jīng)停止工作。

溫度觀(guān)測(cè)雖然不是本次比測(cè)試驗(yàn)的重點(diǎn)，但我們依然根據(jù)船載CTD儀、國(guó)外剖面浮標(biāo)（APEX）和歷史Argo觀(guān)測(cè)等提供的高質(zhì)量溫度剖面資料，經(jīng)過(guò)定性比較和分析，表明國(guó)產(chǎn)剖面浮標(biāo)觀(guān)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)質(zhì)量也是可信、可靠的。

試驗(yàn)期間，COPEX的一個(gè)電導(dǎo)率傳感器遇到偶發(fā)性故障，導(dǎo)致前期觀(guān)測(cè)的26條剖面在深層（1 500 m以下）出現(xiàn)異常的鹽度“尖峰”；HM2000在觀(guān)測(cè)30條剖面后驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)生故障，導(dǎo)致后續(xù)的最大觀(guān)測(cè)深度僅有1 200 m。此外，與APEX相比，無(wú)論是最小、最大觀(guān)測(cè)深度，還是漂移深度和工作壽命等，國(guó)產(chǎn)剖面浮標(biāo)仍有許多改進(jìn)和完善的空間；同時(shí)，還面臨著國(guó)際Argo計(jì)劃規(guī)定的許多苛刻要求，如需實(shí)時(shí)提供浮標(biāo)能量變化（電池的電壓電流大?。?、漂移時(shí)的定時(shí)溫、鹽度和壓力值，以及內(nèi)部真空度和柱塞泵位置等一系列參數(shù)，方可被國(guó)際Argo計(jì)劃接納并冠以“Argo剖面浮標(biāo)”的稱(chēng)號(hào)，正式用于全球Argo實(shí)時(shí)海洋觀(guān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)與維護(hù)。

致謝：本次比測(cè)試驗(yàn)任務(wù)得到了國(guó)家海洋技術(shù)中心、中船重工710研究所、中國(guó)科學(xué)院海洋研究所和國(guó)家海洋局第二海洋研究所等單位的高度重視和大力支持；海上浮標(biāo)布放工作還得到了航次首席科學(xué)家周慧副研究員和全體調(diào)查隊(duì)員，以及中國(guó)科學(xué)院海洋研究所船舶中心 “科學(xué)一”號(hào)調(diào)查船全體船員的鼎力支持和幫助，在此一并表示謝忱！

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Comparative Testing and Data Quality Evaluation for COPEX，HM2000 and APEX Profiling Buoys

LU Shao-lei1，2，SUN Chao-hui1，2，LIU Zeng-hong1，2，XU jian-ping1，2
1.State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics，Hangzhou 310012，Zhejiang Province，China；
2.Second Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Hangzhou 310012，Zhejiang Province，China

Using shipborne CTD，imported profiling buoy（APEX）and laboratory salinometer and other standard instruments，the on-site comparative testing is carried out in the northwestern Pacific Ocean on two models of domestic profiling buoys（COPEX and HM2000），and the quality of observation data is analyzed and evaluated in a qualitative and quantitative manner.The results indicate that（1）the salinity data observed by the COPEX and HM2000 buoys can meet the accuracy requirement put forward by the International Argo Plan（±0.01）；（2）for HM2000，the minimum observing depth is between 0 and 1 dbar，and the maximum observing depth stays at 2000 dbar，with the drifting depth of about 1000 dbar；for COPEX，in contrast，the minimum observing depth is between 8 and 9 dbar，the maximum observing depth fluctuates between 1800 and 1900 dbar，with the drifting depth between 600 and 800 dbar；（3）both COPEX and HM2000 can get more than 70 effective observing profiles.In general，the temperature and salinity data of the two kinds of domestic profiling buoys are both believable and reliable.However，the problems exposed in the testing remain to be tackled through continued improvement.

COPEX；HM2000；APEX；profiling buoy；comparative testing；quality evaluation

P715.2；X834

A

1003-2029（2016）01-0084-09

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.014

2015-08-01

國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目（2012FY112300）

盧少磊（1988-），男，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要研究方向?yàn)槲锢砗Ｑ髮W(xué)。E-mail：lsl324004@163.com