賈偉廣， 朱麗萍， 秦鑫培， 于建清

(國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心，天津 300112)

1 引 言

海氣界面觀測(cè)浮標(biāo)是一套以海氣界面熱通量和動(dòng)量通量為監(jiān)測(cè)目標(biāo)的綜合浮標(biāo)系統(tǒng)[1]，此系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取海面上約3 m高度的氣溫、氣壓等氣象參數(shù)，同時(shí)還可測(cè)量海表面下水溫、波浪等水文參數(shù)，實(shí)現(xiàn)海氣界面氣象和水文參數(shù)的同步觀測(cè)。

目前，國外已開展的海氣浮標(biāo)陣列主要有3大陣列[2]：熱帶太平洋浮標(biāo)觀測(cè)陣列(tropical atmos-phere ocean，TAO)、大西洋預(yù)報(bào)與研究觀測(cè)浮標(biāo)陣列(prediction and research moored array in the tropical tlantic，PIRATA)和熱帶印度洋浮標(biāo)陣列(research moored array for african-asian-australian monsoon anal-ysis and prediction，RAMA)，國內(nèi)外技術(shù)人員開展浮標(biāo)整機(jī)檢定校準(zhǔn)研究，大都是定期更換分體傳感器，均未考慮整體計(jì)量檢定校準(zhǔn)技術(shù)。在國內(nèi)，國家海洋技術(shù)中心、山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所等機(jī)構(gòu)陸續(xù)開展的海氣浮標(biāo)計(jì)量校準(zhǔn)工作，多是組裝前對(duì)多個(gè)類型、不同參數(shù)傳感器分體獨(dú)立檢定校準(zhǔn)，整機(jī)組裝完畢布放入海后，幾乎不再進(jìn)行校準(zhǔn)工作。目前，海氣浮標(biāo)整機(jī)檢定校準(zhǔn)均未采用現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)，尋找海氣界面觀測(cè)浮標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)新技術(shù)，確保其測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

海氣浮標(biāo)量值傳遞研究人員綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)難度、浮標(biāo)回收費(fèi)用成本等因素，選配校準(zhǔn)船只前往浮標(biāo)所在海域進(jìn)行校準(zhǔn)工作，提出一種現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)技術(shù)。

2 觀測(cè)浮標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)技術(shù)

2.1 觀測(cè)浮標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)項(xiàng)目

校準(zhǔn)海氣界面觀測(cè)浮標(biāo)就是對(duì)浮標(biāo)搭載的各種傳感器進(jìn)行計(jì)量檢測(cè)[3]。海氣浮標(biāo)配備氣象傳感器，采集海面上的氣象數(shù)據(jù)，同時(shí)還裝配水文傳感器，測(cè)量海表面下水文數(shù)據(jù)。

因?yàn)橛^測(cè)參數(shù)類型不同，所以校準(zhǔn)項(xiàng)目分為兩部分：氣象參數(shù)和水文參數(shù)。

在海氣浮標(biāo)工作海域，布放一套裝配全部校準(zhǔn)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)器具的標(biāo)準(zhǔn)浮標(biāo)船[4](含1臺(tái)準(zhǔn)確度較高的波浪騎士浮標(biāo))，海氣浮標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)浮標(biāo)船獨(dú)立工作，聯(lián)合觀測(cè)[5]。

氣象參數(shù)共6項(xiàng)：氣溫、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、相對(duì)濕度和太陽輻射度，海氣浮標(biāo)選配生產(chǎn)單位有：山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所(魯儀所)、國家海洋技術(shù)中心(技術(shù)中心)和錦州陽光氣象公司(錦州陽光)產(chǎn)品；標(biāo)準(zhǔn)浮標(biāo)船配備芬蘭VAISALA、美國HACH、美國EPPLEY的儀器。相關(guān)設(shè)備信息如表1所示。

水文參數(shù)共4項(xiàng)：水溫、波浪、流速、流向，海氣浮標(biāo)裝配生產(chǎn)單位有：魯儀所、技術(shù)中心產(chǎn)品，標(biāo)準(zhǔn)浮標(biāo)船配備美國Sea-bird、荷蘭DATAWELL、挪威Aanderaa的儀器。相關(guān)設(shè)備如表2所示。

表1 氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)器和被校儀器信息Tab.1 Meteorological standard and calibrated instruments

表2 水文參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)器和被校儀器信息Tab.2 Hydrological standard and calibrated instruments

2.2 觀測(cè)浮標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)過程

2019-07-09至2019-09-30對(duì)布放在某島北部國家淺海海洋綜合試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)的海氣界面觀測(cè)浮標(biāo)(經(jīng)度N：37.5822356，緯度E：122.0766592)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)技術(shù)研究。海氣浮標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)浮標(biāo)船上搭載傳感器主要位置如圖1所示。

圖1 海氣界面觀測(cè)浮標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)浮標(biāo)船F(xiàn)ig.1 Air-sea interface observation buoy and standard ship

具體校準(zhǔn)過程如下：

首先，對(duì)擬校準(zhǔn)的、已布放在海洋綜合試驗(yàn)場(chǎng)海域內(nèi)的海氣浮標(biāo)工作性能進(jìn)行評(píng)測(cè)，研判已搭載的傳感器類型、測(cè)量范圍、精度等信息[6]，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)浮標(biāo)船進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)器選配、安裝和性能調(diào)試，做到校準(zhǔn)參數(shù)種類全覆蓋、測(cè)量范圍全滿足。然后，在距離海氣浮標(biāo)300 m遠(yuǎn)海域，研究人員布放一套標(biāo)準(zhǔn)浮標(biāo)船(含波浪騎士浮標(biāo))，確保海氣浮標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)浮標(biāo)船水文氣象環(huán)境一致無差別。經(jīng)過81天同步聯(lián)合觀測(cè)后，回收標(biāo)準(zhǔn)浮標(biāo)船。最后，對(duì)兩套系統(tǒng)分別獲得的水文和氣象數(shù)據(jù)分析處理，評(píng)測(cè)測(cè)量誤差[7]，評(píng)判是否滿足國家技術(shù)規(guī)范要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

海氣界面觀測(cè)浮標(biāo)校準(zhǔn)過程耗時(shí)較長、數(shù)據(jù)量較大，為便于分析，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析也分為兩個(gè)部分：氣象參數(shù)和水文參數(shù)。

3.1 氣象參數(shù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

海試期間由于受到超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響，6項(xiàng)參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)區(qū)間較大，實(shí)際測(cè)量結(jié)果如下：

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

部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3～表8所示。

表3 氣溫校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和示值誤差Tab.3 Partial test data of air temperature ℃

表4 氣壓校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和示值誤差Tab.4 Partial test data of air pressure hPa

表5 風(fēng)速校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和示值誤差Tab.5 Partial test data of wind speed m/s

表6 風(fēng)向校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和示值誤差Tab.6 Partial test data of wind direction (°)

3.2 水文參數(shù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

對(duì)于水文參數(shù)水溫、波浪、流速和流向的校準(zhǔn)，均采用標(biāo)準(zhǔn)浮標(biāo)船裝配技術(shù)性能較高的標(biāo)準(zhǔn)器方式，采用感溫迅速且精度較高的鉑電阻水溫探頭，同時(shí)配備波浪觀測(cè)領(lǐng)域技術(shù)性能極其優(yōu)異的波浪騎士MKⅢ浮標(biāo)[10]，并且搭載國際通用的挪威Aanderaa海流計(jì)[11]，從儀器源頭確保標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，校準(zhǔn)結(jié)果真實(shí)可信[12]。

表7 相對(duì)濕度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和示值誤差

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

海試校準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)果如下：

水溫變化范圍是18.9～26.9 ℃，最大示值誤差絕對(duì)值是0.8 ℃；波浪場(chǎng)有波高、波周期和波向三個(gè)分量[13]，波高變化范圍是0.3～3.2 m，最大示值誤差絕對(duì)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(duì)值是0.3 s；波向變化范圍是0°～360°，最大示值誤差絕對(duì)值是10°；流場(chǎng)也是矢量場(chǎng)，分為流速和流向兩個(gè)參數(shù)[14]，流速校準(zhǔn)時(shí)，海氣浮標(biāo)和校準(zhǔn)船每30 min測(cè)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(duì)值是0.05 m/s，流向變化范圍是0°～360°，最大示值誤差絕對(duì)值是4°，數(shù)據(jù)結(jié)果滿足《海濱觀測(cè)規(guī)范》要求[15]，基本達(dá)到陸地實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)水平。

水文參數(shù)校準(zhǔn)試驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)如表9～表14所示。

表9 水溫校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和示值誤差Tab.9 Partial test data of water temperature ℃

表10 波高校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和示值誤差Tab.10 Partial test data of wave height m

表11 波周期校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和示值誤差Tab.11 Partial test data of wave period s

表12 波向校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和示值誤差Tab.12 Partial test data of wave direction (°)

表13 流場(chǎng)流速校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和示值誤差Tab.13 Partial test data of flow rate m/s

表14 流場(chǎng)流向校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和示值誤差Tab.14 Partial test data of flow direction (°)

從表9～表14可以看出，當(dāng)天海況較差，標(biāo)準(zhǔn)浮標(biāo)船姿態(tài)運(yùn)動(dòng)較大，對(duì)海流測(cè)量造成一定影響[16]，但是經(jīng)過后期數(shù)據(jù)處理，可得兩套觀測(cè)系統(tǒng)的流速、流向值一致性較好，能夠反映該試驗(yàn)場(chǎng)海域往復(fù)流特點(diǎn)。

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，與海洋氣象參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)一樣，水文參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)滿足量值傳遞技術(shù)規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

研究人員依托國家淺海海洋綜合試驗(yàn)場(chǎng)專業(yè)設(shè)備，進(jìn)行海氣界面觀測(cè)浮標(biāo)計(jì)量校準(zhǔn)技術(shù)研究。經(jīng)過一段時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)海試，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示基本達(dá)到陸地實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)水平，技術(shù)性能滿足《海濱觀測(cè)規(guī)范》和《氣象觀測(cè)規(guī)范》要求，技術(shù)可行。

提出一種海氣浮標(biāo)量值傳遞方法，改變以往只能單個(gè)參數(shù)、耗時(shí)費(fèi)力的固有校準(zhǔn)模式，可在海氣浮標(biāo)正常工作狀態(tài)下，較好地實(shí)現(xiàn)氣象和水文參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)，確保其測(cè)量數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確量值溯源，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，為海氣浮標(biāo)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(shí)長，獲取更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高技術(shù)成熟度，早日形成規(guī)范化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。