陳 釗，魏傳杰*，刁新源，陳 磊，孫 毅，趙張南，潘 俊

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

潛標(biāo)是一種在水下進(jìn)行長(zhǎng)期海洋環(huán)境觀測(cè)的錨定系統(tǒng)，主要結(jié)構(gòu)包括主浮球、多種海洋觀測(cè)儀器、聲學(xué)釋放器、重力錨和串聯(lián)儀器的纜繩，大規(guī)模布放潛標(biāo)已成為遠(yuǎn)洋綜合科考船的常規(guī)作業(yè)內(nèi)容[1-3]。溫鹽深剖面測(cè)量?jī)x（CTD）作為測(cè)量海洋物理性質(zhì)的重要觀測(cè)儀器有多種測(cè)量布放方式，包括站位測(cè)量，走航測(cè)量和長(zhǎng)期定點(diǎn)測(cè)量[4-6]。潛標(biāo)CTD是長(zhǎng)期定點(diǎn)測(cè)量的典型方案，是潛標(biāo)系統(tǒng)中必不可少的設(shè)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(duì)大洋暖池形成機(jī)制、熱鹽環(huán)流效應(yīng)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(cè)量結(jié)果會(huì)隨時(shí)間漂移[9]，解決這一問(wèn)題的方法為傳感器校準(zhǔn)。目前，陸地實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)技術(shù)已經(jīng)較為完善[10]，通過(guò)恒溫槽、鉑電阻溫度計(jì)、測(cè)溫電橋、鹽度計(jì)、壓力計(jì)等設(shè)備可進(jìn)行高精度的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)[11]，但潛標(biāo)CTD由于時(shí)間和成本原因無(wú)法全部帶回陸地進(jìn)行校準(zhǔn)，科考船也不具備海上校準(zhǔn)的設(shè)備和條件，潛標(biāo)CTD在長(zhǎng)期使用后儀器數(shù)據(jù)發(fā)生漂移、準(zhǔn)確度降低，對(duì)科學(xué)研究的正確性和可信性造成嚴(yán)重影響[12]。設(shè)計(jì)一種潛標(biāo)CTD的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)方法具有現(xiàn)實(shí)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(biāo)CTD設(shè)計(jì)了一種比測(cè)裝置，以SBE911船載CTD為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算了潛標(biāo)CTD的溫鹽傳感器校準(zhǔn)系數(shù)，并將該系數(shù)下獲取的數(shù)據(jù)與未校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，為提升我國(guó)海洋科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度提供了技術(shù)支撐。

1 比測(cè)設(shè)備

1. 1 船載CTD和潛標(biāo)CTD

校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的核心設(shè)備為恒溫槽，槽內(nèi)各個(gè)位置的水溫一致[13]，而且可以通過(guò)測(cè)溫電橋和標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻精確測(cè)量[14]。大洋的溫鹽結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定[15]，在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)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(diǎn)可視為同一水團(tuán)[17]，其溫鹽可由SBE911船載CTD進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)一定時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)平均可得到該位置的相對(duì)準(zhǔn)確的溫鹽值。SBE911船載CTD是目前深海觀測(cè)中應(yīng)用最為廣泛的產(chǎn)品，在同類海洋儀器中具有最高的測(cè)量精度[18]，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 SBE911船載CTD技術(shù)指標(biāo)

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

表2 SBE37潛標(biāo)CTD技術(shù)指標(biāo)

本文將以2020年9月進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)的船載CTD數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)SBE37潛標(biāo)CTD的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

1. 2 裝置設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的比測(cè)裝置需要滿足以下兩點(diǎn)：

（1）為使?jié)摌?biāo)CTD與船載CTD測(cè)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(shè)計(jì)，潛標(biāo)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(diǎn)設(shè)計(jì)了用于比測(cè)的CTD底托架，如圖1所示。布放船載CTD時(shí)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(gè)站位的船載CTD作業(yè)中校準(zhǔn)8臺(tái)潛標(biāo)CTD，可以滿足一套及以上潛標(biāo)系統(tǒng)的CTD使用數(shù)量。

圖1 比測(cè)底托架安裝示意

2 比測(cè)實(shí)驗(yàn)

2. 1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)于2020年9月依托“科學(xué)”號(hào)西太平洋航次進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）設(shè)置潛標(biāo)CTD的采樣間隔為5 s，并與船載CTD進(jìn)行時(shí)間同步，將其固定在比測(cè)所用的底托架上。

（2）進(jìn)行船載CTD作業(yè)，在下放過(guò)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(dá)該位置的時(shí)間。每個(gè)位置靜置2 min，使兩種CTD測(cè)量的水團(tuán)充分混合。

（3）船載CTD回收后，讀取潛標(biāo)CTD數(shù)據(jù)，根據(jù)時(shí)間查找比測(cè)數(shù)據(jù)，取靜置時(shí)間段內(nèi)第2 min的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，以減小水團(tuán)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(zhǔn)系數(shù)

通過(guò)儀器配置說(shuō)明，溫度校準(zhǔn)系數(shù)a0,a1,a2,a3的相關(guān)表達(dá)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(biāo)CTD第κ組溫度通道頻率平均值。通過(guò)5組數(shù)據(jù)的回歸分析方法確定a0,a1,a2,a3值。

電導(dǎo)率校準(zhǔn)系數(shù)g,h,i,j的相關(guān)表達(dá)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(dǎo)率平均值；Fcκ（kHz）代表潛標(biāo)CTD第κ組電導(dǎo)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(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)中，pκ項(xiàng)近似為0，往往忽略不計(jì)[21]，而由于本實(shí)驗(yàn)是在大洋高壓環(huán)境中進(jìn)行，所以pκ項(xiàng)為重要參數(shù)，必須參與計(jì)算，求解所需數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 求解校準(zhǔn)系數(shù)使用的相關(guān)數(shù)據(jù)

3 比測(cè)結(jié)果

該實(shí)驗(yàn)中使用的潛標(biāo)CTD有3組校準(zhǔn)系數(shù)，分別為2014年3月的原始校準(zhǔn)系數(shù)、2020年5月的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)系數(shù)和2020年6月的比測(cè)校準(zhǔn)系數(shù)，其中比測(cè)校準(zhǔn)系數(shù)由式（1）、式（2）和表3數(shù)據(jù)計(jì)算得出，溫度校準(zhǔn)系數(shù)見(jiàn)表4，電導(dǎo)率校準(zhǔn)系數(shù)見(jiàn)表5。

表4 溫度校準(zhǔn)系數(shù)

表5 電導(dǎo)率校準(zhǔn)系數(shù)

分別選取6組參考溫度、電導(dǎo)率真值，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)系數(shù)分別計(jì)算出Ntκ(Hz)和Fcκ(kHz)，將二者代入原始校準(zhǔn)系數(shù)和比測(cè)校準(zhǔn)系數(shù)，通過(guò)式（1）和式（2）由比測(cè)系數(shù)和原始系數(shù)分別計(jì)算溫度、電導(dǎo)率值和相應(yīng)誤差。計(jì)算電導(dǎo)率時(shí)假定溫度為20℃，壓力項(xiàng)忽略。

溫度比測(cè)結(jié)果如表6所示，誤差對(duì)比見(jiàn)圖3(a)，電導(dǎo)率比測(cè)結(jié)果如表7所示，誤差對(duì)比見(jiàn)圖3(b)。

表6 溫度比測(cè)結(jié)果

表7 電導(dǎo)率比測(cè)結(jié)果

圖3 溫度和電導(dǎo)率誤差對(duì)比

由表6、表7和圖3可知，通過(guò)原始校準(zhǔn)系數(shù)和比測(cè)所得校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算的溫度、電導(dǎo)率值與與實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)后的結(jié)果存在誤差。對(duì)二者的誤差進(jìn)行比較，比測(cè)誤差較原始的誤差小，在選取的12個(gè)溫度和電導(dǎo)率特征點(diǎn)上，比測(cè)誤差絕對(duì)值比原始誤差絕對(duì)值小的有6個(gè)，相同的有3個(gè)，大的有3個(gè)。溫度比測(cè)誤差絕對(duì)值的均值為3.833 3×10-4℃，原始誤差絕對(duì)值的均值為5.500 0×10-4℃，電導(dǎo)率比測(cè)誤差絕對(duì)值的均值為2.166 7×10-4S/m，原始誤差絕對(duì)值的均值為2.3333×10-4S/m。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種比測(cè)裝置，該裝置使?jié)摌?biāo)CTD與船載CTD測(cè)量同一水團(tuán)，便于兩者進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)兩種CTD進(jìn)行比測(cè)，以船載CTD作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，通過(guò)回歸分析方法計(jì)算了船載CTD的溫鹽傳感器校準(zhǔn)系數(shù)。通過(guò)給定真值和實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算出傳感器頻率值，再將該值與校準(zhǔn)前后的系數(shù)代入計(jì)算公式，分別得到校準(zhǔn)前后測(cè)量?jī)x器的誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以船載CTD為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)潛標(biāo)CTD進(jìn)行比測(cè)后，數(shù)據(jù)誤差降低，本文中設(shè)計(jì)的比測(cè)方法對(duì)提高測(cè)量設(shè)備準(zhǔn)確性有一定作用。

由于本文中使用的潛標(biāo)CTD是用于實(shí)驗(yàn)室計(jì)量認(rèn)證，使用率較低，所以該CTD的數(shù)據(jù)漂移并不明顯，其測(cè)量結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)后的測(cè)量結(jié)果相差不大，這導(dǎo)致比測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的提高效果不顯著。若實(shí)驗(yàn)設(shè)備在具有腐蝕性的海水中長(zhǎng)期使用，本實(shí)驗(yàn)的效果將更加明顯。實(shí)際上，海水溫鹽場(chǎng)的波動(dòng)較為明顯，無(wú)法達(dá)到恒溫槽效果，本文中的船載CTD數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)平均處理后，船載CTD與潛標(biāo)CTD數(shù)據(jù)一致性較好，有一定偶然性。此外，本實(shí)驗(yàn)需要使用0～1 500 m的CTD數(shù)據(jù)，所以該校準(zhǔn)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(cè)方法可以提高潛標(biāo)CTD的測(cè)量精度，可為作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的CTD校準(zhǔn)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(jìn)行陸地實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)或建設(shè)一套船載的標(biāo)定系統(tǒng)才能從根本上提高潛標(biāo)CTD的數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題。