朱洪海, 祁國梁, 劉茂科, 王 志, 楊俊賢, 賀亞楠, 劉 帥

船載海水溫度觀測研究

朱洪海1, 2, 3, 4, 祁國梁1, 2, 3, 4, 劉茂科4, 王 志1, 2, 3, 4, 楊俊賢1, 2, 3, 4, 賀亞楠1, 劉 帥1

(1. 齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所, 山東 青島 266061; 2. 山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實驗室, 山東 青島 266061; 3. 國家海洋監(jiān)測設(shè)備工程技術(shù)研究中心, 山東 青島 266061; 4. 山東省經(jīng)海儀器設(shè)備有限公司, 山東 青島 266061)

通過研究國家相關(guān)海洋觀測標(biāo)準(zhǔn)對海水溫度觀測的規(guī)約, 結(jié)合當(dāng)前船載水溫觀測的現(xiàn)狀, 提出了基于總線的船載磁吸附溫度鏈?zhǔn)接^測方法, 并對其在結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論模型、算法等多方面進(jìn)行了闡述。通過多個豎直分布的溫度傳感器實時觀測, 采用自適應(yīng)參數(shù)化算法, 有效減少了風(fēng)浪、海流、熱輻射等方面的影響, 具有觀測層深相對固定、精度高等特點(diǎn), 可實現(xiàn)船載全航次的自動觀測。同時, 設(shè)計制造了相關(guān)的模擬實驗裝置進(jìn)行現(xiàn)場實驗, 驗證了船載磁吸附溫度鏈?zhǔn)接^測方法的可行性和有效性。

海水溫度; 磁吸附; 溫度鏈; 模擬仿真; 總線

海水溫度是海洋物理性質(zhì)中最基本和最重要的要素之一, 是海水熱力學(xué)研究的重要物理量[1], 是支配海水運(yùn)動的重要因素, 對天氣、氣候的狀況有十分重要的影響[2], 能直接反映全球氣候變化和全球海洋整體特征分布[3]。海水溫度在不同海區(qū)、不同季節(jié)、不同垂直層次呈現(xiàn)出不同的變化, 同時受到天氣、洋流、徑流等因素的影響, 其連續(xù)變化性呈現(xiàn)一定的規(guī)律。海水溫度測定和研究對我們研究海洋物理、化學(xué)、生物、地理等方面都具有非常實用的價值[4], 對于沿海海洋生態(tài)環(huán)境、海上養(yǎng)殖和捕撈作業(yè)、濱海旅游、赤潮預(yù)報以及軍事國防等都有重要意義[5]。

隨著衛(wèi)星觀測精度的不斷提高, 目前已經(jīng)可以提供海面溫度的格點(diǎn)資料, 但還達(dá)不到船舶觀測的精度[3]。隨船海水溫度觀測仍是我們當(dāng)前不可或缺的數(shù)據(jù)獲取手段, 是全球天氣網(wǎng)的重要組成部分, 對提高海洋環(huán)境預(yù)報的準(zhǔn)確率, 保障船舶航行安全有極其重要的意義。同時, 船舶能夠根據(jù)本站觀測數(shù)據(jù)對氣象部門發(fā)布的天氣預(yù)報進(jìn)行修訂, 以便船舶能更好地完成航行任務(wù)[6]。

1 海水溫度觀測要求

海水溫度觀測的要求和方法, 隨觀測海域及觀測目的的不同而有所不同。

1.1 觀測準(zhǔn)確度要求

根據(jù)項目的要求和研究目的, 兼顧觀測海區(qū)和觀測方法, 相關(guān)海洋觀測規(guī)范中規(guī)定: 海水溫度觀測的單位為℃, 并將海水溫度觀測的準(zhǔn)確度等級分為三級[7-8]。而在船舶海洋水文氣象輔助測報規(guī)范的表層海水溫度觀測要求中, 未對觀測準(zhǔn)確度進(jìn)行分級要求, 規(guī)定準(zhǔn)確度為±0.2 ℃, 觀測數(shù)據(jù)記錄到0.1 ℃[9]。

1.2 觀測層深要求

以下是相關(guān)海洋觀測國家標(biāo)準(zhǔn)對觀測層深的規(guī)定。

《GB/T 14914.2—2019海洋觀測規(guī)范第2部分: 海濱觀測》[7]中規(guī)定表層海水溫度是指海水表面到0.5 m深處之間的海水溫度。

在《GB/T 17838—2017船舶海洋水文氣象輔助測報規(guī)范》[9]中去掉了海水水溫表層的明確規(guī)定。在自動觀測方法的表述中指出可以從船體進(jìn)水口處安裝海水溫度傳感器。

船體進(jìn)水口入水深度隨船舶的吃水線變化而變化, 而船舶的吃水線隨其載重的不同而浮動, 大型船舶上下浮動可能超過10 m以上。部分船舶有不止一個進(jìn)水口, 這些入水口深度不同, 根據(jù)船舶吃水線的變化船上會選擇入水口的使用。由此可知, 通過船體進(jìn)水口來進(jìn)行水溫的觀測, 其觀測深度是變化的, 不確定的。

1.3 觀測頻度要求

海水溫度觀測頻度的要求與觀測方法有直接的關(guān)系。一般來說, 自動觀測方法采用連續(xù)觀測的方式, 人工觀測方法采用定時觀測的方式。

《GB/T 14914.2—2019海洋觀測規(guī)范第2部分: 海濱觀測》[7]對自動觀測的要求到每分鐘, 整點(diǎn)前一分鐘的平均值作為該整點(diǎn)的觀測值。人工觀測未明確頻度要求。

《GB/T 17838—2017船舶海洋水文氣象輔助測報規(guī)范》[9]自動觀測也是連續(xù)觀測, 人工觀測也未明確頻度。

《GB/T 12763.2—2007海洋調(diào)查規(guī)范第2部分: 海洋水文觀測》[8]中要求: 大面或斷面觀測, 船到站觀測一次; 連續(xù)測站一般每小時觀測一次?！逗Ｑ笳{(diào)查方法》[10]中建議: 如果有可能, 最好連續(xù)記錄, 間隔越短越好。

2 觀測設(shè)備與方法

海水溫度的觀測分為人工觀測方法、自動觀測方法和遙感法等。

觀測儀器設(shè)備包括表層水溫表、顛倒溫度計、溫鹽傳感器、溫鹽深儀(CTD)、拋棄式溫深儀(XBT)、拋棄式溫鹽深儀(XCTD)、走航式CTD、機(jī)載拋棄式溫度計(AXBD)、漂流浮標(biāo)、Argo浮標(biāo)機(jī)載紅外輻射計、海水溫度掃描儀、海洋水色掃描儀、高分辨率輻射計及可見光、紅外線掃描儀等。

相關(guān)儀器設(shè)備的操作規(guī)程已經(jīng)非常成熟完善, 操作方法與步驟須嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程操作。人工觀測方法中的工作人員, 應(yīng)該熟知儀器設(shè)備的性能和操作規(guī)程, 對于科考船和調(diào)查船來說不存在問題, 但對于志愿觀測船來說, 發(fā)展人工觀測的難度很大。

固定站點(diǎn)溫鹽井進(jìn)行表層水溫觀測, 一般采用將傳感器安裝在專用浮體上的方式, 如圖1所示。浮體隨潮位變化升沉, 實現(xiàn)定水層觀測。這種方式簡捷穩(wěn)定, 在目前海洋站的業(yè)務(wù)化觀測中被廣泛采用。

圖1 溫度傳感器浮子式安裝圖

由于船舶的吃水線變化、航行以及波浪等各種因素的影響, 走航式定水層觀測的實現(xiàn)要復(fù)雜一些。如采用拖曳體、多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)(MVP)[11]等進(jìn)行觀測, 這種觀測一般需要限制船只的行進(jìn)速度, 對船只本身也有一定要求, 僅適用于科考船和調(diào)查船。

依據(jù)《GB/T 17838—2017船舶海洋水文氣象輔助測報規(guī)范》[9], 在志愿船自動觀測系統(tǒng)中開始采用船體入水口管道口安裝的方式, 如圖2所示, 實現(xiàn)船載水溫的自動觀測。如前文所述, 船舶吃水線的變化, 其觀測層深有不確定性。

圖2 溫度傳感器入水口管道安裝圖

3 船載磁吸附溫度鏈?zhǔn)接^測方式研究

將多個溫度傳感器組成鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu), 利用強(qiáng)磁吸附的方式, 將鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)吸附于船側(cè)或者設(shè)備觀測井內(nèi)。多傳感器同時觀測, 采用RS485總線方式傳輸數(shù)據(jù), 并構(gòu)建算法去除船舶運(yùn)動起伏的影響, 得到表層水溫, 實現(xiàn)船載全航次的自動觀測, 如圖3所示。

圖3 磁吸附溫度鏈?zhǔn)接^測方式

3.1 搭建模擬仿真實驗裝置

仿真試驗裝置為溫度鏈提供了一種可重復(fù)實現(xiàn)、可量化的船舶與水面的相對運(yùn)動模擬場景, 可以精確仿真不同幅度和周期的船舶運(yùn)動, 仿真裝置主要包括控制主機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分。其中控制主機(jī)由PLC和人機(jī)界面組成, 作用是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照設(shè)定好的動作運(yùn)動; 執(zhí)行機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、絞車和支架組成, 執(zhí)行主機(jī)的控制邏輯, 實現(xiàn)船舶水面相對運(yùn)動的模擬和仿真。主機(jī)通過控制步進(jìn)電機(jī)帶動絞車轉(zhuǎn)動, 固定在絞車鋼纜上的溫度鏈裝置隨著鋼纜的上下起伏而運(yùn)動, 與水面產(chǎn)生相對運(yùn)動, 由于上下運(yùn)動的速度和位移不同, 從而模擬出不同周期和幅度的運(yùn)動場景, 原理如圖4所示。仿真模擬裝置實物如圖5所示。

圖4 模擬仿真實驗裝置原理圖

圖5 模擬仿真實驗裝置實物圖

3.2 仿真實驗

3.2.1 溫度鏈工況分析

溫鹽鏈由多個傳感器串行豎直排列在船側(cè)表面, 由于受到風(fēng)浪、船舶升沉運(yùn)動等的影響, 單個傳感器的入水狀態(tài)可以分成3類:

1) 始終浸沒在水面之下: 傳感器溫度測試數(shù)據(jù)屬于對應(yīng)深度的水溫(海水溫度隨深度變化而變化, 傳感器受到風(fēng)浪、船舶升沉運(yùn)動的影響, 觀測數(shù)據(jù)也是變化的)。

2) 在水和空氣中往復(fù)運(yùn)動: 傳感器從水到空氣(或者空氣到水中), 是一個動態(tài)吸熱或者散熱的過程, 觀測數(shù)據(jù)有較大的變化。

3) 一直處于空氣中: 雖然受到風(fēng)、熱輻射等影響, 溫度有所變化, 但幅度很小, 其值基本與氣溫一致。

由此可見, 溫度鏈上傳感器的測量數(shù)值是動態(tài)變化的, 需要進(jìn)行精確的數(shù)據(jù)處理, 才可得到準(zhǔn)確的表層水溫。

3.2.2 理論分析

針對傳感器的各個工況:

1) 空氣中的測試數(shù)據(jù)是無效的, 與表層海水溫度無關(guān)。

2) 溫度鏈各個傳感器的深度無法測量, 并且是動態(tài)變化的, 只有通過深度值才能找到測試數(shù)據(jù)與表溫的關(guān)系, 現(xiàn)有溫度鏈裝置并不提供深度測量。

3) 傳感器隨水面升沉過程, 觀測數(shù)據(jù)的動態(tài)變化是海面溫度和空氣溫度的一個動態(tài)階躍響應(yīng), 通過對其動態(tài)過程的分析可以得到相對較精確的表溫值。

(1) 傳感器運(yùn)動狀態(tài)分析

圖6 溫度鏈安裝示意圖

以海平面為固定坐標(biāo)系, 傳感器隨船體坐標(biāo)系做升沉運(yùn)動(如圖6), 對其運(yùn)動過程進(jìn)行分析, 可以得到第個傳感器距離海水表面的豎直距離:

(2) 表溫計算

溫度傳感器從水到空氣(或空氣到水)中, 可以簡化成一階慣性環(huán)節(jié)[12-13], 如下:

R: 溫度傳感器溫度;air: 空氣溫度;air: 空氣中綜合傳導(dǎo)系數(shù);wat: 表層海水溫度;wat: 海水中綜合傳導(dǎo)系數(shù);R: 溫度傳感器的熱容;: 溫度傳感器的熱傳導(dǎo)有效質(zhì)量;: 溫度傳感器進(jìn)行熱傳導(dǎo)的有效厚度。

通過公式(2)可以看出: 溫度傳感器的測量值和海面溫度是一階線性變化的關(guān)系, 忽略傳感器動態(tài)變化帶來的相位延遲影響, 可以將傳感器每次的入水過程看作是一個有限時間內(nèi)的階躍響應(yīng), 通過在這個過程中溫度變化規(guī)律推算出海面溫度。

由于整個過程容易受海流、熱輻射等的影響, 公式(2)中的響應(yīng)時間系數(shù)、傳感器起始溫度不是一成不變的, 計算過程必須采用自適應(yīng)參數(shù)進(jìn)行實時計算。具體的, 針對在時刻之前的0時間段內(nèi)采集序列(1,2,…,x)中提取一組有效的階躍響應(yīng)序列(x+1,x+2, …,x+M), 對應(yīng)時間點(diǎn)(k+1,t+2, …,t+M) 通過最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行一階慣性環(huán)節(jié)的擬合[14-16], 推算出海面溫度值, 具體理論結(jié)果如下:

表溫計算過程是根據(jù)傳感器入水的動態(tài)溫度變化來計算, 由公式(3)可以看出計算結(jié)果只與動態(tài)溫度序列有關(guān), 與溫度傳感器的位移或者相對于海水面的高度均無關(guān)系, 因此由于船體的不規(guī)則形狀(非豎直)以及人工粘貼導(dǎo)致的溫度傳感器的位置誤差不影響表溫的計算精度。

3.3 仿真實驗數(shù)據(jù)分析

3.3.1 計算機(jī)仿真分析

借助Matlab計算平臺, 以3.2.2所建立的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ), 對多個傳感器的數(shù)據(jù)采集過程進(jìn)行仿真分析。

3.3.1.1 工況1

傳感器運(yùn)動規(guī)律為標(biāo)準(zhǔn)的正弦運(yùn)動, 運(yùn)動幅度0.5 m, 空氣溫度低于海水溫度, 2支傳感器間距0.6 m (1支在水面往復(fù)運(yùn)動, 1支始終浸沒在水中), 仿真和實驗結(jié)果詳見圖7和圖8。通過仿真和實驗結(jié)果對比可以看出: 仿真和實驗結(jié)果相吻合,

圖7 正弦運(yùn)動仿真結(jié)果

圖8 正弦運(yùn)動實驗結(jié)果

3.3.1.2 工況2

傳感器運(yùn)動加入波浪運(yùn)動。在空氣溫度小于海面溫度情況下, 對9個傳感器(豎直間隔0.25 m)的采集過程進(jìn)行仿真分析, 詳細(xì)結(jié)果見圖9。可以看出: 在波浪運(yùn)動的影響下, 采集的數(shù)據(jù)更加不規(guī)則, 但在吃水線(圖9中的“高”表示傳感器距離吃水線的高度)±0.75 m以內(nèi)的傳感器仍然具有很好的一階慣性環(huán)節(jié)響應(yīng)的規(guī)律, 本文中的計算方法具有可行性。

圖9 船舶運(yùn)動起伏影響下的溫度傳感器采集過程仿真

3.3.2 計算的驗證

3.3.2.1 模擬實驗驗證

由于海況不可控制以及海試風(fēng)險、成本較高, 難以通過海洋實驗來驗證大幅度海浪情況下的表溫計算的有效性, 因此設(shè)計出圖5所示的實驗?zāi)M裝置, 可以通過調(diào)整溫鹽鏈的往復(fù)運(yùn)動的幅度和頻率來模擬海上不同等級的海況, 用以驗證本文所述表溫計算的有效性和可靠性。

根據(jù)仿真分析和模擬實驗采集的動態(tài)過程對比(詳見圖10), 可以看出:

1) 仿真結(jié)果和實驗結(jié)果相吻合, 說明3.2.2所述的數(shù)學(xué)模型和計算模型的設(shè)定是與實際相符合的。

2) 仿真的理論溫度和實驗結(jié)果計算值是接近的, 說明通過一階慣性環(huán)節(jié)的動態(tài)計算是可行的, 并具有較高的精確度。

3) 計算是根據(jù)傳感器入水動態(tài)過程反演而得, 傳感器響應(yīng)時間在1 s以內(nèi), 感溫時間相對較快。

基于本文所述的計算方法, 借助仿真模擬實驗裝置, 在標(biāo)準(zhǔn)的正弦運(yùn)動工況下進(jìn)行模擬實驗, 并將計算結(jié)果和實測表溫的對比(詳見圖11), 可以看出實驗計算結(jié)果和實測表溫相吻合, 誤差范圍在±0.1 ℃范圍之內(nèi), 并具有較高的準(zhǔn)確性。

圖10 水面?zhèn)鞲衅鞑杉^程的仿真與實驗對比

圖11 海水表溫實驗結(jié)果和實測溫度對比圖

3.3.2.2 實際應(yīng)用驗證

基于本文所述的計算方法, 以實驗用躉船作為應(yīng)用對象, 以標(biāo)定的溫鹽傳感器作為比測對象, 進(jìn)行實際應(yīng)用驗證。內(nèi)容如下:

1. 應(yīng)用環(huán)境

1) 按照本文“3.2.1 溫度鏈工況分析”所述的安裝方式將3個溫度傳感器模塊吸附在躉船側(cè)面(強(qiáng)磁鐵吸附), 安裝位置如圖12所示。

2) 應(yīng)用地點(diǎn)為青島市中苑旅游碼頭旁邊的海岸線附近, 躉船處于實際的海水域, 在風(fēng)浪影響下做升沉運(yùn)動, 可在一定程度上替代船舶走航過程中的狀態(tài)。

2. 比對數(shù)據(jù)

1) 采用躉船實驗標(biāo)定的溫鹽傳感器(海水表面測溫, 如圖12作為比對傳感器。

2) 比對溫鹽傳感器和實際應(yīng)用的溫度傳感器距離不超過2 m。

圖12 躉船實際應(yīng)用驗證現(xiàn)場

3. 應(yīng)用驗證時間

1) 選擇海浪較大天氣進(jìn)行實驗, 具體日期為2020年12月3號。

2) 驗證時長為300 min。

3) 溫鹽鏈用傳感器和比對傳感器: 同一時間和地點(diǎn)進(jìn)行實時采集溫度數(shù)據(jù)和比對。

4. 實驗結(jié)果

1) 溫鹽鏈測量溫度和比對傳感器的實測表溫對比結(jié)果如圖13, 可以看出溫鹽鏈結(jié)果跟實測表溫的變化趨勢一直, 與實際相符合。

2) 誤差分析: 溫鹽鏈測量數(shù)據(jù)和實測表溫的誤差結(jié)果如果圖14和表1, 可以看出最大誤差控制在±0.1 ℃范圍之內(nèi)。

圖13 躉船實際應(yīng)用結(jié)果和實測溫度對比圖

圖14 躉船實際應(yīng)用結(jié)果誤差圖

表1 實際應(yīng)用溫度數(shù)據(jù)對比表

5. 實驗結(jié)論

溫鹽鏈測量結(jié)果和實測表溫相吻合, 誤差范圍在±0.1 ℃范圍之內(nèi), 具有較高的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本文提出了一種船載磁吸附溫度鏈測量方式, 并設(shè)計制造了相關(guān)的模擬試驗裝置。同時提出了溫度鏈數(shù)據(jù)采集過程的相關(guān)理論和數(shù)學(xué)模型, 通過模擬仿真和現(xiàn)場實驗的驗證, 證明了通過溫度鏈的動態(tài)測量來推算實際表溫值的方式是可行的。其中, 表溫算法采用自適應(yīng)參數(shù)化方式動態(tài)計算, 可以有效減小海流、風(fēng)、熱輻射等的干擾影響, 提高了表溫計算的精確性。最終, 借助模擬實驗裝置, 采用本文表溫算法進(jìn)行現(xiàn)場實驗, 計算結(jié)果與實測表溫相吻合, 誤差范圍在±0.1℃以內(nèi), 感溫時間在1 s以內(nèi), 數(shù)據(jù)具有較高的可靠性、實時性和精確度, 驗證了船載磁吸附溫度鏈測量方式的可行性, 目前正在通過走航式海上試驗驗證有效性和可靠性。

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Observation of ship-borne sea surface temperature

ZHU Hong-hai1, 2, 3, 4, QI Guo-liang1, 2, 3, 4, LIU Mao-ke4, WANG Zhi1, 2, 3, 4, YANG Jun-xian1, 2, 3, 4, HE Ya-nan1, LIU Shuai1

(1. Institute of 0ceanographic Instrumentation, Qilu University of Technology (Shandong Academy of Sciences), Qingdao 266061, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environmental Monitoring Technology, Qingdao 266061, China; 3. National Engineering and Technological Research Center of Marine Monitoring Equipment, Qingdao 266061, China. 4. Shandong Jinghai Instrument Equipment Co. Ltd, Qingdao 266061, China)

Based on the research of relevant national ocean observation standards for sea temperature observation and combined with the current status of ship-borne sea temperature observation, a methodology of ship-borne magnetic adsorption temperature chain based on bus design is proposed, and its structure design, theoretical model, algorithm, and other aspects are described. This method can effectively reduce the influence of wind and waves, ocean current, and thermal radiation through real-time observation of several vertical temperature sensors. It has the characteristics of relatively fixed depth of observation layer and high precision, and it can realize the automatic observation of the whole voyage on board. At the same time, the related simulation experimental device was designed and manufactured for a field experiment, which verified the feasibility and effectiveness of the ship-borne magnetic adsorption temperature chain observation method.

sea water temperature; magnetic adsorption; temperature sensor chain; simulation; bus

Nov. 5, 2020

TP212

A

1000-3096(2021)05-0087-09

10.11759/hykx20201105002

2020-11-05;

2021-03-02

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2017YFC1405604)

[the National Key R&D Program of China, No. 2017YFC1405604]

朱洪海(1976—), 男, 工程碩士, 高級工程師, 主要從事計算機(jī)應(yīng)用與海洋儀器儀表研究, E-mail: hyyq@qlu.edu.cn; 祁國梁(1971—),通信作者, E-mail: hyyqyb@163.com; 劉茂科(1988—), 通信作者, E-mail: hyyqyj@163.com

(本文編輯: 趙衛(wèi)紅)