陳清滿 夏寅月 袁東方 沈悅 廖周鑫

(中國極地研究中心,上海 200136)

0 引言

對表層海水的物理、化學、生物、生態(tài)指標的觀測是了解氣候變化、人類活動對海洋生態(tài)系統(tǒng)影響的最基本資料,是分析預測海洋變化趨勢的依據(jù),是對海洋運動機理進行深入研究的重要數(shù)據(jù)支撐。長期以來,海水的物理、化學、生物、生態(tài)指標,如:pH、溶解氧、葉綠素、營養(yǎng)鹽等,都是采用調(diào)查現(xiàn)場定點取樣,然后進行實驗室分析的方式獲得的。該方法存在勞動強度高、取樣點少、受現(xiàn)場環(huán)境影響大等缺點,難以滿足現(xiàn)代化、大尺度、寬范圍的海洋長期連續(xù)監(jiān)測與調(diào)查的需求。

海洋科學研究的重大發(fā)現(xiàn)大多基于現(xiàn)場的長期觀測,例如大洋環(huán)流的發(fā)現(xiàn)、中尺度渦現(xiàn)象、厄爾尼諾現(xiàn)象、海洋生物資源周期性變化、海洋環(huán)境演變等方面的重大科學發(fā)現(xiàn)都是建立在長期、大量、廣泛的海洋現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)基礎上。若缺乏時間和空間上大尺度的數(shù)據(jù)積累,研究工作很難取得重大突破。隨著科技的發(fā)展,特別是硬件設備加工制造技術的進步,海洋多要素實時觀測系統(tǒng)越來越成熟,并逐漸得到廣泛的應用?！把?”號也通過對該系統(tǒng)的應用,實現(xiàn)了在航行期間的連續(xù)自動觀測,完成了海表面多參數(shù)、多學科的調(diào)查測量工作。

海洋科學考察船通常承擔多項調(diào)查研究任務,航行區(qū)域遍布全球各大洋,利用表層海水多要素實時觀測系統(tǒng)獲取大范圍的海洋表層連續(xù)觀測數(shù)據(jù),已成為國際先進海洋考察船的常規(guī)監(jiān)測手段,甚至在一些商船上也有了應用,成功獲取了大尺度范圍的海洋表層數(shù)據(jù),并且也有了豐富的科研產(chǎn)出。例如:2008 年,瑞典Oden號破冰船從瑞典哥德堡駛往南極洲麥克默多站的過程中,發(fā)現(xiàn)表層海水中均含有六氯化苯(α-HCH、γ-HCH)、六氯苯(HCB)、硫丹、多氯聯(lián)苯(PCB)等持久性有機污染物[1];我國利用“雪龍”號配備的表層海水走航觀測系統(tǒng),獲取了連續(xù)的走航觀測數(shù)據(jù)[2-3](圖1),并成功繪制出橫跨南北極大斷面的海洋表層CO2分布情況。通過2008 年中國第3 次北極科學考察對加拿大海盆的觀測,分析得出北極海冰融化可增加海洋對大氣CO2的吸收,但很快就會達到平衡,揭示了海冰融化對北冰洋CO2的吸收能力提高低于原預期[4]。通過涵蓋整個北大西洋的調(diào)查,揭示了浮游動物種群變動與環(huán)境之間的關系及其對漁業(yè)資源的影響等。

“雪龍2”號作為我國自主建造的第一艘現(xiàn)代化極地考察船,一經(jīng)投入使用即成為我國極地考察的最重要力量,南極考察從上海港出發(fā)至南極洲,橫跨太平洋、印度洋、南大洋;北極考察穿越東北航道進入北冰洋,具有航程長、航線穩(wěn)定的特征,為海洋科學研究提供了一個長期、穩(wěn)定的觀測平臺[5]。同時在“雪龍”號表層海水走航觀測系統(tǒng)成功應用的基礎上,結(jié)合極地研究的特殊需求,推進了系統(tǒng)集成、提升了連續(xù)觀測的能力,進一步加強了現(xiàn)場的科考支撐保障能力。

1 “雪龍”號的經(jīng)驗

“雪龍”號極地考察船是中國第三代極地考察船,是由烏克蘭赫爾松船廠在1993 年3 月完成建造的B1*級(1.5 節(jié)航速連續(xù)沖破1.2 m 厚的冰)破冰船,原設計為北冰洋運輸船。中國購買后為滿足我國極地考察的需求,分別于1994 年、2007 年和2013 年進行了三次大的改造任務,配備多套科考調(diào)查儀器和輔助設備。經(jīng)過改造后的“雪龍”號各項科考功能逐漸趨于完善,在較長一段時間內(nèi)“雪龍”號是我國唯一專門從事極地科考的考察船,為我國極地事業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻。其中,在2007 年的維修改造里,增配了表層海水走航觀測系統(tǒng)。

“雪龍”號表層海水走航觀測系統(tǒng)(圖1)主要由前置溫度傳感器、觀測主機、甲板單元和控制終端4 個部分組成,其中觀測主體由一個容積約5 L 的水箱及內(nèi)置溫度、鹽度、葉綠素、有色溶解有機物(CDOM)傳感器組成(包含SBE21 溫度傳感器、SBE38 外置溫度傳感器、WETLAB Wet star葉綠素傳感器和CDOM 傳感器)。前置溫度傳感器安裝于船舶取水口位置,觀測主機安裝于距離取水口管路約10 m 的位置,甲板單元和控制終端與觀測主機安裝于同一艙室。船舶航行時,實時采集的表層海水經(jīng)過前置溫度傳感器后,經(jīng)管路輸送至觀測主機,經(jīng)觀測主機測試分析后排放至泄放口。

圖1 “雪龍”號表層海水走航觀測系統(tǒng)Fig.1.Navigation observation system for surface water multi factor measurement of R/V Xuelong

“雪龍”號表層海水走航觀測系統(tǒng)雖然觀測的參數(shù)較少,但經(jīng)過幾次系統(tǒng)升級,各項功能已經(jīng)趨于完善,且運行穩(wěn)定可靠。經(jīng)十多個南、北極航次的使用檢驗,獲取了大量的寶貴數(shù)據(jù)。自然資源部海洋大氣化學與全球變化重點實驗室團隊依托該系統(tǒng),取得了北冰洋海洋酸化與碳循環(huán)關系等重要科研成果[6-7]。該團隊通過獲取的觀測數(shù)據(jù),描繪出橫跨南北極的海洋表層CO2的分布情況。依托中國第三次北極科學考察期間(2008年)對加拿大海盆表層海水觀測數(shù)據(jù)的采集,揭示了水體對空氣中CO2吸收與北極海冰融化之間的關系,得出海冰消融并非如預期可以強烈增加北冰洋CO2吸收的結(jié)論。另外,該團隊還集成了中國北極考察多個航次數(shù)據(jù)及相關國際數(shù)據(jù),研究了西北冰洋1994—2017 年夏季CO2分壓的變化情況,得出了海冰消失放大了西北冰洋夏季年代際二氧化碳增加的結(jié)論[8]。由于該系統(tǒng)在“雪龍”號的成功使用也積累了大量冰區(qū)運行經(jīng)驗,為“雪龍2”號表層海水觀測系統(tǒng)的設計提供了重要技術積累。

2 “雪龍2”號系統(tǒng)設計需求與結(jié)構

作為海洋環(huán)境研究的一部分,極地海洋化學參數(shù)的測量是全球海洋化學研究系統(tǒng)的重要組成部分,對于全球碳循環(huán)、溫室效應等科學研究有著非常重要的意義。在以往航次中,依托“雪龍”號的表層海水采集系統(tǒng)提供的基礎數(shù)據(jù)和水樣,科考隊員會自帶二氧化碳、甲烷、營養(yǎng)鹽、pH 等檢測儀器,在船舶航行過程中對表層海水進行相關參數(shù)觀測。“雪龍2”號作為我國自主設計建造的新一代現(xiàn)代化極地考察船,在建造之初,便對科學調(diào)查功能的提升設計非常重視。通過一套高度集成的觀測系統(tǒng),可一次性完成海水溫度、鹽度、溶解氧、葉綠素、濁度、有色溶解有機物、pH、營養(yǎng)鹽(銨鹽、磷酸鹽、硅酸鹽、硝酸鹽和亞硝酸鹽)、CO2、CH4以及空氣中的CO2和CH4等的實時連續(xù)觀測,各分析模塊具體型號如表1 所示。所有觀測數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的平臺實時顯示,便于現(xiàn)場監(jiān)測與分析,并且具備遠程監(jiān)控功能。通過專業(yè)軟件操作,可實現(xiàn)歷史觀測數(shù)據(jù)曲線的自動生成、更新、記錄和報表打印等。為了盡可能減少人工的干涉和維護,系統(tǒng)需配備自動清潔防腐蝕的預過濾功能并能夠定時進行內(nèi)部自主清潔。由于船舶在破冰工況下會產(chǎn)生劇烈的震動,系統(tǒng)需對管路、接口、底座等部位進行特殊處理,配備較強的防震措施。

表1 “雪龍2”號相關傳感器列表Table 1.List of relevant sensors of R/V Xuelong 2

“雪龍2”號表層海水多要素實時采集系統(tǒng)(圖2)進氣箱安裝于船頂羅經(jīng)甲板,其余部件均安裝于兩個標準機柜(W600 mm×D600 mm×H1800 mm)內(nèi),系統(tǒng)主體安裝于面積約2.5 m2的科考設備間內(nèi)。機柜1 主要包含不間斷電源、傳感器供電接線盒、粗過濾器、除泡器、供水及分流系統(tǒng)、帶觸摸屏的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、溫鹽等傳感器、水–氣二氧化碳和甲烷測量系統(tǒng);機柜2 主要包含營養(yǎng)鹽檢測系統(tǒng)和自動清潔系統(tǒng)。進入系統(tǒng)的海水先后經(jīng)過粗過濾器,除泡器,溶解氧、葉綠素、濁度和有色溶解有機物傳感器,二氧化碳和甲烷探測儀,pH、溫鹽傳感器和營養(yǎng)鹽自動分析儀后排出舷外或廢液桶內(nèi)(圖3)。

圖2 “雪龍2”號表層海水多要素實時采集系統(tǒng)Fig.2.Real time acquisition system for surface seawater multi factor measurement of R/V Xuelong 2

圖3 “雪龍2”號表層海水多要素實時采集系統(tǒng)流程圖Fig.3.Flow chart of multi factor real time acquisition system for R/V Xuelong 2 surface water observation

3 “雪龍2”號設計技術難點分析

3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量精度需求

表層海水多要素實時采集系統(tǒng)首先要保證數(shù)據(jù)的精確性,可能影響其準確性的因素有以下幾個方面。

(1)營養(yǎng)鹽的測定周期較長,且各項營養(yǎng)鹽的測定周期不同。不同時段的進樣會導致各參數(shù)在測定時間軸上無法匹配,影響數(shù)據(jù)時間上的同步[9]。

(2)系統(tǒng)內(nèi)部管路、監(jiān)測池和傳感器表面,如遇長時間海水停滯,會被藻類、藤壺等生物生長繁殖所覆蓋,影響數(shù)據(jù)測量質(zhì)量。

(3)海水樣品采集系統(tǒng)(為本系統(tǒng)提供海水)運行的穩(wěn)定性、可靠性和純凈度對表層海水多要素實時采集系統(tǒng)的正常運行很重要,只有持續(xù)不間斷的觀測才能保證數(shù)據(jù)的延續(xù)性,泵和管路的材質(zhì)需確保對樣品無污染。

“雪龍2”號表層海水多要素實時采集系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子水泵,具有結(jié)構簡單、零部件少、運行安全可靠的特點[10];泵腔與齒輪箱中間設置了隔離腔,用于防止齒輪油對管路及海水樣品造成污染;轉(zhuǎn)子為不銹鋼加橡膠材質(zhì),不會破壞水體中的微生物、藻類等。系統(tǒng)可以定期進行管路和傳感器自清潔維護,確保無藻類繁殖、無沉積物積累和無附著生物生長,提高檢測數(shù)據(jù)精度。為了對營養(yǎng)鹽進行準確的分析檢測,系統(tǒng)中專門設置了蓄水池,3 臺營養(yǎng)鹽分析儀同時從蓄水池內(nèi)取樣進行分析,蓄水池內(nèi)海水樣品更新周期大于最長檢測項目的分析周期,待蓄水池內(nèi)海水樣品更新完成后,營養(yǎng)鹽分析儀再進行下一個周期的分析檢測。

3.2 高集成性需求

相較于“雪龍”號表層海水采集系統(tǒng),“雪龍2”號可實時觀測的參數(shù)更多(表2)。系統(tǒng)設計的思路不是將若干儀器簡單的堆砌,而是讓每個儀器獨立進行測量。表層海水多要素實時采集系統(tǒng)的設立初衷即在船舶航行時連續(xù)獲取穩(wěn)定、高質(zhì)量的數(shù)據(jù),通過高度的系統(tǒng)集成,將原本不同的儀器集成在一起,通過人機交互界面實現(xiàn)一體化操作?！把?”號表層海水多要素實時采集系統(tǒng)主要從以下幾個方面提升了系統(tǒng)的集成性能。

表2 “雪龍2”號與“雪龍”號表層海水連續(xù)觀測系統(tǒng)對比Table 2.Comparison of similarities and differences between R/V Xuelong 2 and R/V Xuelong surface water continuous observation systems

系統(tǒng)所有設備均采用模塊化設計,統(tǒng)一安裝在標準的機柜內(nèi),從硬件結(jié)構上實現(xiàn)了系統(tǒng)集成性。集成緊湊的結(jié)構使得維護和維修的空間受限,通過將機柜每一層設置為活動抽屜式,在設備需要維護保養(yǎng)時,從機柜內(nèi)將設備抽出即可進行。集成后做到了一鍵啟動所有設備,按照設定的流程自動檢測、記錄數(shù)據(jù)。通過將供水系統(tǒng)的泵組運行信號接入,系統(tǒng)可以自主判別運行或停止。當系統(tǒng)檢測到泵組停機時,會自動切換至停止狀態(tài),避免采集無用的數(shù)據(jù)。通過風速和風向的數(shù)據(jù)接入,在相對風速小于1.5 m·s–1或者船舶順風航行時,系統(tǒng)會自動停止對空氣中二氧化碳和甲烷的探測,調(diào)整為對水體中二氧化碳和甲烷的探測并利用標準氣體完成探測校準,從而避免船舶煙囪廢氣排放對于采樣數(shù)據(jù)的影響。

3.3 絕緣保溫需求

表層海水的采集是實時從船舶海底門取水口泵入,為保證水體有較高置換效率,供水系統(tǒng)通常使用大功率海水泵配合大口徑管路,再通過較細口徑的支管進入表層海水連續(xù)觀測系統(tǒng),進入系統(tǒng)后分成更小口徑的進樣管進入各個測量系統(tǒng)。極地航行期間表層海水溫度一般介于–2～0℃之間,而科考設備間的環(huán)境溫度通常維持在24～26℃。表層海水由管路進入艙室后,海水溫度易受環(huán)境溫度影響而升高。溫度的變化會影響很多參數(shù)的準確測量,例如海水溫度升高會導致電導率測量值上升,溶解氧的測量值下降等。

因此海水由取水口管路進入到表層海水連續(xù)觀測系統(tǒng)之前,采取了真空雙壁管、包覆絕緣保溫材料等有效措施降低環(huán)境溫度的影響。由于表層海水多要素實時采集系統(tǒng)自身結(jié)構復雜,各傳感器間均通過進樣管串聯(lián),容易通過水管產(chǎn)生熱交換,從而影響數(shù)據(jù)測量精度。所以在系統(tǒng)設計時所有的水管路均采用非金屬材質(zhì),減少熱量交換;對于粗過濾器、閥門、三通等通水金屬件和無可視要求的管路,均包覆絕緣保溫材料,隔絕與環(huán)境產(chǎn)生的熱傳導;通過優(yōu)化傳感器測量順序,對檢測池等做好保溫絕緣。將對溫度變化敏感的傳感器前置,減少了與室溫接觸的時間,提升了傳感器測量的精準度。

3.4 低維護特點

表層海水多要素實時采集系統(tǒng)的重要優(yōu)勢是航行時的連續(xù)不間斷觀測,高效獲取大尺度的、長期的觀測數(shù)據(jù)。高集成度、長期觀測的特征,對系統(tǒng)易維護性提出更高的要求?！把?”號年均在航時間長達260 多天,系統(tǒng)長時間運行,管道內(nèi)逐漸會被細菌、真菌、藻類等海洋生物附著(圖4),這樣不僅會腐蝕、堵塞管道[11],而且會污染表層海水樣品,影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖4 使用3 個月后未清洗的海水管路Fig.4.Uncleaned seawater pipeline after 3 months of use

“雪龍2”號表層海水多要素實時觀測系統(tǒng)設計帶有自動清潔功能,可根據(jù)航行海域特點,自主設置系統(tǒng)的自清潔。執(zhí)行步驟如下:

(1)停止數(shù)據(jù)采集與記錄;

(2)關閉系統(tǒng)海水進水壓力調(diào)節(jié)閥門,向系統(tǒng)內(nèi)注入淡水用以排除整個系統(tǒng)內(nèi)原有海水;

(3)通過一個小型蠕動泵向管路中注入定量的草酸溶液;

(4)系統(tǒng)開啟循環(huán)泵,進入內(nèi)循環(huán)模式,混有草酸溶液的淡水在系統(tǒng)內(nèi)充分混合、反應、沖洗,并循環(huán)至設定時間;

(5)開啟海水進水壓力調(diào)節(jié)閥門,注入海水;排出清洗液,系統(tǒng)開始下一個周期的數(shù)據(jù)采集與記錄(圖3 虛線所示循環(huán))。

對于二氧化碳和甲烷的探測,本系統(tǒng)選用平板硅平衡器進行海水中二氧化碳和甲烷的平衡,采用激光的方式測量。短時間內(nèi)完成對表層海水、水表空氣中的二氧化碳和甲烷的測量,定時進行標準氣體的測量自校準(表3)。系統(tǒng)自動化程度高,人工干預需求低。

本文用于行為識別的隨機森林算法建立在基于Spark運行的分布式機器學習算法庫MLlib上,所有的示例及算法程序均采用scala語言進行開發(fā)。進行人體行為識別建模時,首先要手動確定隨機森林中幾個重要參數(shù):①numTrees:隨機森林中決策樹的個數(shù),需要手動調(diào)試;②maxDepth:隨機森林中決策樹的深度,需要手動調(diào)試;③maxBins:可以將連續(xù)的特征離散化的最大分箱數(shù),使用默認值32;④Impurity:節(jié)點分裂的方法,回歸情況下使用方差,分類情況下使用信息熵或者基尼指數(shù)。

表3 二氧化碳和甲烷的探測方法對比Table 3.Comparison of methane and carbon dioxide detection methods

4 極地現(xiàn)場實際應用

4.1 現(xiàn)場應用情況介紹

“雪龍2”號表層海水多要素實時觀測系統(tǒng)在中國第36 和37 次南極科學考察中得到充分應用檢驗。兩次考察總歷時378 天,航線遍布全球各大洋,并在極地高緯度地區(qū)完成了長距離航行,獲取了寶貴的表層海水數(shù)據(jù)。航次中除經(jīng)過他國專屬經(jīng)濟區(qū)和?？看a頭期間,其余時間表層海水多要素實時觀測系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)無人值守全自動化運行,運行時間達8000 余小時。日常巡視中重點檢查系統(tǒng)運行是否正常、是否有漏水漏電等;定期按照操作規(guī)范更換耗材,如:更換蠕動泵管路、添加營養(yǎng)鹽檢測試劑、純水水箱注水等。

“雪龍2”號表層海水多要素實時觀測系統(tǒng)經(jīng)上述2 個航次的連續(xù)運行檢測,系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定,故障率低,操作簡單,數(shù)據(jù)精度高,實際使用情況總結(jié)有如下特征。

(1)系統(tǒng)能較好地應用于全球尺度范圍,尤其極地冰區(qū)的表層海水的連續(xù)觀測,在低密集度浮冰區(qū)系統(tǒng)連續(xù)運轉(zhuǎn)無冰堵現(xiàn)象發(fā)生;

(2)系統(tǒng)保溫絕緣良好,無明顯冷凝水產(chǎn)生,前置溫度傳感器與機柜內(nèi)溫度傳感器的測量值偏差小于0.3℃;

(3)數(shù)據(jù)準確度高,營養(yǎng)鹽的測量數(shù)值與實驗室內(nèi)采用分光光度法測出的數(shù)值一致;

(4)人機界面友好,一鍵式操作,并可執(zhí)行自動清洗消毒程序,無需安排專人值守。

4.2 積累經(jīng)驗和后續(xù)經(jīng)驗

(1)蠕動泵管須選擇耐低溫的材質(zhì),低溫下仍能保持足夠的柔軟度及韌性,確保其功能正常;

(2)機柜中系統(tǒng)粗濾和除泡器位置設置透明檢視窗口,便于日常巡查時查看設備狀態(tài);

(3)數(shù)據(jù)記錄的時間標簽需改進,在部分傳感器的檢測周期同步中,對于檢測耗時較長的傳感器,如營養(yǎng)鹽等,檢測結(jié)果應對應進樣時間。

5 小結(jié)與展望

海洋表層海水的溫度、鹽度、溶解氧、葉綠素、pH 等參數(shù)是研究海–氣界面、溫室效應、海洋酸化等的最基本的資料,在長期觀測的基礎上,可對海洋現(xiàn)象變化趨勢進行分析預測,對海洋過程機理的深入研究提供重要基礎支撐。利用航行時連續(xù)觀測相對于定點采樣分析,具有數(shù)據(jù)連續(xù)性高、觀測效率高、消耗人力物力資源少等特征,受到各國的廣泛關注?！把?”號表層海水多要素實時觀測系統(tǒng)在“雪龍”號表層海水走航觀測系統(tǒng)的基礎上,結(jié)合國際前沿熱點問題,通過提高數(shù)據(jù)準確性、系統(tǒng)集成性,提高系統(tǒng)自動化程度等方法,成功設計并實現(xiàn)了該系統(tǒng)的成功應用。經(jīng)多個極地航次的應用檢驗,運行穩(wěn)定可靠、觀測數(shù)據(jù)準確、極大的減少人力物力,能較好地適用我國極地考察實際需求。該系統(tǒng)的成功應用,對于極地現(xiàn)場觀測具有重要意義,將為我國極地科考提供重要科學考察支撐。