張若華，徐常三

（河海大學 自然資源部海洋災害預報技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京 210098）

海洋的溫度和鹽度是基礎(chǔ)的海洋觀測要素，能夠影響海洋中的動力過程。例如，海洋溫鹽結(jié)構(gòu)能夠較為明顯地影響第一斜壓重力波相速度的地理分布[1]。另外，海洋溫鹽分布也能夠表征海洋熱力過程的結(jié)果。由于海水比熱容較大，相同的升溫幅度，海洋相比大氣和陸地能儲存更多的熱量。在溫室氣體導致的凈能量收入中，有90%以上都存儲在海洋中，使得海洋溫度上升。海洋熱含量的變化是全球氣候變化最為關(guān)鍵的指標之一[2-3]。因此，提高海洋溫度、鹽度等觀測數(shù)據(jù)的準確性對深入研究海洋動力過程和熱力過程，以及全球氣候變化具有重要的意義。

目前對海洋溫鹽要素的觀測主要有浮標觀測、潛標觀測和傳統(tǒng)船載溫鹽深剖面儀（Conductivity-Temperature-Depth Profiler，CTD）觀測。其中，船載CTD 觀測是不可或缺的觀測方式之一，是對全球Argo 觀測系統(tǒng)的有效補充，在精細化區(qū)域海洋動力過程研究中扮演著重要角色。船載CTD 能夠?qū)崿F(xiàn)對于海洋全水深溫鹽要素的觀測，同時還能針對定點進行連續(xù)觀測。此外，船載CTD 的傳感器精度和采樣率更高，可以對海水溫鹽隨深度變化的規(guī)律進行精細刻畫。

從20 世紀60 年代開始，溫鹽深剖面儀開始廣泛運用在海洋觀測調(diào)查中。在過去幾十年的發(fā)展過程中，美國、日本等國家先后開展了CTD 的研制，國際上先后涌現(xiàn)出不同品牌的CTD，美國的CTD 測量技術(shù)一直走在世界前列，著名的CTD 生產(chǎn)廠家有Falmouth 科學儀器有限公司（Falmouth Scientific，Inc.）、海鳥公司（Sea-Bird）[4]。日本主要使用自容式CTD 儀器，特點是體積小、重量輕與功耗低[5-6]。但是20 世紀80 年代以后，世界市場上美國的高精度CTD 產(chǎn)品優(yōu)勢明顯，幾乎沒有其他國家產(chǎn)品能夠與其競爭。近年來，我國加大了自主研發(fā)海洋測量儀器設備的力度，CTD 測量技術(shù)發(fā)展迅速，相繼成功研制了船體固定式、拖曳式、拋棄式等多種CTD[5]。

對不同型號的CTD 進行比測，國內(nèi)外都進行過試驗。20 世紀80 年代，挪威科學家GYTRE T[7]用新型微型溫鹽深剖面儀與Neil Brown 1223 系列產(chǎn)品進行了同架比測試驗，試驗結(jié)果表明兩款設備溫度的最大誤差為0.18 ℃，均方根誤差為0.02 ℃，可以用于科考調(diào)查。20 世紀90 年代，加拿大貝德福海洋研究所將MK3 和Sea-Bird 911 兩款產(chǎn)品進行了比對試驗，試驗結(jié)果表明兩款設備均到達了世界海洋環(huán)流實驗（WorldOceanCirculationExperiment，WOCE）計劃 的要求[8]。ALBERLOA C 等[9]、MIZUNO K[10]將XCTD 和CTD 進行了比測，試驗結(jié)果表明兩款設備單個探頭之間的差異在0～1 000 m 深度范圍保持在±5 m 的誤差，XCTD 溫度的精度估計優(yōu)于0.05 ℃。瑞典科學家NYFFELER F 等[11]將Ocean Seven 320 CTD與Sea-Bird 911 Plus CTD 進行了海上比測，認為兩者性能接近。在國內(nèi)，有學者對CTD 37 Coastal、CTD 48 和CTD 304 Plus 三種設備進行了時間跨度長達3 個月的數(shù)據(jù)對比分析，結(jié)果表明，37 Coastal 壓力數(shù)據(jù)穩(wěn)定性表現(xiàn)最好；三者溫度數(shù)據(jù)穩(wěn)定性表現(xiàn)一致；而37 Coastal 鹽度數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和CTD48 一致[12]。雖然海上試驗的目的和方法都略有不同，但是在進行比較時，多數(shù)都采用均方根誤差和平均絕對誤差進行比較。

開展國產(chǎn)CTD 和同類國外高精度CTD 對比工作是推動國產(chǎn)設備優(yōu)化提高的重要手段。本文基于“嘉庚號”科考船2021 年夏初在南海北部獲取的水溫觀測數(shù)據(jù)對國產(chǎn)DW 1633 CTD 的性能開展定量的對比分析，有利于促進國產(chǎn)CTD 技術(shù)的完善與進步，為我國海洋環(huán)境參數(shù)變化觀測設備的改進和推廣提供數(shù)據(jù)支持。

1 儀器說明與數(shù)據(jù)來源

1.1 參與比對試驗的CTD

進行比對試驗的CTD 為國產(chǎn)DW 1633 CTD，比對使用的標準CTD 為美國Sea-Bird 911 CTD。表1給出了DW 1633 CTD 和Sea-Bird 911 CTD 的溫度、壓力、電導率指標參數(shù)，包括范圍、分辨率和精度。本次比測分析使用的是兩款CTD 設備所測得的現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)。

表1 CTD 傳感器指標參數(shù)表

1.2 海上比對試驗

本次海上比對分析數(shù)據(jù)均取自于2021 年南海季風綜合調(diào)查航次，該航次由“嘉庚號”科考船于2021 年5 月5 日至6 月9 日期間執(zhí)行。此次科學考察航次是以大氣、海洋和遙感觀測為主，兼顧海洋生物、化學和光學的綜合性科學考察。

南海海域的水深滿足比測試驗要求，儀器在比測試驗過程中不會觸底。安裝CTD 時，DW 1633 CTD和Sea-Bird 911 CTD 采用同架捆綁的方式固定在不銹鋼金屬框架內(nèi)。Sea-Bird 911 CTD 和DW 1633 CTD 底端對齊，盡可能讓所有CTD 的傳感器保持在同一水平面上。框架頂部與科考船的鋼纜連接，通過鋼纜把整個不銹鋼金屬框架吊入海中進行測量試驗。兩款CTD 采樣頻率不同，Sea-Bird 911 CTD采樣頻率為10 Hz，DW 1633 CTD 采樣頻率為2 Hz。

2 數(shù)據(jù)處理方法

2.1 真值

真值為與給定的特定量的定義一致的值，它是一個理想的概念，從測量的角度講，真值不可能確切獲知[13]。本次比對試驗是針對DW 1633 CTD 的溫度剖面數(shù)據(jù)開展檢驗和驗證，真值為客觀的南海溫度剖面數(shù)據(jù)。在實際比測中，需要采用約定真值來代替真值與DW 1633 CTD 進行比對。Sea-Bird 911 CTD 是目前世界上最為先進的水文調(diào)查儀器之一，該CTD 精度和穩(wěn)定性高，因此在本次比對中采用檢定好的Sea-Bird 911 CTD 作為標準CTD，約定該測量值為本次對比中的真值。

2.2 CTD 數(shù)據(jù)選取

2021 年南海季風綜合調(diào)查航次站位很多，部分站位的水深不足1 000 m，無法滿足對CTD 儀器的深海溫度測量能力進行比對的要求，此外不同站點的投放次數(shù)和投放深度都有所不同，考慮到選取數(shù)據(jù)的多樣性和代表性，本文選取了以下站點的測量數(shù)據(jù)：①B01 站點的10 次測量數(shù)據(jù)，第一次與第三次投放深度為4 200 m，其余為針對生物地球化學研究采水過程投放的500 m 剖面；C01 站點的8 次測量數(shù)據(jù)，第一次投放深度為2 760 m，其余投放深度為500 m（原因同上）；B01 站點和C01 站點的數(shù)據(jù)滿足了試驗對于測量時間多樣性的要求；②B02～B07 的測量數(shù)據(jù)，B02～B07 第一次投放深度均在4 000～4 200 m，B02、B04 第二次投放深度分別為500 m、200 m；B08 投放深度為3 500 m；C02～C09的測量數(shù)據(jù)，深度均在1 500～3 000 m。這些測量數(shù)據(jù)包括了深海和淺海的數(shù)據(jù)，既滿足了對CTD 淺海和溫躍層測量性能進行考察的要求，也滿足了對深海測量性能考察的要求。具體投放站點的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和深度信息如表2 所示。

表2 投放站位經(jīng)緯度和深度信息表

2.3 CTD 數(shù)據(jù)修正

本次比對將感溫、上升剖面、下降剖面進行分割，僅選取下降剖面的測量數(shù)據(jù)；由于海上比對中Sea-Bird 911 CTD 的測量頻率高于DW 1633 CTD，所以對于Sea-Bird 911 CTD，需選取與DW 1633 CTD 相同測量深度的溫度、鹽度數(shù)據(jù)，即使用深度（或壓力）作為對比的標準軸。處理后的測量數(shù)據(jù)是一一對應的，可以直接對其進行比對分析。

2.4 精度計算方法

本次比對分析過程選用相關(guān)系數(shù)R、均方根誤差RMSE、平均絕對誤差MAE 為主要參考指標。相關(guān)系數(shù)可以反映變量之間相關(guān)關(guān)系的密切程度。相關(guān)系數(shù)是按積差方法計算，同樣以兩變量與各自平均值的離差為基礎(chǔ)，通過兩個離差相乘來反映兩變量之間相關(guān)程度。系數(shù)的取值總是在-1.0 到1.0之間，接近0 的變量被稱為無相關(guān)性，接近1 或者-1 被稱為具有強相關(guān)性。均方根誤差RMSE 是觀測值與真值偏差的平方和觀測次數(shù)n 比值的平方根，在實際測量中，觀測次數(shù)n 總是有限的，真值只能用最可信賴（最佳）值來代替。均方根誤差對一組測量中的特大或特小誤差反應非常敏感，所以，均方根誤差能夠很好地反映出測量的精密度。平均絕對誤差MAE 是所有單個觀測值與算術(shù)平均值的偏差的絕對值的平均。與平均誤差相比，平均絕對誤差由于離差被絕對值化，不會出現(xiàn)正負相抵消的情況，因而，平均絕對誤差能更好地反映預測值誤差的實際情況，計算公式如下。

式中，R 為相關(guān)系數(shù)；RMSE 為均方根誤差；MAE 為平均絕對誤差；xi和yi分別為DW 1633 CTD和Sea-Bird 911 CTD 在同一深度處的測量值，其單位由測量的量決定；n 為觀測樣本個數(shù)。

3 結(jié)果討論

由于進行比對試驗的剖面深度達到了4 000 m，如果僅僅將分析停留在整體剖面，部分深度的細微差異會很不明顯，很難做出精確的比對分析。整體剖面的分析比對可以得到國產(chǎn)DW 1633 CTD 整體的各項測量誤差，同時可以對CTD 在深海和淺海測量表現(xiàn)進行比對；淺海剖面的比對可以更好地分析CTD 在淺海測量的精準度，尤其躍層附近的誤差大小更能體現(xiàn)CTD 的性能；深海剖面的比對可以更好地分析DW 1633 CTD 在深海測量上的穩(wěn)定性和精確度。因此，結(jié)果討論分為3 個部分：DW 1633 CTD 和Sea-Bird 911 CTD 整體剖面比對結(jié)果、淺海剖面比對結(jié)果和深海剖面比對結(jié)果的討論。

3.1 整體剖面的比對

圖1 是利用33 個觀測剖面的溫度、深度數(shù)據(jù)制作的溫度隨深度變化的剖面圖的集合。剖面幾乎完全吻合。但是通過對單個站點溫度隨深度變化的剖面觀測來看，在500 m 尤其是200 m 以上的深度，可以觀測到DW 1633 CTD 測得的同深度海水溫度略低于Sea-Bird 911 CTD 所測得的溫度。有以下幾點原因會導致絕對誤差在淺海區(qū)域更大：①淺海的溫度梯度相對更大。由于選定的標準軸為深度，壓力傳感器本身存在誤差，假定壓力傳感器在深海和淺海誤差差距不大，那么因為淺海的溫度梯度更大，同樣的壓力誤差造成的溫度誤差必然是淺海會更大[14]；②淺海水文環(huán)境更復雜，導致兩款CTD 儀器測得的溫度誤差偏大。對比圖2（a）和圖2（b）剖面，兩款設備觀測的剖面均沒有明顯異常值，表明兩款CTD 的穩(wěn)定性在本次比測試驗中都表現(xiàn)都較好。

圖1 兩款CTD 測得的溫度隨深度變化的剖面圖

圖2 兩款CTD 溫度—深度剖面的瀑布圖

表3 中選取了5 個代表剖面，剖面的平均絕對誤差在0.001～0.024 ℃，最大絕對誤差在0.150～0.424 ℃，均方根誤差在0.008～0.043 ℃，相關(guān)系數(shù)都是1?？梢钥闯?，DW 1633 CTD 在不同站點的各項誤差分布都比較接近，且各項誤差都較小。從表中平均絕對誤差和均方根誤差值可以明顯看出，測量深度較深時，除最大絕對誤差外各項誤差值都更小，也說明在測量中最大絕對誤差一般出現(xiàn)在淺海區(qū)域。將上述5 個代表剖面和所有觀測剖面集合的均方根誤差轉(zhuǎn)化為相對值，同樣可以看到當剖面深度比較深時，均方根誤差相對值同樣較小。通過以上比對可以得出，在本次海上比測的整體剖面比對中，國產(chǎn)DW 1633 CTD 與Sea-Bird 911 CTD 的誤差較為接近，在深海區(qū)域誤差較小，在淺海區(qū)域誤差相對較大。

表3 站點整體剖面誤差

3.2 淺海剖面的比對

3.2.1 B 系列站點

對比圖3（a）和圖3（b），兩款CTD 設備所獲取的淺海溫度剖面的溫度整體分布和等值線拐點除了在50 m 以上存在部分不同，其余海域基本一致。但是從圖3（c）的溫度差可以明顯看出，淺海海域的溫度差可以分為兩個部分，0～100 m 和100～500 m深度范圍。在100～500 m，DW 1633 CTD 和Sea-Bird 911 CTD 的溫度誤差絕對值都保持在0～0.1 ℃之間，絕大多數(shù)海域低于0.05 ℃，表現(xiàn)很穩(wěn)定；而在0～100 m，DW 1633 CTD 所測得的溫度與Sea-Bird 911 CTD 所測得的溫度出現(xiàn)了較大差異，誤差最大的區(qū)域出現(xiàn)在B04、B05 站點附近、50 m 以上的海域，兩處的溫度絕對誤差最大超過了0.4 ℃。

圖3 B 系列站點0～500 m 剖面圖

根據(jù)表4 可以看出，均方根誤差最大為0.066℃，除B0101 和B0201 站點以外，其余站點均方根誤差大于或等于0.040 ℃。平均絕對誤差波動較大，B0101 站點誤差最小，為0.015 ℃；B0501 站點誤差最大，誤差達到了0.052 ℃。均方根誤差相對值最大的站點是B0501 站點，誤差相對值為0.32%，8 個站點中B0401、B0501 和B0701 站點的均方根誤差相對值相較其他站點較大。溫躍層附近溫度測量的高精確度是CTD 性能的體現(xiàn)，B01～B08 站點的溫躍層深度都在25 m 以上范圍，在此深度范圍內(nèi)平均絕對誤差為0.039 ℃，均方根誤差為0.061 ℃，最大絕對誤差為0.314 ℃。

表4 B 站點淺海剖面誤差

3.2.2 C 系列站點

對比圖4（a）和圖4（b），溫度的整體分布較為一致，等值線拐點基本一致。從圖4（c）可以看出，C站點大部分剖面溫度誤差都在±0.05 ℃之間，誤差絕對值超過0.05 ℃的區(qū)域都在250 m 深度以上，250 m以下深度，DW 1633 CTD 與Sea-Bird 911 CTD的溫度誤差相對穩(wěn)定，穩(wěn)定在-0.05 ℃左右。誤差最大的區(qū)域出現(xiàn)在C0101 站點的50～100 m 深度范圍和C0901 站點的200 m 深度附近，誤差絕對值約0.2 ℃。與B 站點類似，C 站點的溫躍層都位于30 m深度以上，在溫躍層范圍內(nèi)，DW 1633 CTD 與Sea-Bird 911 CTD 測量結(jié)果的平均絕對誤差為0.033 ℃，平均均方根誤差為0.058℃，最大絕對誤差為0.162℃。

由圖4（c）可以看出，與B 站點不同，C 站點測得的溫度誤差存在大于0 ℃的區(qū)域，且平均絕對誤差和均方根誤差的絕對值都相對更大，且各項誤差的波動也較大。平均絕對誤差和均方根誤差最大的站點均為C0101 站點，分別為0.054 ℃和0.077 ℃。本次海上比測試驗的最大絕對誤差出現(xiàn)在C0201 站點的淺海剖面，為0.424 ℃。與B 站點相比，均方根誤差相對值更大。最大絕對誤差出現(xiàn)在C0101 站點，為0.38%，所有站點的誤差相對值都高于0.20%。

圖4 C 系列站點0～500 m 剖面圖

表5 C 站點淺海剖面誤差

3.3 深海剖面的比對

在整體剖面的誤差分析中，我們可以看到深海區(qū)域的溫度絕對誤差小于淺海區(qū)域，本節(jié)對兩款CTD 所獲取的深海剖面數(shù)據(jù)進行比對，對國產(chǎn)DW 1633 CTD 的深海測量能力進行分析。

3.3.1 B 系列站點

由于超過1 400 m 的深度范圍海水溫度梯度很小，且C 系列站點部分測量深度為1 400 m，因此，用來對比CTD 深海測量能力的深度范圍選擇為500～1 400 m。對比圖5（a）和圖5（b），溫度的整體分布較為一致，等值線拐點基本一致。從圖5（c）可以看出，B 站點大部分剖面溫度誤差都在-0.01～0.01 ℃，誤差絕對值超過0.01 ℃的區(qū)域都在900 m深度以上，誤差絕對值隨深度的增加而變小，最大值出現(xiàn)在500～600 m 深度處，誤差超過0.03 ℃。結(jié)合圖5（c）和圖6（a）可以看出，大約在900 m 以上深度范圍，溫度差為負，且深度越淺溫度差的絕對值越大；900 m 以下深度范圍，溫度差為正，深度越深溫度差的絕對值越大。這表明，國產(chǎn)DW 1633 CTD 在900 m 深度以上的范圍測得的溫度要低于Sea-Bird 911 CTD，在900 m 深度以下的范圍測得的溫度要高于Sea-Bird 911 CTD，在500～1400 m 的深度范圍內(nèi)，大約900 m 深度處是DW 1633 CTD 與Sea-Bird 911 CTD 測量結(jié)果最為接近的深度，離900 m 深度越遠，溫度差越大。

圖5 B 系列站點500～1 400 m 剖面圖

圖6 站點溫度差隨深度變化圖

由表6 可以看出，B0101～B0801 站點平均絕對誤差在0.003～0.006 ℃，均方根誤差在0.005～0.009 ℃，最大絕對誤差出現(xiàn)在B0801 站點，平均誤差和均方根誤差分布較為一致。將均方根誤差轉(zhuǎn)化為相對值依次為0.10%、0.12%、0.12%、0.07%、0.10%、0.09%、0.13%、0.16%、0.11%。最大均方根相對誤差依然出現(xiàn)在B0801 站點，但是沒有超過0.2%。同時平均絕對誤差和最大絕對誤差較為一致，所有剖面的平均誤差和最大絕對誤差均為負，且變化較小。對比整體剖面的結(jié)果，國產(chǎn)DW 1633 CTD 在測量深海剖面的溫度時表現(xiàn)更好。

表6 B 站點深海剖面誤差

3.3.2 C系列站點

由圖7（a）和圖7（b）看出，C0101～C0901 剖面溫度的整體分布較為一致，等值線拐點基本一致。圖7（c）中顯示，C 站點剖面的溫度誤差在-0.02～0.01 ℃，整體誤差小于B 站點剖面。與B 站點剖面類似，絕對誤差大于0.01 ℃的區(qū)域都在900 m 深度以上。但是C 站點相對B 站點，誤差為正的分布范圍很小，大部分剖面溫度誤差為-0.015～0 ℃；在1 000 m 深度以下的范圍，剖面溫度誤差大多在-0.005～0 ℃，溫度誤差的一致性相對更好。結(jié)合圖7（c）和圖6（b）可以看出，與B 站點類似，在約900 m 深度以上，溫度差為負，且深度越淺溫度差的絕對值越大；900 m 深度以下溫度差為正，溫度差的絕對值最小出現(xiàn)在900 m 深度處。與B 站點不同的是，在900 m 深度以下的范圍，C 站點的溫度差變化不大，均小于0.001 ℃。

圖7 C 系列站點500～1 400 m 剖面圖

對比B、C 站點的溫度差，可以發(fā)現(xiàn)900 m 深度是DW 1633 CTD 和Sea-Bird 911 CTD 測量溫度最接近的區(qū)域，在900 m 深度以上，DW 1633 CTD 測量的溫度小于Sea-Bird 911 CTD 測量的溫度；在900 m 深度以下，DW 1633 CTD 測量的溫度大于Sea-Bird 911 CTD 測量的溫度。雖然B、C 站點在900 m深度以下溫度差的變化有所不同，但是在此范圍內(nèi)兩款CTD 測量的溫度相比于900 m 深度以上兩款CTD 測量的溫度，溫差更小。

由表7 可以看出，C0101～C0901 站點的平均絕對誤差在0.002～0.005 ℃，均方根誤差在0.003～0.008 ℃，最大絕對誤差在0.011～0.033 ℃，平均誤差和最大絕對誤差分布都很一致，均為負。不同站點之間誤差的波動很小。將均方根誤差轉(zhuǎn)化為相對值，均方根相對誤差最大為0.14%，對比C 站點整體剖面，相對誤差更小。

表7 C 站點深海剖面誤差

4 結(jié) 論

在本次比測試驗過程中，國產(chǎn)DW 1633 CTD和美國Sea-Bird 911 CTD 沒有出現(xiàn)機械和性能故障，獲取了相應的剖面數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)完整真實有效。通過對兩款CTD 獲取的溫度數(shù)據(jù)的比對分析，得出結(jié)論：從整體剖面來看，國產(chǎn)DW 1633 CTD 和Sea-Bird 911 CTD 溫度平均絕對誤差為0.006 ℃，最大絕對誤差為0.424 ℃，平均均方根誤差為0.025 ℃。從淺海剖面來看，B 站點剖面的平均絕對誤差為0.033 ℃，最大絕對誤差為0.414 ℃，平均均方根誤差為0.044 ℃；C 站點剖面的平均絕對誤差為0.036 ℃，最大絕對誤差為0.424 ℃，平均均方根誤差為0.061 ℃。從深海剖面來看，B 站點剖面的溫度平均絕對誤差為0.004 ℃，最大絕對誤差為0.041 ℃，平均均方根誤差為0.007 ℃；C 站點剖面的平均絕對誤差為0.004 ℃，最大絕對誤差為0.033 ℃，均方根誤差為0.006 ℃。B、C 站點剖面溫度誤差最小的深度均是在水深約900 m 處，0～900 m 深度DW 1633 CTD 測量的溫度低于Sea-Bird 911 CTD 測量的溫度，900 m 以下深度DW 1633 CTD 測量的溫度高于Sea-Bird 911 CTD 測量的溫度。而通過整體剖面的分析可知，500 m 以上的剖面測量誤差大于500～1 400 m 范圍的剖面，因此，在本次比對中，900 m 深度處是兩款CTD 測量溫度最為接近的區(qū)域。通過本次海上比測試驗可知，國產(chǎn)DW 1633 CTD 與Sea-Bird 911 CTD 相比，各項溫度誤差均比較小。但僅僅依靠一次海上比對試驗并不能對CTD 性能進行定性評價，還需通過長期的測試和檢驗才能對CTD 的性能進行更加精確的評估。