泵控管路系統(tǒng)在溫鹽深測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)分析

郭斌斌等

摘 要：溫鹽深測(cè)量技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，如何消除鹽度尖峰現(xiàn)象一直是大家關(guān)心的問(wèn)題。海鳥(niǎo)公司的泵控管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)于修正此類(lèi)動(dòng)態(tài)誤差，效果明顯。文章將對(duì)該設(shè)計(jì)的物理結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，重點(diǎn)討論泵控管路系統(tǒng)在提高CTD空間分辨率以及同步C-T傳感器方面的功能，并使用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該系統(tǒng)在靜態(tài)時(shí)的性能表現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：溫鹽深測(cè)量；泵控管路；潛水泵；鹽度尖峰

前言

海洋研究者們一直對(duì)鹽度、密度充滿興趣，而CTD直接測(cè)量的海水要素是溫度、壓力及電導(dǎo)率，此三個(gè)要素稱(chēng)為“基礎(chǔ)要素”。由于鹽度和密度是由基礎(chǔ)要素計(jì)算得來(lái)，所以必須保證對(duì)基礎(chǔ)要素的測(cè)量是同步完成，即針對(duì)同一時(shí)間、同一水團(tuán)微元，否則得到的結(jié)果必然錯(cuò)誤，并且會(huì)導(dǎo)致尖峰現(xiàn)象[1]。采用數(shù)據(jù)平均消除數(shù)據(jù)尖峰并不是一個(gè)好選擇，因?yàn)檫@將會(huì)損失分辨率，并且會(huì)得出錯(cuò)誤的平滑值。許多CTD無(wú)法達(dá)到同步測(cè)量的要求，原因在于其溫度、電導(dǎo)率傳感器本身的物理位置不一致，或者傳感器間響應(yīng)時(shí)間不同。尤其是此類(lèi)CTD電導(dǎo)率單元的響應(yīng)時(shí)間取決于CTD下降速率，而較低的移動(dòng)速度又需要較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間。除非CTD投放速度已知且恒定，要不然這些系統(tǒng)的電導(dǎo)率單元的響應(yīng)時(shí)間會(huì)不停變化，劇烈的數(shù)據(jù)尖峰也會(huì)發(fā)生。但實(shí)際情況是，由于船舶的運(yùn)動(dòng)CTD的速度幾乎不可能恒定。

為了最大程度減少鹽度、密度尖峰且又不損失其分辨率，海鳥(niǎo)公司采用了獨(dú)有的泵控管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，此舉大大推進(jìn)了溫鹽深測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，泵控管路系統(tǒng)由TC導(dǎo)管、管路和潛水泵組成[2]。隨著CTD下放，水體被吸進(jìn)管路系統(tǒng)，溫度是最先被測(cè)量的要素。隨后水體先后流經(jīng)電導(dǎo)率傳感器、溶解氧傳感器、潛水泵，最后通過(guò)潛水泵的出水口排出設(shè)備。系統(tǒng)內(nèi)部，TC導(dǎo)管確保了溫度、電導(dǎo)率傳感器一起感應(yīng)過(guò)的所有水體都必須穿過(guò)一個(gè)直徑0.4cm的通道，且正常運(yùn)轉(zhuǎn)下的潛水泵能強(qiáng)迫水體以30cm3/s的恒定速度流動(dòng)。

2 提高CTD空間分辨率

使用泵控管路系統(tǒng)，海鳥(niǎo)CTD擁有比其他任何CTD更高的空間分辨率。

通過(guò)觀察圖1的TC導(dǎo)管放大部分可以認(rèn)為，CTD獲得的每個(gè)數(shù)據(jù)樣本代表了進(jìn)水口下方的微小水柱。考慮到對(duì)流進(jìn)行解析描述多少有些復(fù)雜，所以為了討論容易，我們將該微小水柱想象為簡(jiǎn)單的圓柱體[3]。假設(shè)潛水泵抽動(dòng)水體進(jìn)入TC導(dǎo)管的速度等于CTD的下放速度，那么作為水體來(lái)源的微小水柱的直徑必然與TC導(dǎo)管的內(nèi)徑相等，即0.4cm。在這種情況下，CTD就像在一個(gè)從海表延伸到海底、直徑0.4cm的全水柱中下降。所有進(jìn)入TC導(dǎo)管的水體都來(lái)自于這個(gè)水柱內(nèi)，而不會(huì)是水柱外的水體。在實(shí)際中，CTD每秒從水柱中獲得的水體積必須等于潛水泵的驅(qū)動(dòng)體積。在SBE 9plus CTD中，這個(gè)體積等于30cm3/s。而隨著CTD投放速度的改變，微小水柱的直徑也會(huì)隨之變化，以滿足潛水泵所需要的水體積。

假設(shè)采樣率為24Hz，則每個(gè)水體樣本對(duì)應(yīng)于一個(gè)微小水柱，水柱高度是CTD在1s內(nèi)移動(dòng)距離的1/24。以SBE 9plus CTD為例，容易測(cè)算出不同投放速度下微小水柱的尺寸大小。如投放速度為1m/s時(shí)，CTD測(cè)量的每個(gè)數(shù)據(jù)樣本對(duì)應(yīng)于一個(gè)直徑約為0.6cm的微小水柱，這些水柱首尾相連堆疊于CTD的運(yùn)動(dòng)路徑上。因而，海鳥(niǎo)CTD獲得的每個(gè)數(shù)據(jù)樣本分別代表了一個(gè)水體微元的真實(shí)溫度、電導(dǎo)率，水體微元典型尺寸滿足：直徑小于1cm，高度小于5cm，詳情見(jiàn)表1。

3 C-T傳感器同步

傳感器之間的不同步源于：（1）傳感器不在同樣的位置，無(wú)法在同一時(shí)間對(duì)同一水團(tuán)微元進(jìn)行測(cè)量[4]；（2）各傳感器的響應(yīng)時(shí)間不一致，個(gè)別傳感器易受投放速度影響。

我們知道，TC導(dǎo)管與電導(dǎo)率單元的總體積大約為6cm3，按照水體的行進(jìn)順序可將其劃分為3個(gè)區(qū)，其中TC導(dǎo)管和第一個(gè)單元電極上游的短長(zhǎng)度單元為1區(qū)，共2.2cm3；外側(cè)電極內(nèi)的單元部分是有效測(cè)量區(qū)域，為2區(qū)，共2cm3；電導(dǎo)率單元下游1.8cm3區(qū)域內(nèi)的水體已經(jīng)超出單元的有效區(qū)域，為3區(qū)。

1區(qū)不是電導(dǎo)率單元的有效測(cè)量區(qū)域，在30cm3/s的泵速下充滿該區(qū)域需要0.073s。這個(gè)延遲是在任何情況下都存在的溫度傳感器與電導(dǎo)率傳感器之間的恒定時(shí)間差，即使是CTD投放速度出現(xiàn)改變。SBE 11plus 甲板單元自動(dòng)扣除了這個(gè)延遲，以便傳輸?shù)诫娔X中的電導(dǎo)率、溫度數(shù)據(jù)得到及時(shí)、正確的滯后校準(zhǔn)，并且能真實(shí)地代表同一水團(tuán)微元。水體通過(guò)1區(qū)后，一旦到達(dá)第一個(gè)電極，電導(dǎo)率單元的響應(yīng)取決于填充單元有效體積所用的時(shí)間。而這個(gè)有效體積只由外部電極內(nèi)的單元部分組成，即2cm3大小的2區(qū)，完全填充該區(qū)需要0.067s。而3區(qū)的水體已經(jīng)超出了有效測(cè)量區(qū)域，填充該空間與電導(dǎo)率傳感器的響應(yīng)無(wú)關(guān)。

據(jù)以上分析，在使用潛水泵和管路裝置后，各傳感器之間的管路通量及泵速已知，只需提前一個(gè)傳感器測(cè)量值的時(shí)間，如此即可與其它傳感器測(cè)量值的時(shí)間相匹配。而對(duì)于問(wèn)題2，海鳥(niǎo)CTD的數(shù)據(jù)顯示：使用泵和TC導(dǎo)管的溫度、電導(dǎo)率傳感器都表現(xiàn)出一樣的時(shí)間響應(yīng)，大約0.060s。經(jīng)過(guò)華盛頓大學(xué)Michael Gregg博士一系列精益求精、全面的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，海鳥(niǎo)CTD的響應(yīng)時(shí)間已經(jīng)重新測(cè)量并得到更新。

綜合以上，泵控管路系統(tǒng)有效解決了C-T傳感器不同步的問(wèn)題，圖2中的對(duì)比曲線很好的證明了這一點(diǎn)。

4 靜態(tài)時(shí)的性能分析

2013年8月29日，在東北赤道太平洋克拉里昂-克利帕頓斷裂區(qū)（145°19.0503′W，8°24.0111′N(xiāo)）的一次CTD試驗(yàn)表明：當(dāng)海鳥(niǎo)CTD靜止時(shí)，潛水泵與TC導(dǎo)管不會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差，仍然可以提供安靜的低噪音數(shù)據(jù)。當(dāng)時(shí)，CTD懸掛于船舶下方約4900m的深度處長(zhǎng)達(dá)1.85小時(shí)，期間的6660個(gè)數(shù)據(jù)樣本都已繪制在圖3中，結(jié)果顯示溫度、鹽度測(cè)量值分別保持在當(dāng)?shù)仄骄档?/-0.001℃、+/-0.00035psu內(nèi)，這也與基爾大學(xué)的Müller博士在北大西洋的試驗(yàn)結(jié)論相一致。

Batchelor在1967年對(duì)該機(jī)制做過(guò)很詳細(xì)的闡述，即CTD靜止時(shí)，進(jìn)入TC導(dǎo)管的水體來(lái)自于一個(gè)中心位于TC導(dǎo)管進(jìn)水口處的扁平球體。同時(shí)，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室水槽中進(jìn)行的染色測(cè)試也是一個(gè)有力的驗(yàn)證：CTD靜止時(shí)，進(jìn)水口處的流場(chǎng)可以形象化為進(jìn)口處的一組同心扁平球體，其體積率與潛水泵的速率相等。

5 結(jié)束語(yǔ)

泵控管路系統(tǒng)是海鳥(niǎo)公司的偉大創(chuàng)新，解決了傳統(tǒng)CTD測(cè)量手段面臨的鹽度尖峰問(wèn)題。該設(shè)計(jì)提高了CTD空間分辨率，保證了C-T傳感器之間的同步，并且在靜態(tài)時(shí)也表現(xiàn)良好。盡管如此，仍有部分海洋微結(jié)構(gòu)研究人員認(rèn)為泵控管路系統(tǒng)破壞了水體的自然狀態(tài)，關(guān)于此問(wèn)題今后還需投入更多精力進(jìn)行研究。

參考文獻(xiàn)

[1]肖波，溫明明，郭斌斌.溫鹽深測(cè)量系統(tǒng)誤差源分析及處理[J].海洋信息，2014（3）：7-9.

[2]SBE 9plus CTD User's Manual.Sea-Bird Electronics，Inc，Bellevue，2013.

[3]Fundamentals of the TC Duct and Pump-Controlled Flow Used on Sea-Bird CTDs.Sea-Bird Electronics，Inc，Bellevue，2012.

[4]張愛(ài)軍.幾種常用的CTD資料時(shí)間滯后訂正方法的分析和比較[J].海洋通報(bào)，1992（5）.

[5]張兆英.CTD測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].海洋技術(shù)，2003，4：105-110.

作者簡(jiǎn)介：郭斌斌（1990-），男，助理工程師；主要從事物理海洋調(diào)查及研究工作。