泵控管路系統在溫鹽深測量中的優勢分析

郭斌斌等

摘 要：溫鹽深測量技術發展過程中，如何消除鹽度尖峰現象一直是大家關心的問題。海鳥公司的泵控管路系統設計，對于修正此類動態誤差，效果明顯。文章將對該設計的物理結構及工作原理進行簡要介紹，重點討論泵控管路系統在提高CTD空間分辨率以及同步C-T傳感器方面的功能，并使用現場數據驗證該系統在靜態時的性能表現。

關鍵詞：溫鹽深測量；泵控管路；潛水泵；鹽度尖峰

前言

海洋研究者們一直對鹽度、密度充滿興趣，而CTD直接測量的海水要素是溫度、壓力及電導率，此三個要素稱為“基礎要素”。由于鹽度和密度是由基礎要素計算得來，所以必須保證對基礎要素的測量是同步完成，即針對同一時間、同一水團微元，否則得到的結果必然錯誤，并且會導致尖峰現象[1]。采用數據平均消除數據尖峰并不是一個好選擇，因為這將會損失分辨率，并且會得出錯誤的平滑值。許多CTD無法達到同步測量的要求，原因在于其溫度、電導率傳感器本身的物理位置不一致，或者傳感器間響應時間不同。尤其是此類CTD電導率單元的響應時間取決于CTD下降速率，而較低的移動速度又需要較長的響應時間。除非CTD投放速度已知且恒定，要不然這些系統的電導率單元的響應時間會不停變化，劇烈的數據尖峰也會發生。但實際情況是，由于船舶的運動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，海鳥公司采用了獨有的泵控管路系統設計，此舉大大推進了溫鹽深測量技術的發展。

1 系統結構

如圖1所示，泵控管路系統由TC導管、管路和潛水泵組成[2]。隨著CTD下放，水體被吸進管路系統，溫度是最先被測量的要素。隨后水體先后流經電導率傳感器、溶解氧傳感器、潛水泵，最后通過潛水泵的出水口排出設備。系統內部，TC導管確保了溫度、電導率傳感器一起感應過的所有水體都必須穿過一個直徑0.4cm的通道，且正常運轉下的潛水泵能強迫水體以30cm3/s的恒定速度流動。

2 提高CTD空間分辨率

使用泵控管路系統，海鳥CTD擁有比其他任何CTD更高的空間分辨率。

通過觀察圖1的TC導管放大部分可以認為，CTD獲得的每個數據樣本代表了進水口下方的微小水柱。考慮到對流進行解析描述多少有些復雜，所以為了討論容易，我們將該微小水柱想象為簡單的圓柱體[3]。假設潛水泵抽動水體進入TC導管的速度等于CTD的下放速度，那么作為水體來源的微小水柱的直徑必然與TC導管的內徑相等，即0.4cm。在這種情況下，CTD就像在一個從海表延伸到海底、直徑0.4cm的全水柱中下降。所有進入TC導管的水體都來自于這個水柱內，而不會是水柱外的水體。在實際中，CTD每秒從水柱中獲得的水體積必須等于潛水泵的驅動體積。在SBE 9plus CTD中，這個體積等于30cm3/s。而隨著CTD投放速度的改變，微小水柱的直徑也會隨之變化，以滿足潛水泵所需要的水體積。

假設采樣率為24Hz，則每個水體樣本對應于一個微小水柱，水柱高度是CTD在1s內移動距離的1/24。以SBE 9plus CTD為例，容易測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，CTD測量的每個數據樣本對應于一個直徑約為0.6cm的微小水柱，這些水柱首尾相連堆疊于CTD的運動路徑上。因而，海鳥CTD獲得的每個數據樣本分別代表了一個水體微元的真實溫度、電導率，水體微元典型尺寸滿足：直徑小于1cm，高度小于5cm，詳情見表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，無法在同一時間對同一水團微元進行測量[4]；（2）各傳感器的響應時間不一致，個別傳感器易受投放速度影響。

我們知道，TC導管與電導率單元的總體積大約為6cm3，按照水體的行進順序可將其劃分為3個區，其中TC導管和第一個單元電極上游的短長度單元為1區，共2.2cm3；外側電極內的單元部分是有效測量區域，為2區，共2cm3；電導率單元下游1.8cm3區域內的水體已經超出單元的有效區域，為3區。

1區不是電導率單元的有效測量區域，在30cm3/s的泵速下充滿該區域需要0.073s。這個延遲是在任何情況下都存在的溫度傳感器與電導率傳感器之間的恒定時間差，即使是CTD投放速度出現改變。SBE 11plus 甲板單元自動扣除了這個延遲，以便傳輸到電腦中的電導率、溫度數據得到及時、正確的滯后校準，并且能真實地代表同一水團微元。水體通過1區后，一旦到達第一個電極，電導率單元的響應取決于填充單元有效體積所用的時間。而這個有效體積只由外部電極內的單元部分組成，即2cm3大小的2區，完全填充該區需要0.067s。而3區的水體已經超出了有效測量區域，填充該空間與電導率傳感器的響應無關。

據以上分析，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，只需提前一個傳感器測量值的時間，如此即可與其它傳感器測量值的時間相匹配。而對于問題2，海鳥CTD的數據顯示：使用泵和TC導管的溫度、電導率傳感器都表現出一樣的時間響應，大約0.060s。經過華盛頓大學Michael Gregg博士一系列精益求精、全面的現場測量，海鳥CTD的響應時間已經重新測量并得到更新。

綜合以上，泵控管路系統有效解決了C-T傳感器不同步的問題，圖2中的對比曲線很好的證明了這一點。

4 靜態時的性能分析

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（145°19.0503′W，8°24.0111′N）的一次CTD試驗表明：當海鳥CTD靜止時，潛水泵與TC導管不會導致測量誤差，仍然可以提供安靜的低噪音數據。當時，CTD懸掛于船舶下方約4900m的深度處長達1.85小時，期間的6660個數據樣本都已繪制在圖3中，結果顯示溫度、鹽度測量值分別保持在當地平均值的+/-0.001℃、+/-0.00035psu內，這也與基爾大學的Müller博士在北大西洋的試驗結論相一致。

Batchelor在1967年對該機制做過很詳細的闡述，即CTD靜止時，進入TC導管的水體來自于一個中心位于TC導管進水口處的扁平球體。同時，通過在實驗室水槽中進行的染色測試也是一個有力的驗證：CTD靜止時，進水口處的流場可以形象化為進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 結束語

泵控管路系統是海鳥公司的偉大創新，解決了傳統CTD測量手段面臨的鹽度尖峰問題。該設計提高了CTD空間分辨率，保證了C-T傳感器之間的同步，并且在靜態時也表現良好。盡管如此，仍有部分海洋微結構研究人員認為泵控管路系統破壞了水體的自然狀態，關于此問題今后還需投入更多精力進行研究。

參考文獻

[1]肖波，溫明明，郭斌斌.溫鹽深測量系統誤差源分析及處理[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]張愛軍.幾種常用的CTD資料時間滯后訂正方法的分析和比較[J].海洋通報，1992（5）.

[5]張兆英.CTD測量技術的現狀與發展[J].海洋技術，2003，4：105-110.

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