CZT1-2型船載拖曳式多參數剖面測量系統走航測量性能檢驗及測量數據海上比測

石超英，王愛軍，王　聰，韓兆輝，王巖峰

（1.國家海洋標準計量中心，天津　300112；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東　青島　266061）

CZT1-2型船載拖曳式多參數剖面測量系統走航測量性能檢驗及測量數據海上比測

石超英1，王愛軍1，王聰1，韓兆輝2，王巖峰2

（1.國家海洋標準計量中心，天津300112；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東青島266061）

船載拖曳式多參數剖面測量系統是測量溫度、深度、濁度、溶解氧、pH和葉綠素等多種海洋環境要素，提供海洋環境信息的重要觀測設備。通過對2011年8月在渤海開展的CZT1-2型船載拖曳式多參數剖面測量系統比測試驗，研究了該國產設備在渤海海區的適用效果。結果表明，傳感器定點比測試驗中，溫度、鹽度等數據的相關系數較好，而硝酸鹽、磷酸鹽、亞硝酸鹽、硅酸鹽和氨氮等營養鹽的相對誤差較大。在海試試驗中，船載拖曳式多參數剖面測量系統經過了8 h試驗，完成了預期的試驗項目，拖體系統（含傳感器）和甲板單元工作正常，具有良好的可靠性和環境適應性。本次海上比測試驗為船載拖曳式多參數剖面測量系統進行改善、優化提供依據，為其產業化打下堅實的基礎，并對海上試驗提出了相應的改進建議。

拖曳式剖面測量系統；渤海；比測

船載拖曳式多參數剖面測量系統是以波浪式拖曳為主要工作方式，且其軌跡和姿態可控的拖曳體。CZT1-2型船載拖曳式多參數剖面測量系統主要針對100 m水深以內的海域，可測量溫度、鹽度、深度、濁度、溶解氧、pH、葉綠素和營養鹽等海洋環境要素，為海洋工程、海洋開發、海洋研究等領域提供海洋環境信息［1］。

為了保證海洋公益性行業科研專項“拖曳剖面觀測在渤海海域水質監控的應用研究”的質量，國家海洋標準計量中心、國家海洋局第一海洋研究所、國家海洋監測中心等單位，共同組織實施了此次在渤海的海上比測試驗，檢驗各傳感器的主要技術性能指標，試驗結果為課題驗收提供支撐，同時也為船載拖曳式多參數剖面測量系統進行改善、優化提供依據，為其產業化打下堅實的基礎。

1　比測試驗方法

本次海上試驗的CZT1-2型船載拖曳式多參數剖面測量系統主要由可控制軌跡和姿態的拖曳體，以及溫度、鹽度、深度、濁度、溶解氧、pH、葉綠素、營養鹽及數據采集器和拖曳組成。海上比測試驗用船為“意興輪”，拖曳系統試驗用船為“煙港拖18”，于2011年8月23日13：48匯合于121°09.50'E，37° 54.00'N，然后同時開始采樣測試，整個試驗歷時2 d。

比測試驗項目包括：船載拖曳式多參數剖面測量系統布放與回收、實時傳輸距離試驗、拖曳體運動軌跡試驗和傳感器數據比測試驗，其中拖曳體運動軌跡試驗包括（5～6）kn，（6～7）kn，（7～8）kn，（8～9）kn，（9～10）kn航速下分別完成自動控制狀態下的5～15 m（或5～20，5～25 m）波浪式剖面和20 m定深拖曳，以及（8～8.5）kn航速下（5～60）m波浪式手動剖面拖曳（渤海最大水深85 m，因此預期最大下潛深度為60 m）。傳感器數據比測試驗是指在工作剖面上設置4個站位的垂直剖面定點測量，其結果與拖曳體攜帶的傳感器在同樣水深中的測量結果進行比對。本次海上比測定點測量中的溫度、鹽度、深度、濁度、和pH等要素的測量儀器為SBE25 CTD，溶解氧為現場采用使用碘量法滴定得到［2-3］，而5項營養鹽要素則是采樣冷藏帶回實驗室使用分光光度計測量得到［4］。

表1　4個垂直剖面站位的位置及取樣深度

2　比測數據處理方法

2.1各測站的數據處理

對于各測站的拖曳走航系統和采水器樣品的溫度、鹽度、pH、溶解氧、濁度等測量數據，分別按式（1）～式（3）計算出各觀測要素的相關系數、誤差絕對值和相對誤差絕對值。

式中：|Δji|，δji和Rj分別為j測站i測量值的誤差絕對值、相對誤差絕對值和該測點相關系數；Xji和分別為拖曳走航系統在j測站i測量值和該測點的測量平均值；Yji和分別為采水器樣品在第j測站i測量值和該測點的測量平均值。

將計算后的誤差絕對值和相對誤差絕對值當作樣本，分別求出該樣本的最大值平均值和方差σj，作為誤差絕對值的最大值、平均值和方差。

2.2所有測站總體樣本的數據處理

將處理好的各測站拖曳走航系統和采水數據分別首尾相接，得到拖曳走航系統和SBE 25 CTD剖面儀的觀測數據的總體樣本。分別計算出各觀測要素的總體樣本的相關系數、誤差絕對值和相對誤差絕對值。依據總體樣本的誤差絕對值和相對誤差絕對值，計算總體樣本的誤差絕對值和相對誤差絕對值的最大值、平均值和方差。

3　比測結果與分析

3.1（5～10）kn航速下波浪式和20 m定深拖曳試驗

比測試驗中，分別以（5～6）kn，（6～7）kn，（7～8）kn，（8～9）kn，（9～10）kn航速航行，在每個航速下分別完成自動控制狀態下的5～15 m（或5～20 m，5～25 m）波浪式剖面和20 m定深拖曳（見圖1），要求每個航速下波浪式剖面自動重復10次以上，定深拖曳達到穩定狀態后重復30 min［6］。

圖1　波浪式和定深剖面試驗中深度對時間的變化

從圖1可以看出，本次海試圓滿完成了預期的波浪式剖面和20 m定深拖曳試驗項目，拖體系統（含傳感器）和甲板單元工作正常，具有良好的可靠性和環境適應性。（5～10）kn航速20 m定深拖曳試驗中，拖體的平均深度均大于19.96 m，標準差均小于0.05 m。圖2可看到（5～10）kn航速下波浪式剖面試驗中各傳感器測量數據隨時間和深度的變化，各傳感器數據傳輸正常，其中溫度、鹽度、DO和葉綠素4個參數隨著深度的變化有顯著的變化，而pH和濁度則沒有顯著變化。

3.2（8～8.5）kn航速（5～60）m波浪式拖曳試驗

本次海試還進行了波浪式手動拖曳試驗，試驗中拖曳系統放纜90 m，以（8～8.5）kn航速，拖體進行了5個（5～60）m波浪式手動剖面拖曳，試驗中最大剖面深度達到60 m，達到了預期深度、完成了預期的正弦剖面運動軌跡。由圖3可見，（5～60）m波浪式剖面試驗中傳感器數據傳輸正常，各傳感器的測量結果隨時間和深度的變化有顯著的波浪式變化，試驗效果較好。

3.3定點比測試驗

比測試驗中，在工作剖面上設置4個站位的垂直剖面，對拖曳體攜帶的傳感器所測量的溫度、鹽度、pH、溶解氧、濁度、葉綠素a、硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽和氨氮9項要素，進行定點比測。

圖2　定深拖曳試驗中溫度、鹽度、pH、DO、葉綠素a、濁度隨時間、深度變化

表2列出了拖曳體各傳感器數據的相關性與誤差分析。拖體的溫度、鹽度與SBE25CTD的數據相關系數較好，其相關系數分別為0.944 6和0.992 7。pH傳感器與采集水樣所得數據之間的絕對誤差最大值為0.22。在比測過程中，溶解氧、葉綠素a和濁度等其相對誤差絕對值的最大值較大，原因可能是拖曳測量和站位測量的測量位置不完全一致導致的。

由表3所示，硝酸鹽、磷酸鹽、亞硝酸鹽、硅酸鹽和氨氮等營養鹽的相對誤差很大，主要原因可能是營養鹽原位快速反應探測的技術尚存在諸多問題，營養鹽的數據測量有一定時間的延遲導致測量結果不準確［5］。另一可能的原因是，裝載拖曳走航系統與定點比測試驗的船只并不能保證完全在同一地點，因此存在一定的時間差異，也會導致最后比測數據上差異較大。

圖3　波浪式拖曳試驗中溫度、鹽度、pH、DO、葉綠素a、濁度隨時間、深度變化

4　結論

船載拖曳式多參數剖面測量系統是測量溫度、深度、濁度、溶解氧、pH和葉綠素等多種海洋環境要素，提供海洋環境信息的重要觀測設備［1，6］。本次渤海海域的海上比測試驗，船載拖曳式多參數剖面測量系統經過了8 h試驗，順利完成了預期的波浪式剖面和20 m定深拖曳試驗項目，（5～10）kn航速20 m定深拖曳試驗中，拖體的平均深度均大于19.96 m，標準差均小于0.05 m，（8～8.5）kn航速（5～60）m波浪式剖面拖曳試驗中最大剖面深度達到60 m。拖體系統（含傳感器）和甲板單元工作正常，具有良好的可靠性和環境適應性。

在傳感器定點比測試驗中，溫度、鹽度等數據的相關系數良好；溫度、鹽度、pH、DO、濁度、葉綠素a等其誤差絕對最大值依次為1.45℃，0.08，0.22，0.81 mL/L，1.50 NTU，5.69 mg/m3；硝酸鹽、磷酸鹽、亞硝酸鹽、硅酸鹽和氨氮等營養鹽數據的相對誤差很大，其主要原因可能是營養鹽原位快速反應探測的技術尚存在諸多問題，且沒有經過校準，導致測量結果不準確。

另外，基于本次海試中營養鹽數據的相對誤差很大，建議比測設備和拖曳系統測量設備在比測時盡可能保持時空的一致性，避免因所測量水團的空間位置不同和采樣時間不同而引入不必要的誤差。同時，濁度、葉綠素a、硝酸鹽、磷酸鹽、亞硝酸鹽、硅酸鹽和氨氮等采集水樣分析的要素應在船上取樣后立即分析，這樣得出的數據更具有可比性。

表2　定點比測試驗中各傳感器數據誤差一覽表

表3　定點比測試驗中各營養鹽數據誤差一覽表

［1］國家海洋局第一海洋研究所.HY/T158-2013.拖曳式多參數剖面測量系統［S］.北京：中國標準出版社，2013.

［2］國家海洋標準計量中心.HY/T096-2007海水溶解氧測量儀檢測方法［S］.北京：中國標準出版社，2007.

［3］劉彬.溶解氧的測定［J］.化學傳感器，2011（04）：68-72.

［4］國家海洋局第一海洋研究所.GB/T12763.1海洋調查規范第2部分：海水水文觀測［S］.北京：中國標準出版社，2007.

［5］四川大學.HY/T093-2005海水營養鹽自動分析儀［S］.北京：中國標準出版社，2005.

［6］王巖峰.拖曳式多參數剖面測量系統的總體設計、功能評價及應用［D］.青島：中國科學院研究生院（海洋研究所），2006：38-53.

Examination of Measuring Properties and Comparison of Measuring Data at Sea for the CZT1-2 Ship-borne Multi-Parameter Drag Measurement System

SHI Chao-ying1，WANG Ai-jun1，WANG Cong1，HAN Zhao-hui2，WANG Yan-feng2
1.National Center of Ocean Standards and Metrology，Tianjin 300112，China；
2.First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061，Shandong Province，China

The ship-borne drag multi-parameter profile measurement system is important observing equipment used to measure various marine environmental factors，including temperature，depth，turbidity，dissolved oxygen，pH and chlorophyll concentration，and to provide information on the marine environment.Based on the test for the CZT1-2 ship-borne multi-parameter drag profile system carried out in August 2011 in the Bohai Sea，this paper studies the applicable effect of domestic equipment in Bohai area.The results show that in the fixed-point comparison tests of sensors，correlation coefficients of temperature，salinity are relatively good，while the relative errors of nitrates，nitrites，phosphates，silicates and ammonia nitrogen are larger.In the sea test，a 8-h test for the ship-borne drag multi-parameter profile measurement system has completed the expected experimental programs，during which the drag system（including sensors）and the deck component work well and have good reliability and environmental adaptability，providing a sound basis for the improvement，optimization and industrialization of the system.This paper also puts forward corresponding suggestions for improving the tests at sea.

drag profile measurement system；Bohai Sea；comparison

P715

A

1003-2029（2016）02-0071-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.013

2015-09-04

海洋公益性行業科研專項經費資助項目（200805025）

石超英（1982-），女，碩士，工程師，主要研究方向為化學計量。E-mail：tenfly04@126.com