潛標CTD的現場溫鹽比測方法研究

陳 釗，魏傳杰*，刁新源，陳 磊，孫 毅，趙張南，潘 俊

（1.中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071；2. 中國科學院海洋大科學研究中心，山東 青島 266071）

潛標是一種在水下進行長期海洋環境觀測的錨定系統，主要結構包括主浮球、多種海洋觀測儀器、聲學釋放器、重力錨和串聯儀器的纜繩，大規模布放潛標已成為遠洋綜合科考船的常規作業內容[1-3]。溫鹽深剖面測量儀（CTD）作為測量海洋物理性質的重要觀測儀器有多種測量布放方式，包括站位測量，走航測量和長期定點測量[4-6]。潛標CTD是長期定點測量的典型方案，是潛標系統中必不可少的設備，可以為科研人員提供不同深度下精確的海水溫度、鹽度等參數[7]，對大洋暖池形成機制、熱鹽環流效應等研究有重要意義[8]。

溫鹽傳感器的制作工藝和材料特性決定了其測量結果會隨時間漂移[9]，解決這一問題的方法為傳感器校準。目前，陸地實驗室校準技術已經較為完善[10]，通過恒溫槽、鉑電阻溫度計、測溫電橋、鹽度計、壓力計等設備可進行高精度的數據校準[11]，但潛標CTD由于時間和成本原因無法全部帶回陸地進行校準，科考船也不具備海上校準的設備和條件，潛標CTD在長期使用后儀器數據發生漂移、準確度降低，對科學研究的正確性和可信性造成嚴重影響[12]。設計一種潛標CTD的作業現場比測方法具有現實需求和重要意義。本文依據船載CTD的作業內容，為SBE37潛標CTD設計了一種比測裝置，以SBE911船載CTD為測量標準，計算了潛標CTD的溫鹽傳感器校準系數，并將該系數下獲取的數據與未校準的數據進行比較，為提升我國海洋科學觀測網的數據準確度提供了技術支撐。

1 比測設備

1. 1 船載CTD和潛標CTD

校準實驗室的核心設備為恒溫槽，槽內各個位置的水溫一致[13]，而且可以通過測溫電橋和標準鉑電阻精確測量[14]。大洋的溫鹽結構較為穩定[15]，在短時間內不會發生大幅度變化，并且大洋可視為分層水體[16]，其水平方向上的臨近點可視為同一水團[17]，其溫鹽可由SBE911船載CTD進行測量，通過一定時間段內的數據平均可得到該位置的相對準確的溫鹽值。SBE911船載CTD是目前深海觀測中應用最為廣泛的產品，在同類海洋儀器中具有最高的測量精度[18]，其技術指標如表1所示。

表1 SBE911船載CTD技術指標

SBE37潛標CTD具有高精度溫鹽傳感器，其電導率傳感器配置有抽水泵，測量準確度與SBE911船載CTD一致，目前廣泛應用于潛標系統中，是使用最多的潛標CTD，其技術指標如表2所示。

表2 SBE37潛標CTD技術指標

本文將以2020年9月進行了實驗室校準的船載CTD數據作為標準，對SBE37潛標CTD的測量數據進行對比。

1. 2 裝置設計

本文設計的比測裝置需要滿足以下兩點：

（1）為使潛標CTD與船載CTD測量同一層水體，二者的溫鹽探頭需要在同一平面上。

（2）根據儀器的結構設計，潛標CTD的布放方式為探頭一端朝上豎直放置[19]。

本文根據這兩點設計了用于比測的CTD底托架，如圖1所示。布放船載CTD時將底托架固定于CTD整體的下方，在底托架上有上下四根固定橫桿，最多可在一個站位的船載CTD作業中校準8臺潛標CTD，可以滿足一套及以上潛標系統的CTD使用數量。

圖1 比測底托架安裝示意

2 比測實驗

2. 1 實驗方法

本實驗于2020年9月依托“科學”號西太平洋航次進行，實驗步驟如下：

（1）設置潛標CTD的采樣間隔為5 s，并與船載CTD進行時間同步，將其固定在比測所用的底托架上。

（2）進行船載CTD作業，在下放過程中選取船載CTD顯示溫度為27℃, 25℃, 20℃, 15℃,10℃, 5℃, 3℃附近的位置，并記錄到達該位置的時間。每個位置靜置2 min，使兩種CTD測量的水團充分混合。

（3）船載CTD回收后，讀取潛標CTD數據，根據時間查找比測數據，取靜置時間段內第2 min的數據進行平均，以減小水團不穩定引起的誤差。

CTD溫鹽剖面圖如圖2所示。

圖2 船載CTD溫鹽剖面圖

2. 2 求解校準系數

通過儀器配置說明，溫度校準系數a0,a1,a2,a3的相關表達式為[20]：

式中：Tκ（℃）代表船載CTD第κ組溫度平均值；Ntκ（Hz）代表潛標CTD第κ組溫度通道頻率平均值。通過5組數據的回歸分析方法確定a0,a1,a2,a3值。

電導率校準系數g,h,i,j的相關表達式為：

式中：δ=3.25×10-6，ε=-9.57×10-8，Cκ（S/m）代表船載CTD第κ組電導率平均值；Fcκ（kHz）代表潛標CTD第κ組電導率通道頻率平均值；Tκ（℃）代表船載CTD第κ組溫度平均值；pκ（dbar）代表船載CTD第κ組壓力平均值。在實驗室校準中，pκ項近似為0，往往忽略不計[21]，而由于本實驗是在大洋高壓環境中進行，所以pκ項為重要參數，必須參與計算，求解所需數據見表3。

表3 求解校準系數使用的相關數據

3 比測結果

該實驗中使用的潛標CTD有3組校準系數，分別為2014年3月的原始校準系數、2020年5月的實驗室校準系數和2020年6月的比測校準系數，其中比測校準系數由式（1）、式（2）和表3數據計算得出，溫度校準系數見表4，電導率校準系數見表5。

表4 溫度校準系數

表5 電導率校準系數

分別選取6組參考溫度、電導率真值，通過實驗室校準系數分別計算出Ntκ(Hz)和Fcκ(kHz)，將二者代入原始校準系數和比測校準系數，通過式（1）和式（2）由比測系數和原始系數分別計算溫度、電導率值和相應誤差。計算電導率時假定溫度為20℃，壓力項忽略。

溫度比測結果如表6所示，誤差對比見圖3(a)，電導率比測結果如表7所示，誤差對比見圖3(b)。

表6 溫度比測結果

表7 電導率比測結果

圖3 溫度和電導率誤差對比

由表6、表7和圖3可知，通過原始校準系數和比測所得校準系數計算的溫度、電導率值與與實驗室校準后的結果存在誤差。對二者的誤差進行比較，比測誤差較原始的誤差小，在選取的12個溫度和電導率特征點上，比測誤差絕對值比原始誤差絕對值小的有6個，相同的有3個，大的有3個。溫度比測誤差絕對值的均值為3.833 3×10-4℃，原始誤差絕對值的均值為5.500 0×10-4℃，電導率比測誤差絕對值的均值為2.166 7×10-4S/m，原始誤差絕對值的均值為2.3333×10-4S/m。

4 結 論

本文設計了一種比測裝置，該裝置使潛標CTD與船載CTD測量同一水團，便于兩者進行數據對比。通過現場實驗對兩種CTD進行比測，以船載CTD作為標準數據，通過回歸分析方法計算了船載CTD的溫鹽傳感器校準系數。通過給定真值和實驗室校準系數計算出傳感器頻率值，再將該值與校準前后的系數代入計算公式，分別得到校準前后測量儀器的誤差。實驗結果表明，以船載CTD為標準對潛標CTD進行比測后，數據誤差降低，本文中設計的比測方法對提高測量設備準確性有一定作用。

由于本文中使用的潛標CTD是用于實驗室計量認證，使用率較低，所以該CTD的數據漂移并不明顯，其測量結果與實驗室校準后的測量結果相差不大，這導致比測實驗對數據準確度的提高效果不顯著。若實驗設備在具有腐蝕性的海水中長期使用，本實驗的效果將更加明顯。實際上，海水溫鹽場的波動較為明顯，無法達到恒溫槽效果，本文中的船載CTD數據經過平均處理后，船載CTD與潛標CTD數據一致性較好，有一定偶然性。此外，本實驗需要使用0～1 500 m的CTD數據，所以該校準方法僅適用于1 500 m以深的海區，且必須為溫鹽結構較為穩定的大洋區。

本文中的比測方法可以提高潛標CTD的測量精度，可為作業現場的CTD校準提供一種解決方案，但是此方法限制條件較多，不能適用于所有海區。因此，進行陸地實驗室校準或建設一套船載的標定系統才能從根本上提高潛標CTD的數據質量問題。