船載海水溫度觀測研究

朱洪海, 祁國梁, 劉茂科, 王 志, 楊俊賢, 賀亞楠, 劉 帥

船載海水溫度觀測研究

朱洪海1, 2, 3, 4, 祁國梁1, 2, 3, 4, 劉茂科4, 王 志1, 2, 3, 4, 楊俊賢1, 2, 3, 4, 賀亞楠1, 劉 帥1

(1. 齊魯工業大學(山東省科學院) 山東省科學院海洋儀器儀表研究所, 山東 青島 266061; 2. 山東省海洋環境監測技術重點實驗室, 山東 青島 266061; 3. 國家海洋監測設備工程技術研究中心, 山東 青島 266061; 4. 山東省經海儀器設備有限公司, 山東 青島 266061)

通過研究國家相關海洋觀測標準對海水溫度觀測的規約, 結合當前船載水溫觀測的現狀, 提出了基于總線的船載磁吸附溫度鏈式觀測方法, 并對其在結構設計、理論模型、算法等多方面進行了闡述。通過多個豎直分布的溫度傳感器實時觀測, 采用自適應參數化算法, 有效減少了風浪、海流、熱輻射等方面的影響, 具有觀測層深相對固定、精度高等特點, 可實現船載全航次的自動觀測。同時, 設計制造了相關的模擬實驗裝置進行現場實驗, 驗證了船載磁吸附溫度鏈式觀測方法的可行性和有效性。

海水溫度; 磁吸附; 溫度鏈; 模擬仿真; 總線

海水溫度是海洋物理性質中最基本和最重要的要素之一, 是海水熱力學研究的重要物理量[1], 是支配海水運動的重要因素, 對天氣、氣候的狀況有十分重要的影響[2], 能直接反映全球氣候變化和全球海洋整體特征分布[3]。海水溫度在不同海區、不同季節、不同垂直層次呈現出不同的變化, 同時受到天氣、洋流、徑流等因素的影響, 其連續變化性呈現一定的規律。海水溫度測定和研究對我們研究海洋物理、化學、生物、地理等方面都具有非常實用的價值[4], 對于沿海海洋生態環境、海上養殖和捕撈作業、濱海旅游、赤潮預報以及軍事國防等都有重要意義[5]。

隨著衛星觀測精度的不斷提高, 目前已經可以提供海面溫度的格點資料, 但還達不到船舶觀測的精度[3]。隨船海水溫度觀測仍是我們當前不可或缺的數據獲取手段, 是全球天氣網的重要組成部分, 對提高海洋環境預報的準確率, 保障船舶航行安全有極其重要的意義。同時, 船舶能夠根據本站觀測數據對氣象部門發布的天氣預報進行修訂, 以便船舶能更好地完成航行任務[6]。

1 海水溫度觀測要求

海水溫度觀測的要求和方法, 隨觀測海域及觀測目的的不同而有所不同。

1.1 觀測準確度要求

根據項目的要求和研究目的, 兼顧觀測海區和觀測方法, 相關海洋觀測規范中規定: 海水溫度觀測的單位為℃, 并將海水溫度觀測的準確度等級分為三級[7-8]。而在船舶海洋水文氣象輔助測報規范的表層海水溫度觀測要求中, 未對觀測準確度進行分級要求, 規定準確度為±0.2 ℃, 觀測數據記錄到0.1 ℃[9]。

1.2 觀測層深要求

以下是相關海洋觀測國家標準對觀測層深的規定。

《GB/T 14914.2—2019海洋觀測規范第2部分: 海濱觀測》[7]中規定表層海水溫度是指海水表面到0.5 m深處之間的海水溫度。

在《GB/T 17838—2017船舶海洋水文氣象輔助測報規范》[9]中去掉了海水水溫表層的明確規定。在自動觀測方法的表述中指出可以從船體進水口處安裝海水溫度傳感器。

船體進水口入水深度隨船舶的吃水線變化而變化, 而船舶的吃水線隨其載重的不同而浮動, 大型船舶上下浮動可能超過10 m以上。部分船舶有不止一個進水口, 這些入水口深度不同, 根據船舶吃水線的變化船上會選擇入水口的使用。由此可知, 通過船體進水口來進行水溫的觀測, 其觀測深度是變化的, 不確定的。

1.3 觀測頻度要求

海水溫度觀測頻度的要求與觀測方法有直接的關系。一般來說, 自動觀測方法采用連續觀測的方式, 人工觀測方法采用定時觀測的方式。

《GB/T 14914.2—2019海洋觀測規范第2部分: 海濱觀測》[7]對自動觀測的要求到每分鐘, 整點前一分鐘的平均值作為該整點的觀測值。人工觀測未明確頻度要求。

《GB/T 17838—2017船舶海洋水文氣象輔助測報規范》[9]自動觀測也是連續觀測, 人工觀測也未明確頻度。

《GB/T 12763.2—2007海洋調查規范第2部分: 海洋水文觀測》[8]中要求: 大面或斷面觀測, 船到站觀測一次; 連續測站一般每小時觀測一次。《海洋調查方法》[10]中建議: 如果有可能, 最好連續記錄, 間隔越短越好。

2 觀測設備與方法

海水溫度的觀測分為人工觀測方法、自動觀測方法和遙感法等。

觀測儀器設備包括表層水溫表、顛倒溫度計、溫鹽傳感器、溫鹽深儀(CTD)、拋棄式溫深儀(XBT)、拋棄式溫鹽深儀(XCTD)、走航式CTD、機載拋棄式溫度計(AXBD)、漂流浮標、Argo浮標機載紅外輻射計、海水溫度掃描儀、海洋水色掃描儀、高分辨率輻射計及可見光、紅外線掃描儀等。

相關儀器設備的操作規程已經非常成熟完善, 操作方法與步驟須嚴格按照相關標準或規程操作。人工觀測方法中的工作人員, 應該熟知儀器設備的性能和操作規程, 對于科考船和調查船來說不存在問題, 但對于志愿觀測船來說, 發展人工觀測的難度很大。

固定站點溫鹽井進行表層水溫觀測, 一般采用將傳感器安裝在專用浮體上的方式, 如圖1所示。浮體隨潮位變化升沉, 實現定水層觀測。這種方式簡捷穩定, 在目前海洋站的業務化觀測中被廣泛采用。

圖1 溫度傳感器浮子式安裝圖

由于船舶的吃水線變化、航行以及波浪等各種因素的影響, 走航式定水層觀測的實現要復雜一些。如采用拖曳體、多參數剖面測量系統(MVP)[11]等進行觀測, 這種觀測一般需要限制船只的行進速度, 對船只本身也有一定要求, 僅適用于科考船和調查船。

依據《GB/T 17838—2017船舶海洋水文氣象輔助測報規范》[9], 在志愿船自動觀測系統中開始采用船體入水口管道口安裝的方式, 如圖2所示, 實現船載水溫的自動觀測。如前文所述, 船舶吃水線的變化, 其觀測層深有不確定性。

圖2 溫度傳感器入水口管道安裝圖

3 船載磁吸附溫度鏈式觀測方式研究

將多個溫度傳感器組成鏈式結構, 利用強磁吸附的方式, 將鏈式結構吸附于船側或者設備觀測井內。多傳感器同時觀測, 采用RS485總線方式傳輸數據, 并構建算法去除船舶運動起伏的影響, 得到表層水溫, 實現船載全航次的自動觀測, 如圖3所示。

圖3 磁吸附溫度鏈式觀測方式

3.1 搭建模擬仿真實驗裝置

仿真試驗裝置為溫度鏈提供了一種可重復實現、可量化的船舶與水面的相對運動模擬場景, 可以精確仿真不同幅度和周期的船舶運動, 仿真裝置主要包括控制主機和執行機構兩大部分。其中控制主機由PLC和人機界面組成, 作用是控制執行機構按照設定好的動作運動; 執行機構由步進電機、絞車和支架組成, 執行主機的控制邏輯, 實現船舶水面相對運動的模擬和仿真。主機通過控制步進電機帶動絞車轉動, 固定在絞車鋼纜上的溫度鏈裝置隨著鋼纜的上下起伏而運動, 與水面產生相對運動, 由于上下運動的速度和位移不同, 從而模擬出不同周期和幅度的運動場景, 原理如圖4所示。仿真模擬裝置實物如圖5所示。

圖4 模擬仿真實驗裝置原理圖

圖5 模擬仿真實驗裝置實物圖

3.2 仿真實驗

3.2.1 溫度鏈工況分析

溫鹽鏈由多個傳感器串行豎直排列在船側表面, 由于受到風浪、船舶升沉運動等的影響, 單個傳感器的入水狀態可以分成3類:

1) 始終浸沒在水面之下: 傳感器溫度測試數據屬于對應深度的水溫(海水溫度隨深度變化而變化, 傳感器受到風浪、船舶升沉運動的影響, 觀測數據也是變化的)。

2) 在水和空氣中往復運動: 傳感器從水到空氣(或者空氣到水中), 是一個動態吸熱或者散熱的過程, 觀測數據有較大的變化。

3) 一直處于空氣中: 雖然受到風、熱輻射等影響, 溫度有所變化, 但幅度很小, 其值基本與氣溫一致。

由此可見, 溫度鏈上傳感器的測量數值是動態變化的, 需要進行精確的數據處理, 才可得到準確的表層水溫。

3.2.2 理論分析

針對傳感器的各個工況:

1) 空氣中的測試數據是無效的, 與表層海水溫度無關。

2) 溫度鏈各個傳感器的深度無法測量, 并且是動態變化的, 只有通過深度值才能找到測試數據與表溫的關系, 現有溫度鏈裝置并不提供深度測量。

3) 傳感器隨水面升沉過程, 觀測數據的動態變化是海面溫度和空氣溫度的一個動態階躍響應, 通過對其動態過程的分析可以得到相對較精確的表溫值。

(1) 傳感器運動狀態分析

圖6 溫度鏈安裝示意圖

以海平面為固定坐標系, 傳感器隨船體坐標系做升沉運動(如圖6), 對其運動過程進行分析, 可以得到第個傳感器距離海水表面的豎直距離:

(2) 表溫計算

溫度傳感器從水到空氣(或空氣到水)中, 可以簡化成一階慣性環節[12-13], 如下:

R: 溫度傳感器溫度;air: 空氣溫度;air: 空氣中綜合傳導系數;wat: 表層海水溫度;wat: 海水中綜合傳導系數;R: 溫度傳感器的熱容;: 溫度傳感器的熱傳導有效質量;: 溫度傳感器進行熱傳導的有效厚度。

通過公式(2)可以看出: 溫度傳感器的測量值和海面溫度是一階線性變化的關系, 忽略傳感器動態變化帶來的相位延遲影響, 可以將傳感器每次的入水過程看作是一個有限時間內的階躍響應, 通過在這個過程中溫度變化規律推算出海面溫度。

由于整個過程容易受海流、熱輻射等的影響, 公式(2)中的響應時間系數、傳感器起始溫度不是一成不變的, 計算過程必須采用自適應參數進行實時計算。具體的, 針對在時刻之前的0時間段內采集序列(1,2,…,x)中提取一組有效的階躍響應序列(x+1,x+2, …,x+M), 對應時間點(k+1,t+2, …,t+M) 通過最小二乘法對數據進行一階慣性環節的擬合[14-16], 推算出海面溫度值, 具體理論結果如下:

表溫計算過程是根據傳感器入水的動態溫度變化來計算, 由公式(3)可以看出計算結果只與動態溫度序列有關, 與溫度傳感器的位移或者相對于海水面的高度均無關系, 因此由于船體的不規則形狀(非豎直)以及人工粘貼導致的溫度傳感器的位置誤差不影響表溫的計算精度。

3.3 仿真實驗數據分析

3.3.1 計算機仿真分析

借助Matlab計算平臺, 以3.2.2所建立的數學模型為基礎, 對多個傳感器的數據采集過程進行仿真分析。

3.3.1.1 工況1

傳感器運動規律為標準的正弦運動, 運動幅度0.5 m, 空氣溫度低于海水溫度, 2支傳感器間距0.6 m (1支在水面往復運動, 1支始終浸沒在水中), 仿真和實驗結果詳見圖7和圖8。通過仿真和實驗結果對比可以看出: 仿真和實驗結果相吻合,

圖7 正弦運動仿真結果

圖8 正弦運動實驗結果

3.3.1.2 工況2

傳感器運動加入波浪運動。在空氣溫度小于海面溫度情況下, 對9個傳感器(豎直間隔0.25 m)的采集過程進行仿真分析, 詳細結果見圖9。可以看出: 在波浪運動的影響下, 采集的數據更加不規則, 但在吃水線(圖9中的“高”表示傳感器距離吃水線的高度)±0.75 m以內的傳感器仍然具有很好的一階慣性環節響應的規律, 本文中的計算方法具有可行性。

圖9 船舶運動起伏影響下的溫度傳感器采集過程仿真

3.3.2 計算的驗證

3.3.2.1 模擬實驗驗證

由于海況不可控制以及海試風險、成本較高, 難以通過海洋實驗來驗證大幅度海浪情況下的表溫計算的有效性, 因此設計出圖5所示的實驗模擬裝置, 可以通過調整溫鹽鏈的往復運動的幅度和頻率來模擬海上不同等級的海況, 用以驗證本文所述表溫計算的有效性和可靠性。

根據仿真分析和模擬實驗采集的動態過程對比(詳見圖10), 可以看出:

1) 仿真結果和實驗結果相吻合, 說明3.2.2所述的數學模型和計算模型的設定是與實際相符合的。

2) 仿真的理論溫度和實驗結果計算值是接近的, 說明通過一階慣性環節的動態計算是可行的, 并具有較高的精確度。

3) 計算是根據傳感器入水動態過程反演而得, 傳感器響應時間在1 s以內, 感溫時間相對較快。

基于本文所述的計算方法, 借助仿真模擬實驗裝置, 在標準的正弦運動工況下進行模擬實驗, 并將計算結果和實測表溫的對比(詳見圖11), 可以看出實驗計算結果和實測表溫相吻合, 誤差范圍在±0.1 ℃范圍之內, 并具有較高的準確性。

圖10 水面傳感器采集過程的仿真與實驗對比

圖11 海水表溫實驗結果和實測溫度對比圖

3.3.2.2 實際應用驗證

基于本文所述的計算方法, 以實驗用躉船作為應用對象, 以標定的溫鹽傳感器作為比測對象, 進行實際應用驗證。內容如下:

1. 應用環境

1) 按照本文“3.2.1 溫度鏈工況分析”所述的安裝方式將3個溫度傳感器模塊吸附在躉船側面(強磁鐵吸附), 安裝位置如圖12所示。

2) 應用地點為青島市中苑旅游碼頭旁邊的海岸線附近, 躉船處于實際的海水域, 在風浪影響下做升沉運動, 可在一定程度上替代船舶走航過程中的狀態。

2. 比對數據

1) 采用躉船實驗標定的溫鹽傳感器(海水表面測溫, 如圖12作為比對傳感器。

2) 比對溫鹽傳感器和實際應用的溫度傳感器距離不超過2 m。

圖12 躉船實際應用驗證現場

3. 應用驗證時間

1) 選擇海浪較大天氣進行實驗, 具體日期為2020年12月3號。

2) 驗證時長為300 min。

3) 溫鹽鏈用傳感器和比對傳感器: 同一時間和地點進行實時采集溫度數據和比對。

4. 實驗結果

1) 溫鹽鏈測量溫度和比對傳感器的實測表溫對比結果如圖13, 可以看出溫鹽鏈結果跟實測表溫的變化趨勢一直, 與實際相符合。

2) 誤差分析: 溫鹽鏈測量數據和實測表溫的誤差結果如果圖14和表1, 可以看出最大誤差控制在±0.1 ℃范圍之內。

圖13 躉船實際應用結果和實測溫度對比圖

圖14 躉船實際應用結果誤差圖

表1 實際應用溫度數據對比表

5. 實驗結論

溫鹽鏈測量結果和實測表溫相吻合, 誤差范圍在±0.1 ℃范圍之內, 具有較高的準確性。

4 結論

本文提出了一種船載磁吸附溫度鏈測量方式, 并設計制造了相關的模擬試驗裝置。同時提出了溫度鏈數據采集過程的相關理論和數學模型, 通過模擬仿真和現場實驗的驗證, 證明了通過溫度鏈的動態測量來推算實際表溫值的方式是可行的。其中, 表溫算法采用自適應參數化方式動態計算, 可以有效減小海流、風、熱輻射等的干擾影響, 提高了表溫計算的精確性。最終, 借助模擬實驗裝置, 采用本文表溫算法進行現場實驗, 計算結果與實測表溫相吻合, 誤差范圍在±0.1℃以內, 感溫時間在1 s以內, 數據具有較高的可靠性、實時性和精確度, 驗證了船載磁吸附溫度鏈測量方式的可行性, 目前正在通過走航式海上試驗驗證有效性和可靠性。

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Observation of ship-borne sea surface temperature

ZHU Hong-hai1, 2, 3, 4, QI Guo-liang1, 2, 3, 4, LIU Mao-ke4, WANG Zhi1, 2, 3, 4, YANG Jun-xian1, 2, 3, 4, HE Ya-nan1, LIU Shuai1

(1. Institute of 0ceanographic Instrumentation, Qilu University of Technology (Shandong Academy of Sciences), Qingdao 266061, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environmental Monitoring Technology, Qingdao 266061, China; 3. National Engineering and Technological Research Center of Marine Monitoring Equipment, Qingdao 266061, China. 4. Shandong Jinghai Instrument Equipment Co. Ltd, Qingdao 266061, China)

Based on the research of relevant national ocean observation standards for sea temperature observation and combined with the current status of ship-borne sea temperature observation, a methodology of ship-borne magnetic adsorption temperature chain based on bus design is proposed, and its structure design, theoretical model, algorithm, and other aspects are described. This method can effectively reduce the influence of wind and waves, ocean current, and thermal radiation through real-time observation of several vertical temperature sensors. It has the characteristics of relatively fixed depth of observation layer and high precision, and it can realize the automatic observation of the whole voyage on board. At the same time, the related simulation experimental device was designed and manufactured for a field experiment, which verified the feasibility and effectiveness of the ship-borne magnetic adsorption temperature chain observation method.

sea water temperature; magnetic adsorption; temperature sensor chain; simulation; bus

Nov. 5, 2020

TP212

A

1000-3096(2021)05-0087-09

10.11759/hykx20201105002

2020-11-05;

2021-03-02

國家重點研發計劃項目(2017YFC1405604)

[the National Key R&D Program of China, No. 2017YFC1405604]

朱洪海(1976—), 男, 工程碩士, 高級工程師, 主要從事計算機應用與海洋儀器儀表研究, E-mail: hyyq@qlu.edu.cn; 祁國梁(1971—),通信作者, E-mail: hyyqyb@163.com; 劉茂科(1988—), 通信作者, E-mail: hyyqyj@163.com

(本文編輯: 趙衛紅)