“雪龍2”號表層海水多要素實時觀測系統的設計與應用

陳清滿 夏寅月 袁東方 沈悅 廖周鑫

(中國極地研究中心,上海 200136)

0 引言

對表層海水的物理、化學、生物、生態指標的觀測是了解氣候變化、人類活動對海洋生態系統影響的最基本資料,是分析預測海洋變化趨勢的依據,是對海洋運動機理進行深入研究的重要數據支撐。長期以來,海水的物理、化學、生物、生態指標,如:pH、溶解氧、葉綠素、營養鹽等,都是采用調查現場定點取樣,然后進行實驗室分析的方式獲得的。該方法存在勞動強度高、取樣點少、受現場環境影響大等缺點,難以滿足現代化、大尺度、寬范圍的海洋長期連續監測與調查的需求。

海洋科學研究的重大發現大多基于現場的長期觀測,例如大洋環流的發現、中尺度渦現象、厄爾尼諾現象、海洋生物資源周期性變化、海洋環境演變等方面的重大科學發現都是建立在長期、大量、廣泛的海洋現場觀測數據基礎上。若缺乏時間和空間上大尺度的數據積累,研究工作很難取得重大突破。隨著科技的發展,特別是硬件設備加工制造技術的進步,海洋多要素實時觀測系統越來越成熟,并逐漸得到廣泛的應用。“雪龍2”號也通過對該系統的應用,實現了在航行期間的連續自動觀測,完成了海表面多參數、多學科的調查測量工作。

海洋科學考察船通常承擔多項調查研究任務,航行區域遍布全球各大洋,利用表層海水多要素實時觀測系統獲取大范圍的海洋表層連續觀測數據,已成為國際先進海洋考察船的常規監測手段,甚至在一些商船上也有了應用,成功獲取了大尺度范圍的海洋表層數據,并且也有了豐富的科研產出。例如:2008 年,瑞典Oden號破冰船從瑞典哥德堡駛往南極洲麥克默多站的過程中,發現表層海水中均含有六氯化苯(α-HCH、γ-HCH)、六氯苯(HCB)、硫丹、多氯聯苯(PCB)等持久性有機污染物[1];我國利用“雪龍”號配備的表層海水走航觀測系統,獲取了連續的走航觀測數據[2-3](圖1),并成功繪制出橫跨南北極大斷面的海洋表層CO2分布情況。通過2008 年中國第3 次北極科學考察對加拿大海盆的觀測,分析得出北極海冰融化可增加海洋對大氣CO2的吸收,但很快就會達到平衡,揭示了海冰融化對北冰洋CO2的吸收能力提高低于原預期[4]。通過涵蓋整個北大西洋的調查,揭示了浮游動物種群變動與環境之間的關系及其對漁業資源的影響等。

“雪龍2”號作為我國自主建造的第一艘現代化極地考察船,一經投入使用即成為我國極地考察的最重要力量,南極考察從上海港出發至南極洲,橫跨太平洋、印度洋、南大洋;北極考察穿越東北航道進入北冰洋,具有航程長、航線穩定的特征,為海洋科學研究提供了一個長期、穩定的觀測平臺[5]。同時在“雪龍”號表層海水走航觀測系統成功應用的基礎上,結合極地研究的特殊需求,推進了系統集成、提升了連續觀測的能力,進一步加強了現場的科考支撐保障能力。

1 “雪龍”號的經驗

“雪龍”號極地考察船是中國第三代極地考察船,是由烏克蘭赫爾松船廠在1993 年3 月完成建造的B1*級(1.5 節航速連續沖破1.2 m 厚的冰)破冰船,原設計為北冰洋運輸船。中國購買后為滿足我國極地考察的需求,分別于1994 年、2007 年和2013 年進行了三次大的改造任務,配備多套科考調查儀器和輔助設備。經過改造后的“雪龍”號各項科考功能逐漸趨于完善,在較長一段時間內“雪龍”號是我國唯一專門從事極地科考的考察船,為我國極地事業的發展做出了巨大貢獻。其中,在2007 年的維修改造里,增配了表層海水走航觀測系統。

“雪龍”號表層海水走航觀測系統(圖1)主要由前置溫度傳感器、觀測主機、甲板單元和控制終端4 個部分組成,其中觀測主體由一個容積約5 L 的水箱及內置溫度、鹽度、葉綠素、有色溶解有機物(CDOM)傳感器組成(包含SBE21 溫度傳感器、SBE38 外置溫度傳感器、WETLAB Wet star葉綠素傳感器和CDOM 傳感器)。前置溫度傳感器安裝于船舶取水口位置,觀測主機安裝于距離取水口管路約10 m 的位置,甲板單元和控制終端與觀測主機安裝于同一艙室。船舶航行時,實時采集的表層海水經過前置溫度傳感器后,經管路輸送至觀測主機,經觀測主機測試分析后排放至泄放口。

圖1 “雪龍”號表層海水走航觀測系統Fig.1.Navigation observation system for surface water multi factor measurement of R/V Xuelong

“雪龍”號表層海水走航觀測系統雖然觀測的參數較少,但經過幾次系統升級,各項功能已經趨于完善,且運行穩定可靠。經十多個南、北極航次的使用檢驗,獲取了大量的寶貴數據。自然資源部海洋大氣化學與全球變化重點實驗室團隊依托該系統,取得了北冰洋海洋酸化與碳循環關系等重要科研成果[6-7]。該團隊通過獲取的觀測數據,描繪出橫跨南北極的海洋表層CO2的分布情況。依托中國第三次北極科學考察期間(2008年)對加拿大海盆表層海水觀測數據的采集,揭示了水體對空氣中CO2吸收與北極海冰融化之間的關系,得出海冰消融并非如預期可以強烈增加北冰洋CO2吸收的結論。另外,該團隊還集成了中國北極考察多個航次數據及相關國際數據,研究了西北冰洋1994—2017 年夏季CO2分壓的變化情況,得出了海冰消失放大了西北冰洋夏季年代際二氧化碳增加的結論[8]。由于該系統在“雪龍”號的成功使用也積累了大量冰區運行經驗,為“雪龍2”號表層海水觀測系統的設計提供了重要技術積累。

2 “雪龍2”號系統設計需求與結構

作為海洋環境研究的一部分,極地海洋化學參數的測量是全球海洋化學研究系統的重要組成部分,對于全球碳循環、溫室效應等科學研究有著非常重要的意義。在以往航次中,依托“雪龍”號的表層海水采集系統提供的基礎數據和水樣,科考隊員會自帶二氧化碳、甲烷、營養鹽、pH 等檢測儀器,在船舶航行過程中對表層海水進行相關參數觀測。“雪龍2”號作為我國自主設計建造的新一代現代化極地考察船,在建造之初,便對科學調查功能的提升設計非常重視。通過一套高度集成的觀測系統,可一次性完成海水溫度、鹽度、溶解氧、葉綠素、濁度、有色溶解有機物、pH、營養鹽(銨鹽、磷酸鹽、硅酸鹽、硝酸鹽和亞硝酸鹽)、CO2、CH4以及空氣中的CO2和CH4等的實時連續觀測,各分析模塊具體型號如表1 所示。所有觀測數據在統一的平臺實時顯示,便于現場監測與分析,并且具備遠程監控功能。通過專業軟件操作,可實現歷史觀測數據曲線的自動生成、更新、記錄和報表打印等。為了盡可能減少人工的干涉和維護,系統需配備自動清潔防腐蝕的預過濾功能并能夠定時進行內部自主清潔。由于船舶在破冰工況下會產生劇烈的震動,系統需對管路、接口、底座等部位進行特殊處理,配備較強的防震措施。

表1 “雪龍2”號相關傳感器列表Table 1.List of relevant sensors of R/V Xuelong 2

“雪龍2”號表層海水多要素實時采集系統(圖2)進氣箱安裝于船頂羅經甲板,其余部件均安裝于兩個標準機柜(W600 mm×D600 mm×H1800 mm)內,系統主體安裝于面積約2.5 m2的科考設備間內。機柜1 主要包含不間斷電源、傳感器供電接線盒、粗過濾器、除泡器、供水及分流系統、帶觸摸屏的數據采集系統、溫鹽等傳感器、水–氣二氧化碳和甲烷測量系統;機柜2 主要包含營養鹽檢測系統和自動清潔系統。進入系統的海水先后經過粗過濾器,除泡器,溶解氧、葉綠素、濁度和有色溶解有機物傳感器,二氧化碳和甲烷探測儀,pH、溫鹽傳感器和營養鹽自動分析儀后排出舷外或廢液桶內(圖3)。

圖2 “雪龍2”號表層海水多要素實時采集系統Fig.2.Real time acquisition system for surface seawater multi factor measurement of R/V Xuelong 2

圖3 “雪龍2”號表層海水多要素實時采集系統流程圖Fig.3.Flow chart of multi factor real time acquisition system for R/V Xuelong 2 surface water observation

3 “雪龍2”號設計技術難點分析

3.1 數據質量精度需求

表層海水多要素實時采集系統首先要保證數據的精確性,可能影響其準確性的因素有以下幾個方面。

(1)營養鹽的測定周期較長,且各項營養鹽的測定周期不同。不同時段的進樣會導致各參數在測定時間軸上無法匹配,影響數據時間上的同步[9]。

(2)系統內部管路、監測池和傳感器表面,如遇長時間海水停滯,會被藻類、藤壺等生物生長繁殖所覆蓋,影響數據測量質量。

(3)海水樣品采集系統(為本系統提供海水)運行的穩定性、可靠性和純凈度對表層海水多要素實時采集系統的正常運行很重要,只有持續不間斷的觀測才能保證數據的延續性,泵和管路的材質需確保對樣品無污染。

“雪龍2”號表層海水多要素實時采集系統采用轉子水泵,具有結構簡單、零部件少、運行安全可靠的特點[10];泵腔與齒輪箱中間設置了隔離腔,用于防止齒輪油對管路及海水樣品造成污染;轉子為不銹鋼加橡膠材質,不會破壞水體中的微生物、藻類等。系統可以定期進行管路和傳感器自清潔維護,確保無藻類繁殖、無沉積物積累和無附著生物生長,提高檢測數據精度。為了對營養鹽進行準確的分析檢測,系統中專門設置了蓄水池,3 臺營養鹽分析儀同時從蓄水池內取樣進行分析,蓄水池內海水樣品更新周期大于最長檢測項目的分析周期,待蓄水池內海水樣品更新完成后,營養鹽分析儀再進行下一個周期的分析檢測。

3.2 高集成性需求

相較于“雪龍”號表層海水采集系統,“雪龍2”號可實時觀測的參數更多(表2)。系統設計的思路不是將若干儀器簡單的堆砌,而是讓每個儀器獨立進行測量。表層海水多要素實時采集系統的設立初衷即在船舶航行時連續獲取穩定、高質量的數據,通過高度的系統集成,將原本不同的儀器集成在一起,通過人機交互界面實現一體化操作。“雪龍2”號表層海水多要素實時采集系統主要從以下幾個方面提升了系統的集成性能。

表2 “雪龍2”號與“雪龍”號表層海水連續觀測系統對比Table 2.Comparison of similarities and differences between R/V Xuelong 2 and R/V Xuelong surface water continuous observation systems

系統所有設備均采用模塊化設計,統一安裝在標準的機柜內,從硬件結構上實現了系統集成性。集成緊湊的結構使得維護和維修的空間受限,通過將機柜每一層設置為活動抽屜式,在設備需要維護保養時,從機柜內將設備抽出即可進行。集成后做到了一鍵啟動所有設備,按照設定的流程自動檢測、記錄數據。通過將供水系統的泵組運行信號接入,系統可以自主判別運行或停止。當系統檢測到泵組停機時,會自動切換至停止狀態,避免采集無用的數據。通過風速和風向的數據接入,在相對風速小于1.5 m·s–1或者船舶順風航行時,系統會自動停止對空氣中二氧化碳和甲烷的探測,調整為對水體中二氧化碳和甲烷的探測并利用標準氣體完成探測校準,從而避免船舶煙囪廢氣排放對于采樣數據的影響。

3.3 絕緣保溫需求

表層海水的采集是實時從船舶海底門取水口泵入,為保證水體有較高置換效率,供水系統通常使用大功率海水泵配合大口徑管路,再通過較細口徑的支管進入表層海水連續觀測系統,進入系統后分成更小口徑的進樣管進入各個測量系統。極地航行期間表層海水溫度一般介于–2～0℃之間,而科考設備間的環境溫度通常維持在24～26℃。表層海水由管路進入艙室后,海水溫度易受環境溫度影響而升高。溫度的變化會影響很多參數的準確測量,例如海水溫度升高會導致電導率測量值上升,溶解氧的測量值下降等。

因此海水由取水口管路進入到表層海水連續觀測系統之前,采取了真空雙壁管、包覆絕緣保溫材料等有效措施降低環境溫度的影響。由于表層海水多要素實時采集系統自身結構復雜,各傳感器間均通過進樣管串聯,容易通過水管產生熱交換,從而影響數據測量精度。所以在系統設計時所有的水管路均采用非金屬材質,減少熱量交換;對于粗過濾器、閥門、三通等通水金屬件和無可視要求的管路,均包覆絕緣保溫材料,隔絕與環境產生的熱傳導;通過優化傳感器測量順序,對檢測池等做好保溫絕緣。將對溫度變化敏感的傳感器前置,減少了與室溫接觸的時間,提升了傳感器測量的精準度。

3.4 低維護特點

表層海水多要素實時采集系統的重要優勢是航行時的連續不間斷觀測,高效獲取大尺度的、長期的觀測數據。高集成度、長期觀測的特征,對系統易維護性提出更高的要求。“雪龍2”號年均在航時間長達260 多天,系統長時間運行,管道內逐漸會被細菌、真菌、藻類等海洋生物附著(圖4),這樣不僅會腐蝕、堵塞管道[11],而且會污染表層海水樣品,影響數據質量。

圖4 使用3 個月后未清洗的海水管路Fig.4.Uncleaned seawater pipeline after 3 months of use

“雪龍2”號表層海水多要素實時觀測系統設計帶有自動清潔功能,可根據航行海域特點,自主設置系統的自清潔。執行步驟如下:

(1)停止數據采集與記錄;

(2)關閉系統海水進水壓力調節閥門,向系統內注入淡水用以排除整個系統內原有海水;

(3)通過一個小型蠕動泵向管路中注入定量的草酸溶液;

(4)系統開啟循環泵,進入內循環模式,混有草酸溶液的淡水在系統內充分混合、反應、沖洗,并循環至設定時間;

(5)開啟海水進水壓力調節閥門,注入海水;排出清洗液,系統開始下一個周期的數據采集與記錄(圖3 虛線所示循環)。

對于二氧化碳和甲烷的探測,本系統選用平板硅平衡器進行海水中二氧化碳和甲烷的平衡,采用激光的方式測量。短時間內完成對表層海水、水表空氣中的二氧化碳和甲烷的測量,定時進行標準氣體的測量自校準(表3)。系統自動化程度高,人工干預需求低。

本文用于行為識別的隨機森林算法建立在基于Spark運行的分布式機器學習算法庫MLlib上,所有的示例及算法程序均采用scala語言進行開發。進行人體行為識別建模時,首先要手動確定隨機森林中幾個重要參數:①numTrees:隨機森林中決策樹的個數,需要手動調試;②maxDepth:隨機森林中決策樹的深度,需要手動調試;③maxBins:可以將連續的特征離散化的最大分箱數,使用默認值32;④Impurity:節點分裂的方法,回歸情況下使用方差,分類情況下使用信息熵或者基尼指數。

表3 二氧化碳和甲烷的探測方法對比Table 3.Comparison of methane and carbon dioxide detection methods

4 極地現場實際應用

4.1 現場應用情況介紹

“雪龍2”號表層海水多要素實時觀測系統在中國第36 和37 次南極科學考察中得到充分應用檢驗。兩次考察總歷時378 天,航線遍布全球各大洋,并在極地高緯度地區完成了長距離航行,獲取了寶貴的表層海水數據。航次中除經過他國專屬經濟區和停靠碼頭期間,其余時間表層海水多要素實時觀測系統實現了系統無人值守全自動化運行,運行時間達8000 余小時。日常巡視中重點檢查系統運行是否正常、是否有漏水漏電等;定期按照操作規范更換耗材,如:更換蠕動泵管路、添加營養鹽檢測試劑、純水水箱注水等。

“雪龍2”號表層海水多要素實時觀測系統經上述2 個航次的連續運行檢測,系統整體運行穩定,故障率低,操作簡單,數據精度高,實際使用情況總結有如下特征。

(1)系統能較好地應用于全球尺度范圍,尤其極地冰區的表層海水的連續觀測,在低密集度浮冰區系統連續運轉無冰堵現象發生;

(2)系統保溫絕緣良好,無明顯冷凝水產生,前置溫度傳感器與機柜內溫度傳感器的測量值偏差小于0.3℃;

(3)數據準確度高,營養鹽的測量數值與實驗室內采用分光光度法測出的數值一致;

(4)人機界面友好,一鍵式操作,并可執行自動清洗消毒程序,無需安排專人值守。

4.2 積累經驗和后續經驗

(1)蠕動泵管須選擇耐低溫的材質,低溫下仍能保持足夠的柔軟度及韌性,確保其功能正常;

(2)機柜中系統粗濾和除泡器位置設置透明檢視窗口,便于日常巡查時查看設備狀態;

(3)數據記錄的時間標簽需改進,在部分傳感器的檢測周期同步中,對于檢測耗時較長的傳感器,如營養鹽等,檢測結果應對應進樣時間。

5 小結與展望

海洋表層海水的溫度、鹽度、溶解氧、葉綠素、pH 等參數是研究海–氣界面、溫室效應、海洋酸化等的最基本的資料,在長期觀測的基礎上,可對海洋現象變化趨勢進行分析預測,對海洋過程機理的深入研究提供重要基礎支撐。利用航行時連續觀測相對于定點采樣分析,具有數據連續性高、觀測效率高、消耗人力物力資源少等特征,受到各國的廣泛關注。“雪龍2”號表層海水多要素實時觀測系統在“雪龍”號表層海水走航觀測系統的基礎上,結合國際前沿熱點問題,通過提高數據準確性、系統集成性,提高系統自動化程度等方法,成功設計并實現了該系統的成功應用。經多個極地航次的應用檢驗,運行穩定可靠、觀測數據準確、極大的減少人力物力,能較好地適用我國極地考察實際需求。該系統的成功應用,對于極地現場觀測具有重要意義,將為我國極地科考提供重要科學考察支撐。