基于實況氣象的船載走航大氣成分觀測自動進樣系統設計

姜亦飛，呂洪剛，王海燕，杜文生

（1.國家海洋環境預報中心 自然資源部海洋災害預報技術重點實驗室，北京 100081；2.國家海洋環境預報中心，北京 100081；3.北京理加聯合科技有限公司，北京 100085）

大氣成分在地球生態系統中起著重要的作用，它影響大氣圈層與其他圈層之間的相互作用[1]。工業革命以來，隨著人類大規模生產活動不斷向大氣中排放溫室氣體、氣溶膠與反應性氣體等，地球大氣成分的濃度和分布都發生了顯著變化。如大氣中二氧化碳（CO2） 和甲烷（CH4） 等溫室氣體濃度的快速上升，使得全球溫室效應不斷加劇，引起了全球變暖、海平面升高、冰川消融與海洋酸化等[2-4]；大氣中氯氟烴（CFCs） 的出現，不斷消耗平流層中的臭氧（O3），形成了南極臭氧空洞[5]；化石燃料的燃燒、交通運輸過程中產生的酸性物質進入大氣，導致了酸雨和光化學煙霧等災害天氣的發生[6-7]。因此，了解大氣成分的濃度及變化趨勢是開展大氣科學研究的基礎，也是制定相關政策的重要依據。

本底站觀測、衛星遙感反演、浮標觀測與走航觀測（如飛機、船舶、汽車、無人機等） 等是獲得大氣成分資料的主要監測手段[8]。其中，本底站觀測屬于定點觀測，受觀測范圍限制，只能反映所在區域的相關情況；衛星遙感觀測與之相比，在空間覆蓋率方面有天然的優勢，但是容易受天氣（主要是云、霧、降水等） 影響，且需要與浮標、船舶等現場實測數據進行驗證[9]；浮標觀測一般成本較高，維護相對困難，且在深海區域的應用仍然比較薄弱。相對而言，走航觀測具有觀測區域靈活、設備維護方便等優點。因此，船舶走航觀測一直是國內外近海調查、大洋和極地科考中獲取水體和大氣參數最常用的觀測方式之一，獲取的數據對于推動相關學科的研究和發展起了重要作用[10-11]。20 世紀80年代以來，日本氣象廳（Japan Meteorological Agency，JMA）基于在西太平洋獲取的逐年走航的CH4觀測數據，揭示了西太平洋海表大氣CH4分布呈現明顯的緯向分布特征[12]。進入21 世紀，歐美發達國家利用高精度觀測設備，開展了海洋大氣溫室氣體（主要是CO2和CH4） 船基走航連續觀測，結合海洋石油平臺觀測的CO2和CH4峰值信號，初步構建了“自上而下”估算方法，定量探究了海洋油氣開采等人類活動對大氣溫室氣體的貢獻[13-15]。

走航觀測也存在時空差異性大、代表性不強、局部數據質量偏低（主要受船體排放影響）等缺點，為避免在走航觀測中大氣采樣受到船體排放污染，本文設計了一套具有8 根獨立進樣管路且可以根據實況氣象自動選擇進樣管路的采樣系統，用于提高船載走航大氣成分觀測數據的準確性和連續性。

1 背 景

船舶走航觀測一直以來都是國內外獲取海洋大氣成分數據最重要的觀測方式之一。但是，船舶走航觀測的原始數據或多或少均存在部分數據異常偏高的情況，因此經過處理后的數據普遍存在數據不連續、缺測的情況。通過相關調研證實，目前國內外在海洋（極地）科學考察中大氣成分觀測采樣口均為單一固定位置采樣口，其常布設于科考船船頭的科研桅桿或者船體頂層甲板區域，同時盡可能遠離船身主體[11]，如圖1 所示。因此，在實際觀測中，當相對風向與船舶航向一致且相對風速大于船速時，船頭的采樣口極易吸入來自煙囪和船舶生活區排放的氣體，造成氣體樣品的污染和監測數據的異常[15]。為了解決這一問題，本文開展了相關研究并設計了一套基于實況氣象的智能選擇多通道大氣進樣系統。

圖1 船載大氣成分采樣口的常規安裝位置（1、2） 及采樣口示例

2 系統設計

本裝置適用于以船舶為載體的現場觀測方式，根據其功能可以將系統大致分為甲板單元、控制單元和進樣單元。其中，甲板單元主要包括風速風向傳感器、8 條室外進樣管路及采樣口的防水過濾裝置等，其主要功能是獲取可供程序判斷的氣象數據、獲得對應象限未受污染的空氣；控制單元主要包括數采裝置、單片機（內置程序）和電磁閥控制面板等，主要功能是讀取風速風向數據，通過自行編譯的內置程序進行判斷，智能選擇進氣管路；進樣單元包括了電磁閥、多通閥及相應的氣路和電路等，該單元屬“執行”模塊，依據電磁閥控制面板給出的電信號，開啟相應的電磁閥，進而貫通相應的管路，最終獲得目標采樣口不受污染的氣體，并對其進行相關分析。裝置的總體架構如圖2 所示。

3 程序及模塊設計

在整個進樣系統中，程序是控制各模塊的“大腦”，該程序的腳本基于C++語言。程序通過判斷實時的相對風向情況，控制各模塊準確有序地開展工作。

3.1 程序

本文提及的風向均為相對風向，也叫“合成風向”，是船舶航行在有風海面上所測得的風向，由船風和真風的風向合成而得。本裝置將全部風向（0°～360°）平均劃分為8 個風扇片區，不同扇區對應的電壓信號和電磁閥編號信息如表1 所示。

表1 風向扇區的劃分及對應的電壓信號和電磁閥編號

程序腳本的判斷依據如表1 所示，單片機通過讀取數據采集器中風速傳感器給出的風向平均值，根據程序判斷并給出相應的電壓信號，電磁閥控制面板在接收信號后給相應的電磁閥供電，貫通該電磁閥所控制的氣路，完成采樣口的選擇。當風向改變時，通過設置的程序運行間隔時間，重新讀取最新的風向數據，程序將按照上述流程重新執行一遍，原電磁閥關閉，新的風向值對應的電磁閥將打開，完成氣路的切換。

3.2 系統結構

本文設計的進樣系統，其整體結構如圖3 所示。風速傳感器采用國產機械式風速傳感器，需要特別指出的是，傳感器在不做船速和航向校正的情況下輸出的數據就是相對風速風向數據，采集的原始風速風向數據將存儲于數據采集裝置。考慮到船載設備的穩定性及便攜性，本系統使用單片機來讀取數據采集器的數據并對內置程序進行處理計算，單片機作為一種典型的嵌入式微控制器，由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備等構成，相當于一個微型的計算機，單片機基于內置的程序根據相對風向的結果進行判斷，并將結果反饋給電磁閥控制面板，電磁閥控制面板主要由主芯片、控制芯片和多路繼電器組成，通過接收單片機傳輸的電壓信號，控制繼電器對相應的電磁閥供電。通電時，電磁線圈產生電磁力把關閉件從閥座上提起，閥門打開；斷電時，電磁力消失，彈簧把關閉件壓在閥座上，閥門關閉。所有的氣路最終集成在一個8 通道轉換裝置，并通過該裝置最終進入分析儀器。

圖3 采樣系統整體結構示意圖

8 管路進樣口的設計是本裝置的創新之處之一，其布局大致如圖4（a）所示，相鄰采樣口與中心位置形成的角度盡量控制在45°左右，采樣口亦布設于高處，且盡量不受船體排放的影響。8 個采樣口最終通過一個多通道轉換器與分析儀的進樣口相連，該轉換器的結構如圖4（b）所示。采樣口一般配有圖4（a）所示的防水罩和過濾器，防止降水、船頭的浪花及大氣顆粒物等進入管路被分析儀吸入，過濾器的孔徑可以根據實際需求進行選擇。管路一般選用不銹鋼或鋁塑管，避免管路的腐蝕或吸附對大氣成分觀測結果產生影響。

圖4 8 路采樣管路布置俯視圖及采樣口防水過濾裝置和氣路多通道轉換器結構圖

4 示例及應用

4.1 觀測海域

本文選擇中國第38 次南極科學考察船“雪龍2”第一次穿越西風帶，以及之后的環南極航行走航大氣CO2觀測數據作為研究對象。“雪龍2”于2021年12 月12 日在新西蘭東南海域正式啟航開始全速穿越西風帶，12 月17 日穿過60°S 后，逐漸開始繞極航行，并最終于2021年12 月27 日到達位于菲爾德斯半島的中國南極長城站。該時間段內的船舶航行軌跡及大氣CO2濃度變化如圖5 所示。

圖5 “雪龍2”號航行軌跡及走航大氣CO2 濃度變化

4.2 觀測方法

本航次以美國LGR 公司（Los Gatos Research Inc.）的GGA-30r 型CO2/CH4/H2O 離軸積分腔輸出激光光譜分析儀為分析檢測儀器，輔以SYNFLEX1300內壁鍍鋁材質的大氣進樣管、Whatman 囊式過濾器（4.5 μm）、除水單元（填充高氯酸鎂顆粒的干燥管）、標氣單元等。自主組裝了一套適用于海洋大氣CO2和CH4混合比觀測的船基走航高頻連續觀測系統。航次所用的標氣由中國氣象局大氣成分觀測與服務中心提供并進行多輪標校，可溯源至世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）一級標準。

為盡量避免煙囪廢氣和人員活動等船體人為污染，系統的采樣口（單一采樣口）布置于“雪龍2”船頭科研平臺的最高處。現場觀測期間，空氣經過4.5 μm 的囊式過濾器進入氣路，經填充高氯酸鎂的干燥管除去水汽，干燥的氣體和標氣可以選擇多通閥進行手動切換，最終進入激光光譜分析儀，本航次設置的采樣頻率為每5 s 完成并記錄一組觀測數據，標氣的校準時間為24 h，觀測系統的結構示意圖如圖6 所示。單一采樣口的設計與本文8 通道采樣口設計相比，其始終在固定位置采集樣品氣體，無法鑒別采集的氣體是否為受船體排放而污染的氣體，而8 通道采樣口的設計可以根據實時的相對風向數據，始終選擇干凈的空氣，從而保證數據的準確性和連續性。

圖6 “雪龍2”走航大氣CO2 觀測系統結構示意圖

4.3 結果與討論

通過分析圖5 可知，2021年12 月12 日至12月17 日期間，在“雪龍2”南下穿越西風帶的航路上，系統給出的大氣CO2濃度主要處于410.0×10-6～420.0×10-6（體積比），且在隨后的繞極航行前段，即在到達64°S、141°W 附近海域之前，其監測的CO2濃度值與之前獲取的監測數據亦非常接近；而在之后的往東航行期間，受多個氣旋過境的影響，走航大氣CO2的觀測濃度逐漸開始出現波動，其中以2021年12 月22 日前后最為顯著，激光溫室氣體分析儀在當日監測到的CO2濃度值最高達535.1 × 10-6，且當日的CO2日平均濃度也高達429.3×10-6，顯著高于之前航程所測的平均濃度。

通過分析南半球西風帶氣候態氣象數據，結合“雪龍2”穿越西風帶的氣象背景資料和船舶姿態可知：在西風帶航行期間，由于西風帶位于副熱帶高氣壓帶與副極地低氣壓帶之間，極易形成溫帶氣旋，且副高向副極地低壓散發出來的氣流在地轉偏向力的作用下，偏轉成西風[16]。因此，在“雪龍2”南下穿越西風帶過程中，安裝于船頭科研平臺的采樣口并未受船體影響，觀測數據正常。在之后的往東航行，本文選取了最具代表性的2021年12 月22日的氣壓場和風場圖及“雪龍2”的具體位置，如圖7 所示。當時“雪龍2”剛遭遇了本航段最強的一次氣旋過程，該氣旋具有中心氣壓低、風力大、影響范圍廣、整體位置偏南等特點。氣旋過境后，“雪龍2”受其后部影響，船位所在區域仍然遭遇了5～6 級、陣風7 級的偏西風影響，且此時的風向與船舶航向是基本一致的，因此，船頭前桅桿科研平臺的采樣口吸入了大量船體煙囪排放的尾氣，CO2濃度值顯著升高。通過對比同時期溫室氣體觀測衛星（The Greenhouse Gases Observation Satellite）遙感反演產品的CO2數據（https://data2.gosat.nies.go.jp/gallery/fts_l3_swir_co2_gallery_en.html），并結合世界溫室氣體數據中心（World Data Centre for Greenhouse Gases，WDCGG）公布的全球大氣CO2緯向分布特征（https://gaw.kishou.go.jp/publications/global_mean_mole_fractions）可以推斷，當日監測到的該區域走航觀測的大氣CO2濃度數據顯著異常偏高，均為受干擾的無效監測數據。在明確了數據異常后，將基于拉依達準則[15]、卡爾曼濾波算法、絕對均值法[17-19]、“氣象法”[12，15，20]等，并結合現場操作記錄、氣象要素、航速航向等數據資料，對走航CO2觀測的原始數據進行篩分處理。缺失的數據一般通過多重線性回歸插值、克里金插值、反距離權重插值等數學方法來進行填充[21]。

圖7 “雪龍2”所在海域的天氣形勢場（2021年12 月22 日）

圖8 是設備一次海試過程的工作狀態示意圖。本文研究團隊選擇了一次西風的時間窗口，設備搭載漁船往東航行，且海試期間的風速大于船速。如圖8 所示，此時漁船和風的相對風向為0°，程序對照表1 判斷相對風向結果，給電磁閥控制面板發出Signal-1 的指令，此時設備的1 號電磁閥Valve1打開，1 號采樣管路貫通開啟，分析儀吸入了1 號采樣口的樣氣，而通過相對風速判斷，此時的1號采樣口吸入的是不受船體排放影響的潔凈空氣，航行期間分析器顯示的CO2濃度數據也相對平穩，無明顯波動。

圖8 系統在海試期間的工作狀態示意圖

5 總結與展望

本文針對船載走航大氣成分觀測的現狀和存在問題，設計了一套基于實時風向數據自動選擇采樣管路，進而避免污染的船載走航大氣成分觀測進樣設備。本裝置首次采用多管路（8 路）獨立進樣的模式，基于自行編輯的程序腳本，以判斷相對風向來識別氣團是否受到干擾，并通過單片機、電磁閥控制面板、繼電器等相關元器件的選擇和搭配，詳細介紹了裝置的設計思路和原理。本文最后結合“雪龍2”在南大洋走航大氣CO2觀測的實例，分析并論述了數據異常的原因及相關解決辦法。該裝置將有效解決目前船載走航大氣成分觀測的相關問題，顯著提高大氣成分走航觀測數據的連續性和準確性。未來，需要解決材料和元器件的耐用性、不同環境（極區低溫、高濕度、高鹽度等）的適用性，以及各管路接口氣密性等關鍵問題，進一步提高系統的穩定性，拓展應用前景。