一、傳感器性能及資料來(lái)源

中國(guó)科學(xué)院海洋研究所于2014年6月在黃海中部布放坐底潛標(biāo)，其上搭載了3種不同廠家生產(chǎn)的溫鹽深測(cè)量?jī)x，型號(hào)分別為美國(guó)Sea-Bird公司的SBE 37 Coastal(以下簡(jiǎn)稱37Coastal)、德國(guó)Sea&Sun公司的CTD 48，以及意大利Idronaut公司的304Plus，3種設(shè)備適用于近海應(yīng)用并且都能夠添加溶解氧等附加傳感器。表1為3 種CTD的各個(gè)傳感器參數(shù)，從表1中可知, 各CTD的壓力、溫度和電導(dǎo)率傳感器的精度和分辨率差別較小，其傳感器指標(biāo)能滿足近海海洋的長(zhǎng)期觀測(cè)，并且能夠獲得高精度和高分辨率的壓力、溫度及鹽度等數(shù)據(jù)。該潛標(biāo)布放時(shí)間為4個(gè)月左右，3種設(shè)備在潛標(biāo)的位置如圖1所示。本文主要針對(duì)3 種設(shè)備所獲取的溫鹽深數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析，討論傳感器精度及穩(wěn)定性等指標(biāo)參數(shù)。

表1 傳感器技術(shù)指標(biāo)表

圖1 潛標(biāo)構(gòu)造及CTD 分布圖

二、數(shù)據(jù)對(duì)比分析

⒈ 壓力數(shù)據(jù)對(duì)比

圖2為3 種傳感器獲取的壓力數(shù)據(jù)，藍(lán)色曲線代表37Coastal，紅色代表304Plus，黑色代表CTD48。從圖2中可以看出，三者所獲得的壓力呈周期波動(dòng)，其波動(dòng)周期均為15d，與大小潮周期一致。37Coastal的壓力曲線與CTD48基本重合，而304Plus的壓力曲線與其他二者存在微小偏差。進(jìn)而，對(duì)三者壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩相減并求各自方差(圖3), 結(jié)果顯示, CTD48與37Coastal的壓力差最小，平均壓力差值為0.02m左右，兩者方差為0.0796m；304Plus比其他兩者壓力差稍微偏大，偏差值約為0.2m。由于海底地形復(fù)雜，受地勢(shì)及海底沉積物的影響，潛標(biāo)在海底的真實(shí)狀態(tài)可能是傾斜的，所以會(huì)造成安裝設(shè)備出現(xiàn)絕對(duì)高度差，導(dǎo)致304Plus測(cè)量的壓力與其他兩者存在偏差。

圖2 壓力曲線圖

圖3 各組壓力差值圖

3種CTD的采樣間隔均為半小時(shí)，在海洋中某個(gè)點(diǎn)上的要素值在半小時(shí)內(nèi)的正常變化值非常微小，其對(duì)應(yīng)的傳感器獲取的數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍也應(yīng)該很小，因此能夠利用數(shù)據(jù)梯度值(兩兩相減)判斷獲取的數(shù)據(jù)穩(wěn)定程度，同時(shí)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定程度能夠反映傳感器的穩(wěn)定性能。根據(jù)三者的壓力數(shù)據(jù)求壓力梯度P的絕對(duì)值(圖4)，平均絕對(duì)值小則表示數(shù)據(jù)波動(dòng)小且數(shù)據(jù)穩(wěn)定。計(jì)算結(jié)果如下: 37Coastal的平均絕對(duì)值P和P標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.008m和0.004m；304Plus的平均絕對(duì)值P和P標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.1275m和0.1562m；CTD48的平均絕對(duì)值P和P標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.1232m和0.1492m。數(shù)值結(jié)果表明，37Coastal平均絕對(duì)值P和P標(biāo)準(zhǔn)差均為三者中最小，而CTD48和304Plus的數(shù)值結(jié)果幾乎相等。同時(shí)，三者的壓力方差分析P值均大于0.05，說(shuō)明三者之間不存在顯著的差異。

圖4 壓力梯度曲線圖

圖4壓力梯度P與圖3的壓力差dP顯示，在相同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)了數(shù)據(jù)振幅異常增大的現(xiàn)象。而后對(duì)2014年6～10月西太平洋臺(tái)風(fēng)過境該潛標(biāo)點(diǎn)的時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(表2)，從時(shí)間上可以看出，壓力變化劇烈期與臺(tái)風(fēng)過境時(shí)間相一致，說(shuō)明臺(tái)風(fēng)的過境造成水體大幅擾動(dòng)，短時(shí)間內(nèi)急劇變化的水體擾動(dòng)對(duì)傳感器有一定影響，使自身測(cè)量受到一定的干擾。并且，不同的傳感器對(duì)劇烈變化的環(huán)境參數(shù)響應(yīng)時(shí)間不一致，使同一時(shí)間測(cè)量到的壓力值不相等，因此在水團(tuán)環(huán)境劇烈變化時(shí)期內(nèi)，不同傳感器壓力測(cè)量值有一定偏差。從以上壓力數(shù)據(jù)分析表明， 三種壓力傳感器性能方面都表現(xiàn)良好，在不考慮安裝角度及潛標(biāo)姿態(tài)的情況下對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)CTD48與37Coastal壓力數(shù)據(jù)相差最小，如果把潛標(biāo)的姿態(tài)造成的高度差進(jìn)行修正過后，其三者的壓力數(shù)據(jù)都幾乎相等，因此在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度方面基本相同，且37Coastal壓力傳感器在穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢(shì)。

 表2   臺(tái)風(fēng)過境時(shí)間表

⒉ 溫度數(shù)據(jù)對(duì)比

圖5為不同CTD采集的溫度數(shù)據(jù)，可以看出三者基本一致，任意兩者的相關(guān)系數(shù)均在0.99 以上。對(duì)溫度進(jìn)行兩兩相減(圖6）可以看出，37Coastal和CTD48的溫差最小且數(shù)據(jù)波動(dòng)小，平均溫差為–0.005°C，其標(biāo)準(zhǔn)差為0.0014°C。而其他兩組溫度差均呈現(xiàn)出一個(gè)變大的趨勢(shì)，最大溫度差為0.055°C，且標(biāo)準(zhǔn)差大于第一組(37Coastal和CTD48)。三者方差分析結(jié)果均為P>0.05，說(shuō)明溫度之間不存在顯著性差異。

圖5   溫度曲線圖

圖6 各溫度差值曲線圖

同處理壓力數(shù)據(jù)類似，對(duì)3組溫度數(shù)據(jù)分別求時(shí)間序列上的溫度梯度▽T (圖7)。結(jié)果顯示，三者▽T波動(dòng)情況一致，3組數(shù)據(jù)任意兩者相關(guān)系數(shù)在0.98 以上，說(shuō)明三者溫度測(cè)量值偏差非常小。37Coastal的平均絕對(duì)值▽T和▽T標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0050°C和0.0084°C，CTD48的平均絕對(duì)值▽T和▽T標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0050°C和0.0085°C，304Plus的平均絕對(duì)值▽T和▽T標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0059°C和0.086°C，數(shù)值顯示三者溫度傳感器所獲取的數(shù)據(jù)波動(dòng)小，其傳感器穩(wěn)定性能幾乎一致。

圖7 溫度梯度曲線圖

⒊ 鹽度數(shù)據(jù)對(duì)比

在長(zhǎng)時(shí)間序列的測(cè)量過程中，傳感器本身的異常電信號(hào)干擾等會(huì)產(chǎn)生少量的錯(cuò)誤異常值, 應(yīng)先刪除部分異常錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，圖8為去掉異常數(shù)據(jù)后的鹽度曲線。數(shù)據(jù)顯示，三者在160(開始測(cè)量時(shí)間)～265d(圖8中鹽度突變時(shí)間點(diǎn))的數(shù)據(jù)吻合程度較好，而在第265d以后37Coastal的數(shù)據(jù)與其他兩者的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了較大偏差, 其他兩組數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變且高度一致趨勢(shì)。

圖8 鹽度曲線圖

第293d為該潛標(biāo)回收時(shí)間點(diǎn)，且在潛標(biāo)回收后對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行了SBE9型CTD的投放，該CTD是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用非常廣泛且具有高數(shù)據(jù)質(zhì)量的溫鹽深測(cè)量?jī)x器。在該時(shí)間點(diǎn)上37Coastal、304Plus與CTD48的鹽度值(PSU)分別為32.9、31.8、31.8，三者鹽度最大相差1.1。圖9為SBE9型CTD所獲取的該點(diǎn)鹽度數(shù)據(jù)，與潛標(biāo)同一深度的鹽度為32.9，與37Coastal測(cè)得的鹽度相同。因此，可以判斷304Plus和CTD48鹽度數(shù)據(jù)異常，同時(shí)能夠說(shuō)明304Plus和CTD48在第265d以后所測(cè)得的鹽度異常。3種CTD基本在同一深度位置，304Plus和CTD48鹽度值同時(shí)出現(xiàn)異常突變，考慮到不同設(shè)備的傳感器探頭同時(shí)出現(xiàn)同樣故障的概率極低，導(dǎo)致該現(xiàn)象出現(xiàn)的可能是二者的電導(dǎo)率傳感器同時(shí)被某生物附著，電導(dǎo)率測(cè)量管堵塞，測(cè)量值出現(xiàn)異常。

圖9  SBE911鹽度曲線圖(第293d)

排除生物附著等外力因素影響，對(duì)第265d 以后的鹽度數(shù)據(jù)進(jìn)行截?cái)啵?60～265d鹽度數(shù)據(jù)(三者相對(duì)穩(wěn)定區(qū)間)進(jìn)行對(duì)比(圖10)。圖10中顯示，三者數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)整體一致，其中37Coastal與304Plus數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)較其他兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)高，達(dá)到了0.97，37Coastal與CTD48數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.9。對(duì)3組數(shù)據(jù)求相互鹽度差值(圖11)，可以看出第一組鹽度差(37Coastal與304Plus)波動(dòng)最小，其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.016和0.03，均小于其他兩組數(shù)據(jù)。

圖10 鹽度曲線圖(去除異常值) 

圖11 各組鹽度差值曲線圖

同處理壓力和溫度數(shù)據(jù)類似，分別對(duì)3組鹽度數(shù)據(jù)求時(shí)間序列上的鹽度梯度▽S(圖12)。計(jì)算出37Coastal的平均絕對(duì)值▽S和▽S標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.003 和0.0047，CTD48的平均絕對(duì)值▽S和▽S標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.003和0.0067，304Plus的平均絕對(duì)值▽S和▽S標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.020和0.029。說(shuō)明37Coastal和 CTD48在數(shù)據(jù)穩(wěn)定性方面一致，但是從前文可知，37Coastal和304Plus數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度更高。三種設(shè)備中只有37Coastal帶有泵結(jié)構(gòu)，通過泵的作用使三種傳感器能對(duì)同一微水團(tuán)進(jìn)行測(cè)量，從最大程度上保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)于復(fù)雜海況條件下及剖面式投放的數(shù)據(jù)測(cè)量具有優(yōu)勢(shì)。

圖12 鹽度梯度曲線圖

三、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)搭載在坐底潛標(biāo)平臺(tái)上的3 種不同型號(hào)的自容式溫鹽深測(cè)量設(shè)備(37Coastal、CTD48和304Plus)所獲取的長(zhǎng)時(shí)間序列的壓力、溫度和鹽度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。分析結(jié)果表明，三者傳感器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性等方面存在微小差異。37Coastal專門被設(shè)計(jì)用于復(fù)雜的近海海況，因而其在變化劇烈的近海環(huán)境下所獲取的溫度和鹽度數(shù)據(jù)質(zhì)量均有優(yōu)異的表現(xiàn)，而CTD48和304Plus的主要適應(yīng)對(duì)象為深海探測(cè)，在以后的工作中將會(huì)通過其在大洋中的數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)比對(duì)各自傳感器的性能。目前，從集成度、操作性及經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，CTD48 和304Plus兩種設(shè)備要優(yōu)于37Coastal。所以，3種設(shè)備對(duì)海洋真實(shí)的物理環(huán)境參數(shù)變化觀測(cè)在其準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性等方面都有良好的保障，對(duì)不同的探測(cè)環(huán)境需要認(rèn)真選擇不同的探測(cè)傳感器，以發(fā)揮儀器本身最大的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于如何選擇不同種類的溫鹽深傳感器要結(jié)合自身的科研需求以及使用環(huán)境等，根據(jù)需求而后詳細(xì)評(píng)估目前各個(gè)型號(hào)的溫鹽深傳感器的精度、準(zhǔn)確度、量程及漂移性等方面指標(biāo)，并且在布放的成本以及難度系數(shù)等方面也需要認(rèn)真考慮，綜合各個(gè)方面的因素確定最終適合自身科學(xué)研究需求的方案。