鐘 超，梁前勇，陸敬安

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510075；2.天然氣水合物勘查開發(fā)國(guó)家工程研究中心，廣東 廣州 511458；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天然氣水合物工程技術(shù)中心，廣東 廣州 511458）

在相互制約的大氣海洋系統(tǒng)中，海氣界面物質(zhì)交換是實(shí)現(xiàn)海洋和大氣相互作用的重要途徑，其通量代表了海洋與大氣物質(zhì)交換幅度。了解海氣通量變化特征對(duì)研究海氣界面碳循環(huán)過程、碳收支通量和全球氣候變化具有重要意義[1]，人為活動(dòng)和自然過程的耦合作用對(duì)海洋CH4源匯過程及其?！?dú)饨粨Q通量時(shí)空演變的影響越來越受到關(guān)注和重視[2-5]。因此海洋與大氣之間碳交換研究至關(guān)重要，有必要將海洋大氣和海水中溶存甲烷含量分布特征有機(jī)結(jié)合起來，開展同一時(shí)空下海氣交換通量觀測(cè)及?！?dú)庋h(huán)過程研究，評(píng)估海氣通量對(duì)氣候環(huán)境變化的影響。

最早的海水中溶解態(tài)CH4觀測(cè)始于20世紀(jì)50年代的吹掃捕集—?dú)庀嗌V法[6]。隨后，基于道爾頓氣體分壓定律和亨利定律，海洋科學(xué)家陸續(xù)開發(fā)出頂空平衡—?dú)庀嗌V法[7]，真空脫氣—?dú)庀嗌V法[8]，膜法[9]和水汽平衡器—光腔衰蕩光譜法[10-11]等海水中溶解態(tài)CH4的觀測(cè)技術(shù)。目前海表大氣甲烷測(cè)量一般采用頂空平衡—?dú)庀嗌V法[7]，表層海水溶存甲烷測(cè)量一般采用吹掃捕集—?dú)庀嗌V法[6]。這些傳統(tǒng)的氣相色譜法存在穩(wěn)定性較差，運(yùn)行成本較高，線性較差等問題[12-13]，還需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)離散采樣及陸地實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，只適合靜態(tài)水體的觀測(cè)，不適合海洋大區(qū)域長(zhǎng)期測(cè)量，且樣品在采集、運(yùn)輸?shù)倪^程中難免發(fā)生損耗，在一定程度上影響了測(cè)量精度。前人研究資料表明海洋大氣甲烷濃度分布特征呈現(xiàn)明顯時(shí)空不均勻性[14-15]，且海洋大氣和海水溶存甲烷觀測(cè)方式結(jié)合不足，無法實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量[16]。國(guó)內(nèi)外海洋領(lǐng)域?qū)W者在計(jì)算海氣界面甲烷交換通量時(shí)，多數(shù)采用鄰近海域定點(diǎn)觀測(cè)的大氣本底和歷史數(shù)據(jù)[17]，甚至是全球大氣甲烷濃度年平均值[18]，給海氣甲烷交換通量計(jì)算結(jié)果帶來了一定的誤差[19]。因此，有必要開展海洋大氣甲烷和表層海水溶解態(tài)甲烷的現(xiàn)場(chǎng)同步觀測(cè)，以獲取同一時(shí)空尺度下海表大氣和表層海水溶解態(tài)甲烷數(shù)據(jù)，提高海氣甲烷交換通量觀測(cè)效率和計(jì)算精度。

本文基于梯度法研制了海氣甲烷交換通量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，通過表層海水采樣及溶解氣體分離裝置和數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)了海表大氣及表層海水甲烷同步走航測(cè)量。針對(duì)系統(tǒng)算法需求，采用面向?qū)ο缶幊趟枷牒虲#、JavaScript語言在Windows平臺(tái)下設(shè)計(jì)流式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理的可視化軟件，通過通信串口獲取各模塊采集的數(shù)據(jù)，基于LISS P S等[20]和WANNINKHOF R[21]給出的公式編程實(shí)現(xiàn)了甲烷交換通量的自動(dòng)計(jì)算，并以圖形化窗口實(shí)時(shí)顯示，且支持離線數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算、歷史數(shù)據(jù)回看功能。相比傳統(tǒng)海氣界面甲烷通量測(cè)量方法，本系統(tǒng)可替代業(yè)內(nèi)手動(dòng)取樣分析測(cè)試離線計(jì)算的方法，在數(shù)據(jù)獲取方面具備高效性和實(shí)時(shí)性，避免了樣品在采集、運(yùn)輸過程中損耗，有效提高了通量計(jì)算效率，可實(shí)現(xiàn)船載走航長(zhǎng)周期測(cè)量，為后期研究多尺度海氣相互作用及全球氣候變化提供重要的技術(shù)手段。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及研究?jī)?nèi)容

1.1 硬件系統(tǒng)概述

水氣甲烷交換通量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)由采集系統(tǒng)、中控系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)構(gòu)成[22]，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架圖

1.1.1 采集系統(tǒng)

采集系統(tǒng)由海水大氣采集模塊和氣象觀測(cè)模塊組成。其中，海水大氣采集模塊是前置核心部分，海水采集部分模塊中由蠕動(dòng)泵從探槽處將表層海水輸送至表層海水采樣及分析裝置中，實(shí)時(shí)測(cè)量海水溶解CH4、CO2含量；大氣采集部分由氣泵抽入海表大氣輸送至氣體分析儀中，實(shí)時(shí)測(cè)試氣體含量（主要是CH4、CO2）及氣體中碳同位素比率；氣象觀測(cè)模塊主要觀測(cè)水平真風(fēng)速、真風(fēng)向等要素。

1.1.2 中控系統(tǒng)

中控系統(tǒng)由兩部分組成，其中“數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)”負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)采集時(shí)序并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，“供電單元”則為整個(gè)裝置提供所需電力，滿足長(zhǎng)期測(cè)量的需求。

1.1.3 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)包括傳感器專用安裝支架及附件，對(duì)各傳感器安裝固定；定位模塊通過GPS裝置獲取位置等信息。

1.1.4 工作原理及硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)通過表層海水、海表大氣采樣及溶解氣體前置分離裝置將樣品輸入氣體分析儀中檢測(cè)，結(jié)合中控系統(tǒng)采集的氣象、GPS等數(shù)據(jù)，經(jīng)過整合、計(jì)算得出海氣通量，并實(shí)時(shí)在用戶終端顯示，系統(tǒng)技術(shù)路線及硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2和圖3所示。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)路線圖

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

氣體分析裝置采用美國(guó)Picarro公司G2201I，可測(cè)量高低濃度甲烷氣體。海水原位測(cè)量裝置采用德國(guó)Contros公司HydroC走航甲烷傳感器，基于調(diào)諧半導(dǎo)體激光探測(cè)器線寬窄的優(yōu)勢(shì)，可精確地探測(cè)水中的甲烷分子含量。氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的美國(guó)Rainwise公司PortLog氣象傳感器，可測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向/溫濕度/降雨量等氣象要素，配置有GPS系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)定位功能。海氣交換通量自動(dòng)測(cè)量模塊采用基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32L471ZG單片機(jī)為主CPU，該CPU主頻高達(dá)80 M，具有超低功耗、外圍接口豐富、獨(dú)立FSMC等特點(diǎn)，能方便擴(kuò)展片外靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器；配合外部接口電路，中央集成控制器具有多路模擬輸入、脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)、多路電壓控制輸出、多路數(shù)字量輸入輸出等接口，外部采用12VDC外接可充電電池供電，系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)件如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

1.1.5 計(jì)算方法

海水中溶解CH4的飽和度R（%）及海—?dú)饨粨Q通量F可由下列公式計(jì)算得出。

式中，k為氣體交換速率（cm/h）；Cobs為溶存氣體在表層海水中的濃度（nmol/L）；Ceq為表層海水中的氣體與大氣達(dá)平衡時(shí)的濃度，由系統(tǒng)傳感器實(shí)測(cè)得出。氣體在界面處遵守亨利定律，該模型將k定義為風(fēng)速和氣體SC數(shù)（Schmidt Number）的函數(shù)（表2），其中SC數(shù)為水的動(dòng)力粘度與待測(cè)氣體分子擴(kuò)散速率之比，對(duì)于特定氣體，SC數(shù)與水溫、鹽度等物理參數(shù)有關(guān)。WANNINKHOF R等[23-24]給出了海水中甲烷氣體SC數(shù)與水溫T的關(guān)系式（3），T為海水表面溫度，可通過溫度傳感器實(shí)測(cè)得出。

表2 與風(fēng)速相關(guān)的k函數(shù)

通常利用Liss and Merlivat公式[20]、Wanninkhof公式[21]來計(jì)算k，分別代表了對(duì)?！?dú)饨粨Q通量估算的較低值與較高值。海平面獲取的原始風(fēng)速可通過冪次法則換算至10 m處的風(fēng)速[25]，其中，H1和H2表示海平面以上的高度U1和U2為對(duì)應(yīng)高度的風(fēng)速，公式如下。

1.1.6 控制方法

采集系統(tǒng)按照預(yù)定程序開始工作，由表層海水采樣及溶解氣體前置分離裝置和海表大氣采樣裝置將樣品送至氣體分析儀分解得到表層海水及海表大氣中溶解甲烷含量，同時(shí)氣象觀測(cè)模塊采集基本環(huán)境參數(shù)（水平真風(fēng)速、真風(fēng)向）?？刂葡到y(tǒng)通過上位機(jī)軟件讀取RS232串口中各模塊采集的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。

當(dāng)控制單元得到指令后，根據(jù)所獲得各監(jiān)測(cè)模塊（海水大氣采集模塊和氣象觀測(cè)模塊）信息制作成裝置的工作時(shí)序表，當(dāng)控制工作開始后，通過通訊系統(tǒng)GPS授時(shí)，將各采集模塊同步到統(tǒng)一時(shí)間軸內(nèi)，每次獲取到時(shí)間信息后，都查詢時(shí)序表，一旦相關(guān)動(dòng)作時(shí)間到達(dá)，控制單元發(fā)出控制信號(hào)，具體流程圖如圖4所示。

圖4 控制方法流程圖

程序運(yùn)行后，將首先初始化系統(tǒng)資源，然后初始化串口，并創(chuàng)建讀串口線程，各監(jiān)測(cè)模塊通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至串口，然后進(jìn)入命令執(zhí)行的等待循環(huán)中，在這個(gè)過程中若沒有其他消息觸發(fā)，將一直做讀串口循環(huán)。通過處理函數(shù)，將海水表層溶解氣體含量、風(fēng)速、溫度等數(shù)據(jù)匯入（Liss and Merlivat 92、Wanninkhof 86）經(jīng)驗(yàn)公式[20-21]中計(jì)算生成交換通量。若需要數(shù)據(jù)庫(kù)操作，上位機(jī)軟件將創(chuàng)建新的進(jìn)程，分配新的系統(tǒng)資源來完成數(shù)據(jù)處理，可將每個(gè)測(cè)點(diǎn)，每條測(cè)線的信息分類梳理入庫(kù)，提高記錄和檢索信息的效率。

1.1.7 系統(tǒng)船載集成方式

為了避免調(diào)查船煙囪廢氣和甲板工作人員活動(dòng)的影響，海表大氣采集分析裝置進(jìn)氣口固定于調(diào)查船前艙最高處，距海面約10 m。進(jìn)氣口安裝倒錐形外罩和干燥管，以避免水汽和顆粒物進(jìn)入氣路，對(duì)儀器內(nèi)部光腔產(chǎn)生不利影響。將抽水管置于調(diào)查船水文室探槽底部（距船底3 m處）通過離心泵抽取淺表層海水，利用海水原位測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)表層海水溶存甲烷含量監(jiān)測(cè)。氣象傳感器及定位設(shè)備安裝于調(diào)查船桅桿上，通過延長(zhǎng)電纜與系統(tǒng)各模塊相連，建立了一套適用于海洋大氣和海水甲烷連續(xù)同步測(cè)量系統(tǒng)（圖5），可滿足船基走航海氣甲烷交換通量連續(xù)觀測(cè)的實(shí)際需求。

圖5 船基走航測(cè)量方式

1.2 軟件方案

1.2.1 開發(fā)環(huán)境選擇

選擇在Windows平臺(tái)下采用C#語言開發(fā)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊，C#是一種穩(wěn)定的、簡(jiǎn)單的、高效的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，具有快速數(shù)據(jù)操作流、界面顯示功能，用于進(jìn)行串口通信及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[26]。JavaScript是由客戶端瀏覽器直接編譯運(yùn)行的單線程語言，是簡(jiǎn)化的函數(shù)式編程語言和面向?qū)ο缶幊陶Z言混合的產(chǎn)物。JavaScript主要由ECMAScript、文檔對(duì)象模型、瀏覽器對(duì)象模型組成，ECMAScript實(shí)現(xiàn)JavaScript語言語法描述，文檔對(duì)象模型文檔對(duì)象模型（Document Object Model）是用于處理網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容方法的接口，瀏覽器對(duì)象模型瀏覽器對(duì)象模型（Browser Object Model）實(shí)現(xiàn)與瀏覽器的交互[27]。JavaScript程序設(shè)計(jì)語言擁有簡(jiǎn)單、高效、動(dòng)態(tài)性、交互性、跨平臺(tái)性、解釋型和輕量級(jí)等特點(diǎn)。其操作運(yùn)行不需要公共網(wǎng)關(guān)接口（Common Gateway Interface）做出驗(yàn)證操作，能夠直接響應(yīng)客戶發(fā)送的命令和操作，執(zhí)行效率高，速度快，為廣大Web用戶帶來了良好的體驗(yàn)[28]。系統(tǒng)數(shù)據(jù)圖形顯示通過Echarts來實(shí)現(xiàn)，Echarts是一個(gè)純Javascript的圖表庫(kù)，底層依賴輕量級(jí)的Canvas類庫(kù)ZRender，能提供可交互、可高度個(gè)性化定制的數(shù)據(jù)可視化圖表[29]。

1.2.2 軟件功能

海氣甲烷交換通量計(jì)算的核心部分是在上位機(jī)的界面軟件中進(jìn)行，軟件支持實(shí)時(shí)和離線兩種運(yùn)行模式（圖6），通過菜單欄“模式選擇”中可以進(jìn)行切換。實(shí)時(shí)模式下，首先需連接設(shè)備串口進(jìn)行COM端口設(shè)置，待端口配置完畢軟件會(huì)自動(dòng)從各模塊中獲取數(shù)據(jù)，界面圖表每隔5 s刷新一次，可隨時(shí)切換大氣、海水、通量、軌跡及熱力圖子界面（圖7）。實(shí)時(shí)模式下獲取的數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，支持離線模式下查詢。離線模式下，圖表不會(huì)自動(dòng)刷新，需要手動(dòng)選擇時(shí)間區(qū)間進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選。

圖6 軟件初始界面

圖7 軟件運(yùn)行界面

偏差校正：在進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量的過程中，經(jīng)常需要對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，一般是通過通入一段時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)氣體來進(jìn)行測(cè)量矯正。軟件中支持設(shè)置某一時(shí)間段的測(cè)量值為標(biāo)準(zhǔn)氣體的測(cè)量值（圖8），會(huì)將該時(shí)間段的數(shù)據(jù)計(jì)算得出儀器的測(cè)量值偏差，后續(xù)采集到的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)根據(jù)該偏差進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)氣體時(shí)段設(shè)置

2 碼頭試驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)各模塊功能完備性、接口通信及軟件的可靠性，在三亞鳳凰島碼頭將該套系統(tǒng)部署在“海洋地質(zhì)四號(hào)”調(diào)查船內(nèi)并開展了相應(yīng)調(diào)測(cè)試驗(yàn)，其中海表大氣采集分析裝置進(jìn)氣口固定于調(diào)查船二層甲板離海表10 m處位置，通過氣泵原位抽取海表大氣完成海表大氣甲烷含量采測(cè)。在調(diào)查船水文與海底攝像室內(nèi)有探槽管道通向船底（距離船底3 m處），通過離心泵原位抽取海水至表層海水分離、測(cè)量裝置內(nèi)完成海水甲烷含量采測(cè)。氣象監(jiān)測(cè)裝置布放在船頭中控室旁，通過電纜連接至終端采集系統(tǒng)（圖9）。

經(jīng)過初步碼頭測(cè)試，系統(tǒng)海表大氣采樣裝置、表層海水采樣裝置及數(shù)據(jù)分析處理終端運(yùn)行正常，各數(shù)據(jù)接口通訊正常，可同步顯示大氣、海水甲烷含量，船載走航過程中能實(shí)時(shí)定位，航次期間，系統(tǒng)氣象傳感器出現(xiàn)故障，因此風(fēng)速數(shù)據(jù)由調(diào)查船上的數(shù)字氣象儀提供。通過實(shí)時(shí)/離線獲取錄入各模塊數(shù)據(jù)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算海氣甲烷交換通量、繪制了通量變化分布圖（圖10），驗(yàn)證了海水走航式甲烷現(xiàn)場(chǎng)采測(cè)技術(shù)和海氣界面交換通量計(jì)算方法的思想框架和軟件系統(tǒng)的可行性。

圖10 系統(tǒng)碼頭測(cè)試狀況

3 結(jié)論與展望

基于梯度法和“Liss and Merlivat、Wanninkhof”經(jīng)驗(yàn)公式研制了船載海氣甲烷交換通量測(cè)量系統(tǒng)，通過表層海水采樣及溶解氣體分離裝置和數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)了海表大氣及表層海水甲烷同步采測(cè)，替代了傳統(tǒng)站位式取樣分析測(cè)試方法，在數(shù)據(jù)獲取方式上實(shí)現(xiàn)了大氣、表層海水甲烷測(cè)量從站位式現(xiàn)場(chǎng)離散采樣到走航式連續(xù)同步測(cè)量的轉(zhuǎn)變，有效避免了樣品在采集轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的損耗，一定程度上提高了海氣通量觀測(cè)效率與計(jì)算精度。

基于C#、JavaScript語言設(shè)計(jì)了上位機(jī)顯示軟件，軟件界面簡(jiǎn)潔直觀、操作簡(jiǎn)單，能夠?qū)崟r(shí)或離線顯示系統(tǒng)獲取的海表大氣、海水甲烷含量及海氣界面基本氣象要素（風(fēng)速、風(fēng)向），并自動(dòng)計(jì)算甲烷海氣交換通量。開發(fā)了基于離線地圖數(shù)據(jù)可視化通量熱力圖組件，使用強(qiáng)度色譜實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)強(qiáng)弱的數(shù)值與顏色一一映射，實(shí)現(xiàn)了調(diào)查船航跡定位及海氣甲烷通量分布圖顯示。

本系統(tǒng)基于碼頭試驗(yàn)及短途走航初步驗(yàn)證了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)可行性。后期將繼續(xù)開展船載環(huán)境適配性及海上浮標(biāo)端定點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成研究，擴(kuò)展水氣界面環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)回傳功能，為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)及海氣界面相互作用研究提供高質(zhì)量的水氣界面實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提升海洋環(huán)境應(yīng)急機(jī)動(dòng)觀測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)保障、防災(zāi)減災(zāi)等預(yù)警報(bào)能力。