任 強(qiáng)，倪煜淮，李延剛，于 非

（1.中國科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071；2.中國科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；3.海軍參謀部軍事海洋環(huán)境建設(shè)辦公室，北京 100141；4.自然資源部東海預(yù)報(bào)減災(zāi)中心，上海 200137）

進(jìn)入21 世紀(jì)，我國加強(qiáng)了對(duì)海洋觀測(cè)研究的投入，對(duì)海洋動(dòng)力和生化環(huán)境的直接觀測(cè)能夠?yàn)楹Ｑ笏暮蜕鷳B(tài)環(huán)境研究、海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)資源與保護(hù)，以及國防軍事安全等方面提供支撐。海洋現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量一直是海洋科學(xué)研究的最重要的手段之一，隨著科學(xué)研究的深入，提出了對(duì)海洋進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速、高準(zhǔn)確度和長期穩(wěn)定連續(xù)觀測(cè)的需求。因此，發(fā)展各類型的國產(chǎn)海洋設(shè)備對(duì)海洋環(huán)境的觀測(cè)和研究具有重要意義。

潛標(biāo)工作于水下，測(cè)量水下參數(shù)，可以與海面浮標(biāo)形成互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境的立體觀測(cè)，是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中最可靠、最準(zhǔn)確的手段之一。潛標(biāo)受海面異常天氣條件影響和人為破壞影響小，在觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，以及海上環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)上具有顯著的優(yōu)勢(shì)，可為深海海洋動(dòng)力環(huán)境預(yù)報(bào)與海洋軍事環(huán)境保障提供實(shí)時(shí)資料支撐。潛標(biāo)技術(shù)是20 世紀(jì)50 年代初首先在美國發(fā)展起來的。隨后，英國、法國、俄羅斯、日本、德國和加拿大等國也相繼開展研究和應(yīng)用。美國從20 世紀(jì)60 年代初開始，在若干海域布設(shè)潛標(biāo)系統(tǒng)，并將潛標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行軍事和海洋開發(fā)服務(wù)。另外，在各種重大的國際合作研究項(xiàng)目中，也常常布放大量的潛標(biāo)系統(tǒng)。我國于20 世紀(jì)70 年代開始海洋潛標(biāo)技術(shù)研究，隨后國家海洋局于1982 年正式立項(xiàng)研制了千米測(cè)流潛標(biāo)系統(tǒng)，并進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，之后經(jīng)過20 多年的發(fā)展，我國自主潛標(biāo)觀測(cè)技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，目前已逐步步入國際先進(jìn)地位。

CTD 是最基本的也是最重要的觀測(cè)海洋動(dòng)力環(huán)境要素的設(shè)備[1-4]，長期以來在我國大多數(shù)的海洋調(diào)查使用場(chǎng)景中，包括錨系潛標(biāo)、海床基、走航測(cè)量及Argo 等平臺(tái)使用的CTD 基本上采用進(jìn)口設(shè)備。而我國在20 世紀(jì)50 年代就開始了國產(chǎn)溫鹽深儀的研制工作，近年來，基于技術(shù)水平的突破和積累的需要，我國加大了對(duì)自主CTD 設(shè)備的研發(fā)力度，先后研制成功了各類型包括剖面高精度CTD、拋棄式CTD、拖曳式CTD 和自容式CTD 等[5]。目前國內(nèi)外已經(jīng)開展了諸多CTD 的比測(cè)試驗(yàn)[6-10]，20 世紀(jì)80年代，GYTRE T 等[11]對(duì)小型CTD 和Neil Brow CTD進(jìn)行了比較研究；在CTD 技術(shù)快速發(fā)展的20 世紀(jì)90 年代，加拿大Bedford 海洋研究所HENDRY R M等[12]對(duì)SBE 9、Mark II、Guildline Instruments 8737及顛倒溫度計(jì)等多種型號(hào)CTD 進(jìn)行了較為全面的對(duì)比研究。在國內(nèi)也有許多學(xué)者針對(duì)國產(chǎn)的CTD開展了比測(cè)工作，比如程邵華等[1]、張兆英[2]分別對(duì)國產(chǎn)高精度CTD 和SZC15-2型CTD 進(jìn)行了比對(duì)，近期有雷發(fā)美等[9]對(duì)國內(nèi)兩家單位的多臺(tái)CTD 開展了剖面比測(cè)，任強(qiáng)等[10]開展了多種CTD 的坐底式長期觀測(cè)比對(duì)，對(duì)設(shè)備的性能穩(wěn)定性有了詳細(xì)的評(píng)估。蘭卉等[13]開展了表層走航溫鹽儀的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，這些比測(cè)工作驗(yàn)證了國內(nèi)儀器的性能，同時(shí)對(duì)后續(xù)的CTD 精度的改進(jìn)和提高起了一定的作用。但是目前國內(nèi)開展的國產(chǎn)CTD 比測(cè)試驗(yàn)工作大多是針對(duì)剖面CTD 和拋棄式CTD 等，在錨系潛標(biāo)平臺(tái)開展的深海比測(cè)非常少，因此在該類水下平臺(tái)開展的針對(duì)性比對(duì)試驗(yàn)具有非常重要的意義。

隨著海洋環(huán)境預(yù)報(bào)和海洋環(huán)境安全保障需求的提高，對(duì)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取要求不斷提升，準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)技術(shù)開始被海洋科學(xué)家所提出，在“十三五”期間，科技部重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)開展了準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)的研制，并進(jìn)行了大深度長距離的溫鹽深測(cè)量技術(shù)的研發(fā)，成功研制了7 000 m 級(jí)的CTD。與此同時(shí)，中國科學(xué)院海洋研究所聯(lián)合國家海洋技術(shù)中心，在潛標(biāo)平臺(tái)上開展了多組不同深度的感應(yīng)耦合CTD 與進(jìn)口CTD 的比對(duì)。本文基于該比對(duì)試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)開展分析，探討國產(chǎn)CTD 的長期穩(wěn)定性能，為該類儀器的國產(chǎn)化應(yīng)用等提供一定基礎(chǔ)。

1 比測(cè)背景和儀器說明

1.1 海上比測(cè)區(qū)域及背景

依托自然資源部東海分局“向陽紅19”科考船組織的共享航次，中國科學(xué)院海洋研究所于2020年5 月22—27 日在西太海域部署了一套國產(chǎn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)開展試驗(yàn)性應(yīng)用，本次海上應(yīng)用的國產(chǎn)溫鹽深儀為國家海洋技術(shù)中心研制的耦合傳輸自容式溫鹽深儀，該潛標(biāo)為科技部支持下完全自主研發(fā)的國產(chǎn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)，所有的溫鹽儀器設(shè)備均采取耦合傳輸模式，固定時(shí)間通過北斗衛(wèi)星發(fā)回?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奈锢硭沫h(huán)境背景參數(shù)的觀測(cè)。潛標(biāo)布放區(qū)域?yàn)楹Ｑ笾谐叨葴u旋高發(fā)區(qū)，海洋上層溫鹽結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，溫鹽變化范圍大。因而在此類區(qū)域開展儀器的比測(cè)試驗(yàn)對(duì)儀器性能的檢定創(chuàng)造了有利條件，可以在高海況情況下驗(yàn)證國產(chǎn)設(shè)備各項(xiàng)性能指標(biāo)。

1.2 CTD 性能指標(biāo)對(duì)比

錨定平臺(tái)輕小型感應(yīng)傳輸CTD（Inductive CTD，ICTD）是海洋立體觀測(cè)中重要的剖面測(cè)量設(shè)備，其適用于浮標(biāo)、潛標(biāo)、鉆井平臺(tái)、大型海洋作業(yè)船等各類海洋觀測(cè)、監(jiān)測(cè)平臺(tái)及海洋工程裝備配套觀測(cè)使用。ICTD 采用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)水下溫鹽深測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸，是水下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究中一個(gè)重要發(fā)展方向。ICTD 可以在惡劣的海洋環(huán)境下實(shí)現(xiàn)無人值守的全天候、全天時(shí)長期連續(xù)定點(diǎn)剖面觀測(cè)，同時(shí)在任何需要測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)段將數(shù)據(jù)回傳至主控平臺(tái)，大大提高了系統(tǒng)的可操作性。因此，ICTD 作為實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)最重要的配套設(shè)備之一，其具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，為國產(chǎn)CTD（C-CTD）技術(shù)的發(fā)展提供了重要力量，也為海洋預(yù)報(bào)、海洋環(huán)境的監(jiān)測(cè)和海洋科學(xué)理論研究等具有重要作用。

ICTD 儀器通過塑包鋼纜掛裝在潛標(biāo)平臺(tái)，采用通用RS232 接口，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集傳輸。表1 為C-CTD 與進(jìn)口的海鳥CTD（SBE-CTD）測(cè)量技術(shù)指標(biāo)的對(duì)比，表中所示的C-CTD 為“十三五”立項(xiàng)初期的儀器指標(biāo)，經(jīng)過近幾年的升級(jí)改進(jìn)，到“十四五”期間，C-CTD 的技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)與SBE-CTD技術(shù)指標(biāo)基本完全一致。從表1 中可以發(fā)現(xiàn)，各個(gè)傳感器的測(cè)量范圍基本一致，其中壓力傳感器的測(cè)量準(zhǔn)度沒有區(qū)別，C-CTD 的溫度傳感器和電導(dǎo)率傳感器的測(cè)量準(zhǔn)度僅有細(xì)微差別。對(duì)于海洋中上層來說，此類傳感器準(zhǔn)度和測(cè)量量程完全可以滿足對(duì)海洋環(huán)境變化的監(jiān)測(cè)。

表1 國產(chǎn)CTD 和SBE-CTD 測(cè)量技術(shù)指標(biāo)

2 比測(cè)方法及數(shù)據(jù)處理

海上比測(cè)儀器C-CTD 與SBE-CTD 分為三組，其中C-CTD 固定的安裝在錨系潛標(biāo)設(shè)計(jì)水深100 m、200 m 和500 m 處（圖1），同時(shí)在其附近裝有SBECTD，型號(hào)為SBE 37，但是在初始試驗(yàn)中兩者的安裝距離沒有嚴(yán)格限制在某一個(gè)數(shù)值。同時(shí)兩種類型的儀器所設(shè)置的采樣指標(biāo)均為10 min。由于實(shí)際海洋的溫鹽壓等參數(shù)受渦旋、流場(chǎng)及水團(tuán)等帶來的影響而在實(shí)時(shí)變化，對(duì)于對(duì)比的儀器來說時(shí)鐘嚴(yán)格的統(tǒng)一關(guān)系到采樣的同步性問題，在劇烈變化的背景下，只要時(shí)間不同步就會(huì)產(chǎn)生采樣的不同步造成所測(cè)值不一致而出現(xiàn)的較大偏差。因此，在原始的數(shù)據(jù)中可清晰地看到采樣的不同步性，在后期的數(shù)據(jù)處理中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)齊處理。另外，對(duì)兩者數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行了包括異常值處理等的嚴(yán)格質(zhì)量控制而保證比測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性。

圖1 國產(chǎn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)結(jié)構(gòu)組成圖

誤差和相關(guān)系數(shù)計(jì)算采用如下公式[11，14]。

式中，u為平均誤差；xi和yi為兩組儀器的測(cè)量值；n為數(shù)據(jù)長度；R為相關(guān)系數(shù)，可表示兩種變量之間的相關(guān)關(guān)系密切程度，系數(shù)取值為[-1，1] 區(qū)間。

3 比測(cè)結(jié)果分析

圖2 和圖3 為兩型CTD 所測(cè)得的壓力和兩者的壓力差值。從圖2 的壓力對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)潛標(biāo)受流場(chǎng)的影響有明顯的日變化，壓力的變化幅度超過50 m。盡管系統(tǒng)變化劇烈，但是從圖中可以看到三組C-CTD 與SBE-CTD 所測(cè)得的壓力從曲線上幾乎看不出差別，根據(jù)相關(guān)系數(shù)公式（2）計(jì)算，三組壓力數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)等于1，基本滿足嚴(yán)格的線性關(guān)系，說明數(shù)據(jù)吻合度極高。圖3 的三組壓力差值結(jié)果可看到兩者測(cè)量值有一定的區(qū)別，三組壓力差的均值分別為0.43 m、1.75 m 和-0.33 m，這是由于安裝位置出現(xiàn)的位置所造成，其壓力差的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.13，0.09 和0.07 m。壓力的劇烈變化并未對(duì)兩者所測(cè)得的壓力差值造成明顯影響，說明所測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性非常好。

圖2 C-CTD 與SBE-CTD 測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖3 C-CTD 與SBE-CTD 測(cè)得的壓力差數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖4 為三組測(cè)得的溫度時(shí)間序列，其直接測(cè)量結(jié)果看不出溫度測(cè)量差別，溫度表現(xiàn)為一致的變化，根據(jù)相關(guān)系數(shù)公式計(jì)算，三組溫度數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)也都等于1，表明了溫度數(shù)據(jù)的匹配程度非常高。對(duì)三組不同深度上的溫度測(cè)量值求溫度差值，圖5 表示的是測(cè)量差值結(jié)果，結(jié)果表明兩者的差值數(shù)據(jù)整體比較穩(wěn)定，但是在溫度變化較大的時(shí)刻所測(cè)的溫度差相對(duì)較大，比如第一組最大差值達(dá)到了0.15 ℃，經(jīng)過計(jì)算三組溫度差的平均值分別為0.001 ℃、-0.03 ℃和0.026 ℃?？梢钥闯?，第一組的溫度差最小，主要是由于安裝位置最為接近且時(shí)間調(diào)校高度匹配的原因，因此測(cè)量的溫度基本上一致。第二組和第三組的溫度差均超過0.02 ℃，分析其可能的原因是在潛標(biāo)受流的影響下在短時(shí)間內(nèi)潛標(biāo)整體向下運(yùn)動(dòng)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)可以從壓力數(shù)據(jù)可以清楚地反映這一變化，由于兩種CTD 的系統(tǒng)時(shí)間并沒有嚴(yán)格的統(tǒng)一，盡管已經(jīng)進(jìn)行了時(shí)間校正，但是仍然無法完全消除這一影響。采樣的不同步性加上潛標(biāo)的上下移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致兩組測(cè)量值不是測(cè)量的同一水團(tuán)，并且由于儀器安裝位置會(huì)有一定的距離，因而其測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一定的偏差?？紤]到潛標(biāo)在穩(wěn)定時(shí)刻的比對(duì)更具有意義，因此本文僅統(tǒng)計(jì)溫度較為穩(wěn)定的時(shí)間段內(nèi)，三組C-CTD 和SBE-CTD 之間的平均溫度差最小僅為0.001 ℃，可以說幾組CCTD 的溫度傳感器測(cè)量性能基本上沒有區(qū)別，與SBE-CTD 表現(xiàn)相同。

圖4 C-CTD 與SBE-CTD 測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖5 C-CTD 與SBE-CTD 測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)差值對(duì)比圖

鹽度直接測(cè)量結(jié)果（圖6）也表明了測(cè)量的高度一致性，相關(guān)系數(shù)的計(jì)算結(jié)果為1，其中第一組和第二組吻合度相對(duì)于第三組來說要更好。鹽度差值的波動(dòng)與溫度數(shù)據(jù)類似，也是在變化劇烈的時(shí)刻出現(xiàn)了測(cè)量差值的相對(duì)較大的波動(dòng)，其測(cè)量的不同步性是其差異的原因之一。但是另外一方面，我們可以看到SBE-CTD 的測(cè)量結(jié)果整體相對(duì)穩(wěn)定，而C-CTD 則會(huì)出現(xiàn)細(xì)小的波動(dòng)，特別是在第三組可以看出來。分析其原因可能如下，SBE-CTD 采用的型號(hào)是7 000 米級(jí)的SBE 37，該型CTD 電導(dǎo)率傳感器帶有泵從而保證所測(cè)水樣的穩(wěn)定性和同一性，最大程度地減少了鹽度尖峰現(xiàn)象[15-17]的出現(xiàn)，從而數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，這也是該型儀器的優(yōu)勢(shì)所在。對(duì)于本次參與比測(cè)的C-CTD 來說，為了完成潛標(biāo)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸功能，所有溫鹽測(cè)量儀器都采用感應(yīng)耦合模式，沒有泵結(jié)構(gòu)，因此由于各個(gè)傳感器響應(yīng)時(shí)間的不一致，在溫度變化較為劇烈的時(shí)刻的鹽度測(cè)量值容易出現(xiàn)鹽度尖峰，其表現(xiàn)為異常的跳點(diǎn)。但是在系統(tǒng)穩(wěn)定的時(shí)刻，其測(cè)量值與SBE-CTD 相比仍然小，具有較高的精度。對(duì)每組鹽度求差值（圖7），三組鹽度差的均值分別為-0.006 psu、-0.006 psu 和-0.001 psu，也說明了兩者鹽度傳感器性能高度一致。

圖6 C-CTD 與SBE-CTD 測(cè)得的鹽度數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖7 C-CTD 與SBE-CTD 測(cè)得的鹽度數(shù)據(jù)差值對(duì)比圖

根據(jù)以上分析總體來說，不同深度的C-CTD其直接測(cè)得的壓力、溫度和鹽度與SBE-CTD 相比都表現(xiàn)出了高度的一致性。C-CTD 的性能指標(biāo)基本上達(dá)到了國外同類型產(chǎn)品的水平，其壓力、溫度和電導(dǎo)率傳感器能夠完全滿足復(fù)雜海洋背景下對(duì)動(dòng)力環(huán)境的觀測(cè)。

4 結(jié) 論

高精度的溫鹽深測(cè)量儀是實(shí)現(xiàn)海洋動(dòng)力環(huán)境背景要素長期連續(xù)穩(wěn)定觀測(cè)的重要手段之一，其國產(chǎn)化的研制與應(yīng)用對(duì)提升我國海洋技術(shù)裝備及科研水平等具有重要的支撐作用。而長期以來，基于深海潛標(biāo)平臺(tái)的多深度與長時(shí)間序列的CTD 比測(cè)工作仍然缺乏。本文基于“十三五”期間的科技部重點(diǎn)研發(fā)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)平臺(tái)搭載的三組C-CTD 與進(jìn)口的SBE-CTD 所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的比對(duì)分析。比測(cè)儀器布放在100 m、200 m 和500 m 的深度上，共進(jìn)行了采樣間隔為10 min 的為期6 天的測(cè)量，比測(cè)過程中的潛標(biāo)平臺(tái)本身受流的影響上下浮動(dòng)超過了50 m。比測(cè)結(jié)果表明了在復(fù)雜的海洋環(huán)境背景下，國產(chǎn)CTD 所測(cè)得的溫鹽深數(shù)據(jù)與SBECTD 數(shù)據(jù)具有高度的一致性。其中在潛標(biāo)較為穩(wěn)定的時(shí)刻，兩者的平均溫度差最小為0.001℃，平均鹽度差最小為0.001 psu，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，表明國產(chǎn)CTD 的傳感器的性能基本上達(dá)到了國外同類型產(chǎn)品，其完全能夠滿足高海況下的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)。下一步工作將繼續(xù)對(duì)國產(chǎn)CTD 進(jìn)行更長時(shí)間序列的比對(duì)，以進(jìn)一步驗(yàn)證各個(gè)傳感器性能和長期穩(wěn)定性等。國產(chǎn)CTD 的研制與逐步市場(chǎng)化應(yīng)用也標(biāo)志著我國海洋科技水平的進(jìn)步，對(duì)提高海洋觀測(cè)能力，促進(jìn)海洋基礎(chǔ)科學(xué)研究的發(fā)展具有積極的作用。