泵控管路系统在温盐深测量中的优势分析

郭斌斌等

摘 要：温盐深测量技术发展过程中，如何消除盐度尖峰现象一直是大家关心的问题。海鸟公司的泵控管路系统设计，对于修正此类动态误差，效果明显。文章将对该设计的物理结构及工作原理进行简要介绍，重点讨论泵控管路系统在提高CTD空间分辨率以及同步C-T传感器方面的功能，并使用现场数据验证该系统在静态时的性能表现。

关键词：温盐深测量；泵控管路；潜水泵；盐度尖峰

前言

海洋研究者们一直对盐度、密度充满兴趣，而CTD直接测量的海水要素是温度、压力及电导率，此三个要素称为“基础要素”。由于盐度和密度是由基础要素计算得来，所以必须保证对基础要素的测量是同步完成，即针对同一时间、同一水团微元，否则得到的结果必然错误，并且会导致尖峰现象[1]。采用数据平均消除数据尖峰并不是一个好选择，因为这将会损失分辨率，并且会得出错误的平滑值。许多CTD无法达到同步测量的要求，原因在于其温度、电导率传感器本身的物理位置不一致，或者传感器间响应时间不同。尤其是此类CTD电导率单元的响应时间取决于CTD下降速率，而较低的移动速度又需要较长的响应时间。除非CTD投放速度已知且恒定，要不然这些系统的电导率单元的响应时间会不停变化，剧烈的数据尖峰也会发生。但实际情况是，由于船舶的运动CTD的速度几乎不可能恒定。

为了最大程度减少盐度、密度尖峰且又不损失其分辨率，海鸟公司采用了独有的泵控管路系统设计，此举大大推进了温盐深测量技术的发展。

1 系统结构

如图1所示，泵控管路系统由TC导管、管路和潜水泵组成[2]。随着CTD下放，水体被吸进管路系统，温度是最先被测量的要素。随后水体先后流经电导率传感器、溶解氧传感器、潜水泵，最后通过潜水泵的出水口排出设备。系统内部，TC导管确保了温度、电导率传感器一起感应过的所有水体都必须穿过一个直径0.4cm的通道，且正常运转下的潜水泵能强迫水体以30cm3/s的恒定速度流动。

2 提高CTD空间分辨率

使用泵控管路系统，海鸟CTD拥有比其他任何CTD更高的空间分辨率。

通过观察图1的TC导管放大部分可以认为，CTD获得的每个数据样本代表了进水口下方的微小水柱。考虑到对流进行解析描述多少有些复杂，所以为了讨论容易，我们将该微小水柱想象为简单的圆柱体[3]。假设潜水泵抽动水体进入TC导管的速度等于CTD的下放速度，那么作为水体来源的微小水柱的直径必然与TC导管的内径相等，即0.4cm。在这种情况下，CTD就像在一个从海表延伸到海底、直径0.4cm的全水柱中下降。所有进入TC导管的水体都来自于这个水柱内，而不会是水柱外的水体。在实际中，CTD每秒从水柱中获得的水体积必须等于潜水泵的驱动体积。在SBE 9plus CTD中，这个体积等于30cm3/s。而随着CTD投放速度的改变，微小水柱的直径也会随之变化，以满足潜水泵所需要的水体积。

假设采样率为24Hz，则每个水体样本对应于一个微小水柱，水柱高度是CTD在1s内移动距离的1/24。以SBE 9plus CTD为例，容易测算出不同投放速度下微小水柱的尺寸大小。如投放速度为1m/s时，CTD测量的每个数据样本对应于一个直径约为0.6cm的微小水柱，这些水柱首尾相连堆叠于CTD的运动路径上。因而，海鸟CTD获得的每个数据样本分别代表了一个水体微元的真实温度、电导率，水体微元典型尺寸满足：直径小于1cm，高度小于5cm，详情见表1。

3 C-T传感器同步

传感器之间的不同步源于：（1）传感器不在同样的位置，无法在同一时间对同一水团微元进行测量[4]；（2）各传感器的响应时间不一致，个别传感器易受投放速度影响。

我们知道，TC导管与电导率单元的总体积大约为6cm3，按照水体的行进顺序可将其划分为3个区，其中TC导管和第一个单元电极上游的短长度单元为1区，共2.2cm3；外侧电极内的单元部分是有效测量区域，为2区，共2cm3；电导率单元下游1.8cm3区域内的水体已经超出单元的有效区域，为3区。

1区不是电导率单元的有效测量区域，在30cm3/s的泵速下充满该区域需要0.073s。这个延迟是在任何情况下都存在的温度传感器与电导率传感器之间的恒定时间差，即使是CTD投放速度出现改变。SBE 11plus 甲板单元自动扣除了这个延迟，以便传输到电脑中的电导率、温度数据得到及时、正确的滞后校准，并且能真实地代表同一水团微元。水体通过1区后，一旦到达第一个电极，电导率单元的响应取决于填充单元有效体积所用的时间。而这个有效体积只由外部电极内的单元部分组成，即2cm3大小的2区，完全填充该区需要0.067s。而3区的水体已经超出了有效测量区域，填充该空间与电导率传感器的响应无关。

据以上分析，在使用潜水泵和管路装置后，各传感器之间的管路通量及泵速已知，只需提前一个传感器测量值的时间，如此即可与其它传感器测量值的时间相匹配。而对于问题2，海鸟CTD的数据显示：使用泵和TC导管的温度、电导率传感器都表现出一样的时间响应，大约0.060s。经过华盛顿大学Michael Gregg博士一系列精益求精、全面的现场测量，海鸟CTD的响应时间已经重新测量并得到更新。

综合以上，泵控管路系统有效解决了C-T传感器不同步的问题，图2中的对比曲线很好的证明了这一点。

4 静态时的性能分析

2013年8月29日，在东北赤道太平洋克拉里昂-克利帕顿断裂区（145°19.0503′W，8°24.0111′N）的一次CTD试验表明：当海鸟CTD静止时，潜水泵与TC导管不会导致测量误差，仍然可以提供安静的低噪音数据。当时，CTD悬挂于船舶下方约4900m的深度处长达1.85小时，期间的6660个数据样本都已绘制在图3中，结果显示温度、盐度测量值分别保持在当地平均值的+/-0.001℃、+/-0.00035psu内，这也与基尔大学的Müller博士在北大西洋的试验结论相一致。

Batchelor在1967年对该机制做过很详细的阐述，即CTD静止时，进入TC导管的水体来自于一个中心位于TC导管进水口处的扁平球体。同时，通过在实验室水槽中进行的染色测试也是一个有力的验证：CTD静止时，进水口处的流场可以形象化为进口处的一组同心扁平球体，其体积率与潜水泵的速率相等。

5 结束语

泵控管路系统是海鸟公司的伟大创新，解决了传统CTD测量手段面临的盐度尖峰问题。该设计提高了CTD空间分辨率，保证了C-T传感器之间的同步，并且在静态时也表现良好。尽管如此，仍有部分海洋微结构研究人员认为泵控管路系统破坏了水体的自然状态，关于此问题今后还需投入更多精力进行研究。

参考文献

[1]肖波，温明明，郭斌斌.温盐深测量系统误差源分析及处理[J].海洋信息，2014（3）：7-9.

[2]SBE 9plus CTD User's Manual.Sea-Bird Electronics，Inc，Bellevue，2013.

[3]Fundamentals of the TC Duct and Pump-Controlled Flow Used on Sea-Bird CTDs.Sea-Bird Electronics，Inc，Bellevue，2012.

[4]张爱军.几种常用的CTD资料时间滞后订正方法的分析和比较[J].海洋通报，1992（5）.

[5]张兆英.CTD测量技术的现状与发展[J].海洋技术，2003，4：105-110.

作者简介：郭斌斌（1990-），男，助理工程师；主要从事物理海洋调查及研究工作。