两型国产CTD海上比测试验结果分析

雷发美，商少平，贺志刚，戴 昊

(1.厦门大学海洋与地球学院，福建 厦门 361005；2.厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室，福建 厦门 361005；3.厦门大学海洋观测技术研发中心，福建 厦门 361005)

海洋覆盖了地球表面积的70%以上，与人类生活息息相关，随着全球气候快速变化，研究海洋的重要性日益凸显，对海洋经济开发、海洋环境保护等具有非常重要的意义。温盐深剖面仪(Conductivity-Temperature-Depth profiler，CTD)是测量海洋物理特性的重要工具，它为海洋学家提供了不同深度(D)下精确的海水温度(T)和盐度(S)等参数，从而能够更加准确地揭示海洋的基本物理特性。

牛付震(2009)、张龙等(2017)归纳了国外CTD的发展现状与趋势[1-2]。在CTD出现以前，海洋界使用颠倒温度表和南森采水瓶获得温度和盐度相对深度的分布。从上世纪60年代开始，现场的电子式温盐深装置作为基本的水文调查设备被推广运用。在数十年的发展过程中，美国的CTD测量技术一直走在世界前列，著名的CTD生产厂家有SeaBird(海鸟公司)、FSI、YSI等。日本的CTD产品与海洋调查紧密结合，致力于小型低功耗产品的研发，注重发展链式系留传感器测量技术。英国、意大利等欧洲国家也一直进行CTD测量技术的研究和开发，意大利Idronaut公司研发的300系列CTD，采用大口径七电极电导率(C)传感器，传感器性能得到明显改善，并且采用A/D转换电路代替了海鸟公司产品采用的振荡器设计，在同类产品中具有较高的竞争力。

于厚隆等(2000)总结了国内温盐深设备的发展趋势，我国于1958年首次试制成功颠倒温度计并投入应用，而CTD测量技术的研究始于上世纪70年代，在上世纪80年代成功研制200、1 000、3 000 m CTD[3]。近年来，我国加大了自主研发海洋测量仪器设备的力度，CTD测量技术发展迅速，已取得一定的成果[4]。相继成功研制了船体固定式、拖曳式、抛弃式等多种CTD，但是仍存在自主创新能力不强，数据采集速度较慢，集成化程度不高，智能化程度较低，仪器长期稳定性不佳等技术短板[2]。基于目前国内海洋仪器的现状，为了对国产CTD的性能和实际使用情况有个量化的结果，本研究在我国南海东北部海域针对海洋技术领域研发的较为成熟、具备产品化条件的CTD开展检验与验证。

关于不同型号的CTD之间的比测，国内外进行过大量的海试试验[4]。20世纪80年代，挪威科学家Gytre(1989)用小型CTD与Neil Brown CTD进行了同架比测试验[5]。到20世纪90年代，加拿大Bedford海洋研究所Hendry(1992)对EG&G Mark V CTD、SBE 9 CTD、Guildline Instruments 8737 CTD和颠倒温度计进行了对比[6]。Alberola等(1996)和Mizuno等(1998)则把XCTD(Expendable Conductivity Temperature Depth)与CTD进行了比测[7-8]。瑞典的海洋科学工作者Frankois等(2002)将意大利Idronaut公司OCEAN SEVEN 320 CTD与美国SeaBird公司的SBE 911 Plus CTD进行了海上比测[9]。Uchida等(2007)则用SBE 9 Plus CTD来校正SBE 3 CTD[10]。在国内，张兆英(2003)对国产高精度CTD和SBE 911 Plus CTD进行了海上测试[11]。国家海洋标准计量中心对国产SZC15-2 CTD与进口SBE 25 CTD进行了海上比测[4]。任强等(2016)则对3种型号的CTD(分别为CTD 37 Coastal、CTD 48和CTD 304 Plus)进行了长达4个月的数据对比[12]。以上海试试验的目的不完全相同，试验方法也有差异，数据处理步骤也有所不同，但大都采用平均误差(或平均绝对误差)和均方根误差等进行比较。

在前人对CTD比测做了大量研究的基础上，根据实际情况，本研究提出了符合本次海上试验及后期数据处理的方法。旨在提出一种规范化的CTD海上比测试验步骤及后期数据的处理方法，以便促进国产技术成果的完善与固化，提高设备的可靠性、稳定性和批量一致性，为国产海洋环境监测设备的规模化应用和推广提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 参与比测试验的CTD

参与比测试验的国产CTD由两家单位提供，分别为甲单位和乙单位，两家单位各提供4台CTD，甲单位的CTD编号分别为1#、2#、3#、4#，乙单位CTD的编号分别为5#、6#、7#、8#。比测使用的标准CTD为美国海鸟公司的SBE 19 Plus CTD，该CTD试验前经国家海洋计量站青岛分站检定合格。各CTD的具体指标如表1所示。

表1 试验所用CTD主要技术参数

注：“—”表示该设备未明确给出对应的参数。

1.2 海上比测方法

试验从2013年8月3日开始持续到8月10日，使用福建海洋研究所的延平2号科考船，比测地点在我国南海东北部海域，站位坐标如表2所示。该海域海底地势较为平坦，水深满足试验要求，各站点水深均大于CTD检定深度20%以上，确保仪器在试验过程中不会触底。

安装CTD时，国产CTD和标准CTD采用同架捆绑的方式固定在不锈钢金属框架内。标准CTD安置在中间，国产CTD按对角线方位固定，底端对齐，尽可能让所有CTD的传感器保持在同一水平面上，具体安装方式见图1。框架顶端与船上钢缆连接，通过钢缆把整个框架吊入水中进行测量。

表2 CTD比测站位

图1 5台CTD同步捆绑

进行CTD下放测量时，海况应该在3级以下，CTD入水后停留5 min左右，此时间段为感温时间，若海况较高，则可以适当加大仪器浸没深度，确保该时间内仪器均在海面以下，不会再次浮出水面。感温结束后大约以0.7 m/s(延平2号绞车非空档最大速度)的速度下放，随着钢缆的释放，绕轴的半径变小，CTD下放的速度逐渐变慢。下放过程中绞车可以固定角速度释放，也可以在某些深度稍作停留，每暂停1次，在剖面数据上将会出现拐点，这些拐点有助于数据的分析。下放过程中，实时注意绞车的计数器和测深仪的读数，防止仪器触底。钢缆计数器达到预定深度时，根据现场钢缆的倾斜角度和海底深度的情况，继续下放适当深度，让仪器实际到达的深度与预计深度大致相同。到达预定深度之后，回收钢缆，仪器出水，导出数据，检查数据状态，若无异常，准备下一次试验。

1.3 数据处理方法

由于本研究为第三方独立开展的适用性检验试验，对CTD误差造成的原因不做具体分析，仅对获取的数据与约定的真值进行对比，根据实际需要，提出适合本试验的数据处理方法：

1.3.1 真值 以检定好的SBE 19 Plus CTD作为标准CTD，该CTD精度高，约定该测量值为真值。

1.3.2 质控 所有CTD剖面数据由各单位自带的软件处理输出后采用滚动3倍标准差进行质控，并对盐度数据做平滑处理，处理完后保留整个连续的测量数据，下降和上升剖面暂时不进行分割。

1.3.3 平均 若相互比较的两台CTD频率不同，则把高频平均成低频。甲单位和标准CTD频率一致，不做处理，乙单位频率为1 Hz，标准CTD为4 Hz，因此把标准CTD数据进行平均，每4个数据取一个平均值，使两者频率一致。

1.3.4 对齐 海洋数据一般以深度或者时间为轴[5]，也有的采用拐点对齐进行比测分析[4]。但本研究中，压力(P)传感器也是比测项目中的一项，也就是说不知道压力数据的误差究竟有多少，甚至不能保证压力数据的准确性，故不能用压力(或深度)为比对的标准轴。若以时间为轴，则很难确定两者同时开始测量的时间点，强行按时间对齐可能会导致数据错位。

根据试验数据的特点，在比测过程中，不考虑架子的倾斜和各传感器安装的水平差异，各台CTD的真实采样深度是一样的，不同CTD压力探头的变化趋势一致，压力数据的相关性应该非常高，如果相关性差，那么这个比对就没有意义[4]。因此只需要把各台CTD压力变化趋势一致的数据点对齐即可，可以采用刘玉周等(2003)使用的移相相关法[13]把数据进行对齐分析。

移相相关是指将采样序列xi或yi的前面数据去掉部分，即采样序列向左移位，从而改变初相使得两者的相关性最高。对于本研究试验数据而言，就是选取标准CTD下行过程中表层下降或者底层上升的转折点附近的一段压力序列，然后在被测试CTD的压力序列中找出与其相关性最高的一段数据序列，这样就可以求出这两台CTD的相位差，一般来说这个相位差即为整个压力数据序列的相位差，扣除这个相位差即可对齐两台CTD的采样数据，移相相关计算结果见图2。如果测量时在一个剖面中设置多个拐点(即测量时稍作停留或者略微向上提升)，则可以计算出多个相位差，正常情况下，这些相位差应该相等，如果相位差不等，会出现递增或者递减的情况，表明这两个数据序列的采样频率略有不同。例如，经过移相相关对齐后发现甲单位的CTD频率比标准CTD略高，这一点从甲单位CTD自身的时钟记录信息也可以证明，查看数据发现甲单位的时间轴并非严格按1 s递增，过一段时间就有部分时间会重复1次。采样频率的不同不会影响测量的真实性，但数据需要插值处理后才能与标准器进行比对。

1.3.5 精度计算 数据对齐后，去除感温段和上行段的数据，试验中所有剖面的CTD数据均正常，只需使用下行阶段的数据，上行的数据作为备份使用。对CTD下行剖面数据进行对比分析，计算公式分别如下：

图2 2013年8月6日乙单位7#CTD在X2站压力移相相关校准前后对比

(1)

(2)

式(1、2)中：u为平均误差，σ为均方根误差。xi、yi为两种观测方式在同一深度的测量值，其单位由测量的量决定(压力为Pa，温度为℃，电导率为mS/cm)，xi表示参试仪器测量结果，yi为标准仪器测量结果，n为样本个数。根据国家标准[14]，用均方根误差来表示参试仪器的精度，吕国涛等(2009)也采用均方根误差来表示精度[15]。

1.3.6 误差传播 由于标准CTD自身存在误差，计算国产CTD精度时，应当使用误差传播[14]定律扣除标准仪器的误差。

2 结果与讨论

2.1 数据获取结果

由于甲、乙两家CTD的最大测量深度不同，先进行低量程800 m深度的测量。原本计划在X1、X2、X3站位分别进行2次CTD投放试验，但在X2站第二次测量时标准CTD开关未开，该剖面无法进行比对，在X3站时，由于天气变化，海况不允许，第二次投放取消。在C1～C4站仍进行800 m深度测量试验，但在C2～C4站换甲、乙单位的另外两台CTD，标准器不变。在C2站测量时，乙单位1台CTD电池电量不足，没有获取数据，在C5站补做，保证甲、乙两单位的每台CTD至少有6个800 m剖面的数据可以用于对比。C5站补做完成后开始乙单位1 500 m深度试验，从C5～C8站每个站位均做两次，做完2个站位换另外2台CTD，测量过程中各台仪器没有出现故障，每台CTD均有4个1 500 m剖面的数据可以用于对比。试验具体测量情况见表3。

表3 CTD海上比测投放情况

续表3

X1站第一次测量的数据见图3和图4，图3a和图4a为温度测量结果，和标准CTD相比，曲线几乎完全吻合。图3b和图4b为压力测量结果，曲线趋势和各个拐点及逆压现象基本一致，但乙单位的最大值相对比较小。图3c和图4c为电导率测量结果，曲线吻合很好，相比之下，甲单位电导率曲线与标准曲线的吻合程度略微好于乙单位。图3d和图4d为盐度测量结果，从图3d可以看出，甲单位的曲线与标准曲线趋势非常一致，但尖峰正好相反，原因不明，图4d中乙单位的盐度曲线与标准曲线总体趋势一致，但细微之处存在一些偏差，改进空间较大，但从其他站位的数据来看，有的CTD盐度曲线吻合程度相当好，说明乙单位CTD之间的一致性有待改进。限于篇幅，其余站位数据图不一一给出。

图3 2013年8月5日甲单位CTD与标准CTD在X1站第一次测量获取的原始数据

图4 2013年8月5日乙单位CTD与标准CTD在X1站第一次测量获取的原始数据

2.2 误差计算结果

对各组CTD的压力、温度、电导率、盐度数据进行处理后，各项平均误差、均方根误差和最大误差(m)的计算结果见表4。

从表4可以看出，甲单位CTD的压力平均误差在-1～17 kPa之间，而乙单位CTD的压力平均误差均为负，800 m测量时，在-22～-6 kPa之间，1 500 m测量时，在-33～-17 kPa之间，随着测量深度加大，平均误差也在逐渐增加。甲单位的4台CTD的温度平均误差比较一致，均在-0.02 ℃左右，乙单位的温度平均误差分布在-0.07～0.05 ℃之间，只有8#CTD在1 500 m测量时为负，其余均为正。甲单位电导率平均误差也比较一致，均在0.01 mS/cm左右，乙单位的电导率平均误差在0.00～0.07 mS/cm之间，除了7#CTD不同深度差别较大之外，其余3台随深度的变化较小。甲单位CTD盐度的平均误差均为0.02，乙单位CTD盐度的平均误差在-0.13～0.04之间，不同CTD之间差异较大。

表4 国产CTD误差分析结果

从表4中最大误差来看，甲单位CTD压力的最大误差总体上比乙单位小；温度的最大误差两者相当，但甲单位CTD的温度最大误差比真值小，而乙单位的比真值大；甲单位CTD电导率最大误差总体比乙单位小，但甲单位CTD的盐度最大误差明显比乙单位大，究其原因，是盐度曲线上所有的尖峰方向恰好相反(图3d)。

从表4中均方根误差来看，甲单位CTD的压力、温度、电导率的均方根误差的平均值分别为14 kPa、0.04 ℃、0.02 mS/cm，由于压力精度采用的是满量程的相对误差，而乙单位4台CTD满量程平均值为7.94 MPa，因此将甲单位压力均方根误差转换成相对值后为0.18% FS，乙单位各项均方根误差分别为24 kPa(与甲单位一样，转换成相对值为0.22% FS)、0.05 ℃、0.05 mS/cm，而表1中比测用的标准CTD各项精度分别为0.1% FS、0.005 ℃、0.005 mS/cm。从三者均方根误差可以看出，参试单位的仪器精度与标准仪器较为接近，特别是甲单位，因此必须考虑测量误差之间的积累和传播。根据误差传播定律，两者之间的误差为线性传播，采用如下公式[14]进行计算：

(3)

式(3)中：mz为合成误差，m1为标准CTD精度，m2为国产CTD精度，三者单位一致。根据式(3)计算的国产CTD精度结果见表5。

表5 国产CTD实测精度

2.2 讨论

从以上各项精度的计算结果来看，甲单位CTD的压力、温度、电导率实测精度分别为0.15% FS、0.04 ℃、0.02 mS/cm，与产品标称精度0.10% FS、0.01 ℃、0.01 mS/cm接近，但温度偏差较大。乙单位CTD的压力、温度、电导率实测精度分别为0.20% FS、0.05 ℃、0.05 mS/cm，其中压力的实测精度高于产品标称精度(标称精度为2% FS)，温度和电导率的实测精度则与标称精度(分别为0.05 ℃和0.05 mS/cm)相当。由于试验中的各CTD均未给出盐度标称精度，因此不对盐度精度进行对比。总体上，两家国产CTD各项实测精度基本上达到或接近自身产品指标参数。

试验中，默认各台CTD压力探头的变化趋势是一致的，且其余参数的测量与压力同步进行。数据分析时，既不能使用压力(或深度)对齐，也不能采用时间对齐，因为不仅不能准确对齐各台CTD的起始时间，而且不同CTD采样频率可能不完全一样，例如甲单位和标准CTD的产品说明中采样频率均为4 Hz，但甲单位的实际频率为4.006 791 Hz，若不处理，即使起点时刻对齐，后续的采样时间也无法对齐。因此，本研究采用移相相关法来对齐不同CTD之间的原始数据，避免引入新的误差，以便更加准确的进行后续误差分析。从数据分析结果来看，移相相关法能有效的对齐不同CTD之间的数据，该方法也可以为其他海洋监测仪器(例如XCTD、XBT、Glider等)的比测试验提供经验借鉴。

3 结论

在本研究海试过程中，各参试仪器没有出现机械和性能故障，获取了相应的剖面数据，数据完整真实有效。国产CTD获取的数据与标准CTD的数据曲线趋势一致，线形基本吻合。甲单位CTD各项指标精度高于乙单位，且甲单位不同CTD之间的一致性较好。两家国产CTD各项实测精度基本上达到或接近产品标称精度，但与标准CTD相比，还有一定差距。由于不同单位CTD的产品标称精度不同，定位不同，因此，使用时可以有选择地用于与其观测精度指标相匹配的观测。本研究使用的移相相关法，能有效的对齐不同CTD之间的数据，避免使用压力(深度)或时间对齐带来的误差，文中的海上比测方法和数据处理方法也可以为其他类似的海洋设备比测提供经验借鉴。

致谢：感谢延平2号科考船上所有船员的热心帮助。