一种船载走航式海气甲烷交换通量测量系统设计与应用研究

钟 超，梁前勇，陆敬安

（1.中国地质调查局广州海洋地质调查局 自然资源部海底矿产资源重点实验室，广东 广州 510075；2.天然气水合物勘查开发国家工程研究中心，广东 广州 511458；3.中国地质调查局天然气水合物工程技术中心，广东 广州 511458）

在相互制约的大气海洋系统中，海气界面物质交换是实现海洋和大气相互作用的重要途径，其通量代表了海洋与大气物质交换幅度。了解海气通量变化特征对研究海气界面碳循环过程、碳收支通量和全球气候变化具有重要意义[1]，人为活动和自然过程的耦合作用对海洋CH4源汇过程及其海—气交换通量时空演变的影响越来越受到关注和重视[2-5]。因此海洋与大气之间碳交换研究至关重要，有必要将海洋大气和海水中溶存甲烷含量分布特征有机结合起来，开展同一时空下海气交换通量观测及海—气循环过程研究，评估海气通量对气候环境变化的影响。

最早的海水中溶解态CH4观测始于20世纪50年代的吹扫捕集—气相色谱法[6]。随后，基于道尔顿气体分压定律和亨利定律，海洋科学家陆续开发出顶空平衡—气相色谱法[7]，真空脱气—气相色谱法[8]，膜法[9]和水汽平衡器—光腔衰荡光谱法[10-11]等海水中溶解态CH4的观测技术。目前海表大气甲烷测量一般采用顶空平衡—气相色谱法[7]，表层海水溶存甲烷测量一般采用吹扫捕集—气相色谱法[6]。这些传统的气相色谱法存在稳定性较差，运行成本较高，线性较差等问题[12-13]，还需进行现场离散采样及陆地实验室测定，只适合静态水体的观测，不适合海洋大区域长期测量，且样品在采集、运输的过程中难免发生损耗，在一定程度上影响了测量精度。前人研究资料表明海洋大气甲烷浓度分布特征呈现明显时空不均匀性[14-15]，且海洋大气和海水溶存甲烷观测方式结合不足，无法实现同步测量[16]。国内外海洋领域学者在计算海气界面甲烷交换通量时，多数采用邻近海域定点观测的大气本底和历史数据[17]，甚至是全球大气甲烷浓度年平均值[18]，给海气甲烷交换通量计算结果带来了一定的误差[19]。因此，有必要开展海洋大气甲烷和表层海水溶解态甲烷的现场同步观测，以获取同一时空尺度下海表大气和表层海水溶解态甲烷数据，提高海气甲烷交换通量观测效率和计算精度。

本文基于梯度法研制了海气甲烷交换通量自动测量系统，通过表层海水采样及溶解气体分离装置和数据采集模块，实现了海表大气及表层海水甲烷同步走航测量。针对系统算法需求，采用面向对象编程思想和C#、JavaScript语言在Windows平台下设计流式数据存储、处理的可视化软件，通过通信串口获取各模块采集的数据，基于LISS P S等[20]和WANNINKHOF R[21]给出的公式编程实现了甲烷交换通量的自动计算，并以图形化窗口实时显示，且支持离线数据导入计算、历史数据回看功能。相比传统海气界面甲烷通量测量方法，本系统可替代业内手动取样分析测试离线计算的方法，在数据获取方面具备高效性和实时性，避免了样品在采集、运输过程中损耗，有效提高了通量计算效率，可实现船载走航长周期测量，为后期研究多尺度海气相互作用及全球气候变化提供重要的技术手段。

1 系统设计方案及研究内容

1.1 硬件系统概述

水气甲烷交换通量自动测量系统由采集系统、中控系统及辅助系统构成[22]，如图1所示。

图1 系统构架图

1.1.1 采集系统

采集系统由海水大气采集模块和气象观测模块组成。其中，海水大气采集模块是前置核心部分，海水采集部分模块中由蠕动泵从探槽处将表层海水输送至表层海水采样及分析装置中，实时测量海水溶解CH4、CO2含量；大气采集部分由气泵抽入海表大气输送至气体分析仪中，实时测试气体含量（主要是CH4、CO2）及气体中碳同位素比率；气象观测模块主要观测水平真风速、真风向等要素。

1.1.2 中控系统

中控系统由两部分组成，其中“数据采集与存储系统”负责控制数据采集时序并存储数据，“供电单元”则为整个装置提供所需电力，满足长期测量的需求。

1.1.3 辅助系统

辅助系统包括传感器专用安装支架及附件，对各传感器安装固定；定位模块通过GPS装置获取位置等信息。

1.1.4 工作原理及硬件结构

系统通过表层海水、海表大气采样及溶解气体前置分离装置将样品输入气体分析仪中检测，结合中控系统采集的气象、GPS等数据，经过整合、计算得出海气通量，并实时在用户终端显示，系统技术路线及硬件结构图如图2和图3所示。

图2 系统技术路线图

图3 系统硬件结构图

气体分析装置采用美国Picarro公司G2201I，可测量高低浓度甲烷气体。海水原位测量装置采用德国Contros公司HydroC走航甲烷传感器，基于调谐半导体激光探测器线宽窄的优势，可精确地探测水中的甲烷分子含量。气象监测系统使用的美国Rainwise公司PortLog气象传感器，可测量风速风向/温湿度/降雨量等气象要素，配置有GPS系统，可实现定位功能。海气交换通量自动测量模块采用基于ARM Cortex-M4内核的STM32L471ZG单片机为主CPU，该CPU主频高达80 M，具有超低功耗、外围接口丰富、独立FSMC等特点，能方便扩展片外静态随机存储器；配合外部接口电路，中央集成控制器具有多路模拟输入、脉冲信号计数、多路电压控制输出、多路数字量输入输出等接口，外部采用12VDC外接可充电电池供电，系统主要技术指标件如表1所示。

表1 系统主要技术指标

1.1.5 计算方法

海水中溶解CH4的饱和度R（%）及海—气交换通量F可由下列公式计算得出。

式中，k为气体交换速率（cm/h）；Cobs为溶存气体在表层海水中的浓度（nmol/L）；Ceq为表层海水中的气体与大气达平衡时的浓度，由系统传感器实测得出。气体在界面处遵守亨利定律，该模型将k定义为风速和气体SC数（Schmidt Number）的函数（表2），其中SC数为水的动力粘度与待测气体分子扩散速率之比，对于特定气体，SC数与水温、盐度等物理参数有关。WANNINKHOF R等[23-24]给出了海水中甲烷气体SC数与水温T的关系式（3），T为海水表面温度，可通过温度传感器实测得出。

表2 与风速相关的k函数

通常利用Liss and Merlivat公式[20]、Wanninkhof公式[21]来计算k，分别代表了对海—气交换通量估算的较低值与较高值。海平面获取的原始风速可通过幂次法则换算至10 m处的风速[25]，其中，H1和H2表示海平面以上的高度U1和U2为对应高度的风速，公式如下。

1.1.6 控制方法

采集系统按照预定程序开始工作，由表层海水采样及溶解气体前置分离装置和海表大气采样装置将样品送至气体分析仪分解得到表层海水及海表大气中溶解甲烷含量，同时气象观测模块采集基本环境参数（水平真风速、真风向）。控制系统通过上位机软件读取RS232串口中各模块采集的数据并存储。

当控制单元得到指令后，根据所获得各监测模块（海水大气采集模块和气象观测模块）信息制作成装置的工作时序表，当控制工作开始后，通过通讯系统GPS授时，将各采集模块同步到统一时间轴内，每次获取到时间信息后，都查询时序表，一旦相关动作时间到达，控制单元发出控制信号，具体流程图如图4所示。

图4 控制方法流程图

程序运行后，将首先初始化系统资源，然后初始化串口，并创建读串口线程，各监测模块通过串口将数据发送至串口，然后进入命令执行的等待循环中，在这个过程中若没有其他消息触发，将一直做读串口循环。通过处理函数，将海水表层溶解气体含量、风速、温度等数据汇入（Liss and Merlivat 92、Wanninkhof 86）经验公式[20-21]中计算生成交换通量。若需要数据库操作，上位机软件将创建新的进程，分配新的系统资源来完成数据处理，可将每个测点，每条测线的信息分类梳理入库，提高记录和检索信息的效率。

1.1.7 系统船载集成方式

为了避免调查船烟囱废气和甲板工作人员活动的影响，海表大气采集分析装置进气口固定于调查船前舱最高处，距海面约10 m。进气口安装倒锥形外罩和干燥管，以避免水汽和颗粒物进入气路，对仪器内部光腔产生不利影响。将抽水管置于调查船水文室探槽底部（距船底3 m处）通过离心泵抽取浅表层海水，利用海水原位测量装置实现对表层海水溶存甲烷含量监测。气象传感器及定位设备安装于调查船桅杆上，通过延长电缆与系统各模块相连，建立了一套适用于海洋大气和海水甲烷连续同步测量系统（图5），可满足船基走航海气甲烷交换通量连续观测的实际需求。

图5 船基走航测量方式

1.2 软件方案

1.2.1 开发环境选择

选择在Windows平台下采用C#语言开发数据采集存储模块，C#是一种稳定的、简单的、高效的面向对象的编程语言，具有快速数据操作流、界面显示功能，用于进行串口通信及数据存储[26]。JavaScript是由客户端浏览器直接编译运行的单线程语言，是简化的函数式编程语言和面向对象编程语言混合的产物。JavaScript主要由ECMAScript、文档对象模型、浏览器对象模型组成，ECMAScript实现JavaScript语言语法描述，文档对象模型文档对象模型（Document Object Model）是用于处理网页内容方法的接口，浏览器对象模型浏览器对象模型（Browser Object Model）实现与浏览器的交互[27]。JavaScript程序设计语言拥有简单、高效、动态性、交互性、跨平台性、解释型和轻量级等特点。其操作运行不需要公共网关接口（Common Gateway Interface）做出验证操作，能够直接响应客户发送的命令和操作，执行效率高，速度快，为广大Web用户带来了良好的体验[28]。系统数据图形显示通过Echarts来实现，Echarts是一个纯Javascript的图表库，底层依赖轻量级的Canvas类库ZRender，能提供可交互、可高度个性化定制的数据可视化图表[29]。

1.2.2 软件功能

海气甲烷交换通量计算的核心部分是在上位机的界面软件中进行，软件支持实时和离线两种运行模式（图6），通过菜单栏“模式选择”中可以进行切换。实时模式下，首先需连接设备串口进行COM端口设置，待端口配置完毕软件会自动从各模块中获取数据，界面图表每隔5 s刷新一次，可随时切换大气、海水、通量、轨迹及热力图子界面（图7）。实时模式下获取的数据会实时保存到本地数据库中，支持离线模式下查询。离线模式下，图表不会自动刷新，需要手动选择时间区间进行数据筛选。

图6 软件初始界面

图7 软件运行界面

偏差校正：在进行试验测量的过程中，经常需要对仪器进行校准，一般是通过通入一段时间的标准气体来进行测量矫正。软件中支持设置某一时间段的测量值为标准气体的测量值（图8），会将该时间段的数据计算得出仪器的测量值偏差，后续采集到的数据会自动根据该偏差进行校准。

图8 标准气体时段设置

2 码头试验

为了验证系统各模块功能完备性、接口通信及软件的可靠性，在三亚凤凰岛码头将该套系统部署在“海洋地质四号”调查船内并开展了相应调测试验，其中海表大气采集分析装置进气口固定于调查船二层甲板离海表10 m处位置，通过气泵原位抽取海表大气完成海表大气甲烷含量采测。在调查船水文与海底摄像室内有探槽管道通向船底（距离船底3 m处），通过离心泵原位抽取海水至表层海水分离、测量装置内完成海水甲烷含量采测。气象监测装置布放在船头中控室旁，通过电缆连接至终端采集系统（图9）。

经过初步码头测试，系统海表大气采样装置、表层海水采样装置及数据分析处理终端运行正常，各数据接口通讯正常，可同步显示大气、海水甲烷含量，船载走航过程中能实时定位，航次期间，系统气象传感器出现故障，因此风速数据由调查船上的数字气象仪提供。通过实时/离线获取录入各模块数据结合经验公式计算海气甲烷交换通量、绘制了通量变化分布图（图10），验证了海水走航式甲烷现场采测技术和海气界面交换通量计算方法的思想框架和软件系统的可行性。

图10 系统码头测试状况

3 结论与展望

基于梯度法和“Liss and Merlivat、Wanninkhof”经验公式研制了船载海气甲烷交换通量测量系统，通过表层海水采样及溶解气体分离装置和数据采集模块，实现了海表大气及表层海水甲烷同步采测，替代了传统站位式取样分析测试方法，在数据获取方式上实现了大气、表层海水甲烷测量从站位式现场离散采样到走航式连续同步测量的转变，有效避免了样品在采集转运过程中的损耗，一定程度上提高了海气通量观测效率与计算精度。

基于C#、JavaScript语言设计了上位机显示软件，软件界面简洁直观、操作简单，能够实时或离线显示系统获取的海表大气、海水甲烷含量及海气界面基本气象要素（风速、风向），并自动计算甲烷海气交换通量。开发了基于离线地图数据可视化通量热力图组件，使用强度色谱实现观测数据强弱的数值与颜色一一映射，实现了调查船航迹定位及海气甲烷通量分布图显示。

本系统基于码头试验及短途走航初步验证了系统方案设计可行性。后期将继续开展船载环境适配性及海上浮标端定点监测系统集成研究，扩展水气界面环境参数实时回传功能，为海洋环境监测及海气界面相互作用研究提供高质量的水气界面实时观测数据，进一步提升海洋环境应急机动观测、现场保障、防灾减灾等预警报能力。