“海翼号”水下滑翔机盐度数据的热滞后效应偏差订正方法探讨

杨得厚，靖春生，黄 奖

(自然资源部第三海洋研究所，福建 厦门 361005)

水下滑翔机是一种新型的海洋环境水下观测平台，相比于传统的海上观测仪器，比如船载温盐深测量仪(Instrument for Measuring Conductivity Temperature and Depth， CTD)等，能够依靠其较强的续航能力进行长时间、大范围、全天候、高分辨率的水下自主观测。目前，水下滑翔机已经逐渐成为一种海洋观测的重要工具[1]。水下滑翔机的概念，最早是由Stommel在1989年提出的[2]，两年后，世界上最早的水下滑翔机Slocum问世[3]，之后，更大观测深度的Spray水下滑翔机[4]和更加高效节能的Seaglider水下滑翔机也研制了出来[5]。相比较于国外，我国对水下滑翔机的研究起步较晚。2003年，中国科学院组织开展了对水下滑翔机的研究，2005年，天津大学研制的水下滑翔机成功进行水下的测试[6]，2008年，我国成功研制出具有自主知识产权的水下滑翔机工程样机。2009年，天津大学研制了工作深度为500 m的水下滑翔机Petrel,并进行了湖试，并在2014年使用Petrel-Ⅱ水下滑翔机在南海进行测试，圆满地完成了海上试验[7]。同年，中国科学院沈阳自动化研究所研制的“海翼号”水下滑翔机先后完成了3次海上试验，滑翔机海上累计工作天数达到80 d，累计航程达到2 400多千米，累计观测剖面数超过600个[8]。各个单位研制的水下滑翔机经过多次的海洋观测试验，验证了我国所研制的水下滑翔机的可靠性与稳定性，为后期的推广与使用打下了坚实的基础。

本次研究的水下滑翔机为“海翼号”水下滑翔机，配备的是美国海鸟公司生产的滑翔机机载CTD(Glider Payload CTD，简称GPCTD)，它能够直接观测海水的电导率、温度和压强，进而可计算出盐度等数据。水下滑翔机在水下工作过程中，由于温度传感器位于电导单元的外部，GPCTD的电导率观测滞后于温度观测，且由于电导率电池会储存热量，电导传感器需要消耗时间来适应周围海水，使电导传感器的反应变慢，从而使盐度的观测产生热滞后效应，特别是在水下滑翔机穿越温跃层(温度变化大)时，热滞后效应尤为明显。

热滞后效应导致的盐度偏差已经被广大学者所研究。Lueck 和Picklo在1990年首次提出了一种热滞后修正的数值算法，并用SBE(Sea-Bird Electronics Inc.)的电导单元采集的数据进行试验，得出了该算法可以有效地减少盐度的偏差[9-10]。后来，随着水下滑翔机的问世，热滞后效应的研究重点也转到了水下滑翔机上来。Morison等(1994)提出一种能够确定热滞后修正振幅α和时间常数τ的方法，通过最小化下降和上升两个剖面T-S曲线之间的差异，根据SBE-9CTD数据得到的经验结果，得出α和τ的函数关系，提高了盐度热滞后效应订正的准确度[11]。Garau等(2011)以Morison 等的工作为基础，提出了不带泵的Slocum CTD 数据的热滞后修正方法，该方法优点如下：使用水下滑翔机自身的可变速度，同时不需要参考剖面，通过最小化CTD 下降和上升两个剖面T-S曲线围成的面积所确定的目标函数,从而确定修正参数并进行盐度订正[12]。该方法由于订正结果较好，已经被广大学者所认可，但该方法存在局限性，在锋面区或者水体变化较为剧烈的海域，下降和上升剖面温盐性质不同，由于不采用参考CTD的情况，用该方法进行盐度订正可能会出现错误，因此该方法仅适用于小范围且温盐性质较为稳定的区域。Troupin等(2015)提供了一套完整的可自由使用的SOCIB Glider工具箱，这个工具箱具有处理滑翔机数据的功能，包括盐度的热滞后订正(针对带泵的和不带泵的水下滑翔机)、数据的质量控制和图形输出，使得滑翔机的数据处理变得自动化[13]。Alvarez等(2013)使用不同的盐度订正方法，在Slocum水下滑翔机带泵和不带泵的两种情况下，设置滑翔机下放角度不同时，比对不同方法对采集的盐度数据产生热滞后效应的订正结果，得出了带泵的Slocum水下滑翔机相对于不带泵的盐度的热滞后效应的订正结果更好[14]，但该研究在做对比时，缺少船载CTD等可靠的数据进行比较，因此对比结果的可靠性缺少客观依据。

1 数据特征及处理方法

1.1 数据特征

本研究使用的是“海翼号”水下滑翔机，配备了GPCTD，采样时间间隔设置为6 s，设置的下潜深度有500 m和1 000 m,其技术参数见表1。图1为选取的3台水下滑翔机(JP01、JP02与KP03)在船载911型温盐深测量仪(SBE-911 Plus-CTD，技术参数见表1)站位附近(滑翔机各个剖面与CTD站位的信息见表2)观测的6个剖面之间的盐度偏差和温度梯度的关系图，可以发现，3台水下滑翔机在运行过程中，6个剖面温度梯度随水深的变化趋势一致，基本呈现单峰分布，在水深0～200 m范围内达到最大峰值，最大的温度梯度接近0.6 ℃/m[图1(b)]；3台水下滑翔机的盐度偏差与温度梯度随水深变化的趋势一致，在0～200 m水深范围内，盐度偏差达到最大[图1(a)]，说明温跃层越强，热滞后效应越显著。在同一个水团范围内，当滑翔机下降(上升)穿越温跃层时，盐度的测量值会偏大(小)，3台水下滑翔机下降和上升剖面测得的温度随着水深的变化趋势几乎一致，而下降剖面测得的盐度值大，特别是在温跃层较强的水层范围内，这个偏差更明显(图2)，表明滑翔机在水下观测过程中，下降和上升剖面存在因热滞后效应产生的盐度偏差。

表1 GPCTD、 SBE-911 Plus-CTD系统技术指标Tab.1 Technical specifications of GPCTD and SBE-911 Plus-CTD

续表

图1 上升和下降剖面盐度偏差和温度梯度的垂向分布Fig. 1 Vertical distribution of salinity deviation and temperature gradient in upper and lower profiles

表2 滑翔机各个剖面与CTD站位的时间和位置信息Tab. 2 Simpling times and positions of the gilder and CTD profiles

图2 CTD参考站位附近3台水下滑翔机观测的下降和上升剖面Fig. 2 Upcast and downcast temperature and salinity profiles of 3 gliders around a CTD station(a)中箭头为地转流流速，红色三角形代表CTD站位位置，黄色线段代表待订正的滑翔机剖面位置。

1.2 数据的预处理

检查水下滑翔机电导率是否存在异常值，将电导率0～6 S/m以外的值剔除；检查压力值是否正常，海洋中所有的压力值都应该是大于0 dbar，所以将压力值小于或者等于0 dbar的数据剔除；将温度在-2.5～40 ℃范围以外的数据剔除。

1.3 盐度的热滞后订正

目前，经典的修正盐度热滞后效应的方法有两种，一种是计算温度传感器附近的实际电导率[9]，第二种是计算电导池中的实际温度[11]。第一种方法计算公式[9]如下：

CT(n)=-b·CT(n-1)+γ·a×[T(n)-T(n-1)]

(1)

式(1)中：CT为温度传感器附近的实际电导率(S/m)，T是温度(℃)，n是采样的计量数目，γ是电导率对温度的灵敏度，这个数值由仪器生产商评估并提供。系数a和b由下式得到:

(2)

(3)

式(2)、(3)中，fn是不同CTD传感器的奈奎斯特频率(单位为Hz，CTD传感器的采样频率为采样周期的倒数，奈奎斯特频率为CTD传感器的采样频率的一半)，α是修正振幅，τ是时间常数。

第二种方法计算公式[11]如下：

TT(n)=-b·TT(n-1)+a×[TT(n)-TT(n-1)]

(4)

式(4)中：TT为电导池中的实际温度(℃)，系数a和b的计算方法如式(2)和(3)。

本报讯 根据湖北三宁化工股份有限公司大修计划节点，11月18日上午9：00尿素厂正式进入大修模式，1#系统停车，12：30置换完成，净化车间1#系统置换较以往不同的是将罗茨机开着置换，这样做旨在节约时间。19日凌晨3：002#系统停车，管理人员全体就位，到现场协调指挥，8：30完成置换，顺利停车，各项检修工作有序进行。

方法二比方法一更有优点，因为它不依赖于估计的灵敏度γ，所以它在计算上更准确，因此，本研究的盐度订正方法采用第二种方法。

式(2)、(3)中修正振幅α和时间常数τ都取决于通过电导单元的流速。标准参数α和τ的确定又分为3种主要的方法，在本研究中分别称为方法A、方法B和方法C。

方法A：热滞后订正过程中，修正振幅α和时间常数τ取决于每个剖面所测得的盐度关于真实值(船载CTD测量的盐度)的均方根误差(RMSE)的最小值[14]。

方法B：Garau等(2011)对水下滑翔机提出了将水流速度考虑在内的修正方法[12]，α和τ计算公式如下：

α(n)=αo+αs·Vf(n)-1

(5)

τ(n)=τo+τs·Vf(n)-1/2

(6)

式(5)、(6)中：Vf为水流速度(cm/s)，下标o和s分别代表偏移(Offsets)和斜率(Slopes)，n是采样的计量数目。偏移值αo、τo和斜率值αs、τs通过优化目标方程，使得滑翔机下降和上升两个剖面盐度曲线之间面积最小化[12]，Troupin等(2015)在此基础上，对参数的确定进行修正，补充了滑翔机带泵的CTD盐度修正的方法，创建了一套MATLAB滑翔机数据处理工具箱，这里使用了MATLAB水下滑翔机热滞后订正的代码(https://github.com/socib/glider_toolbox)[13]。

方法C：Lueck(1990)[9]的理论由 Morison等(2011)[11]进一步验证, 并根据经验结果, 得到计算α和τ的公式如下：

(7)

(8)

式(7)、(8)中：V是滑翔机下降或上升的速度(m/s)。

2 结果与讨论

2.1 系统偏差的订正

2019年8月25日在中北太平洋一个CTD大面站,将3台水下滑翔机与船测CTD进行比测，选取与CTD站观测时间和空间均较临近的6个剖面(每台水下滑翔机选取2个下降和2个上升剖面),分别采用3种不同的盐度订正方法进行订正。图3为选取的水下滑翔机剖面所观测的温度、盐度和船载CTD观测的温度、盐度对比图，两者的温盐性质较为接近，具有相同的垂向结构，因此可以认为滑翔机在该位置和CTD大面站的水体特性较为一致。但是滑翔机观测的盐度与船载CTD观测的盐度在相同水层温度基本一致的情况下存在一定的偏差，总体上水下滑翔机测得的盐度比船载CTD测得的盐度偏小，尤其在温盐性质较为稳定的1 000 m水层仍然存在偏差。由此可见，滑翔机观测的盐度存在系统偏差，因此，对滑翔机观测的盐度进行系统偏差修正(每台滑翔机观测的所有盐度剖面去除掉每台滑翔机在800～1 000 m水深范围内观测的所有盐度剖面与CTD的偏差平均值)。

图3 系统偏差订正之前的水下滑翔机观测的温度、盐度与CTD站位的对比Fig. 3 Comparison of temperature and salinity profiles measured by glider and CTD before the system deviation corrected

2.2 盐度订正方法的对比

图4为3台水下滑翔机剖面所观测的盐度经系统偏差修正后与船载CTD的对比图，可以发现，3台水下滑翔机剖面所观测的盐度经系统偏差修正后和船载CTD观测的盐度总体上保持一致，在温盐性质较为稳定的1 000 m水层也保持了一致，但是在200 m以浅的跃层较强的水层内，滑翔机观测的温度在和CTD观测的温度一致的情况下，仍然存在盐度的偏差。因此，在修正系统偏差后，将对选取的剖面进行盐度的订正。

图4 系统偏差订正之后的水下滑翔机观测的温度、盐度与CTD站位的对比Fig. 4 Comparison of temperature and salinity profiles measured by glider and CTD after the system deviation corrected

在使用上述方法二来进行盐度订正的前提下，分别采用上述A、B和C不同方法确定标准参数α和τ。由于盐度因热滞后效应引起的偏差主要出现在上层200 m以浅的范围内，因此为了更直观地表达订正方法的效果，仅选取200 m以浅的部分作图分析。以KP03水下滑翔机 8月25日第3个剖面为例。

从图5看出，3种方法对滑翔机盐度的热滞后订正均有一定的效果，订正结果大体上保持了盐度的变化趋势，但是使用方法A时，对比方法B和C，下降和上升剖面之间的盐度偏差还是较大。方法C在订正该剖面时，下降和上升剖面之间的盐度偏差订正地较为接近，但该方法不稳定，并非每个剖面都达到相同的效果[图5(d)]。表3统计了选取的6个滑翔机原始盐度剖面使用3种方法订正前后下降和上升剖面之间的平均盐度偏差，由表3可以看出，在盐度偏差最大的0～<100 m水深范围内，方法B使得下降和上升剖面之间的盐度偏差从0.054 4降低到0.016 3，优于另外两种方法，在其他不同水深范围内，同样如此。

图5 3种不同的盐度订正方法对滑翔机盐度订正的结果Fig. 5 Corrected salinity results from glider measurement by three different correction methods(a)、(b)、(c)分别为使用方法A、B、C对KP03水下滑翔机8月25日第3个剖面订正前后滑翔机上下剖面的偏差情况，(d)为使用方法C对JP01水下滑翔机8月25日第3个剖面订正前后滑翔机上下剖面的偏差情况。

表3 滑翔机原始盐度剖面使用不同方法订正前后下降和上升剖面之间的平均盐度偏差Tab. 3 Deviation of average salinity between downcast and upcast profiles with different correction methods

以KP03水下滑翔机 8月25日第3个剖面为例，图6为使用盐度的3种订正方法得到的滑翔机下降和上升剖面盐度与船载CTD对比图。从图6可以看出，3种方法对滑翔机盐度的热滞后订正均有一定的效果，订正结果大体上保持了盐度原始的变化趋势，但方法B的订正结果曲线与船载CTD参考剖面更接近。表4统计了选取的6个滑翔机原始盐度剖面使用3种方法订正前后相对于船载CTD的平均盐度偏差，相对于其他水深范围来讲，滑翔机下降和上升盐度剖面相对于船载CTD的偏差最大值发生在0～<100 m水深范围内。由表4看出，6个剖面使用方法B的订正方法对下降或者上升盐度剖面各个水深范围的平均订正效果均优于方法A和C，在盐度偏差最大的0～<100 m水深范围内，对于下降剖面，6个剖面使用方法B的订正，平均偏差从0.040 0降低到0.017 0，能够减少0.023 0的盐度偏差，对于上升剖面，平均偏差从0.033 0降低到0.012 0，能够减少0.021 0的盐度偏差，极大地降低了下降和上升剖面之间的盐度偏差。因此，相比较于方法A和方法C，方法B对于滑翔机下降和上升盐度剖面之间的偏差订正效果更好，与船载CTD的盐度剖面的分布更吻合接近。

表4 滑翔机原始盐度剖面与经盐度订正后的剖面相对于船载CTD的盐度剖面的平均偏差Tab. 4 Mean deviations between the glider original and corrected salinity profiles and shipborne CTD profile

图6 3种不同的盐度订正方法结果与船载CTD的比较Fig. 6 Comparison of the corrected salinity profiles from glider by three different methods and the salinity profile from shipborne CTD

图7为经过3种盐度的订正方法处理前后，下降和上升剖面T-S曲线(0～200 m)。由图可见，方法A的订正效果并不理想，下降和上升剖面T-S曲线的偏差并没有很好地减少，有时反而比订正前的剖面偏差更大。方法C在某些剖面上，有较好地减少了下降和上升剖面T-S曲线的偏差[图7(c)、图7(e)和图7(f)]，但在其他剖面上，减少的效果并不理想，所以订正的效果并不稳定。相对于方法A和C，方法B的订正使得下降和上升剖面T-S曲线之间的偏差大大降低，下降和上升剖面的T-S曲线比起未经订正的更加趋向于一致,更加符合同属一个水团的特征，且方法B的订正效果较为稳定。通过最小化滑翔机连续上下剖面的面积可以显著地降低热滞后效应引起的盐度剖面偏差，早之前，在没有船载CTD参考的情况下，这种方法就已经成功应用于西地中海执行的滑翔机任务上[15]，本研究以此方法来验证订正方法的可靠性。

通过对比了3种订正方法对下降和上升剖面之间盐度偏差大小的减少程度、对与船载CTD盐度剖面偏差大小的减少程度和使得下降和上升剖面T-S曲线的一致程度，得出了经盐度的热滞后订正方法B订正后的盐度剖面，相对于另外两种方法，不管是下降和上升剖面之间偏差的减少效果，还是与船载CTD参考盐度剖面偏差的减少效果，又或者是下降和上升剖面T-S曲线的一致程度，方法B都明显优于另外两种方法。综上所述，可以得出盐度的热滞后订正方法B效果相比于另外两种方法要准确可靠。

3 结论

本研究首先分析了“海翼号”水下滑翔机的数据特征，发现在水下滑翔机观测过程中，盐度的观测存在热滞后效应，特别是在200 m以浅温度梯度较强的温跃层范围。因此，在对“海翼号”水下滑翔机数据进行预处理后，以时空相近的CTD站位数据为参考剖面，消除了滑翔机剖面盐度的系统偏差后，在采用计算电导池中的实际温度的方法为前提下，选取3种不同方法确定标准参数α和τ的订正方法来进行盐度订正效果的比较，并得出了以下结果。

(1)对比3种不同方法对滑翔机盐度订正前后下降和上升剖面偏差的减少程度。方法B对所选取的6个剖面在全剖面和不同水深范围内，下降和上升剖面偏差的减少程度均优于另外两种方法，且订正效果也较为稳定。

(2)对比订正后的剖面与船载CTD观测剖面的偏差大小。方法B对所选取的6个剖面在全剖面和不同水深范围内，下降和上升剖面偏差的减少程度均优于另外两种方法，且方法B的订正结果曲线与船载CTD参考剖面更接近。

(3)对比3种不同方法对滑翔机盐度剖面订正后，下降和上升剖面T-S曲线的一致程度。相对于方法A和C，方法B的订正使得下降和上升剖面的T-S曲线比起未经订正的更加趋向于一致，且方法B的订正效果也较为稳定。

以上结果表明：方法B为水下滑翔机盐度订正的最优方法，即在订正电导池中实际温度的前提下，使用计算机图形分割方法，最小化GPCTD下降和上升两个剖面T-S曲线围成的面积所确定的目标函数,来确定合适的热滞后修正振幅α和时间常数τ，从而消除下降和上升剖面之间的盐度偏差。该方法得出的盐度较好地订正了盐度的热滞后效应，并且使得滑翔机下降和上升剖面T-S曲线变化趋向一致，保持了下降和上升剖面同属一个水团、具有相同的温盐性质的特征。

由于比测资料有限，本研究仅采用了1次船载CTD的观测结果与3台水下滑翔机的6个剖面观测结果进行对比分析，存在一定的局限性，但其结果在一定程度上示出了3种不同订正方法的优劣，具有一定的参考价值。