ARGO浮標(biāo)海上比測試驗(yàn)研究

張 川 ，胡 波 ，王 聰 ，高占科 ，張少永

（1.國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心，天津 300112；2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

ARGO浮標(biāo)海上比測試驗(yàn)研究

張 川1，胡 波1，王 聰1，高占科1，張少永2

（1.國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心，天津 300112；2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

通過海上比測試驗(yàn)，對(duì)新研制的ARGO浮標(biāo)的工作穩(wěn)定性、各傳感器計(jì)量性能的準(zhǔn)確性進(jìn)行全面客觀的評(píng)價(jià)。采用經(jīng)過計(jì)量檢定過的SBE911plus溫鹽深剖面測量系統(tǒng)及中國ARGO數(shù)據(jù)庫中其它ARGO浮標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)作為參比，得出比測試驗(yàn)結(jié)果。分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論：被測ARGO浮標(biāo)與作為參比儀器的SBE911plusCTD所測數(shù)據(jù)具有良好的一致性，不同儀器間溫度和鹽度測量結(jié)果的相關(guān)度均在0.9以上，其中溫度誤差在-2.5℃～1.5℃之間，鹽度誤差在-0.15～0.4范圍內(nèi)。對(duì)于產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行了分析和總結(jié)，總體上得出結(jié)論：被測ARGO浮標(biāo)的工作性能穩(wěn)定，傳感器計(jì)量性能準(zhǔn)確可靠。

比測試驗(yàn)；ARGO浮標(biāo)；SBE911plusCTD；相關(guān)性；誤差

1998年由美國等國的大氣、海洋科學(xué)家共同推出了全球海洋觀測試驗(yàn)項(xiàng)目——ARGO計(jì)劃，希望能夠借此做到快速、準(zhǔn)確、大范圍地收集全球海洋上層的海水溫、鹽度剖面資料，以提高氣候預(yù)報(bào)的精度，有效防御全球日益嚴(yán)重的氣候?yàn)?zāi)害（如颶風(fēng)、龍卷風(fēng)、臺(tái)風(fēng)、冰暴、洪水和干旱等）給人類造成的威脅[1]。在此項(xiàng)計(jì)劃中，地轉(zhuǎn)海洋學(xué)實(shí)時(shí)觀測陣（Array for real-time geostrophic oceanography，ARGO），通 稱 “ARGO 全球海洋觀測網(wǎng)”將承擔(dān)全球海洋觀測計(jì)劃海上觀測的重任。而這個(gè)建立在海洋上的觀測網(wǎng)就是由數(shù)以千計(jì)的衛(wèi)星跟蹤浮標(biāo)（ARGO浮標(biāo)）組成的。在此計(jì)劃提出的十幾年間，各國科學(xué)家已利用ARGO浮標(biāo)采集的數(shù)據(jù)開展了眾多海洋研究[2-4]，并取得了豐碩的成果[5-6]。中國作為海洋大國在過去幾年間積極參與了ARGO計(jì)劃，國內(nèi)的海洋學(xué)者利用ARGO觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量的有價(jià)值的科學(xué)研究和探索[7-13]，推動(dòng)了我國海洋事業(yè)的健康發(fā)展，為科學(xué)認(rèn)知海洋、合理利用海洋資源提供了理論依據(jù)。

建立全球海洋觀測網(wǎng)，ARGO浮標(biāo)是必不可少的測量設(shè)備。它可以在海洋中自由漂移，自動(dòng)測量海面到設(shè)定水深之間的海水溫度、鹽度和深度，并可通過跟蹤它的漂移軌跡，獲取海水的移動(dòng)速度和方向。經(jīng)過多年的研究積累，我國目前已具備自行研制ARGO浮標(biāo)的能力[14]。由于ARGO浮標(biāo)一經(jīng)投放，即自行工作，無需人為干預(yù)，因此在投放前保證其工作狀態(tài)正常穩(wěn)定是能否得到真實(shí)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的前提。而海洋現(xiàn)場環(huán)境往往十分復(fù)雜，因此在布放浮標(biāo)時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場比測試驗(yàn)是檢驗(yàn)浮標(biāo)工作情況的最佳手段。

所謂比測，是指在規(guī)定條件下，對(duì)相同準(zhǔn)確度等級(jí)的同種計(jì)量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)或工作計(jì)量器具之間的量值進(jìn)行的比較。用作比測的計(jì)量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)或工作計(jì)量器具必須經(jīng)計(jì)量檢定確認(rèn)合格，同時(shí)還應(yīng)按照經(jīng)合法程序認(rèn)定的 “比測方法”進(jìn)行。所謂現(xiàn)場校準(zhǔn)或現(xiàn)場比測，則是在測量儀器或測量系統(tǒng)的使用現(xiàn)場進(jìn)行的校準(zhǔn)或比測[15]。通過現(xiàn)場比測可以得到被檢儀器設(shè)備所采集數(shù)據(jù)的可靠性，并且通過分析被檢儀器與“基準(zhǔn)”儀器數(shù)據(jù)偏差的原因，可對(duì)儀器設(shè)計(jì)制造等環(huán)節(jié)提供有價(jià)值的參考，因此國內(nèi)外海洋工作者經(jīng)常采用此方法來獲取相關(guān)方面資料[16-18]。

本文對(duì)兩臺(tái)國家海洋技術(shù)中心研制的ARGO浮標(biāo)的海上比測試驗(yàn)進(jìn)行了介紹，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并得出結(jié)論。

1 儀器設(shè)備

此次比測試驗(yàn)對(duì)象為兩臺(tái)自持式剖面循環(huán)探測漂流浮標(biāo)（又稱中性剖面探測漂流浮標(biāo)）。布放后它自動(dòng)潛入水下設(shè)定深度（2 000 m）的水層，隨海流保持中性漂??；經(jīng)過一段預(yù)定的時(shí)間后浮標(biāo)自動(dòng)上浮直至水面，在上升過程中進(jìn)行溫度、鹽度剖面測量；到達(dá)水面后仍處于漂浮狀態(tài)，通過Argos衛(wèi)星定位與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)傳送給用戶；本次測量數(shù)據(jù)傳輸后儀器自動(dòng)下沉到預(yù)定深度，重新開始下一個(gè)自動(dòng)循環(huán)過程（圖1）。儀器指標(biāo)參見表1。

作為基準(zhǔn)的CTD設(shè)備為美國SeaBird公司生產(chǎn)的SBE911plusCTD，可測量定點(diǎn)剖面海水溫度、鹽度、電導(dǎo)率和壓力等要素。儀器指標(biāo)參見表2。

表1 ARGO浮標(biāo)技術(shù)指標(biāo)

表2 SBE911plusCTD技術(shù)指標(biāo)

圖1 ARGO浮標(biāo)工作流程

2 比測方法

此次試驗(yàn)搭乘“東方紅”2號(hào)海洋調(diào)查船，于2009年10月16日10:00～22:00在南海海域的兩個(gè)站位進(jìn)行 （站位1：E118°10.184'，N21°37.111'； 站 位 2：E122°14.318'，N21°18.717'；參見圖2）。在站位1和站位2分別投放PTT編號(hào)為87620和88173的兩個(gè)2 000 m深海型ARGO浮標(biāo)，同時(shí)下放SBE911plusCTD采集溫鹽深數(shù)據(jù)。10 d后兩個(gè)ARGO浮標(biāo) 上 浮 （87620：E122°20.580'，N20°34.200'；88173：E121°58.080'，N20°50.160'） 收 集 到 其 第 一 個(gè) 剖 面 的 數(shù) 據(jù) ， 與SBE911plusCTD數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

圖2 A：試驗(yàn)站位及各浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)；B：局部放大圖

另外，為了進(jìn)一步檢驗(yàn)ARGO浮標(biāo)的工作性能，我們?cè)谥袊鳤RGO數(shù)據(jù)庫中搜索到一臺(tái)與87620在地理位置和數(shù)據(jù)采集時(shí)間上最接近的ARGO浮標(biāo)（PTT編號(hào)80613：E122°32.040'，N20°1.140'， 數(shù)據(jù)采集時(shí)間與 87620 相差 7 d，（參見圖2），對(duì)這兩個(gè)ARGO浮標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

3 結(jié)果與討論

在比測過程中，無論采用SBE911plusCTD或ARGO浮標(biāo)80613作為基準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，評(píng)價(jià)其計(jì)量性能均包括測量誤差、誤差分散性、相關(guān)性3個(gè)指標(biāo)。

誤差（△x）——測量結(jié)果減去被測量的真值，即Δx=xx0。式中：△x稱測量誤差，又稱為測量的絕對(duì)誤差；x為測量結(jié)果；x0為真值（由于真值是不能確定的，實(shí)際上使用約定真值，即基準(zhǔn)儀器的測量值）。

標(biāo)準(zhǔn)差（s）——對(duì)同一被測量作n次測量，表征測量結(jié)果分散性的量，可按下式計(jì)算：

式中：xi為第i次測量結(jié)果；xˉi為n次測量結(jié)果的算術(shù)平均值。

相關(guān)系數(shù) （r）——表示兩個(gè)變量之間相互依賴性的度量，它等于兩個(gè)變量間的協(xié)方差除以各自方差之積的正平方根，為：

其估計(jì)值：

相關(guān)系數(shù)是一個(gè)-1和+1范圍內(nèi)的純數(shù)。

3.1 SBE911plusCTD為基準(zhǔn)的比測結(jié)果

ARGO87620及ARGO88173第一個(gè)剖面的數(shù)據(jù)與SBE911plus的結(jié)果比較如圖3、圖4所示。由于ARGO浮標(biāo)上浮過程中采集的數(shù)據(jù)間隔較大（400 m以上大約間隔100 m采一次數(shù)據(jù)），而SBE911plus采樣頻率為每1 m采一次數(shù)據(jù)，因此在這里對(duì)于SBE911plus的數(shù)據(jù)我們挑選出與ARGO浮標(biāo)數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的進(jìn)行作圖比較。由數(shù)據(jù)可以看出，整體上ARGO浮標(biāo)與SBE911plus的測量結(jié)果（溫度和鹽度）數(shù)據(jù)具有良好的一致性，相關(guān)系數(shù)都在0.9以上，說明ARGO浮標(biāo)的工作穩(wěn)定性和各計(jì)量性能準(zhǔn)確可靠（表3）。同時(shí)，由測量誤差（圖 5、圖 6）可以看出，ARGO浮標(biāo)與 SBE911plus的數(shù)據(jù)存在微小差別。其中，溫度誤差在-2.5℃～1.5℃之間，鹽度誤差在-0.15～0.3范圍內(nèi)。溫度、鹽度在淺水區(qū)和躍層區(qū)域誤差較大，1 000 m以下誤差極小且較穩(wěn)定。造成這種結(jié)果主要是由于在淺水區(qū)，溫度和鹽度的變化比較顯著，尤其諸如黑潮的流經(jīng)等因素引起的躍層結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)的海水各項(xiàng)參量都處于不穩(wěn)定狀態(tài)，而比測所采用的ARGO浮標(biāo)第一剖面的數(shù)據(jù)與SBE911plusCTD的定點(diǎn)數(shù)據(jù)在時(shí)間上相差約10 d，地理位置也有所變化，因此被測海水的不確定性在這里起主要作用。當(dāng)達(dá)到壓力1 000 m以下的深水區(qū)后，由于海水環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，因此比測結(jié)果的誤差也相應(yīng)減小，這一點(diǎn)也印證了以上“海水不確定性起主要作用”的推斷。

圖3 ARGO87620與SBE911plus在同一壓力下的溫度、鹽度測量結(jié)果比較

圖4 ARGO88173與SBE911plus在同一壓力下的溫度、鹽度測量結(jié)果比較

表3 ARGO浮標(biāo)與SBE911plusCTD比測結(jié)果評(píng)價(jià)

圖5 ARGO87620與SBE911plus溫度、鹽度測量結(jié)果誤差的比較（A溫度誤差；B鹽度誤差）

3.2 ARGO80613為基準(zhǔn)的比測結(jié)果

在國家ARGO數(shù)據(jù)庫中經(jīng)過比對(duì)查找，選擇PTT編號(hào)為80613的ARGO浮標(biāo)數(shù)據(jù)與此次試驗(yàn)中的ARGO87620進(jìn)行比對(duì)。ARGO80613是2008年10月9日投放在西北太平洋巴士海峽海域的APEX型剖面浮標(biāo)，其性能穩(wěn)定可靠，截至此次試驗(yàn)時(shí)已正常工作1 a。將其作為參比數(shù)據(jù)的來源可以有效地說明此次投放的ARGO浮標(biāo)的性能狀態(tài)。

結(jié)果如圖7、圖8所示，兩臺(tái)浮標(biāo)的溫度和鹽度數(shù)據(jù)基本一致（表 4），溫度誤差范圍為-2.5℃～0.5℃，鹽度誤差在-0.15～0.4范圍內(nèi)。誤差的分布規(guī)律與3.1中的情況相同，在淺水區(qū)/躍層區(qū)域誤差較大，1 000 m以下的深水區(qū)誤差很小。而兩臺(tái)ARGO浮標(biāo)采樣點(diǎn)的差異也是造成圖示上數(shù)據(jù)不吻合的原因之一，因此加大采樣密度，按照不同需求控制采樣間隔也是ARGO浮標(biāo)有待進(jìn)一步改進(jìn)的方面。

圖6 ARGO88173與SBE911plus溫度、鹽度測量結(jié)果誤差的比較（A溫度誤差；B鹽度誤差）

圖7 ARGO87620與ARGO80613在同一壓力下的溫度、鹽度測量結(jié)果比較

圖8 ARGO87620與ARGO80613溫度、鹽度測量結(jié)果誤差的比較（A溫度誤差；B鹽度誤差）

表4 ARGO87620與ARGO80613比測結(jié)果評(píng)價(jià)

4 結(jié)論

通過對(duì)ARGO浮標(biāo)的比測試驗(yàn)，驗(yàn)證了此次投放的ARGO87620和ARGO88173的工作狀態(tài)和測量準(zhǔn)確性，對(duì)于2 000 m深海型ARGO浮標(biāo)的研制和使用提供了參考依據(jù)，為此類儀器計(jì)量性能和穩(wěn)定性考察提供了新的方法和思路。

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Comparative Study of Argo Floats on Sea Trial

ZHANG Chuan1,HU Bo1,WANG Cong1,GAO Zhan-ke1,ZHANG Shao-yong2
（1.National Center of Ocean Standard and Metrology,Tianjin 300112,China;2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

The stability and accuracy of the ARGO floats were evaluated objectively and comprehensively through the comparative testing on the sea.The data of temperature,conductivity and depth collected by ARGO floats and SBE 911PLUS (Sea-Bird Electronics,Inc.,USA)were analyzed,while compared with other ARGO floats which had been worked for over 1 year.The result indicated that the instruments had high internal consistency reliability.The correlation results of different instruments were more than 0.9.The temperature error was between-2.5℃ to 1.5℃ and the salinity error was-0.15 to 0.4.The cause of these errors are analyzed and summarized.The test verified that the performance and stability of ARGO floats are stable.The results are important for the future research and development of ARGO floats.

comparative test;ARGO float;SBE911plusCTD;correlation;error

P715.2

B

1003-2029（2011）02-0094-05

2011-04-15

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2006AA09A306）

張川（1981-），男，工程師，博士，主要從事海洋儀器檢定校準(zhǔn)工作。