船载CTD仪观测资料质量问题探讨(一)

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  船载CTD仪是海洋科学研究中最早用于调查船巡航、定点观测的主要仪器设备,也是目前国际上公认的获取高质量物理海洋环境要素(温度和盐度)资料的重要手段,通常会用来校正或者佐证安装在其他移动/运动式和固定式平台上CTD传感器的测量数据。
  按照《海洋调查规范》(GB/T12763-2007)的要求,“利用CTD测水温时,每天至少应选择一个比较均匀的水层与颠倒温度表的测量结果比对一次”,以及“利用CTD测盐度时,每天至少应选择一个比较均匀的水层,与利用实验室盐度计对海水样品的测量结果比对一次。深水区测量盐度时,每天还应采集水样,以便进行现场标定”,以及“如发现CTD的测量结果达不到所要求的准确度,应及时检查仪器,必要时更换仪器传感器,并应将比对和现场标定的详细情况记入观测值班日志”等。
  尽管后来引进了玫瑰型采水器替代颠倒采水器,却没有顺势引进悬挂在玫瑰型采水器上的颠倒温度表。采集水样看似方便、容易了,但由于绝大部分海洋调查船上尚未配备实验室盐度计,再加上传统的颠倒温度表在国内海洋调查领域几乎绝迹,要求的海上现场比较观测也就成了纸上谈兵。船载CTD仪观测资料质量参差不齐,令人堪忧。
  本平台在极少数海洋调查研究领域的有识之士鼓励和支持下,企图对现阶段CTD仪观测资料的质量问题,做一些深入浅出的分析与探讨,希望能促进和提高我国船载CTD仪观测资料的质量。
  物理海洋学调查自十九世纪70年代以来,至二十世纪90年代已有100余年的历史。调查方法和观测仪器也已有了根本性的变化。就海水温、盐度测量而言,由当时的颠倒温度表、南森采水器和BT(深度温度计)等机械式观测仪器发展到XBT (抛弃式温深计)、AXBT (机载抛弃式深度温度计)和XCTD (抛弃式温盐深计)、CTD (船载温盐深仪)等电子仪器设备。
  这里我们以近些年在南海利用各类CTD仪调查中所获资料的质量情况作一剖析,以便引起有关主管部门领导和广大科技人员的重视和关注。

2事例分析
  事例1:同一厂商、不同类型的两台CTD仪,在同一航次、同一测站、同一船上的比测结果(图1 )。可见,其误差主要来自于电导率(或盐度)。  
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图1、T-S曲线及温度-深度和盐度-深度垂直分布

  事例3:同一厂商、相同类型的两台CTD仪,在不同航次、同一测站、同一船上的比测结果(图3)。  
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图3、T-S曲线

  需要说明的是,上述事例中的CTD资料,均来自于南海海域,且测量深度均大于1200米,最大测量深度达4000余米。由历史观测资料的研究结果表明,在南海的中、下层水体中,尤其是在深层水和底层水中,其水体呈比较明显的稳定特性。这就可以帮助我们直观地识别 CTD仪测量资料的质量

3、资料质量控制措施
  (1)维护和保养:尤其对CTD仪的电导率传感器,必须保持干净、湿润。一旦发现干裂或损伤,必须更换。
  需要指出的是,CTD仪属现代化电子设备,其实验室取样个数应大于对颠倒温度表和南森采水器标定时的取样个数。为了能用实验室测得的CTD值拟合海上观测的真值,达到对不同数值范围的观测值进行实验室校正的目的,检测部门对实验室标定的点应适当分散,且个数适当多一些,否则对某些海区也许达不到标定的目的。
  (3)现场比测:CTD仪现场比较测量是发现和校正观测误差的最佳途径。现场比较的方法有多种多样,应视实际情况灵活选择。如:
  a)与经标定的颠倒温度表和实验室高精度盐度计比测,即利用特定层次上由颠倒温度表测量的水温和用玫瑰型采水器采集的水样、经实验室盐度计测量的结果进行比测。这种方法也是联合国教科文组织第54号技术报告推荐的方法,可直接用比测结果订正现场观测值;
  c)若有两艘以上调查船在同一海区作业,可预先选择几个代表性测站作重复观测。由于海洋上层水体的物理性质变化比较大,故在用此方法比测时,CTD仪施放深度应越深越好(至少在1500米水深以下);
  (4)资料预处理:可以根据T-S 曲线来判断观测资料的质量,并通过采用各种方法的比测结果或与历史观测资料的比较,找出观测资料中可能存在的问题,并分析其产生误差的原因,然后选择合适的CTD资料处理方法进行处理并校正,以确保CTD资料的质量和提高其可信度。
  可见,在南海中层水的低盐层以下,T-S曲线 (或点聚)的拟合程度相当好,几乎处在同一直线上。不难想见, 通过资料质量控制,上述事例中所反映的CTD仪测量结果,同样可以产生高质量的资料。
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图6、T-S点聚

  值得一提的是,CTD资料质量的好坏,与承担项目的责任人或主要研究人员对海上调查、 资料处理的重视程度亦是分不开的。我国在二十世纪80年代后期参与的“热带西太平洋海气相互作用研究”项目,在巢纪平、陈则实教授的高度重视下,参与该项目的科研人员对各类海洋测量仪器所获取的资料进行了严格的质量控制,从而大大提高了观测资料的质量,并编辑出版了“热带西太平洋海气相互作用研究技术报告”,无疑是我国海洋调查工作的典范。但目前仍有一些项目的负责人,对海上调查资料处理重视不够,调查过程和资料处理缺乏书面报告。

4、结束语
  图7为二十世纪80年代我国有关科研机构采用常规水文观测仪器在南海调查的结果。从南海中层水低盐层以下、T-S点聚的离散程度不难看出,其测量资料的质量显然不尽人意。
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图7、T-S点聚

  然而,若对上面图1至图4所反映的各航次CTD资料不做校正和处理,可以看出,二十世纪90年代的调查结果与80年代的相比,在质量上并无太大的改观。为此,对CTD资料的校正和处理工作应给予充分的重视。参考文献(略)

注:该文源自1999年1月第21卷第1期《海洋学报》。平台转发时征得了一作同意,并做了稍许校正和修改;感兴趣的读者可以根据如下信息查阅原文:许建平、苏纪兰,CTD资料质量控制浅析,海洋学报,1999,21(1),126-132。


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冯建
活跃在2022-11-8
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