船载CTD仪观测资料质量问题探讨(五)

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 船载CTD仪已经成为海洋科考船的常规装备,也代表着CTD测量技术的最高水平。它可以在船舶处于漂泊状态下施放, 测量海洋表层至水下一定深度范围内的海水温度、电导率和压力等3个基本海洋环境要素的剖面数据。这类CTD传感器具有测量快速、观测精度和分辨率高等特点,可以对海水温、盐度随深度变化的过程和特征等进行精细刻画和客观描述。
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  然而在过去的近20年里,无论是承担海洋调查专项还是共享航次计划科学考察项目的科研团队,虽说使用的船载CTD仪在航次前基本上能够做到送检标定,但仍罕见航次后复检的。如果无法了解和掌握CTD仪在海上观测期间的变化情况,那么航次期间获得的CTD资料观测“精确度 ”,也就难以得到保证;至于在海上利用颠倒温度表和实验室盐度计进行比较观测,更是寥寥无几。即使近些年里,一些涉海单位陆续购置了国外进口的高精度实验室盐度计,但大多数只是陈列在陆上实验室里的一件摆设,而鲜见直接带上海洋科考船使用的,致使每个航次获得的CTD资料,也就缺失了观测“准确度”。
1、影响CTD资料质量问题的主要因素
  (1)元器件老化、主板设计和传感器自身缺陷;
  (3)海上观测中遭遇恶劣海况;
  (5)绞车故障、电缆受损等。
  (1)不按国标《海洋调查规范》的规定和要求使用CTD仪;
  (3)自编海洋调查技术规程,草率修改比测仪器和方法;
  (5)CTD传感器航次前送检标定后,没有及时或者忘了把新的校正参数输入CTD数据文件(或称CTD数据采集与处理软件),甚至还出现输入参数错误的;
  (7)CTD仪下放时在海面没有暂停感温或者停留时间太短,以及下放速度过快或者过慢等;
  (9)盲目利用双探头CTD仪代替现场比测;
  (11)CTD仪使用不当(如碰撞、触底,甚至丢失等);
  (13)调查人员以初次出海的研究生居多,甚至还有临时工参与,既缺乏海上调查经历、经验,又缺少出海前的技术操作培训;
  (15)承担调查任务的科考船普遍未配备常用的比测仪器设备,甚至常用的CTD仪都需要参与航次的团队携带上船,缺乏一支稳定、精干的海洋调查技术骨干队伍;
  特别指出的是,影响船载CTD仪观测资料质量的客观因素,对使用者和管理者来说,或许难以掌控,只能顺其自然;但一些主观因素应该是可以预防和避免的,却由于各种原因,而始终未能引起主管部门的重视。
2、CTD资料质量低下确系事出有因
  在试图剖析造成CTD资料质量低下的原因之前,先提供一套国际组织基本认同的CTD资料质量评判标准,供读者参考:
  2)CTD资料是否经过现场比测佐证或者校正,能否符合观测准确度等级要求;
  需要指出的是,最后一个评判标准主要针对早期观测的CTD资料。由于种种原因,当时既未对传感器做过航前、航后标定,又未进行过现场比测,弃之不用又觉得十分可惜,于是可以采取该方法间接判断。但在利用该方法时,还是有许多限制条件的,不是所有缺乏上述前两个评判标准的CTD资料(如在河口和近岸浅海区域观测的),都能够得到挽救和确认的。
(1)CTD资料缺失观测准确度等级要求已经成为海洋调查领域内的一种顽疾
  当前常用的船载CTD仪主要技术指标,虽然完全可以满足在全球海洋中观测的要求,且其测量精度、分辨率和采样速率也都非常高,但忽略了各种传感器还有一个测量初始精度的技术性能指标;带水泵的电导池还具有自动关闭、停止测量的功能,等等,仓储、运输和使用过程中稍有不慎,都会带来观测资料的误差,甚至失真。
  而且,随着时间推移,这些传感器本身也会因电子元器件老化等因素的影响,出现测量漂移或者偏移现象。尤其在河口、浅海水域,以及冬季的高纬度海域,电导池和水泵容易受到海面油污染、水体高含沙量和海水结冰凝结等恶劣环境因素的影响而无法正常工作,造成数据缺测或者出现较大测量误差。
  不难相见,CTD仪虽然先进,但要在复杂海洋环境下获得真实、有效的观测数据,并非易事。所以,早在2007年起,我国海洋调查领域就已经注意到了这些问题,曾组织业内专家学者根据CTD传感器的测量原理和技术性能,并结合CTD仪制造商提供的用户手册和早期用户的使用经验等,着手编制并修编了《海洋调查规范》、《电导率温度深度剖面仪》和《温盐深测量仪检定规程》等国家规范规程。
  目的是要扬长避短,既要充分发挥CTD仪的优势,又要借助一切可用的手段和方法,弥补CTD仪的不足。其中对CTD传感器实施陆上实验室校准、标定和海上比测校正等,都是为了弥补元器件老化等诸多客观因素带来的测量误差;与此同时,还提出了一套针对CTD资料处理及其数据质量控制的技术和方法等。
  调研表明,早期利用传统的颠倒温度表、颠倒采水器和实验室盐度计观测海水温度和盐度时,虽说操作、读数复杂困难些,观测的分辨率和精度也要逊色一些,但获取的资料还是会有观测准确度的,只是等级略低些而已。譬如,在读取颠倒温度表测量的温度值和利用实验室盐度计测量海水样品时,会要求读数和测量操作必须在3次或者以上,并选取最接近(满足或者优于观测准确度要求)的2组数据中的其中一组(也可以做算术平均),作为观测值;如果没有满足要求,则需要再次读数或者测量,直到满足要求为止。
  这也是早期海洋调查中,确保观测资料精度和准确度的一种传统做法。无数的实践经验告诉人们,减小误差可以选用精密的测量仪器;除此以外,还可以采取多次测量取平均值的方法解决。但对水体调查而言,因海水的流动性,往往难以做到,特别是使用CTD仪观测,更无法做到;只能采用其他方法,如重复标定使用的CTD仪,以及利用公认的标准测量仪器(如颠倒温度表和实验室盐度计)进行现场比测等,以确保CTD资料的观测精确度和观测准确度(统称观测“精准度”)。
(3)承担海洋调查的科研团队对数据质量意识的淡薄与各级管理部门的疏于监管形成了一种默契
  那些由涉海高等院校、科研院所承担的类似摸清海洋环境资源“家底”(普查)或者实现海洋调查全球化和重点海域调查常态化任务(普查/详查)的科研团队,大多表现为力不从心、应付了事。调查(含数据处理)技术人员明显匮乏,观测仪器设备损坏、丢失严重,观测资料错误百出、数据质量缺乏保障(详见连载四上篇)。
  该团队也确实让人大失所望,在其后承担的“全球变化与海气相互作用”专项中,未能汲取承担908专项中所创“奇耻大辱”的深刻教训,依然我行我素,非但CTD资料质量没有得到应有的重视和改观,反之价值不菲的进口CTD仪也会接二连三地在海上丢失或者因处置不当而严重受损。如今该团队虽已换帅,但观测资料质量仍然未见提升的迹象,而海上CTD仪丢失事故却在继续发生。
  起初单位业务部门郑重其事承诺会展开事故调查,但仅仅公开了一份简要的初步调查报告;之后,还曾邀请外单位专家学者进行审查、评判,不过至今尚无事故调查报告和结论公布。
  据国重室的一份年终报告透露,2020年该室累计丢失各种观测仪器设备近40台。虽然大部分仪器设备均已投保,可以挽回部分经济损失。但由此而丢失的大量现场观测资料,却是无法挽回的。殊不知,如此高的仪器设备丢失率,究竟有多少是不可抗拒因素导致的?而又有多少是人为设计、布放和操作失误造成的?
  相信这样的事故或者错误,哪个单位都曾遇到或者出现过,就是没有勇气承认吧了!正是由于一些科研团队负责人的师心自用、业务管理部门的敷衍塞责和各级监管部门的推诿扯皮,导致本来有条件、也有保障获得高精确度和高准确度海洋观测数据的船舶调查,反而成了耗费巨大人财物力的调查“黑洞”,无疑是一种极大的浪费,甚至是渎职、犯罪行为。
三、结束语
  然而,却却是这么重要的海洋环境要素,过去使用传统的观测仪器设备,还能获得尽管观测准确度(如温、盐度准确度为0.02)不是太高,但仍能确保其质量一致的观测资料;而现在即使用上了国际上最先进的CTD仪,却又有哪个科研团队真能在航次结束后,提供过具有观测准确度等级的温、盐度资料?
  不难相见,不仅仅是物理海洋专业,在海洋化学、海洋生物和海洋地质等专业,观测资料的质量问题或者瑕疵同样比比皆是,都需要引起足够的重视。
  1)尽早统一认识、达成共识。如:属推荐性国家标准的《海洋调查规范》,在实施海洋综合调查专项或者共享航次计划的海洋科考项目时该不该执行?CTD传感器的出厂测量精度是否可以代表海上观测精度/准确度?双探头CTD仪可否代替传统的现场比较观测?CTD传感器已经在航前送检标定,航后是否还有必要复检?以及是否可以找到一种比传统比测方法更好的现场比测手段、挽救历史观测的"三无”CTD资料?等;
  3)尽快形成常态化管理的体制机制为了确保我国海洋调查领域的高质量发展,以及促进海洋科学领域,特别是海洋事业的健康、可持续发展,或许需要形成常态化管理的体制机制。
  海洋科学领域创新不应该是简单的标新立异、别出心裁,而是要充分体现开拓、自主、务实和科学精神;而海洋调查领域的创新更不能停留在只追求科考船和海洋观测平台的现代化和先进性,而忽视了海洋观测资料的精准度及其高质量
(本议题探讨就此告一段落,感谢读者青睐!)
 
 

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冯建
活跃在2022-11-8
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