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船载双探头CTD仪是在单探头CTD仪的基础上演变而来的。据查阅相关文献，大约在2011年，双探头CTD仪开始在我国海洋调查领域流行，如今似乎已成标配。 因受到自身和外界因素的影响，船载单探头CTD仪从上世纪80年代在我国海洋调查领域推广使用至今，其观测资料的质量（一、二篇）似乎始终不尽人意。
船载双探头CTD仪及其观测资料质量现状 1、引言 然而，2007年版《海洋调查规范》至今仍未修订，海上现场比测和观测准确度的规定如何落实？双探头CTD仪也就顺理成章，呼之或出。人们普遍认为，双探头CTD仪不仅可以减轻海上现场比较观测的工作量，而且还能获得更高精度的观测资料。 那么，双探头CTD仪真能够代替海上现场比较观测？以及获得的温、盐度观测误差就能代表观测准确度？让我们通过几个现场观测案例，一起来探个究竟。
2、双探头CTD仪及其主要技术指标
图１、SBE-911型CTD仪（左：单探头；右：双探头）
表１、SBE-911型CTD仪主要技术指标一览表 不难推测，只要在正常的使用环境下，两套温度、电导率传感器所测量的海水温度和电导率/盐度值，应该会误差极小；即使达不到实验室标定时的初始精确度，也会远远高于国家或者国际规定的观测准确度标准，如温度0.02℃或者0.005℃、盐度0.02或者0.01。 倘若两者之差（无论是温度还是电导率）超过了国家或者国际规定的观测准确度标准，但又不是十分离谱，那么其中的一套传感器显然存在自身（如原器件老化、生产过程中存在瑕疵等）的质量问题，或者在运输和测量操作过程中意外受损，如受到了碰撞或者海面油污染等外界因素的影响。 双探头CTD仪虽在我国海洋调查领域已有广泛应用，但除了“自以为是”可以替代颠倒温度表和实验室盐度计进行海上现场比测外，少见探讨它与常规单探头CTD仪之间的优劣势，特别是如何用来确保观测资料质量及其观测准确度的科技论文或者技术报告；而且能够公开收集到的利用双探头CTD仪观测的信息和剖面资料也十分有限，大都是个别航次、个别测站上的温盐度垂直分布和T-S曲线（点聚）图等，可谓弥足珍贵，但仍不失有一定的代表性。 （１）两套传感器测量的温、盐度误差极小，看似能满足观测准确度要求 前面已经提到，在正常的使用环境下，两套温度、电导率传感器所测量的海水温度和电导率/盐度值，应该会误差极小、并满足观测准确度要求。这也是人们购置双探头CTD仪的初衷，可以方便地用来检验传感器的稳定、可靠性，以确保获得高精度的温、盐度剖面资料。 据他们的计算表明，两个测站间电导率精确度在0.005S/m与0.008S/m之间（平台注：两者盐度差估计会优于0.02，甚至0.01）。 （２）两套传感器测量的温、盐度之间存在差异，现场比测不符合规范要求 早在2013年举行的“中国极地科学学术年会”上，来自原国家海洋局（现自然资源部）第一海洋研究所的科考人员，介绍了“在第28次南极南大洋考察和第5次北极考察中,都使用了911双温双导传感器探头,获取了高质量温盐数据,在现场数据处理中,发现双温双导传感器测量的数据之间有差异”的处置过程。 报告指出，“按照极地调查技术规程要求,要对测量仪器进行现场比测,使用高精度海鸟19V2CTD仪(已标定过),捆绑在海鸟911CTD框架中,对双温双导传感器进行全深度剖面比测,测量取得很好的效果”。 另据介绍，比测利用的SBE 19plus V2 CTD仪（平台注：主要技术参数详见表２），是一种比较经济、实用的小型温盐深剖面仪，既可自容式又可直读式操作，广泛应用于水文、渔业研究、环境监测和声速测量。不过，“同SBE9系列相比精度稍逊，但价格低廉，功能齐全，应用广泛”（摘引自“中国极地科学学术年会”交流报告，2013年）。
表２、SBE 19plus V2 CTD仪技术参数表 （３）任意选择两套传感器测量的温、盐度中的一组作为航次的原始数据，缺乏足够的依据及可信度 同时，报告还称厦门大学研究组“使用 GULIDLINE 8410A 盐度计采用溶解态钙测定完成后剩余的约100 ml样品进行盐度测定。采样瓶为125 ml HDPE 瓶，钙测定完成后的1-2天内完成盐度测定”。 在该报告中，未见为何不用第２套温度、电导率和盐度原始数据的任何解释，也未见两套数据的比测结果。至于提到的“考虑 CTD 探头精度及盐度计准度（0.03），可以认为此次 CTD 探头数据与瓶测数据一致，无需校准 CTD 探头数据”的结论，显然是非常草率、也是十分武断的。 显然，该航次在两组温、盐度中任意选择一组作为航次原始数据的做法，人为性比较大，且缺乏足够的佐证依据及可信度。 （４）海上观测利用了双探头CTD仪，但在航次前仅对一套温度、电导率传感器做了检定 该案例的双探头CTD仪数据文件来自于自然资源部第二海洋研究所执行的2019年冬季印度洋调查航次，利用了SBE 9plus型双探头CTD仪（图5）。
图５ CTD数据文件表头信息
实际上，查阅航次结束后提交的CTD数据文件，下图所示。在航次前，仅将一套温度（系列号为6215）、电导率（系列号为4921）传感器送国家海洋计量站进行了标定，时间分别为2019年10月10日和11日（图6）。 图６ CTD数据文件中的温度、电导率传感器编号及检定日期信息
另一套温度（系列号为5857）、电导率（系列号为4246）传感器，还是分别在2013年12月31日和2014年１月８日检定（图７）的。显然，这没有满足《温盐深测量仪检定规程》（JJG 763-2019）中有关“CTD的检定周期一般不超过1年。为了保证CTD测量数据的质量，建议在出海前后进行后续检定”的要求。
图７ CTD数据文件中的温度、电导率传感器编号及检定日期信息
这种打着利用双探头CTD仪旗号、实为单探头观测的调查乱象，不只发生在自然资源部第二海洋研究所，在其他部门和单位同样存在。至于CTD传感器不按规定送检、标定的现象，在涉海调查领域更是普遍存在，亟需引起高度重视。 （５）海上观测利用了双探头CTD仪，但两套温度、电导率传感器的系列号与校准参数并不符合 该案例的双探头CTD仪数据文件同样来自于自然资源部第二海洋研究所执行的2021年夏季西太－南海航次，利用了SBE 9plus型双探头CTD仪（图8）。
图８ CTD数据文件表头信息
本航次利用的两套温度（系列号分别为5857和6215）、电导率（系列号分别为4246和4921）传感器，在航次前均送往国家海洋计量站进行了检定，但系列号与校准参数实际上并不相符。 经进一步了解，这两套CTD传感器曾经送往美国生产厂家维修，重新安装时插头与插口编号给弄错了。之后，送国家海洋计量站标定时，导致系列号与校准系数不符。图9－图12只显示了第一套CTD的相关信息；另一套（图略）如出一辙。 图9和图10分别呈现了CTD数据文件中的温度传感器系列号（5857）及校准结果，以及该温度传感器的校准证书及校准结果。 可以看到，CTD数据文件中，温度校准结果所对应的系列号（5857），实际上是校准证书中编号为6215之下的温度校准结果。
图９ CTD数据文件中的温度传感器编号及校准结果信息
图10CTD校准证书－温度校准结果
好在负责仪器设备管理的技术人员及时发现了这一问题，并做了必要的技术处理，确保了航次期间观测资料的有效性。但仍需要国家海洋计量站重新出具一份校准证书，更正传感器编号，使之与校准系数相对应，以便归档、核查。 航次后，相关技术人员随即联系了国家海洋计量站，这一问题也就很快得到了圆满解决（图13）。
图13 更正后的CTD校准证书－温度校准结果
这看似一个发生概率极低的偶然事件，也没有影响到整个航次的进程及其测量数据；但如果不明真相的海上调查技术人员，在仔细检查CTD数据文件时，发现传感器系列号与校准参数不符，并做了及时修正。那么，修正后的结果，不就造成了测量数据的严重失真。 在当下的海洋调查领域，分工越来越精细的情况下，往往负责仪器设备维护保养和送检标定的技术人员，不一定每个航次都能随船出海，从而会导致上述低级错误，尤其是即使航次前CTD传感器送检标定了，但却未能及时更新数据处理文件的人为疏忽现象，也时有发生，值得各个承担海洋调查任务的部门和单位提高警惕。 3、双探头CTD仪观测资料质量浅析
图14显示了该航次在南海海域设置的24个CTD站上由两套传感器观测的温、盐度分布（T-S曲线）。可以看到，在小比例尺（见图中图）图中，两套传感器的观测误差并不明显，尤其是在1000米深层（温度约5℃）以下，T-S曲线非常集中，很难分辨两套传感器之间可能存在的观测误差。 图14 南海观测海域T-S曲线（据全部24个CTD站资料绘制）
显而易见，两套CTD测量结果之间，明显存在系统性偏差。具体表现则为，由第二套传感器测量的电导率/盐度值，要明显低于第一套。也即，第一套测量的盐度值要高于第二套（图14）。 由图15、图16可以直观地看到，两套温度传感器的测量结果，无论在小比例尺（图中图）还是大比例尺（仅给出了1700米深度以下的温度分布）图上，两者几乎完全重叠；但两套电导率传感器的测量结果，显然有所不同。其中，第一套盐度误差要远小于第二套，且两条直线均呈平行分布，表明盐度差从上层到下层都比较稳定。 图16 南海NH1站T-S曲线（左：第一套；右：第二套）
值得指出的是，由于绘图的比例尺不同，在小比例尺（见图中图）图中，即使盐度误差已经超过了0.01，但在盐度垂直分布图上，两条曲线依然看似重合；然而，在大比例尺图中，即使较小的盐度误差（<0.002），却依然能一目了然。 在上述图表及分析中，还可以清晰地看到，海鸟公司所称的“SBE911plus 是世界上最精确的CTD”，真可谓名至实归。不仅两套温度传感器的观测精度极高，而且两套电导率传感器，即使两者存在观测误差，但就单个传感器而言，也同样保持了相对高的观测精度（<0.003）。 （３）利用实验室盐度计对海水样品的测量结果与船载CTD仪比对及现场标定 选取XT21、XT35、NH46等３个站位上的海水样品，除了在海上利用实验室盐度计进行了现场测量外，还使用同一台盐度计在陆上实验室对同一批次海水样品进行了盐度测定。比对结果如表４－６所示。 表４ NH46站各层次盐度比测结果(2021/08/06)
表5XT35站各层次盐度比测结果(2021/08/15)
表6XT21站各层次盐度比测结果(2021/08/28) 由表可见，不管是陆上与海上实验室，还是海上实验室与CTD仪的测量结果，其盐度误差均小于0.01，其中最大误差为0.0067，最小为-0.0071；而且在这些比较站的7个层次上呈现了负偏差。其中，除了一个层次（XT35站，1300米）上测得的盐度差陆上比海上实验室低外，其它6个层次均表现为海上实验室比CTD仪的低。 这些采样层上的海水样品，为何呈现反常现象？值得探究。按理，无论是带回陆上还是在海上实验室的海水样品，其测量结果比现场CTD仪测量的盐度要略高些才是正常的（平台注：仔细观察表４－６，在大多数层次上盐度值普遍呈现了LS>HS>CTDS的变化趋势）。因为，采样瓶再密封也会存在蒸发的可能性。 至于在NH46站上的1700米水层，陆上与海上实验室的测量结果完全一致，表明本航次使用的医用双盖采水瓶的密封性非常好，海水样品没有受到蒸发影响。然而，在XT35站1300米层上，呈现的盐度测量结果陆上比海上实验室低的反常现象，虽为个例，但同样需要引起重视。 据悉，本航次在采集海水样品时，为了避免水样中带有杂质，使用滤网对海水样品做了过滤处理。显然，采集的水样与CTD仪测量的水体环境已经发生了改变，受到了人为干预，这或许就是产生上述异常现象的重要原因。 然而，这里把实验室测量盐度的海水样品，使用滤网过滤，似乎也是前所未闻的“创新”做法。
结束语
综上所述，利用双探头CTD仪观测，不仅可以如单探头CTD仪那样，获得“非常高精度”的观测数据；而且，当一套出现故障或者意外受损、另一套还在正常工作时，还可以方便地了解两者间存在的系统测量误差，依然能够确保数据的观测精度。 换句话说，双探头CTD仪除了可以获得高精度的观测数据外，还相当于带了一套备用CTD仪，即便一套坏了，另一套还能照常工作。而当两套CTD仪都在正常工作时，则可以充分保障观测数据的可靠性。这应该是海洋调查中，人们热衷于利用双探头CTD仪观测的一个重要、也是唯一的优点吧！ 但双探头CTD仪的缺点，似乎也是显而易见的。大体上可以归纳为如下几点： （１）购置、使用（包括检定、意外受损和丢失等）成本高，且同时受到外界影响（如碰撞、海面油污染和生物污损等）的可能性较大； （２）增加了判断观测数据可靠性的难度。若其中一套出现明显偏差或者异常时，容易判断；倘若温、盐度偏差或者异常超过了0.02（国标），甚至0.1或者最大些，估计一般调查人员会难易判断哪个更准确些？即一旦温、盐度偏差或者异常尚未达到离谱或者超出调查海区的普遍认知，但却已经超过了观测准确度的要求，则会难以正确判断； （３）无法得出并掌握整个航次期间CTD数据的观测准确度。缺少了国标《海洋调查规范》规定的或者国际公认的现场比较观测方法、措施，仅凭航次前对CTD传感器的一次检定，只能计算并了解单套或者双套温度和电导率传感器测量的每条温、盐度剖面的观测精度或者误差，却不能真实掌握航次期间全部CTD剖面数据的观测准确度，更无法了解到调查海域各个不同航次之间所获取的CTD剖面数据的观测准确度。这应该是导致国内海洋观测领域CTD数据质量参差不齐的重要原因。 此外，双探头CTD仪普遍采用横向安装的做法，也难以确保能够获得真实、高可靠性的温、盐度数据。对于带水泵的SBE系列CTD仪安装，因受进水口设计的限制，通常要求垂直放置；若CTD仪上升时测量，还要求CTD传感器安装在平台的上方；反之，则安装在平台的下方。 当下，国内许多海洋调查任务，为了方便在平台上配备12个或者24个大容量采水器，往往会将CTD仪安装在玫瑰型采水架的下方、且横向放置，测量时海水是从传感器保护罩的边孔小口而不是正常的大口进出，而且还会受到外围保护支架的影响，容易造成水体搅动而影响观测精度。 由此可见，双探头CTD仪可以提供“非常高精度”的温、盐度观测数据，以及有助于了解和掌握相互间的观测误差或者观测精度，但无法了解和掌握国家规范规定的或者国际公认的观测准确度。 美国海鸟公司官方网站推荐的海上备用观测手段或者仪器设备，也不是双探头CTD仪，而是另一个单探头CTD仪，或者是一套温度和电导率传感器。 在回答用户提出的“需要多久重新校准一次仪器或者备用传感器”时，明确表示“剖面CTD仪需要每年重新校正一次”，以及“经常检查电导率漂移与否，应是用户所能采取的最有效的数据保证措施。通过比较剖面与剖面之间的电导率(作为例行检查)，可以检测到可能受污垢的突然变化，并需要进行清洗或者重新校准”。 “电导率传感器校准漂移的主要机制是由化学或生物沉积物污染电导池决定的。污垢会改变电导池的几何形状，导致电导池常数的偏移。因此，传感器长期精度的最重要决定因素是电导池的清洁度。建议电导率传感器在施放前和施放后进行校准，特别是当电导池受到油污或者生物材料污染时”。
显而易见，无论是南北极海洋考察专项，还是其他海洋观测研究专项，所编制的各种版本“海洋调查技术规程”，“推出改进海鸟911CTD温盐深剖面测量仪的比测及校准方法取代原有人工悬挂颠倒温度表采水器的方法”，并在国内海洋观测领域推而广之，既违反了《海洋观测预报管理条例》和《海洋调查规范》等的相关规定和要求，又践踏了海洋观测领域的国际准则，这种严重的违法、违规行为，理应引起高度重视，并能尽早、尽快采取积极的补救措施，尽可能抢救那些缺乏观测准确度的CTD数据，不至于让国家和地方近20-30年里投入的巨额海洋调查资金全部“打水漂”。
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