船载CTD仪观测资料质量问题探讨(四·上)

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 船载CTD仪,无论是装配了单探头还是双探头传感器,其实都很难保证观测资料的精度(详见连载一、二、三篇),更不用说观测准确度了。何况,CTD传感器,除了受客观因素,如原器件老化、生产过程存在瑕疵,以及海上使用遇到恶劣海况、受海面油污染和生物附着、污垢等影响外,还会受到千奇百怪的主观因素,如检定不及时或者漏检,以及日常维护保养、操作使用不当和频繁受损、丢失等因素的影响。
  况且,此类现象不仅仅发生在某个科研单位、团队,也不只出现在单个海洋调查、观测项目中,在涉及全国性的海洋调查研究专项或者共享航次计划任务中,同样存在;并已渐渐成为海洋领域“集体失智”或者“群体性迷失”的一个难题。
  在探讨影响CTD资料质量的各种主观因素中,首先让我们来回顾一下启动于本世纪初的“我国近海海洋综合调查与评价”专项(简称“908专项”),在其长达8年的实施过程中所取得的显著成效,以及暴露的一些不足和问题,以便在今后持续展开的专项调查研究项目或者重大研究专项和重点研发计划等项目的立项、实施过程中,尽可能扬长避短,并能取得更加辉煌、更多原创新的调查研究成果。
  这个由全国180余家涉海单位约3万余名海洋科技工作者共同完成的专项任务,曾动用了大小船只500余艘,累计航程200多万公里,海上作业时间长达2万余天。基本摸清了我国近海海洋环境资源家底,更新了我国近海海洋基础数据和图件,对海洋环境、资源及开发利用与管理等进行了综合评价,构建了中国“数字海洋”信息基础框架,从而为国家宏观决策、海洋经济建设、海洋管理和海洋安全保障等提供了有效支撑和服务。
  据悉,国家累计为该专项投入的调查研究经费,破天荒地达到了24亿元,其中包含了沿海省(区、市)匹配经费近3亿元。
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1、综合调查任务主要承担单位及其前期准备
  
(1)任务主要承担单位
  而有条件利用船载CTD仪的调查单位,似乎均来自国家级科研机构,如原国家海洋局下属的第一(青岛)、第二(杭州)、第三(厦门)海洋研究所和北海(青岛)、东海(上海)、南海(广州)等3个分局,以及中国科学院下属的海洋研究所(青岛)、南海海洋研究所(广州)和国家教育部下属的中国海洋大学、厦门大学等
  但是,罕见利用国产CTD仪观测的,甚至在备用CTD仪清单中也难觅踪影
(2)前期准备工作
  负责近海海洋水文气象调查与综合评价研究的单位,为保证调查任务的顺利实施,获取高质量的调查资料,组织人员根据我国已有的规范和技术标准,并吸收国外先进的经验,编写了我国近海海洋综合调查与评价专项《近海海洋水文气象调查技术规程》(本文中简称《技术规程》),包括了海洋水文、海洋气象和海气边界层等内容。
  同时,还设立了以国家海洋信息中心为主体的专项资料与成果管理工作机构,明确了资料汇交、审核、管理及服务工作流程,编制印发了各学科资料汇交格式并开展了相关培训,从而为专项的顺利实施起到了支撑作用。
(3)CTD观测及其准确度标准
  而且对观测仪器也有明确要求,如“本项目海上调查主要采用当代国际上最新型仪器和新方法进行观测,达到与国际接轨”。其中,温盐观测列出了“SBE-系列CTD、FSI系列CTD和SD204-CTD等”国外最先进的新型仪器。
  海水温盐度观测/测量准确度要求,则可从《海洋调查规范》中查询到,如:水温观测的准确度,主要根据项目的要求和研究目的,同时兼顾观测海区和观测方法的不同以及仪器的类型,按准确度等级1、2、3对应于准确度0.02℃、0.05℃、0.2℃,确定水温观测的准确度;类似地,要求按准确度等级1、2、3对应于准确度0.02、0.05、0.2,确定盐度测量的准确度。
  据业内人士反映,尽管在专项执行之初就对任务承担单位的职责和权限、参与人员的行为准则和工作流程,以及调查数据及产品的准确和科学有效等,引入了现代化管理理念,实行了全方位监督管理,但从汇交的船载CTD仪观测资料和由专项组织的各课题现场验收中,却依然发现了不少问题和瑕疵。
  按理,即使专项没有明确海水温盐度的观测准确度等级,作为长期从事海洋调查研究的科研单位及其科技人员,也应主动按国标《海洋调查规范》规定的海水温盐度观测准确度标准,尽可能参照高等级获取CTD资料,何况专项指定使用的CTD仪,也都是当时、甚至现在仍称得上世界一流品牌制造商生产的先进海洋观测仪器。当然,对于河口和近岸浅海水域,则可以按最低等级要求。
  虽然每个任务承担单位或者调查团队几乎都能按要求开展,但执行的力度却参差不一,甚至还会“缺斤少两”。如,说好的相邻调查区块重叠断面上的比测,完成的不是整条断面上的全部测站,而是只做了几个测站,还有的团队就根本没有做;每天一次与颠倒温度表和盐度计比测,同样有类似的情况发生。
  北部湾区块调查团队报告了在其负责的4个航次期间,曾对每个断面选择一个站点的一个层次(一般为10m层)采集水样,利用实验室盐度计测定盐度,并与CTD盐度进行比对;还绘制了CTD仪与实验室盐度计测量结果的关系图,每个航次一幅,呈现了两者具有线性关系。但汇交的CTD资料却没有做过任何校正处理,只是在提交的相关报告中提及,两者“具有较好的线性关系,但存在系统误差,需要经过回归校正才可以使用”。
  负责珠江三角洲区块的调查团队,报告在20多个站位进行了CTD仪与颠倒温度表和盐度计观测比较。结果发现,由于种种原因,尤其是海水取样的不同步,认为比测的结果不能用来检验CTD仪的测量精度。
)CTD仪间的相互比测形同虚设
  尽管不少团队都做了这项工作,但未见相关比测结果;也有团队报告,发现两者温度吻合较好,盐度差别较大,同样未能给出具体的比测结果。甚至有团队还辩解称,是型号不同的两台CTD仪之间,由于电导率测量原理不同而产生的观测误差,俨然不知该项比测的真正目的。
  从专项资料与成果汇交报告及其数据质量验收表中发现,由负责长江三角洲区块的调查团队汇交的CTD资料中,发现夏、冬季航次分别有约80个和约50个CTD站盐度值“偏低”;在之后执行的春、秋季航次中又分别发现了约30个和近20个CTD站盐度值“偏低”。而由团队事后提交的资料处理报告则称,该区块盐度观测的主要仪器为SBE 917plus CTD,由于在长江流道及附近流速大的区域,SBE因水泵倾斜而没有启动,导致盐度数据“缺测”。
  之后,团队找了同期YSI水质仪(平台注:这同样是一家美国公司生产的海洋观测仪器,可以测量海水温、盐度,虽初始观测精度和分辨率比起SBE公司的CTD仪要逊色些,但也完全满足近岸浅海,特别是河口低盐度海域的观测精度要求)观测的盐度数据,但不是做简单的替代(即将这些站位上的盐度数据,标记为由YSI水质仪观测),而是先利用两者的相关关系对YSI测量的盐度进行校正,再作为对SBE缺测数据的弥补。这无疑是一种弄虚作假的做法。
(7)CTD仪技术性能明显缺少了解
  而从相关技术报告中则可获悉,对于SBE 911/917plus CTD, 水泵只有在海水盐度大于5.0左右时才能正常工作,在淡水或者盐度较低的水域,水泵不能正常打开作业;有的CTD仪还会预先设定在海面以下3米水深以内,水泵自动停止工作,其目的是为了避开电导池受到海面油污染的影响。
(8)观测仪器设备丢失、损坏现象比较普遍
  至于是否有CTD仪丢失或者损坏的情况发生,虽没有提供如潜标观测一样的统计数据,但从各个调查团队提交的相关报告中可以看到,CTD仪发生故障或者受到损伤的情况还是比较常见的,否则也就不会在航次期间更换CTD仪了。
  按照相关规范、规程要求,CTD仪需定期送权威检测机构校准、标定,惯例是在每个航次前送检,以确保执行调查任务时使用的观测仪器是符合技术指标要求的。严格地说,由于执行海洋调查的航次往往短则一个月,长则三个月,甚至半年,尤其是在河口、近岸浅海区域调查时,因水质污染比较严重,CTD仪在航次结束后再次送权威机构复检,也是仪器设备制造商和长期从事海洋调查的专家学者所极力推荐的。但到目前为止,国内仍鲜见响应的。
3、简要分与感想感悟
  可以看到,由十个单位负责完成的九个近海调查区块,因调查时间的准同步性差和个别航次的持续时间过长等,都给CTD资料的质量带来了不同程度的影响,看似使用了先进的CTD仪,但仍无法保证获得的CTD资料是准确、可靠的,十分令人惋惜。
  某单位负责的台湾海峡冬季航次,始于2007年10月,结束于2008年1月,持续90天之久;而其他3个航次的持续时间也均在30-45天之间。还有单位负责的长江三角洲区块调查航次,个别航次持续时间超过了40天,甚至达到了近70天。
  有资深海洋调查专家表示,对于河口、浅海和浪高、流急的海峡区域,海水搅拌、混合都会比较剧烈,进行水体调查时尤其要注重“神速”和“单兵作战”(力求避免设计过多专业参与的综合调查方案),力争在同一天气过程中完成调查任务。
  看似高精度、高分辨率的进口CTD仪,其实并不适用于泥沙含量高、海面油污染比较严重的河口和近岸浅海区域。何况,国内现行《海洋调查规范》对河口、浅海区域的海水温、盐度资料的质量要求,无论是观测精度还是观测准确度,都要比国际公认的标准低得多;甚至在各种海洋调查任务中,都还没有观测准确度等级要求的情况下,一味追求CTD仪观测的高精度和高分辨率,实在无此必要;反之,避免跨季节、不同天气过程中实施针对水体的海洋调查,倒显得尤其重要。
(3)海洋调查资料的质量该由谁来监督管理
  海洋调查的最终目的,应该是使用观测仪器设备获取海洋环境要素资料。如果质量监督管理只注重于调查的过程,而忽略了观测资料的质量(即资料的观测精确度和观测准确度),那么,再完美无缺的质量监督程序,也只能是画蛇添足。
(4)行业主管部门领导的敢作敢为让人称颂留恋
  专项执行期间,颁布了近20个规程,但执行程度各单位不一;规程是由海洋研究单位的专家负责制订的,却却参与规程编制单位的重视程度不如未参与的单位(如各分局)。
  来自行业主管部门领导直言不讳的批评声音,以及率队莅临某调查区块承担单位进行现场验收时的处置做法,更是让人拍手叫好。那天的现场验收会一直等到(约一个小时)该调查区块负责人、也是该任务承担单位领导步入会场后,才正式宣布开始。这让一些参与课题验收的专家组成员至今记忆犹新,留下了深刻映像。
(5)事业单位领导既做管理又抓项目饱受诟病
  在基层,任务承担单位和课题组的两级质量保障机构及其质量监督和质量保障队伍,都是形同虚设;甚至连单位原设置的科研、档案管理等业务处室也几乎成了摆设。哪个基层管理人员能有勇气监督和指导由所、室两级领导负责的项目/课题?这也是该专项与以往专项的显著不同和特色之一。
  一份来自海洋领域某国重室的统计数据,更是触目惊心。近年来,该实验室经费增速惊人,主要体现在海洋专项经费的大幅提升;相反,基础科研项目经费却在小幅下降。如2019年的专项经费(约11560万元)甚至比前4年的总和(约4650万元)还要多得多,而2019年的科研项目经费(约2290万元)却仅占同时期海洋专项经费的20%。
  行业/部门专项已经成为一些事业单位双肩挑领导追名逐利的竞技场所,并且呈现出向国家重大/重点研究专项/项目和重大研发计划漫延的趋势,亟须引以为戒。
 

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冯建
活跃在2022-11-8
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