对物理海洋现象及其特征和变化规律的认识, 往往需要积累较长时间序列的海洋环境要素(如海水温度和盐度等)资料。然而, 在漫长的收集和积累过程中, 往往会用到不同的观测仪器设备, 有机械式的, 也有电子感应式的, 或者是遥测的, 它们也都会因各种因素产生各种不同的测量误差(许建平等, 1999; Owens et al, 2009; Cheng et al, 2014;窦文洁等, 2014;李凯峰等, 2018;陈建等, 2018), 需要采用一致公认的观测仪器和方法进行同步或准同步的比较测量(Boyer et al., 2015;奚萌等, 2017), 以便能了解和掌握各种观测仪器的准确度和可能产生的测量误差, 并能根据不同的研究目的和要求, 决定对观测资料采取实时模式质量控制(对资料准确度要求较低)和延时模式质量控制(资料准确度要求较高)。如国标“GB/T12763.2-2007《海洋调查规范第2部分海洋水文要素调查》”《之“盐度调查”的规定: “在利用船载CTD(conductivity, temperature, and depth)测盐度时, 每天至少选择一个比较均匀的水层, 与利用实验室高精度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”。中国Argo计划在实践这些质量控制工作的过程中, 发现在我国海洋界, 无论是管理部门还是科研院所, 大都缺乏对海上观测资料质量控制重要性的认识, 普遍只重视获取某一航次的现场观测资料, 而忽视对资料的质量控制, 对同一海区不同航次的观测资料进行质量控制更是无人问津, 导致观测资料质量不高(即使有朝一日得到重视, 但也是无力回天, 没有同步或准同步的“标准”测量数据, 也就难以补救)。

中国Argo自2002年加入国际Argo计划以来(刘增宏等, 2016; Riser et al, 2016; Liu et al, 2017), 依托“国家重点基础研究发展规划(973计划)项目”、“海洋公益性行业科研专项经费项目”、“科技基础性工作专项项目”等国家大型科研项目, 搭载20多个航次在太平洋、印度洋等海域投放了400多个自动剖面浮标(目前仍有104个浮标在海上正常工作)。国际Argo指导组和资料管理小组要求(Roemmich et al, 2001; Kobayashi, 2004;刘增宏等, 2006a;卢少磊等, 2014; Bhaskar et al, 2017; Coriolis Data Management, 2017)各国在投放Argo剖面浮标的同时, 尽可能借助船载CTD仪对浮标观测的温度、盐度资料, 特别是第一条观测剖面进行现场质量控制, 以验证剖面浮标观测资料的质量(孙朝辉等, 2005;刘增宏等, 2006b, 2007;王辉赞等, 2012;卢少磊等, 2016)。故每一航次, 我们会都针对所投放的自动剖面浮标观测资料进行质量控制并出具航次报告, 即利用实验室高精度盐度计对在浮标投放站点采集的海水样品进行盐度测定, 并与CTD仪和剖面浮标观测的盐度数据(通常是第一条剖面)进行比对。

海上观测通常是利用船载CTD仪或剖面浮标所携带的温度和电导率传感器完成的, 但是温度传感器的性能和可靠性要远优于后者, 其观测的温度的准确度也要明显高于盐度的准确度。所以, 人们在利用上述仪器设备对深海大洋进行温度和盐度测量时, 往往只关注和重视电导率传感器的观测误差。此外, 目前国内广泛利用的船载CTD仪, 虽有一部分携带了玫瑰型采水器, 可以通过采集水样进行实验室盐度测定, 但似乎没有同时携带颠倒温度表进行温度同步测量的。所以, 即使人们想要对温度进行现场同步比较观测与资料质量评价, 目前仍缺少有效的比测手段。综上所述, 本文的主要目的是就船载CTD仪、自动剖面浮标以及实验室高精度盐度计的比测工作进行总结, 并主要通过盐度比测来检验各观测仪器的质量, 提供给国内海洋界以参考。

1 观测仪器及比测方法 1.1 观测仪器 1.1.1 船载CTD仪

各航次船载CTD观测通常采用由美国海鸟公司生产的SeaBird 911型CTD仪, 其主要技术指标如表 1所示。中国Argo计划在投放自动剖面浮标的同时, 一般均会采集浮标投放站位上的CTD仪观测数据用于对浮标测量数据进行比对分析, 了解和掌握浮标观测资料的质量。

需要指出的是, 由于受异常天气和恶劣海况(如台风、风浪和涌浪)等环境因素的影响, 船载CTD仪难免也会出现故障, 如基金委2017年西太平洋开放共享航次期间, 携带的船载CTD仪就曾多次(2017年10月27日和11月1日)出现信号传输错误, 后经对CTD仪进行拆卸排查、重新布缆等, 方才排除故障。在这种情况下, 对于CTD仪观测资料的质量控制工作就显得尤为重要。

1.1.2 自动剖面浮标

中国Argo计划投放的浮标主要有美国引进的APEX型和NAVIS型、法国引进的PROVOR型和ARVOR型、国产的HM2000型等, 其中投放数量最多的是APEX型自动剖面浮标, 而国产剖面浮标虽在近些年才开始小批量投放, 但人们对其观测资料的质量还知之甚少。因此, 这里主要介绍APEX和HM2000两种类型的自动剖面浮标。

APEX型浮标(Kobayashi et al, 2009; Hsu et al, 2018)由美国Teledyne Webb公司研制生产(图 1, 其技术指标见表 1), 常规下采用Argos卫星传输观测数据, 但近几年开始更多使用铱卫星进行定位和通讯。采用铱卫星通讯的浮标相比常规采用Argos通讯, 具有更高分辨率的采样层次, 其采样层数甚至可以达到千余层(垂向间隔约2dabr, 而常规剖面浮标的观测层次仅为70个左右); 使用铱卫星浮标还实现了双向通讯, 即科学家们可以轻松地通过地面接收站改变浮标的技术参数设置(如观测周期、漂移深度、高分辨率采样层次等), 这使得在特殊海况下(如观测台风源地的海洋状况等)通过剖面浮标进行加密观测成为可能。

国产的HM2000型浮标(沈锐等, 2017)由中船重工第710研究所研制(图 2), 其主要技术指标如表 1所示。这也是目前唯一被国际Argo组织认可, 并接纳用于全球Argo实时海洋观测网建设与维护的国产海洋观测仪器设备, 可利用我国北斗导航系统提供定位和观测数据的传输服务(也称“北斗剖面浮标”), 以及设立在杭州的“北斗剖面浮标数据服务中心”直接接收、解码和处理来自该类型浮标的观测信息和测量数据, 并可按国际Argo资料管理组的要求进行严格质量控制, 随后通过中国气象局的全球通讯系统(Global Telecommunication System, GTS)接口, 与世界气象组织(World Meteorological Organization, WMO)和国际Argo计划成员国及时共享。

1.1.3 实验室高精度盐度计

中国Argo计划在投放自动剖面浮标的同时, 会采集浮标投放站位上特定层次上的标准海水样品, 并使用加拿大Guildline公司生产的AUTOSAL 8400B型实验室高精度盐度计(童明荣等, 2003)进行测定(图 2, 技术指标见表 1), 用于检验船载CTD仪观测数据的可靠性。

由表 1可见, 无论是船载CTD仪, 还是自动剖面浮标, 其提供的温度、电导率(盐度)传感器的测量准确度都非常高, 但其在海上的实际观测准确度则要低得多, 如“GB/T12763.2-2007《海洋调查规范第2部分海洋水文要素调查》” (中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等, 2007)规定, 水温和盐度观测准确度的一级要求分别为±0.02℃(分辨率0.005℃)和±0.02(分辨率0.005), 国际Argo计划(Coriolis Data Management, 2017)要求的全球海洋温、盐度的观测准确度则分别为0.005℃和0.01(Liu et al, 2017)。

1.2 盐度值的比测过程

2017年10月15日—11月17日, 中央级大型科研仪器设备购置专项资助的“自动剖面浮标实时海洋观测系统”项目, 搭载由中科院海洋研究所负责的国家自然科学基金委西太平洋开放共享航次(由“科学”号科考船执行), 在该海域布放了5个HM2000型剖面浮标。我们将以此为例来说明各资料之间的具体比测过程。

按调查计划(参考“GB/T12763.2-2007 《海洋调查规范第2部分海洋水文要素调查》之6.2内容), 布放自动剖面浮标的同时, 还需采用船载CTD仪进行比较观测, 以及采集特定层次上的水样并进行实验室盐度测定等。其中, 各剖面浮标的第一个剖面信息可以在布放后的12h内获取; 在5个剖面浮标投放站位, 船载CTD仪的剖面观测均为全深度(即表层到底层, 各站位水深基本都超过4000dbar)观测; 浮标投放站采水层次分别为2000dbar、1800dbar、1500dbar、1200dbar、1000dbar、750dbar、500dbar、200dbar、50dbar等9层(其中确保采集2000—1000dbar深度范围内的水样, 作为比测的重点)。此外, 为了查看CTD仪在航次前后是否存在测量误差, 本航次还采集了第一个CTD站位和最后一个CTD站位9个标准层上的水样, 航次结束后, 使用AUTOSAL 8400B型高精度盐度计测得了全部海水样品的盐度值。

1.2.1 CTD仪与实验室高精度盐度计的比测

船载CTD仪在运输、安装以及海上测量过程中, 遭遇恶劣海况条件(比如本航次曾遭遇两次台风影响)和周围电子信号干扰, 甚至电子原器件老化和海面油污污染等因素的影响, 可能会带来自身的测量误差, 故利用船载CTD仪携带的玫瑰型采水器收集代表性层次上的海水样品(比测的主要目的是为了对剖面浮标观测资料进行质量控制, 而浮标一般是在1000m深度上随波逐流的, 且第一条剖面是投放后12h以内才获取到的, 与CTD仪和海水水样存在时空上的差异, 考虑到深层海水的盐度一般而言相对比较保守, 在一定时间和范围内基本保持恒定, 且水深越大, 变化越小, 所以比测通常在1000dbar深度以下), 再利用实验室高精度盐度计测量出代表性层次上的海水样品盐度值, 通过比较、确定船载CTD仪的观测结果正确无误后, 再用来验证自动剖面浮标的观测结果。这一质量控制方法已经普遍被国际物理海洋界所认可, 并被广泛应用于对剖面浮标观测资料质量高低的评判及其对Argo数据的延时模式质量控制中。此外, 一般航次收集的CTD数据是CTD仪下沉至海底过程中观测获得的资料, 然而由于海水样品的采集是在CTD仪上升的时候发生的, 所以与样品测定的盐度相比较的应当是上升时候的CTD数据, 表 2中列出的“盐度值(CTD)”正是CTD仪上升过程中测量的盐度。

本航次遭遇了2次台风, 船载CTD仪也曾发生2次故障, 那么CTD仪的观测准确度是否受到了影响？为此, 我们首先对第一个(N18-8)和最后一个(N18-10)CTD站位上观测的盐度剖面与特定层上海水样品测定的盐度, 进行了对比(表 2)分析, 发现在1000dbar以深, 二者的差值均小于0.02(完全满足“GB/T12763.2-2007《海洋调查规范第2部分海洋水文要素调查》”对盐度准确度一级(±0.02)的要求), 而且绝大多数比测层上的差值绝对值都小于0.01(在0.0003~0.0063范围内变化), 能满足国际上对盐度测量准确度的要求(Annie et al, 2018)。由此可见, 本航次获得的船载CTD仪观测数据应该是可信的。

1.2.2 CTD仪与自动剖面浮标观测数据比对

在确定了本航次CTD仪观测数据可靠的基础上, 对5个浮标投放站位进行了盐度计测定盐度、CTD仪观测盐度与剖面浮标观测盐度的比测分析(如表 3所示, 仅以E130-7和E130-12为例)。

比较E130-7站位的盐度值可以看出, 在1000dbar以深范围, 剖面浮标和CTD仪与盐度计相比, 二者的盐度值与盐度计的差值绝对值均小于0.01(满足国际上盐度测量标准), 各观测资料之间的吻合性较好。E130-12站位上, 1000dbar以深, CTD仪与实验室高精度盐度计的盐度差值绝对值同样都小于0.01, 而剖面浮标与盐度计盐度差值的绝对值仅在一个层次(1200dbar)上大于0.01(仍小于0.02)。

对比发现, 不仅航次第一个和最后一个CTD站位上船载CTD仪观测的盐度与现场采集的海水样品盐度基本吻合, 5个浮标投放站位上CTD仪观测的盐度也与采集的海水样品盐度基本吻合(1000—2000dbar范围采集5层水样, 5个站位共计25个盐度比对层, CTD仪观测的盐度值与样品盐度之间差值仅在3个层次不能满足盐度测量的国际准确度标准(±0.01), 占12%)。故此, 我们认为, 虽然CTD在航次期间出现过2次故障, 但幸运的是, 其观测资料仍然是可信的, 故此可以用它们来校正剖面浮标观测资料。

进一步, 我们绘制了5个布放浮标站位上的T-S曲线和温度(均为现场温度)、盐度垂直分布(这里仅给出E130-7站位的图示), 如图 3所示。其中左图呈现的是各个测站上的温、盐度垂直分布, 红色点划线表示由CTD仪观测的温度(注:此处使用的是CTD仪下沉时测量的数据)、红色实线表示由剖面浮标观测的温度, 蓝色点划线为CTD仪观测的盐度、蓝色实线为剖面观测的盐度; 右图为各个测站上的T-S曲线, 黑色线条表示CTD仪观测结果、红色为剖面浮标观测的结果。

由图 3可以看出, 1000dbar以深范围, E130-7站位上CTD仪和剖面浮标的盐度曲线吻合的很好(表略, 盐度差值均在±0.01的范围以内), 而其余3个站位CTD盐度曲线(图略)均落在剖面浮标盐度曲线的右侧, 也即CTD仪观测盐度要略大于剖面浮标观测的盐度, 然而所有的差值绝对值仍然不超过0.02的国标盐度测量要求, 说明这些剖面浮标观测获得的盐度值也都是可信的。

2 比测结果分析 2.1 CTD仪观测数据出现显著偏差事件I

2016年9月, 科技基础性工作专项――“西太平洋Argo实时海洋调查”重点项目搭载基金委南海中部海盆综合调查计划航次(由中科院南海海洋研究所“实验1”号科考船执行), 在西太平洋海域投放了8个HM2000型剖面浮标(其中一个因通讯故障未能传回观测剖面); 还获得了8个浮标投放站位0—2000dbar水深范围的CTD仪观测数据, 并累计采集了54个海水样品, 然而由于实验室高精度盐度计出现故障需要返厂维修, 从而导致海水样品无法测定, 不得已只能借助历史观测资料进行比较分析, 以此判断HM2000型浮标的观测质量及其可靠性, 同时供校正本航次船载CTD仪观测资料做参考。

图 4和图 5给出了本航次2个布放剖面浮标的CTD站位上的T-S曲线和温盐垂直分布, 并分别计算了7个浮标投放站代表层次上的盐度差值(表略)。1000dbar以深, CTD和浮标观测的盐度差值绝对值仅在个别测站、个别层次上符合国际Argo计划规定的盐度观测准确度(±0.01), 其它层次上二者差值较大(0.011—0.033);由其中两个测站(图 4和图 5)的T-S曲线可以看出, 船载CTD仪与剖面浮标资料, 甚至与历史观测资料比较, 其温盐度均具有相同的变化趋势, 相互之间十分接近, 尤其在1000dbar水深以下, 几乎已经重合。但仔细观察它们之间的重合程度发现, 船载CTD仪的观测结果偏离HM2000型浮标和历史观测结果较大, 而后二者之间比较接近, 可以初步判断, 本航次利用船载CTD仪获取的观测资料, 无法作为验证浮标观测质量的真值。考虑到历史观测资料的日期比较早(20世纪90年代), 且海洋动力可能存在多种时间尺度的变化, 故单单依据CTD仪观测结果与历史和浮标观测结果之间的差别并不能完全说明CTD仪观测结果存在问题, 但航次期间CTD仪确实出现接口短路的故障。

为了更加直观地比较和验证各种观测资料的质量及其可信度, 还收集了观测海域历史上利用船载CTD仪观测的、且最大观测深度大于2000dbar的剖面进行了比较分析, 并将本航次船载CTD仪和HM2000型剖面浮标观测的资料, 与同期APEX型剖面浮标观测的结果和历史船载CTD仪观测的结果, 统一绘制在同一幅T-S图(图 6)上对比。不难发现, HM2000型浮标获取的剖面资料与同期APEX浮标和历史船载CTD仪观测的结果更吻合; 而本航次船载CTD仪的剖面观测资料同样要比同期APEX浮标和历史船载CTD仪观测的结果偏高些, 估计偏差在0.01—0.03之间。

综上所述, 从这些站位的数据比测来看, 本航次船载CTD仪观测结果与浮标剖面和历史观测资料存在系统性偏差, 且该偏差很可能是CTD仪短路故障导致的, 且该误差应当是可以提前预知的。况且, 根据国标海洋监测和海洋调查规范要求, 在调查仪器出现故障并进行维修后, 不能马上投入使用, 需要送往权威部门进行检定, 在确保仪器准确度后方可投入使用。此举也是为了保证调查数据的质量, 而本航次出现的问题也正好说明了仪器标定的重要性。

2.2 CTD仪观测数据出现显著偏差事件II

2009年7月国家科技部《国家重点基础研究发展规划》(973计划)—“基于全球实时海洋观测计划(Argo)的上层海洋结构、变异及预测研究”项目租用中国海洋大学“东方红2”号科学考察船, 在吕宋海峡附近海域布放了5个APEX型剖面浮标, 同时获得了5个浮标投放站0—2500m水深内的CTD仪观测剖面, 以及每个站位上8个特定层次上的水样(其中Argo-02站上由于玫瑰型采水器发生故障, 未能采集到500m层以下的水样, Argo-05站位投放的浮标由于出现故障, 未能正常收到盐度观测资料)。

利用这些数据同样对CTD仪、自动剖面浮标和实验室高精度盐度计的测量结果进行了比较分析, 并绘制了各个测站上的温、盐度垂直分布图和T-S曲线, 还分别计算了各个测站上自动剖面浮标和CTD仪观测结果与盐度计测量结果在对应层次上的盐度差值(表 4, 剔除Argo-02和Argo-05站位的比较结果)。图 7和图 8中, 左图呈现的是测站上的温、盐度垂直分布, 右图则为各个测站上的T-S曲线。

从5个测站的温度比较(篇幅原因, 仅以Argo-01和Argo-02站位为例)可以看出, 自动剖面浮标和CTD仪观测的温度变化比较吻合, 表明两者的测量结果相当接近。但盐度变化差异较大; 相比而言, 实验室高精度盐度计与自动剖面浮标观测的结果比较接近, 但与CTD仪的观测结果相差甚远; 再与该区域的历史观测资料(World Ocean Atlas, WOA)(Boyer et al, 2015)比较发现, 实验室盐度计和历史观测资料与剖面浮标资料比较吻合, 而与CTD差别较大。不难判断, 本航次使用的CTD仪电导率传感器存在明显的系统误差。其中, CTD仪与实验室高精度盐度计测量的盐度差(表 4)为-0.1787—0.0371(在100—800m水深间)和-0.10121— -0.0735(在1000—2000m水深间)。对照“GB/T12763.2-2007《海洋调查规范第2部分海洋水文要素调查》”对盐度准确度(±0.02)的要求, 显然无论是上层还是下层, 本航次使用的CTD仪观测结果均已远远低于这一要求。

进一步观察自动剖面浮标与盐度计测定的结果, 发现在各测站的上层(约800m水深以上)两者拟合程度不是很好, 而在深层却几乎重叠, 两者差值在-0.0001—0.0178之间(表 4)。只是在Argo-03站的1000m层上, 其盐度差值达到了0.0486, 超过国标“GB/T12763.2-2007《海洋调查规范第2部分海洋水文要素调查》”允许的误差范围(±0.02), 但经查明, 这一结果与实验室测量时盐度计传导单元中存留气泡(通过酒精去除即可恢复正常)有关, 从而造成实验室测量盐度有较大的误差。这一比较结果表明, 由于自动剖面浮标观测的第一个剖面是在浮标投放后的24h内获得的, 所以, 上层比测结果不尽理想也是情理之中。此外, 众所周知, 大洋深处(如1000dbar水深以下)水体(温、盐特性)在相当长一段时间内基本保持不变, 所以, 两者差值在1000m水深以下十分接近也是必然的。人们也正是利用了深层海水的这一特性, 来校正由于浮标在海上长期漂移后可能产生的系统观测误差。再看一下各个测站上的T-S曲线可以发现, 虽其变化趋势基本一致, 但浮标与CTD仪之间的差别还是相当明显的。

在各测量数据进行比对后, 建议中国海洋大学船舶中心尽快将该航次使用的船载CTD仪送国家权威部门(如国家海洋计量中心)检定。不久, 据该中心的反馈意见称, 航次期间使用了错误的CTD仪标定参数, 并提供了新的纸质版标定证书。于是我们对CTD仪的观测结果采用最新提供的标定参数进行了重新计算, 并做了新的对比分析。

新的对比表明(图略), CTD仪观测盐度与实验室高精度盐度计的测量结果也比较接近, 各测站CTD仪与实验室高精度盐度计测量的盐度差范围为0.001—0.064, 但在1000—2000dbar的海洋深层, 其误差范围降低为0.002—0.019, 符合国标“GB/T12763.2- 2007《海洋调查规范第2部分海洋水文要素调查》”对盐度准确度(±0.02)的要求。

图 9—图 10给出的是利用本航次全部CTD温、盐度剖面数据绘制而成的T-S曲线, 由图可以看到, 在CTD仪参数未标定的情况下, 海洋深层的T-S曲线(图 9)比较分散, 但CTD仪标定以后, 其T-S曲线(图 10)则高度集中。以上这些都说明CTD仪标定之后获得的新的盐度资料是可靠的。

3 结束语

国际Argo指导组和资料管理小组要求各国在投放Argo剖面浮标的同时, 尽可能借助船载CTD仪对浮标观测的温度、盐度资料, 特别是第一条观测剖面进行现场质量控制, 以验证剖面浮标观测资料的质量。然而, 中国Argo计划在过去十多年执行这一要求的过程中, 发现刚刚布放的剖面浮标, 其观测资料基本能够达到国家或国际标准, 相反, 船载CTD仪提供的资料质量参差不齐(有人为造成的观测误差, 也有未知原因的误差), 发现的主要问题有:

(1) 船载CTD仪不按规定在航次前后送往权威部门进行检测;

(2) 有的CTD仪即使在航次前送权威部门检测了, 并提供了新的校正参数, 但由于人为疏忽, 未能及时将该新的校正参数输入到船载CTD仪控制软件中, 从而造成人为的观测误差;

(3) 即使进入本世纪以来, 人们对船载CTD仪的观测资料质量给予了应有的重视, 许多单位还从国外引进了实验室高精度盐度计, 但实际在航次现场中使用的比较少见, 且一些船载CTD仪并未携带玫瑰型采水器, 也就无法进行现场比较校正。

为此, 建议长期从事深海大洋调查、观测的部门和单位, 当发现船载CTD仪或自动剖面浮标存在系统误差或偶然误差后, 必须对其观测资料进行质量控制, 方可提供给业务化部门或基础研究应用部门使用。至于船载CTD仪或自动剖面浮标观测资料的校正方法及其质量控制, 可参阅相关规范、文献。

从中国Argo计划掌握的多航次比对结果发现, 所布放的自动剖面浮标的第一条观测剖面几乎都是好的, 说明剖面浮标采用的CTD传感器是稳定的、可靠的, 然而一旦某个浮标的运输过程中或者其它原因导致浮标出现观测误差, 可以依据收集的CTD资料进行校正, 此外, 收集和积累浮标观测海区高质量的船载CTD仪观测资料, 使得人们可以对早期布放在附近海域或漂移进入该海域的浮标(浮标通常可以在海上工作3年左右)观测资料进行检验、校正, 以确保其观测资料的质量。反之, 当人们发现某个航次的船载CTD仪观测资料存在质量问题时, 不妨可以通过收集同时期、同一海域比较接近的自动剖面浮标观测资料进行检验和校正, 以尽可能挽救存在质量问题的船载CTD仪观测资料。

致谢 中国Argo计划采购的400多个自动剖面浮标搭载20多个航次得以顺利布放, 期间得到了各航次首席科学家、调查队长和全体调查队员, 以及各类科学考察船船长及全体船员的鼎力支持和帮助, 在此深表感谢！同时感谢各航次项目负责人向我们免费提供的CTD站位数据, 使我们得以对自动剖面浮标数据进行质量控制。