陈 钊，魏传杰*，刁新源，陈 磊，孙 毅，赵张南，潘 俊

（1.中国科学院海洋研究所，山东 青岛 266071；2. 中国科学院海洋大科学研究中心，山东 青岛 266071）

潜标是一种在水下进行长期海洋环境观测的锚定系统，主要结构包括主浮球、多种海洋观测仪器、声学释放器、重力锚和串联仪器的缆绳，大规模布放潜标已成为远洋综合科考船的常规作业内容[1-3]。温盐深剖面测量仪（CTD）作为测量海洋物理性质的重要观测仪器有多种测量布放方式，包括站位测量，走航测量和长期定点测量[4-6]。潜标CTD是长期定点测量的典型方案，是潜标系统中必不可少的设备，可以为科研人员提供不同深度下精确的海水温度、盐度等参数[7]，对大洋暖池形成机制、热盐环流效应等研究有重要意义[8]。

温盐传感器的制作工艺和材料特性决定了其测量结果会随时间漂移[9]，解决这一问题的方法为传感器校准。目前，陆地实验室校准技术已经较为完善[10]，通过恒温槽、铂电阻温度计、测温电桥、盐度计、压力计等设备可进行高精度的数据校准[11]，但潜标CTD由于时间和成本原因无法全部带回陆地进行校准，科考船也不具备海上校准的设备和条件，潜标CTD在长期使用后仪器数据发生漂移、准确度降低，对科学研究的正确性和可信性造成严重影响[12]。设计一种潜标CTD的作业现场比测方法具有现实需求和重要意义。本文依据船载CTD的作业内容，为SBE37潜标CTD设计了一种比测装置，以SBE911船载CTD为测量标准，计算了潜标CTD的温盐传感器校准系数，并将该系数下获取的数据与未校准的数据进行比较，为提升我国海洋科学观测网的数据准确度提供了技术支撑。

1 比测设备

1. 1 船载CTD和潜标CTD

校准实验室的核心设备为恒温槽，槽内各个位置的水温一致[13]，而且可以通过测温电桥和标准铂电阻精确测量[14]。大洋的温盐结构较为稳定[15]，在短时间内不会发生大幅度变化，并且大洋可视为分层水体[16]，其水平方向上的临近点可视为同一水团[17]，其温盐可由SBE911船载CTD进行测量，通过一定时间段内的数据平均可得到该位置的相对准确的温盐值。SBE911船载CTD是目前深海观测中应用最为广泛的产品，在同类海洋仪器中具有最高的测量精度[18]，其技术指标如表1所示。

表1 SBE911船载CTD技术指标

SBE37潜标CTD具有高精度温盐传感器，其电导率传感器配置有抽水泵，测量准确度与SBE911船载CTD一致，目前广泛应用于潜标系统中，是使用最多的潜标CTD，其技术指标如表2所示。

表2 SBE37潜标CTD技术指标

本文将以2020年9月进行了实验室校准的船载CTD数据作为标准，对SBE37潜标CTD的测量数据进行对比。

1. 2 装置设计

本文设计的比测装置需要满足以下两点：

（1）为使潜标CTD与船载CTD测量同一层水体，二者的温盐探头需要在同一平面上。

（2）根据仪器的结构设计，潜标CTD的布放方式为探头一端朝上竖直放置[19]。

本文根据这两点设计了用于比测的CTD底托架，如图1所示。布放船载CTD时将底托架固定于CTD整体的下方，在底托架上有上下四根固定横杆，最多可在一个站位的船载CTD作业中校准8台潜标CTD，可以满足一套及以上潜标系统的CTD使用数量。

图1 比测底托架安装示意

2 比测实验

2. 1 实验方法

本实验于2020年9月依托“科学”号西太平洋航次进行，实验步骤如下：

（1）设置潜标CTD的采样间隔为5 s，并与船载CTD进行时间同步，将其固定在比测所用的底托架上。

（2）进行船载CTD作业，在下放过程中选取船载CTD显示温度为27℃, 25℃, 20℃, 15℃,10℃, 5℃, 3℃附近的位置，并记录到达该位置的时间。每个位置静置2 min，使两种CTD测量的水团充分混合。

（3）船载CTD回收后，读取潜标CTD数据，根据时间查找比测数据，取静置时间段内第2 min的数据进行平均，以减小水团不稳定引起的误差。

CTD温盐剖面图如图2所示。

图2 船载CTD温盐剖面图

2. 2 求解校准系数

通过仪器配置说明，温度校准系数a0,a1,a2,a3的相关表达式为[20]：

式中：Tκ（℃）代表船载CTD第κ组温度平均值；Ntκ（Hz）代表潜标CTD第κ组温度通道频率平均值。通过5组数据的回归分析方法确定a0,a1,a2,a3值。

电导率校准系数g,h,i,j的相关表达式为：

式中：δ=3.25×10-6，ε=-9.57×10-8，Cκ（S/m）代表船载CTD第κ组电导率平均值；Fcκ（kHz）代表潜标CTD第κ组电导率通道频率平均值；Tκ（℃）代表船载CTD第κ组温度平均值；pκ（dbar）代表船载CTD第κ组压力平均值。在实验室校准中，pκ项近似为0，往往忽略不计[21]，而由于本实验是在大洋高压环境中进行，所以pκ项为重要参数，必须参与计算，求解所需数据见表3。

表3 求解校准系数使用的相关数据

3 比测结果

该实验中使用的潜标CTD有3组校准系数，分别为2014年3月的原始校准系数、2020年5月的实验室校准系数和2020年6月的比测校准系数，其中比测校准系数由式（1）、式（2）和表3数据计算得出，温度校准系数见表4，电导率校准系数见表5。

表4 温度校准系数

表5 电导率校准系数

分别选取6组参考温度、电导率真值，通过实验室校准系数分别计算出Ntκ(Hz)和Fcκ(kHz)，将二者代入原始校准系数和比测校准系数，通过式（1）和式（2）由比测系数和原始系数分别计算温度、电导率值和相应误差。计算电导率时假定温度为20℃，压力项忽略。

温度比测结果如表6所示，误差对比见图3(a)，电导率比测结果如表7所示，误差对比见图3(b)。

表6 温度比测结果

表7 电导率比测结果

图3 温度和电导率误差对比

由表6、表7和图3可知，通过原始校准系数和比测所得校准系数计算的温度、电导率值与与实验室校准后的结果存在误差。对二者的误差进行比较，比测误差较原始的误差小，在选取的12个温度和电导率特征点上，比测误差绝对值比原始误差绝对值小的有6个，相同的有3个，大的有3个。温度比测误差绝对值的均值为3.833 3×10-4℃，原始误差绝对值的均值为5.500 0×10-4℃，电导率比测误差绝对值的均值为2.166 7×10-4S/m，原始误差绝对值的均值为2.3333×10-4S/m。

4 结 论

本文设计了一种比测装置，该装置使潜标CTD与船载CTD测量同一水团，便于两者进行数据对比。通过现场实验对两种CTD进行比测，以船载CTD作为标准数据，通过回归分析方法计算了船载CTD的温盐传感器校准系数。通过给定真值和实验室校准系数计算出传感器频率值，再将该值与校准前后的系数代入计算公式，分别得到校准前后测量仪器的误差。实验结果表明，以船载CTD为标准对潜标CTD进行比测后，数据误差降低，本文中设计的比测方法对提高测量设备准确性有一定作用。

由于本文中使用的潜标CTD是用于实验室计量认证，使用率较低，所以该CTD的数据漂移并不明显，其测量结果与实验室校准后的测量结果相差不大，这导致比测实验对数据准确度的提高效果不显著。若实验设备在具有腐蚀性的海水中长期使用，本实验的效果将更加明显。实际上，海水温盐场的波动较为明显，无法达到恒温槽效果，本文中的船载CTD数据经过平均处理后，船载CTD与潜标CTD数据一致性较好，有一定偶然性。此外，本实验需要使用0～1 500 m的CTD数据，所以该校准方法仅适用于1 500 m以深的海区，且必须为温盐结构较为稳定的大洋区。

本文中的比测方法可以提高潜标CTD的测量精度，可为作业现场的CTD校准提供一种解决方案，但是此方法限制条件较多，不能适用于所有海区。因此，进行陆地实验室校准或建设一套船载的标定系统才能从根本上提高潜标CTD的数据质量问题。