任 強，魏傳杰

（中國科學院海洋研究所環(huán)境工程中心，山東　青島　266071）

國產(chǎn)拋棄式溫度剖面儀（XBT）資料質(zhì)量分析

任 強，魏傳杰

（中國科學院海洋研究所環(huán)境工程中心，山東青島266071）

國家海洋技術(shù)中心根據(jù)科研需求研發(fā)了拋棄式溫度剖面儀（XBT）等一系列拋棄式產(chǎn)品。針對2014年8月份在西太平洋海域投放的XBT和XCTD所獲取的溫度數(shù)據(jù)進行對比分析，單剖面結(jié)果顯示兩者相關(guān)系數(shù)達到了0.95，在溫躍層處出現(xiàn)溫度差，斷面標準差分析結(jié)果為200 m以上溫躍層處較大而200 m以下標準差較小，最大和最小標準差值分別為0.39和0.08。溫度斷面分析結(jié)果顯示兩者在同樣的位置出現(xiàn)等值線的凹凸現(xiàn)象，對大洋水團特殊物理海洋現(xiàn)象描述基本一致。分析溫躍層處兩者溫度存在偏差的原因有3個：不同傳感器的不同響應(yīng)時間引起的誤差、深度測量公式的誤差以及傳感器本身的測量誤差影響。國產(chǎn)XBT的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，總體上性能能滿足對環(huán)境復雜海域的快速走航觀測，數(shù)據(jù)質(zhì)量準確度和可靠性都較好。

XCTD；XBT；溫躍層；溫度誤差

拋棄式的水文測量設(shè)備是近年來國內(nèi)外發(fā)展較為迅速且應(yīng)用范圍越來越廣的一種快速便捷的測量裝置，被各個國家的研究人員廣泛使用。拋棄式的設(shè)備由主控計算機、數(shù)據(jù)處理甲板單元、發(fā)射槍以及傳感器探頭等幾部分組成，主要在移動的測量平臺上使用，如船舶、飛機等。它的主要原理是將測量傳感器探頭從發(fā)射槍上投放，探頭在水體中以約4 m/s的速度做自由落體運動，同時測量海水的溫度、電導率等參數(shù)，并通過尾部電導線與船體形成的信號回路將數(shù)據(jù)上傳到甲板處理單元而獲得實時水體數(shù)據(jù)，其中探頭的深度由內(nèi)置的計算公式獲得［1］。拋棄式設(shè)備能在高速移動的平臺下投放且探頭下降時間短和操作簡單，因而相對于常規(guī)海洋學固定站點調(diào)查來說可以節(jié)省大量的船時和人員成本。

XCTD是目前國際上應(yīng)用范圍較為廣泛的一種拋棄式設(shè)備，它的主要生產(chǎn)廠家之一為日本TSK公司，能實時測量溫度和電導率數(shù)據(jù)且傳感器的精度高，數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠性等性能突出。XBT與XCTD相比更為精簡，根據(jù)國防經(jīng)濟以及國內(nèi)研究的需求，我國近年來也大力研發(fā)拋棄式設(shè)備，為此國家海洋技術(shù)中心經(jīng)過努力成功研發(fā)了XBT并形成了一系列產(chǎn)品，XBT能適用快速走航剖面式測量，對關(guān)鍵海域的調(diào)查能有效地節(jié)省時間成本，是一種性能優(yōu)異的調(diào)查設(shè)備。本文將對日本TSK公司生產(chǎn)的XCTD以及國家海洋技術(shù)中心生產(chǎn)的XBT所獲得的數(shù)據(jù)進行對比分析。

1　傳感器性能及資料來源

1.1資料來源

在對西太平洋西邊界調(diào)查期間，進行了走航XCTD-1型和國產(chǎn)XBT投放作業(yè)，對每個站點同時投放XCTD和XBT進行調(diào)查以進行對比，共獲取了13組數(shù)據(jù)。

1.2傳感器技術(shù)指標

表1為國家海洋技術(shù)中心的XBT以及日本TSK公司的XCTD的溫度傳感器技術(shù)指標。從表中可知，兩者的深度測量精度一致，為全量程的2%，XBT深度測量范圍稍低于XCTD，在溫度測量精度方面XCTD較國產(chǎn)XBT高。

表1　XBT和XCTD技術(shù)指標

2　資料分析

2.1單站資料分析

從傳感器技術(shù)指標可以看出，實際XBT投放深度只能到760 m，因而對XCTD也只取760 m以上的溫度數(shù)據(jù)進行分析。如圖3為某個站點XCTD和XBT獲得數(shù)據(jù)對比，圖3（a）為XCTD與XBT剖面數(shù)據(jù)，圖中可以看出兩者總體數(shù)據(jù)一致，相關(guān)度較高，但是在50～200 m處溫度曲線稍有偏差，在200 m以下曲線基本重合。我們利用兩者溫度作分位點相關(guān)圖［2］（圖4），圖中虛線為直線，圖中顯示兩者溫度均分布在直線附近，因而來源同一分布。在溫度大于25℃以上稍有偏離直線，并且偏向于XBT坐標軸，說明在溫度大于25℃以上的范圍特征為XBT溫度大于XCTD溫度。

對XCTD與XBT溫度相減得到溫度差值圖（圖3（c）），可以看出200 m以上為溫度差較大區(qū)域，最大溫度差達到了0.85℃，200 m以下的溫度差相對較小。對其中XCTD作溫度垂直梯度（圖3（b）），圖中實線取值為大洋躍層標準0.05℃，可以看出主溫躍層分布在50～200 m之內(nèi)，且對應(yīng)的溫躍層平均溫度為25℃以上。因此可以判斷XCTD和XBT溫度值存在明顯偏差的區(qū)域處在溫躍層50～200 m之間，并且XBT溫度大于XCTD溫度，而在溫躍層以外其它區(qū)域兩者溫差相對較小，200 m以下區(qū)域平均溫度差為0.1℃左右。

通過XCTD與XBT的溫度方差分析（表2）計算得出P＞0.05，可以判定因素A（不同傳感器）導致的溫度測量值不存在顯著性差異。且從單站的數(shù)據(jù)分析得出XBT與XCTD數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)達到了0.95，說明國家海洋技術(shù)中心的XBT測量溫度與XCTD測量溫度相關(guān)系數(shù)高，數(shù)據(jù)基本一致。

圖3　單剖面溫度對比及差值圖

圖4　XCTD與XBT分位數(shù)相關(guān)圖

表2　XBT與XCTD單剖面溫度方差分析

2.2斷面溫度資料對比分析

XCTD目前在國際國內(nèi)應(yīng)用范圍較廣，XBT國內(nèi)處于起步階段，本文假設(shè)XCTD所獲得的溫度值為真值，又由于XCTD和XBT采樣頻率的不一致，因而它們二者深度數(shù)據(jù)不對等，因而對XCTD按照XBT深度數(shù)據(jù)行插值，求出同等XBT深度下的XCTD插值溫度，然后二者溫度相減計算XBT的誤差，并求相應(yīng)的標準差，標準差公式按照如下公式計算［3］：

本文對每個剖面取10 m深度作為一組求標準差，得出如下標準差等值線圖（圖5），其中白色虛線表示垂直溫度梯度最大值，即溫躍層最大值所處位置。從圖中我們可以看出在斷面上標準差整體呈現(xiàn)如下特征：在200 m以上標準差較大而200 m以下標準差較小，同時標準差最大值均出現(xiàn)在最大溫躍層位置的分布特征。每10 m一組的標準差最大值為0.39，最小值為0.08。進而本文又把200 m作為一個分界線分別求取200 m上下以及全水層的標準差（圖6），結(jié)果也顯示200 m以上的標準差均小于200 m以下，全水層的標準差介于兩者之間，200 m以上平均標準差為0.208，而200 m以下平均標準偏差較200 m以上減少31%，只有0.144，在全水層剖面上平均標準差為0.196。

圖5　標準差等值線圖

圖6　200 m分層標準差

本文對整個斷面上所獲取的XCTD和XBT溫度均進行插值處理，插值成1 m一層標準數(shù)據(jù)，分別作其溫度等值線分布圖（圖7）。計算XCTD溫度最大值和最小值分別為30.00℃和5.85℃，XBT溫度最大值和最小值分別為30.03℃和5.70℃，而考慮到XBT溫度測量精度為±0.1℃，因而可以認為XBT和XCTD整體上對溫度的測量基本相同。并且從兩者的溫度等值線分布圖來看，兩者的溫度分布高度一致，并且在相同的位置上（圖中白色線框）出現(xiàn)了等值線的凹凸情況，等值線的凹凸可能對應(yīng)的是垂直環(huán)流現(xiàn)象。因此可以認為XBT和XCTD的數(shù)據(jù)能很好地呈現(xiàn)大洋水體真實的水溫以及物理海洋環(huán)流現(xiàn)象。

圖7　XCTD與XBT溫度等值線

2.3溫度差分析

從單站剖面和斷面數(shù)據(jù)來看，在溫躍層以外的區(qū)域兩者測量溫度誤差小，而在溫躍層中，XBT與XCTD數(shù)據(jù)存在一定偏差，經(jīng)過分析可得出在溫躍層溫度相差較大的原因有以下幾個：

（1）鹽度尖峰現(xiàn)象的影響［4］，在溫躍層內(nèi)溫度變化較為劇烈，兩種設(shè)備采用的是不同廠家的傳感器，不同傳感器對應(yīng)不同的響應(yīng)時間和采樣時間，在投放的過程中，拋棄式的探頭下落速度非?？?，從而使傳感器測得的溫度值并不是該時刻的瞬時溫度值而是上方對應(yīng)某個深度的值，因此造成測量的溫度值存在偏差，而在溫躍層以下，溫度變化相對緩慢，傳感器指標以及速度等對測量有較小的影響，溫度測量值相對較準確。

（2）傳感器本身的測量誤差影響，國產(chǎn)XBT測量精度只有0.1℃，因而對于在偏差0.1左右的溫度差上，XBT的分辨能力有限，有可能電信號噪聲的影響，而且信號通過漆包線傳回甲板機的過程中可能由于漆包線的破損導致的誤差影響。

（3）深度計算公式的誤差［5-7］，拋棄式的設(shè)備從實用性和經(jīng)濟性考慮放棄使用壓力傳感器，而采用一組自由落體計算公式估算設(shè)備的深度，其計算公式為S=at-bt2，式中系數(shù)a，b的取值是廠家根據(jù)大量的實驗得出來的值，并且與探頭形狀、重量、水體阻力、入水的姿態(tài)和入水初速度等相關(guān)，不同廠家不同型號的拋棄式探頭有不同相關(guān)系數(shù)，因此深度計算上存在一定偏差。不同深度對應(yīng)不同的溫度值，因而深度計算上的誤差造成溫度誤差。

3　結(jié)論

本文對國際上應(yīng)用較為廣泛的XCTD與國家海洋技術(shù)中心生產(chǎn)的XBT的性能以及數(shù)據(jù)等進行了分析，國產(chǎn)XBT的性能能滿足快速走航的過程中觀測，同時獲得的數(shù)據(jù)準確度和穩(wěn)定性等都較高。對特殊重點海域能夠減少定點停船調(diào)查船時，節(jié)省費用和時間。從數(shù)據(jù)資料質(zhì)量上來看，單站資料和全斷面的對比結(jié)果表明國產(chǎn)XBT的傳感器性能和所獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量都比較優(yōu)異，數(shù)據(jù)相關(guān)程度為0.95，其存在的誤差在合理的范圍之內(nèi)。與XCTD數(shù)據(jù)相比整體標準差較小，對大洋環(huán)境水體等真實物理海洋現(xiàn)象能夠直觀準確地描述。但是目前XBT的傳感器分辨率等方面還需要提高，對于在深度計算公式方面的誤差需要進一步分析改進。

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Quality Analysis on the Domestic Expendable Bathy Thermograph（XBT）Data

REN Qiang，WEI Chuan-jie
Center of Environmental Engineering，Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266071，Shandong Province，China

To meet the research demand，the National Ocean Technology Center has developed a series of expendable products，including a kind of expendable bathy thermograph（XBT）.In the study，comparative analysis is conducted on the temperature data obtained by the XBT and XCTD deployed to the east of Taiwan in the western Pacific Ocean on August 2014.The results show that the single profile correlation coefficient of the two sets of data reaches 0.95，and temperature difference appears in the thermocline.The section standard deviation at the depth of 200 m above the thermocline is larger than that at a depth larger than 200 m，with the maximum and minimum value of 0.39 and 0.08，respectively.Temperature profile analysis on the two sets of data shows that the contour concavo-convex phenomenon appears in the same position and the description of special physical phenomenon of water masses in the ocean is broadly consistent.There are three reasons for the deviation of the two sets of temperature data at the thermocline:the errors due to different response times of different sensors，depth measuring equation error and the measuring error of the sensor itself.It can be concluded that the data quality of domestic XBT is good.Generally，its performance can meet the requirement of quick underway observation on complex water environment，and the accuracy and reliability of data are satisfying.

XCTD；XBT；thermocline；temperature error

P714

A

1003-2029（2016）01-0102-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.016

2015-08-06

全球變化與海氣相互作用資助項目（GASI-02-PAC-ST-Wsum）；國家自然科學基金委員會——山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學研究中心項目（U1406401）；國家自然科學基金委員會——創(chuàng)新研究群體科學基金資助項目（41421005）

任強（1989-），男，碩士研究生，主要從事物理海洋學研究。E-mail：rqiocas1989@163.com