ARGO浮標海上比測試驗研究

張 川 ，胡 波 ，王 聰 ，高占科 ，張少永

（1.國家海洋標準計量中心，天津 300112；2.國家海洋技術中心，天津 300112）

ARGO浮標海上比測試驗研究

張 川1，胡 波1，王 聰1，高占科1，張少永2

（1.國家海洋標準計量中心，天津 300112；2.國家海洋技術中心，天津 300112）

通過海上比測試驗，對新研制的ARGO浮標的工作穩定性、各傳感器計量性能的準確性進行全面客觀的評價。采用經過計量檢定過的SBE911plus溫鹽深剖面測量系統及中國ARGO數據庫中其它ARGO浮標的相關數據作為參比，得出比測試驗結果。分析數據得出結論：被測ARGO浮標與作為參比儀器的SBE911plusCTD所測數據具有良好的一致性，不同儀器間溫度和鹽度測量結果的相關度均在0.9以上，其中溫度誤差在-2.5℃～1.5℃之間，鹽度誤差在-0.15～0.4范圍內。對于產生誤差的原因進行了分析和總結，總體上得出結論：被測ARGO浮標的工作性能穩定，傳感器計量性能準確可靠。

比測試驗；ARGO浮標；SBE911plusCTD；相關性；誤差

1998年由美國等國的大氣、海洋科學家共同推出了全球海洋觀測試驗項目——ARGO計劃，希望能夠借此做到快速、準確、大范圍地收集全球海洋上層的海水溫、鹽度剖面資料，以提高氣候預報的精度，有效防御全球日益嚴重的氣候災害（如颶風、龍卷風、臺風、冰暴、洪水和干旱等）給人類造成的威脅[1]。在此項計劃中，地轉海洋學實時觀測陣（Array for real-time geostrophic oceanography，ARGO），通 稱 “ARGO 全球海洋觀測網”將承擔全球海洋觀測計劃海上觀測的重任。而這個建立在海洋上的觀測網就是由數以千計的衛星跟蹤浮標（ARGO浮標）組成的。在此計劃提出的十幾年間，各國科學家已利用ARGO浮標采集的數據開展了眾多海洋研究[2-4]，并取得了豐碩的成果[5-6]。中國作為海洋大國在過去幾年間積極參與了ARGO計劃，國內的海洋學者利用ARGO觀測數據進行了大量的有價值的科學研究和探索[7-13]，推動了我國海洋事業的健康發展，為科學認知海洋、合理利用海洋資源提供了理論依據。

建立全球海洋觀測網，ARGO浮標是必不可少的測量設備。它可以在海洋中自由漂移，自動測量海面到設定水深之間的海水溫度、鹽度和深度，并可通過跟蹤它的漂移軌跡，獲取海水的移動速度和方向。經過多年的研究積累，我國目前已具備自行研制ARGO浮標的能力[14]。由于ARGO浮標一經投放，即自行工作，無需人為干預，因此在投放前保證其工作狀態正常穩定是能否得到真實準確數據的前提。而海洋現場環境往往十分復雜，因此在布放浮標時進行現場比測試驗是檢驗浮標工作情況的最佳手段。

所謂比測，是指在規定條件下，對相同準確度等級的同種計量基準、標準或工作計量器具之間的量值進行的比較。用作比測的計量基準、標準或工作計量器具必須經計量檢定確認合格，同時還應按照經合法程序認定的 “比測方法”進行。所謂現場校準或現場比測，則是在測量儀器或測量系統的使用現場進行的校準或比測[15]。通過現場比測可以得到被檢儀器設備所采集數據的可靠性，并且通過分析被檢儀器與“基準”儀器數據偏差的原因，可對儀器設計制造等環節提供有價值的參考，因此國內外海洋工作者經常采用此方法來獲取相關方面資料[16-18]。

本文對兩臺國家海洋技術中心研制的ARGO浮標的海上比測試驗進行了介紹，對實驗數據進行了分析，并得出結論。

1 儀器設備

此次比測試驗對象為兩臺自持式剖面循環探測漂流浮標（又稱中性剖面探測漂流浮標）。布放后它自動潛入水下設定深度（2 000 m）的水層，隨海流保持中性漂浮；經過一段預定的時間后浮標自動上浮直至水面，在上升過程中進行溫度、鹽度剖面測量；到達水面后仍處于漂浮狀態，通過Argos衛星定位與數據傳輸系統將采集的數據傳送給用戶；本次測量數據傳輸后儀器自動下沉到預定深度，重新開始下一個自動循環過程（圖1）。儀器指標參見表1。

作為基準的CTD設備為美國SeaBird公司生產的SBE911plusCTD，可測量定點剖面海水溫度、鹽度、電導率和壓力等要素。儀器指標參見表2。

表1 ARGO浮標技術指標

表2 SBE911plusCTD技術指標

圖1 ARGO浮標工作流程

2 比測方法

此次試驗搭乘“東方紅”2號海洋調查船，于2009年10月16日10:00～22:00在南海海域的兩個站位進行 （站位1：E118°10.184'，N21°37.111'； 站 位 2：E122°14.318'，N21°18.717'；參見圖2）。在站位1和站位2分別投放PTT編號為87620和88173的兩個2 000 m深海型ARGO浮標，同時下放SBE911plusCTD采集溫鹽深數據。10 d后兩個ARGO浮標 上 浮 （87620：E122°20.580'，N20°34.200'；88173：E121°58.080'，N20°50.160'） 收 集 到 其 第 一 個 剖 面 的 數 據 ， 與SBE911plusCTD數據進行比對。

圖2 A：試驗站位及各浮標數據采集點；B：局部放大圖

另外，為了進一步檢驗ARGO浮標的工作性能，我們在中國ARGO數據庫中搜索到一臺與87620在地理位置和數據采集時間上最接近的ARGO浮標（PTT編號80613：E122°32.040'，N20°1.140'， 數據采集時間與 87620 相差 7 d，（參見圖2），對這兩個ARGO浮標的數據進行比對。

3 結果與討論

在比測過程中，無論采用SBE911plusCTD或ARGO浮標80613作為基準進行比對，評價其計量性能均包括測量誤差、誤差分散性、相關性3個指標。

誤差（△x）——測量結果減去被測量的真值，即Δx=xx0。式中：△x稱測量誤差，又稱為測量的絕對誤差；x為測量結果；x0為真值（由于真值是不能確定的，實際上使用約定真值，即基準儀器的測量值）。

標準差（s）——對同一被測量作n次測量，表征測量結果分散性的量，可按下式計算：

式中：xi為第i次測量結果；xˉi為n次測量結果的算術平均值。

相關系數 （r）——表示兩個變量之間相互依賴性的度量，它等于兩個變量間的協方差除以各自方差之積的正平方根，為：

其估計值：

相關系數是一個-1和+1范圍內的純數。

3.1 SBE911plusCTD為基準的比測結果

ARGO87620及ARGO88173第一個剖面的數據與SBE911plus的結果比較如圖3、圖4所示。由于ARGO浮標上浮過程中采集的數據間隔較大（400 m以上大約間隔100 m采一次數據），而SBE911plus采樣頻率為每1 m采一次數據，因此在這里對于SBE911plus的數據我們挑選出與ARGO浮標數據相對應的進行作圖比較。由數據可以看出，整體上ARGO浮標與SBE911plus的測量結果（溫度和鹽度）數據具有良好的一致性，相關系數都在0.9以上，說明ARGO浮標的工作穩定性和各計量性能準確可靠（表3）。同時，由測量誤差（圖 5、圖 6）可以看出，ARGO浮標與 SBE911plus的數據存在微小差別。其中，溫度誤差在-2.5℃～1.5℃之間，鹽度誤差在-0.15～0.3范圍內。溫度、鹽度在淺水區和躍層區域誤差較大，1 000 m以下誤差極小且較穩定。造成這種結果主要是由于在淺水區，溫度和鹽度的變化比較顯著，尤其諸如黑潮的流經等因素引起的躍層結構區域內的海水各項參量都處于不穩定狀態，而比測所采用的ARGO浮標第一剖面的數據與SBE911plusCTD的定點數據在時間上相差約10 d，地理位置也有所變化，因此被測海水的不確定性在這里起主要作用。當達到壓力1 000 m以下的深水區后，由于海水環境相對穩定，因此比測結果的誤差也相應減小，這一點也印證了以上“海水不確定性起主要作用”的推斷。

圖3 ARGO87620與SBE911plus在同一壓力下的溫度、鹽度測量結果比較

圖4 ARGO88173與SBE911plus在同一壓力下的溫度、鹽度測量結果比較

表3 ARGO浮標與SBE911plusCTD比測結果評價

圖5 ARGO87620與SBE911plus溫度、鹽度測量結果誤差的比較（A溫度誤差；B鹽度誤差）

3.2 ARGO80613為基準的比測結果

在國家ARGO數據庫中經過比對查找，選擇PTT編號為80613的ARGO浮標數據與此次試驗中的ARGO87620進行比對。ARGO80613是2008年10月9日投放在西北太平洋巴士海峽海域的APEX型剖面浮標，其性能穩定可靠，截至此次試驗時已正常工作1 a。將其作為參比數據的來源可以有效地說明此次投放的ARGO浮標的性能狀態。

結果如圖7、圖8所示，兩臺浮標的溫度和鹽度數據基本一致（表 4），溫度誤差范圍為-2.5℃～0.5℃，鹽度誤差在-0.15～0.4范圍內。誤差的分布規律與3.1中的情況相同，在淺水區/躍層區域誤差較大，1 000 m以下的深水區誤差很小。而兩臺ARGO浮標采樣點的差異也是造成圖示上數據不吻合的原因之一，因此加大采樣密度，按照不同需求控制采樣間隔也是ARGO浮標有待進一步改進的方面。

圖6 ARGO88173與SBE911plus溫度、鹽度測量結果誤差的比較（A溫度誤差；B鹽度誤差）

圖7 ARGO87620與ARGO80613在同一壓力下的溫度、鹽度測量結果比較

圖8 ARGO87620與ARGO80613溫度、鹽度測量結果誤差的比較（A溫度誤差；B鹽度誤差）

表4 ARGO87620與ARGO80613比測結果評價

4 結論

通過對ARGO浮標的比測試驗，驗證了此次投放的ARGO87620和ARGO88173的工作狀態和測量準確性，對于2 000 m深海型ARGO浮標的研制和使用提供了參考依據，為此類儀器計量性能和穩定性考察提供了新的方法和思路。

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Comparative Study of Argo Floats on Sea Trial

ZHANG Chuan1,HU Bo1,WANG Cong1,GAO Zhan-ke1,ZHANG Shao-yong2
（1.National Center of Ocean Standard and Metrology,Tianjin 300112,China;2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

The stability and accuracy of the ARGO floats were evaluated objectively and comprehensively through the comparative testing on the sea.The data of temperature,conductivity and depth collected by ARGO floats and SBE 911PLUS (Sea-Bird Electronics,Inc.,USA)were analyzed,while compared with other ARGO floats which had been worked for over 1 year.The result indicated that the instruments had high internal consistency reliability.The correlation results of different instruments were more than 0.9.The temperature error was between-2.5℃ to 1.5℃ and the salinity error was-0.15 to 0.4.The cause of these errors are analyzed and summarized.The test verified that the performance and stability of ARGO floats are stable.The results are important for the future research and development of ARGO floats.

comparative test;ARGO float;SBE911plusCTD;correlation;error

P715.2

B

1003-2029（2011）02-0094-05

2011-04-15

國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2006AA09A306）

張川（1981-），男，工程師，博士，主要從事海洋儀器檢定校準工作。