海翼水下滑翔機溫鹽深剖面儀鹽度修正

褚福碩, 龐重光, 司宗尚, 俞建成

海翼水下滑翔機溫鹽深剖面儀鹽度修正

褚福碩1, 2, 3, 龐重光1, 2, 4, 5, 司宗尚1, 2, 4, 5, 俞建成6

(1.中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院海洋環流與波動重點實驗室, 山東 青島 266071; 3. 中國科學院大學, 北京 100049; 4. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室海洋動力過程與氣候功能實驗室, 山東 青島 266237; 5. 中國科學院海洋大科學研究中心, 山東 青島 266071; 6. 中國科學院沈陽自動化研究所, 遼寧 沈陽 110016)

通過均值過濾及Morison熱滯后校正公式對存在溫度誤差的原始鹽度進行修正。經過均值濾波后鹽度尖峰現象消失, 在溫躍層由于熱滯后導致的條狀鹽度抖動現象減小, 上下行剖面鹽度誤差從0.013減小到0.004, 總體修正鹽度修正率提高3.05倍。結果表明利用該分段修正方法修正水下滑翔機搭載溫鹽深剖面儀(CTD)存在的鹽度“尖峰”及熱滯后誤差效果顯著。

水下滑翔機; 鹽度修正; 熱滯后效應; 溫鹽深剖面儀

水下滑翔機(autonomous underwater glider)是一種新型浮力驅動、鋸齒軌跡水下觀測平臺, 近年來受到國內外極大的關注, 其通過改變浮力及姿態調整可以實現垂直及水平滑行[1-2]。其集成生物、化學、物理傳感器可收集海洋基礎水文要素如溫度、鹽度、溶解氧、懸浮物、有害藻類等, 并通過全球定位系統(GPS)等其他遠程控制將數據傳輸到基站。相比船載溫鹽深剖面儀(CTD), 其可以在水中數周或數月連續收集海洋空間數據[3-4]。自20世紀初, 在美國海軍研究處支持下, 逐漸發展出3種可操作水下滑翔機: (1) 華盛頓大學Sea-glider號[5]; (2) 韋伯公司Slocum號[6]; (3) 斯克利普斯研究所Spray號[7], 并逐步應用在如美國西海岸, 墨西哥灣流, 地中海等世界各大洋中[2, 4]。國內水下滑翔機起步較晚, 2003年, 中國科學院沈陽自動化研究所開展水下滑翔機基礎研究工作, 并成功研發出海翼水下滑翔機[8], 此外, 天津大學、華中科技大學、浙江大學、中國海洋大學等也相繼開展了水下滑翔機的研究工作。

CTD是一種常用獲得水下溫度、深度、鹽度數據的儀器, 其中鹽度數據需要通過測得溫度、電導率利用狀態方程得到。為了得到精確鹽度數據, 需要對溫度傳感器及電導率傳感器響應時間不匹配進行修正, 由于溫度傳感器及電導率傳感器響應時間不同, 導致產生鹽度‘尖峰’現象, 其時間量級約O(100), 對于這種鹽度誤差國內外已有廣泛研究[9-10]。隨著泵式CTD的普及以及制造技術的發展, 通過控制流過電導率傳感器元件的流速以及溫度傳感器和電導率傳感器放置位置, 鹽度尖峰顯著減小; 同時, 另一種鹽度誤差現象逐漸引起關注。所有的電導率元件都可以儲存熱量, 當CTD在上升或下放過程中穿過溫度梯度變化較大的深度時, 尤其在溫躍層, 儲存在電導率傳感器中的熱量擴散到周圍海水中, 從而影響到下次測量的電導率, 導致水下滑翔機測量上行鹽度與下行鹽度不一致, 這種熱滯后現象量級約為O(101)。Lueck[11]首次將熱滯后現象通過模型模擬, 并成功利用修正系數、對熱滯后效應修正, Morison等[12]基于溫鹽剖面通過減少CTD下行與上行鹽度誤差并改進先前計算方程, 使得修正不依賴電導率元件敏感常數從而大大提高修正效率。針對泵式CTD, Mensah等[13]重新評估修正系數, 通過對弱鹽度梯度深度的修正, 使得過度修正效果顯著減小。

不同于常規船載CTD的測量方式, 根據浮力調整水下滑翔機垂直下降速度緩慢(0.2~0.5 m/s)并易受到表層海流影響, 導致收集的數據在空間和時間上的不均勻。受限于電池容量, 水下滑翔機采樣頻率較低(0.01~0.5 Hz), 甚至采用間斷采樣, 同時根據采樣計劃, 部分CTD仍采用無泵式, 從而給鹽度修正造成更大困難。針對此情況, Garau等[14]根據無泵式CTD速度重新評估修正系數, 并通過matlab二次規劃模型計算下行與上行鹽度面積的最小值使鹽度修正取得了較好的結果。Liu等[15]成功地利用此方法修正了水下滑翔機穿過強溫躍層的鹽度數據。

中國科學院沈陽自動化研究所近年來在南海等海域開展了一系列水下航行實驗, 成功獲取了大量溫鹽資料。海翼號水下滑行機裝載泵式CTD, 潛行深度1 000 m, 為節約電量, 樣本頻率采用0.167 Hz (6 s),遠低于海鳥公司建議精度(0.5 Hz), 這種低精度的時間樣本使得水下滑翔機鹽度數據質量控制需要重新評估[16]。

1 資料和方法

2016年7月3—16日期間, 中國科學院海洋研究所、中國科學院沈陽自動化研究所以及中國海洋大學聯合組織, 利用海翼號水下滑翔機通過搭載多傳感器, 實現了對渦旋的連續跟蹤觀測。2016年7月3日, 渦心位置位于(11.372°E, 17.431°N)。此次航行共獲得了81個溫鹽剖面數據, 本文將對此溫鹽數據進行修正。為抑制溫度傳感器和電導率傳感器響應時間不匹配產生的鹽度尖峰現象, 采用均值濾波, 所有剖面鹽度值都通過中心窗輕微修正, 中心窗中點的值按此窗口的中值代替, 利用這種分別方法對溫度、鹽度、電導率進行修正。針對熱滯后效應, Morison利用兩個修正系數: 表面異常溫度持續時間(1/)和異常溫度強度評估電導率修正關系:

T() = –T(–1) +(() –(–1)), (1)

= 4f–1(1 + f–1)–1, (2)

= 1 – 2–1, (3)

其中為樣本指數,f為Nyquist頻率。測量溫度減去異常溫度T得到電導率元件內部真實溫度, 利用此溫度與測量電導率根據狀態方程得到真實鹽度。修正系數、由經驗公式給出:

這里需要注意的是, 公式(4)、(5)是基于常規傳統CTD并假定流過電導率元件速度為常數獲得, 對無泵水下滑翔機CTD修正效果并不理想。根據海水狀態方程, 鹽度的精確獲得需要上行和下行獲得的溫度在時間及空間上保持一致, 由于水下滑翔機觀測采樣精度及長時間水下作業, 導致測得上行溫度及下行溫度存在誤差[14-15, 17], 從而利用一般方法修正熱滯后現象效果不理想。

基于上述存在溫度誤差情況, 根據公式(1), 電導率內部真實溫度的獲得依賴修正系數、, 為評估更準確的修正系數, 本文在基于水下滑翔機下行與上行溫鹽剖面一致的假定下, 采用枚舉法, 通過遞歸修正尋找下行與上行剖面鹽度偏差最小的修正系數、, 并將該組系數代入公式(1), 從而獲得修正后的溫度, 之后利用狀態方程獲得鹽度, 從而修正熱滯后影響。同時由于溫度誤差對鹽度修正在不同深度處的影響差異, 將每組鹽度剖面分成0~40, 41~80, 81~140, 141~300, 301~1 000 dbar共5段并分別修正, 利用此種方法修正針對存在明顯溫度誤差的鹽度數據結果較好[18]。

2 結果分析

2.1 單組剖面

利用上述方法, 從81組剖面中選擇1組代表性剖面, 該剖面于2016年7月12日第2次下潛獲得, 其存在一定溫度誤差(圖1a), 并且由熱滯后效應導致上行及下行鹽度誤差現象明顯。經過均值濾波處理, 鹽度尖峰顯著減小(圖1c), 將得到的鹽度每隔1dbar內插一個數據并計算下行剖面與上行剖面鹽度誤差記為MSE(平均鹽度誤差), 并記為修正前MSE與修正后MSE 比值,越大, 修正結果越好。利用分段修正, 分別對41~80(I), 81~140(II), 141~300 dbar(III)進行修正(圖2)。經過修正鹽度誤差顯著減小, 在I層由于水下滑翔機下潛速度最大, 樣本稀疏修正結果較好,為3.12(圖2a); 在II層由于鹽度梯度小, 鹽度誤差對溫度誤差不敏感, 熱滯后效應最明顯, 修正效果最好,為8.22(圖2b); 在III層由于較大的溫度誤差, 修正結果一般,為2.14, 這種較大的溫度誤差會導致141~190 dbar鹽度過度修正現象(圖2c)。圖3表明整個剖面在經過分段修正后, 在溫躍層出現的熱滯后影響減小, 單組剖面分段修正上下剖面鹽度誤差從0.016 提高到0.006, 總體修正前后鹽度比提高2.67倍。

圖1 7月12日第二次下行與上行溫度(a)、未修正鹽度(b)和均值濾波修正鹽度(c)

圖2 均值濾波修正鹽度(a)與下行熱滯后修正鹽度和上行熱滯后修正鹽度

2.2 81組剖面修正

利用上述分段修正方法針對81組剖面上下行鹽度修正, 圖4表明在未修正前水下滑翔機在溫躍層獲得的鹽度數據存在條狀抖動, 在經過均值過濾及熱滯后修正后這種抖動顯著減小, 上下鹽度誤差從0.013 提高到0.004, 整體鹽度修正比提高3.05倍(圖5), 修正后仍存在的鋸齒狀鹽度誤差可能是由于溫度傳感器和電導率傳感器未對壓力傳感器響應時間對齊及高頻信號如內波造成[12]。

3 結論

水下滑翔機正成為海洋多平臺觀測系統的重要組成部分, 對其收集的數據進行質量控制及修正(如熱滯后)至關重要。利用水下滑翔機CTD獲得的鹽度存在誤差, 尤其以溫躍層的熱滯后效應最為顯著。泵式水下滑翔機通過提升采樣頻率可以減小鹽度誤差, 但根據采樣計劃和電池容量, 低頻率GPCTD (0.1~0.5 Hz)仍然應用在世界各大洋中。本文對低采樣頻率, 存在溫度誤差的海翼水下滑翔機數據進行修正。利用均值濾波消除溫度傳感器和電導率傳感器響應時間不同引起的鹽度尖峰現象; 根據鹽度誤差對溫度誤差的不同響應, 將鹽度數據分為I層(41~80 dbar)、II層(81~140 dbar)、III層(141~300 dbar), 結合Morison方程通過枚舉法尋找使上行鹽度剖面與下行鹽度剖面誤差最小的修正系數α和β的組合, 并利用該組系數修正鹽度。結果顯示修正后鹽度誤差顯著減小, II層修正結果最好, 而在I層和III層修正結果稍差, 這可能是由于在鹽度梯度較大的地方(I層和III層), 溫度誤差會導致鹽度出現較大偏差, 在鹽度梯度小的地方(II層), 鹽度誤差對溫度誤差不敏感, 導致熱滯后效應最為明顯。修正后的鹽度仍存在鋸齒狀, 一方面可能由于壓力傳感器與溫度傳感器及電導率傳感器的未對齊引起的, 另一方面可能是由于內波擾動造成的, 這需要未來進一步的研究。

圖3 原始鹽度(a)和分段熱滯后修正鹽度(b)

圖4 原始鹽度(a)與修正后鹽度(b)剖面

圖5 原始鹽度誤差與修正后鹽度誤差

盡管通過減少CTD防水涂層以及采用新型材料制作的CTD正逐漸變成可能[19], 但通過鹽度修正技術提高獲得的實時鹽度數據質量仍是水下滑翔機CTD鹽度數據質量控制不可或缺的一步, 這種修正技術還可適用于未來其他CTD中, 如Mammal CTD[20], UCTD[9]。

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Salinity correction for sea-wing glider payload conductance-temperature-depth

CHU Fu-shuo1, 2, 3, PANG Chong-guang1, 2, 4, 5, SI Zong-shang1, 2, 4, 5, YU Jian-cheng6

(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. CAS Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. Laboratory for Ocean Dynamics and Climate, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266237, China; 5. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Science, Qingdao 266071, China; 6. Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

In this study, the formulae used to correct the mean filter and Morison thermal-lag errors were used to separately correct the salinity spikes and salinity thermal-lag errors in sea-wing glider payload conductance-temperature-depth (GPCTD). After correction, the thermal-lag shakes in thermocline are significantly reduced and the ratio of salinity correction is improved by 3.06 times. The results indicate that the sectional correction method is effective to correct the “peak” of salinity and thermal-lag error of GPCTD.

underwater glider; salinity correction; thermal lag effect; glider payload conductance-temperature-depth

Jul. 24, 2019

P756

A

1000-3096(2020)10-0101-06

10.11759/hykx20190724001

2019-07-24;

2019-08-20

國家自然科學基金(41576060); 國家科技攻關計劃(2016YFC301203)

[National Natural Science Foundation of China, No.41576060; National Key R&D Program of China, No. 2016YFC301203]

褚福碩(1995-), 男, 江蘇徐州人, 碩士, 主要從事近海環流的研究, E-mail: chufushuo17@mails.ucas.ac.cn; 龐重光,通信作者, 博士生導師, 研究員, 研究方向為近海沉積動力學, E-mail: chgpang@qdio.ac.cn

(本文編輯: 劉珊珊)