海氣界面觀測浮標現場原位校準技術研究

賈偉廣， 朱麗萍， 秦鑫培， 于建清

(國家海洋標準計量中心，天津 300112)

1 引 言

海氣界面觀測浮標是一套以海氣界面熱通量和動量通量為監測目標的綜合浮標系統[1]，此系統可實時獲取海面上約3 m高度的氣溫、氣壓等氣象參數，同時還可測量海表面下水溫、波浪等水文參數，實現海氣界面氣象和水文參數的同步觀測。

目前，國外已開展的海氣浮標陣列主要有3大陣列[2]：熱帶太平洋浮標觀測陣列(tropical atmos-phere ocean，TAO)、大西洋預報與研究觀測浮標陣列(prediction and research moored array in the tropical tlantic，PIRATA)和熱帶印度洋浮標陣列(research moored array for african-asian-australian monsoon anal-ysis and prediction，RAMA)，國內外技術人員開展浮標整機檢定校準研究，大都是定期更換分體傳感器，均未考慮整體計量檢定校準技術。在國內，國家海洋技術中心、山東省科學院海洋儀器儀表研究所等機構陸續開展的海氣浮標計量校準工作，多是組裝前對多個類型、不同參數傳感器分體獨立檢定校準，整機組裝完畢布放入海后，幾乎不再進行校準工作。目前，海氣浮標整機檢定校準均未采用現場原位校準，尋找海氣界面觀測浮標現場原位校準新技術，確保其測量數據準確可信是當前研究的重點。

海氣浮標量值傳遞研究人員綜合考慮現場校準技術難度、浮標回收費用成本等因素，選配校準船只前往浮標所在海域進行校準工作，提出一種現場原位校準技術。

2 觀測浮標現場原位校準技術

2.1 觀測浮標現場原位校準項目

校準海氣界面觀測浮標就是對浮標搭載的各種傳感器進行計量檢測[3]。海氣浮標配備氣象傳感器，采集海面上的氣象數據，同時還裝配水文傳感器，測量海表面下水文數據。

因為觀測參數類型不同，所以校準項目分為兩部分：氣象參數和水文參數。

在海氣浮標工作海域，布放一套裝配全部校準參數標準器具的標準浮標船[4](含1臺準確度較高的波浪騎士浮標)，海氣浮標和標準浮標船獨立工作，聯合觀測[5]。

氣象參數共6項：氣溫、氣壓、風速、風向、相對濕度和太陽輻射度，海氣浮標選配生產單位有：山東省科學院海洋儀器儀表研究所(魯儀所)、國家海洋技術中心(技術中心)和錦州陽光氣象公司(錦州陽光)產品；標準浮標船配備芬蘭VAISALA、美國HACH、美國EPPLEY的儀器。相關設備信息如表1所示。

水文參數共4項：水溫、波浪、流速、流向，海氣浮標裝配生產單位有：魯儀所、技術中心產品，標準浮標船配備美國Sea-bird、荷蘭DATAWELL、挪威Aanderaa的儀器。相關設備如表2所示。

表1 氣象參數標準器和被校儀器信息Tab.1 Meteorological standard and calibrated instruments

表2 水文參數標準器和被校儀器信息Tab.2 Hydrological standard and calibrated instruments

2.2 觀測浮標現場原位校準過程

2019-07-09至2019-09-30對布放在某島北部國家淺海海洋綜合試驗場內的海氣界面觀測浮標(經度N：37.5822356，緯度E：122.0766592)進行現場原位校準技術研究。海氣浮標和標準浮標船上搭載傳感器主要位置如圖1所示。

圖1 海氣界面觀測浮標和標準浮標船Fig.1 Air-sea interface observation buoy and standard ship

具體校準過程如下：

首先，對擬校準的、已布放在海洋綜合試驗場海域內的海氣浮標工作性能進行評測，研判已搭載的傳感器類型、測量范圍、精度等信息[6]，對標準浮標船進行標準器選配、安裝和性能調試，做到校準參數種類全覆蓋、測量范圍全滿足。然后，在距離海氣浮標300 m遠海域，研究人員布放一套標準浮標船(含波浪騎士浮標)，確保海氣浮標和標準浮標船水文氣象環境一致無差別。經過81天同步聯合觀測后，回收標準浮標船。最后，對兩套系統分別獲得的水文和氣象數據分析處理，評測測量誤差[7]，評判是否滿足國家技術規范要求。

3 現場原位校準數據結果分析

海氣界面觀測浮標校準過程耗時較長、數據量較大，為便于分析，校準數據結果分析也分為兩個部分：氣象參數和水文參數。

3.1 氣象參數校準數據結果分析

海試期間由于受到超強臺風“利奇馬”影響，6項參數測量數據區間較大，實際測量結果如下：

氣溫校準過程中，變化范圍是18.9～28.1℃，最大示值誤差絕對值是0.2 ℃；氣壓校準過程中，變化范圍是920.1～1 028.8 hPa，最大示值誤差絕對值是0.3 hPa；風速校準過程中，變化范圍是3.5～26.3 m/s，最大示值誤差絕對值是 0.3 m/s；風向參數測量范圍均是0°～360°，本實驗中最大示值誤差絕對值是5.0°；相對濕度校準過程中，變化范圍是(65～99)%RH，最大示值誤差絕對值是4%RH；太陽輻射度校準過程中，變化范圍是0～956 W/m2，最大示值誤差絕對值是28 W/m2。海試結果顯示，氣象參數滿足《海濱觀測規范》[8]和《氣象觀測規范》[9]技術性能要求。

部分試驗數據如表3～表8所示。

表3 氣溫校準數據和示值誤差Tab.3 Partial test data of air temperature ℃

表4 氣壓校準數據和示值誤差Tab.4 Partial test data of air pressure hPa

表5 風速校準數據和示值誤差Tab.5 Partial test data of wind speed m/s

表6 風向校準數據和示值誤差Tab.6 Partial test data of wind direction (°)

3.2 水文參數校準數據結果分析

對于水文參數水溫、波浪、流速和流向的校準，均采用標準浮標船裝配技術性能較高的標準器方式，采用感溫迅速且精度較高的鉑電阻水溫探頭，同時配備波浪觀測領域技術性能極其優異的波浪騎士MKⅢ浮標[10]，并且搭載國際通用的挪威Aanderaa海流計[11]，從儀器源頭確保標準數據準確可靠，校準結果真實可信[12]。

表7 相對濕度校準數據和示值誤差

表8 太陽輻射度校準數據和示值誤差Tab.8 Partial test data of solar radiance W/m2

海試校準數據結果如下：

水溫變化范圍是18.9～26.9 ℃，最大示值誤差絕對值是0.8 ℃；波浪場有波高、波周期和波向三個分量[13]，波高變化范圍是0.3～3.2 m，最大示值誤差絕對值是0.20 m；波周期變化范圍是2.3～6.9 s，最大示值誤差絕對值是0.3 s；波向變化范圍是0°～360°，最大示值誤差絕對值是10°；流場也是矢量場，分為流速和流向兩個參數[14]，流速校準時，海氣浮標和校準船每30 min測量一次流速值，流速變化范圍是0.08～0.59m/s，最大示值誤差絕對值是0.05 m/s，流向變化范圍是0°～360°，最大示值誤差絕對值是4°，數據結果滿足《海濱觀測規范》要求[15]，基本達到陸地實驗室校準水平。

水文參數校準試驗部分數據如表9～表14所示。

表9 水溫校準數據和示值誤差Tab.9 Partial test data of water temperature ℃

表10 波高校準數據和示值誤差Tab.10 Partial test data of wave height m

表11 波周期校準數據和示值誤差Tab.11 Partial test data of wave period s

表12 波向校準數據和示值誤差Tab.12 Partial test data of wave direction (°)

表13 流場流速校準數據和示值誤差Tab.13 Partial test data of flow rate m/s

表14 流場流向校準數據和示值誤差Tab.14 Partial test data of flow direction (°)

從表9～表14可以看出，當天海況較差，標準浮標船姿態運動較大，對海流測量造成一定影響[16]，但是經過后期數據處理，可得兩套觀測系統的流速、流向值一致性較好，能夠反映該試驗場海域往復流特點。

分析實驗數據可知，與海洋氣象參數現場校準技術一樣，水文參數現場校準技術滿足量值傳遞技術規范要求。

4 結 語

研究人員依托國家淺海海洋綜合試驗場專業設備，進行海氣界面觀測浮標計量校準技術研究。經過一段時間現場海試，數據結果顯示基本達到陸地實驗室校準水平，技術性能滿足《海濱觀測規范》和《氣象觀測規范》要求，技術可行。

提出一種海氣浮標量值傳遞方法，改變以往只能單個參數、耗時費力的固有校準模式，可在海氣浮標正常工作狀態下，較好地實現氣象和水文參數的現場原位校準，確保其測量數據可以準確量值溯源，數據準確可靠，為海氣浮標量值溯源提供了一種新的有效途徑。

后續工作可以增加海試時長，獲取更多試驗數據，提高技術成熟度，早日形成規范化技術標準。