一種船載走航式海氣甲烷交換通量測量系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究

鐘 超，梁前勇，陸敬安

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣東 廣州 510075；2.天然氣水合物勘查開發(fā)國家工程研究中心，廣東 廣州 511458；3.中國地質(zhì)調(diào)查局天然氣水合物工程技術(shù)中心，廣東 廣州 511458）

在相互制約的大氣海洋系統(tǒng)中，海氣界面物質(zhì)交換是實現(xiàn)海洋和大氣相互作用的重要途徑，其通量代表了海洋與大氣物質(zhì)交換幅度。了解海氣通量變化特征對研究海氣界面碳循環(huán)過程、碳收支通量和全球氣候變化具有重要意義[1]，人為活動和自然過程的耦合作用對海洋CH4源匯過程及其?！獨饨粨Q通量時空演變的影響越來越受到關(guān)注和重視[2-5]。因此海洋與大氣之間碳交換研究至關(guān)重要，有必要將海洋大氣和海水中溶存甲烷含量分布特征有機結(jié)合起來，開展同一時空下海氣交換通量觀測及?！獨庋h(huán)過程研究，評估海氣通量對氣候環(huán)境變化的影響。

最早的海水中溶解態(tài)CH4觀測始于20世紀(jì)50年代的吹掃捕集—氣相色譜法[6]。隨后，基于道爾頓氣體分壓定律和亨利定律，海洋科學(xué)家陸續(xù)開發(fā)出頂空平衡—氣相色譜法[7]，真空脫氣—氣相色譜法[8]，膜法[9]和水汽平衡器—光腔衰蕩光譜法[10-11]等海水中溶解態(tài)CH4的觀測技術(shù)。目前海表大氣甲烷測量一般采用頂空平衡—氣相色譜法[7]，表層海水溶存甲烷測量一般采用吹掃捕集—氣相色譜法[6]。這些傳統(tǒng)的氣相色譜法存在穩(wěn)定性較差，運行成本較高，線性較差等問題[12-13]，還需進行現(xiàn)場離散采樣及陸地實驗室測定，只適合靜態(tài)水體的觀測，不適合海洋大區(qū)域長期測量，且樣品在采集、運輸?shù)倪^程中難免發(fā)生損耗，在一定程度上影響了測量精度。前人研究資料表明海洋大氣甲烷濃度分布特征呈現(xiàn)明顯時空不均勻性[14-15]，且海洋大氣和海水溶存甲烷觀測方式結(jié)合不足，無法實現(xiàn)同步測量[16]。國內(nèi)外海洋領(lǐng)域?qū)W者在計算海氣界面甲烷交換通量時，多數(shù)采用鄰近海域定點觀測的大氣本底和歷史數(shù)據(jù)[17]，甚至是全球大氣甲烷濃度年平均值[18]，給海氣甲烷交換通量計算結(jié)果帶來了一定的誤差[19]。因此，有必要開展海洋大氣甲烷和表層海水溶解態(tài)甲烷的現(xiàn)場同步觀測，以獲取同一時空尺度下海表大氣和表層海水溶解態(tài)甲烷數(shù)據(jù)，提高海氣甲烷交換通量觀測效率和計算精度。

本文基于梯度法研制了海氣甲烷交換通量自動測量系統(tǒng)，通過表層海水采樣及溶解氣體分離裝置和數(shù)據(jù)采集模塊，實現(xiàn)了海表大氣及表層海水甲烷同步走航測量。針對系統(tǒng)算法需求，采用面向?qū)ο缶幊趟枷牒虲#、JavaScript語言在Windows平臺下設(shè)計流式數(shù)據(jù)存儲、處理的可視化軟件，通過通信串口獲取各模塊采集的數(shù)據(jù)，基于LISS P S等[20]和WANNINKHOF R[21]給出的公式編程實現(xiàn)了甲烷交換通量的自動計算，并以圖形化窗口實時顯示，且支持離線數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算、歷史數(shù)據(jù)回看功能。相比傳統(tǒng)海氣界面甲烷通量測量方法，本系統(tǒng)可替代業(yè)內(nèi)手動取樣分析測試離線計算的方法，在數(shù)據(jù)獲取方面具備高效性和實時性，避免了樣品在采集、運輸過程中損耗，有效提高了通量計算效率，可實現(xiàn)船載走航長周期測量，為后期研究多尺度海氣相互作用及全球氣候變化提供重要的技術(shù)手段。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案及研究內(nèi)容

1.1 硬件系統(tǒng)概述

水氣甲烷交換通量自動測量系統(tǒng)由采集系統(tǒng)、中控系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)構(gòu)成[22]，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架圖

1.1.1 采集系統(tǒng)

采集系統(tǒng)由海水大氣采集模塊和氣象觀測模塊組成。其中，海水大氣采集模塊是前置核心部分，海水采集部分模塊中由蠕動泵從探槽處將表層海水輸送至表層海水采樣及分析裝置中，實時測量海水溶解CH4、CO2含量；大氣采集部分由氣泵抽入海表大氣輸送至氣體分析儀中，實時測試氣體含量（主要是CH4、CO2）及氣體中碳同位素比率；氣象觀測模塊主要觀測水平真風(fēng)速、真風(fēng)向等要素。

1.1.2 中控系統(tǒng)

中控系統(tǒng)由兩部分組成，其中“數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)”負責(zé)控制數(shù)據(jù)采集時序并存儲數(shù)據(jù)，“供電單元”則為整個裝置提供所需電力，滿足長期測量的需求。

1.1.3 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)包括傳感器專用安裝支架及附件，對各傳感器安裝固定；定位模塊通過GPS裝置獲取位置等信息。

1.1.4 工作原理及硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)通過表層海水、海表大氣采樣及溶解氣體前置分離裝置將樣品輸入氣體分析儀中檢測，結(jié)合中控系統(tǒng)采集的氣象、GPS等數(shù)據(jù)，經(jīng)過整合、計算得出海氣通量，并實時在用戶終端顯示，系統(tǒng)技術(shù)路線及硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2和圖3所示。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)路線圖

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

氣體分析裝置采用美國Picarro公司G2201I，可測量高低濃度甲烷氣體。海水原位測量裝置采用德國Contros公司HydroC走航甲烷傳感器，基于調(diào)諧半導(dǎo)體激光探測器線寬窄的優(yōu)勢，可精確地探測水中的甲烷分子含量。氣象監(jiān)測系統(tǒng)使用的美國Rainwise公司PortLog氣象傳感器，可測量風(fēng)速風(fēng)向/溫濕度/降雨量等氣象要素，配置有GPS系統(tǒng)，可實現(xiàn)定位功能。海氣交換通量自動測量模塊采用基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32L471ZG單片機為主CPU，該CPU主頻高達80 M，具有超低功耗、外圍接口豐富、獨立FSMC等特點，能方便擴展片外靜態(tài)隨機存儲器；配合外部接口電路，中央集成控制器具有多路模擬輸入、脈沖信號計數(shù)、多路電壓控制輸出、多路數(shù)字量輸入輸出等接口，外部采用12VDC外接可充電電池供電，系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)件如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

1.1.5 計算方法

海水中溶解CH4的飽和度R（%）及?！獨饨粨Q通量F可由下列公式計算得出。

式中，k為氣體交換速率（cm/h）；Cobs為溶存氣體在表層海水中的濃度（nmol/L）；Ceq為表層海水中的氣體與大氣達平衡時的濃度，由系統(tǒng)傳感器實測得出。氣體在界面處遵守亨利定律，該模型將k定義為風(fēng)速和氣體SC數(shù)（Schmidt Number）的函數(shù)（表2），其中SC數(shù)為水的動力粘度與待測氣體分子擴散速率之比，對于特定氣體，SC數(shù)與水溫、鹽度等物理參數(shù)有關(guān)。WANNINKHOF R等[23-24]給出了海水中甲烷氣體SC數(shù)與水溫T的關(guān)系式（3），T為海水表面溫度，可通過溫度傳感器實測得出。

表2 與風(fēng)速相關(guān)的k函數(shù)

通常利用Liss and Merlivat公式[20]、Wanninkhof公式[21]來計算k，分別代表了對?！獨饨粨Q通量估算的較低值與較高值。海平面獲取的原始風(fēng)速可通過冪次法則換算至10 m處的風(fēng)速[25]，其中，H1和H2表示海平面以上的高度U1和U2為對應(yīng)高度的風(fēng)速，公式如下。

1.1.6 控制方法

采集系統(tǒng)按照預(yù)定程序開始工作，由表層海水采樣及溶解氣體前置分離裝置和海表大氣采樣裝置將樣品送至氣體分析儀分解得到表層海水及海表大氣中溶解甲烷含量，同時氣象觀測模塊采集基本環(huán)境參數(shù)（水平真風(fēng)速、真風(fēng)向）。控制系統(tǒng)通過上位機軟件讀取RS232串口中各模塊采集的數(shù)據(jù)并存儲。

當(dāng)控制單元得到指令后，根據(jù)所獲得各監(jiān)測模塊（海水大氣采集模塊和氣象觀測模塊）信息制作成裝置的工作時序表，當(dāng)控制工作開始后，通過通訊系統(tǒng)GPS授時，將各采集模塊同步到統(tǒng)一時間軸內(nèi)，每次獲取到時間信息后，都查詢時序表，一旦相關(guān)動作時間到達，控制單元發(fā)出控制信號，具體流程圖如圖4所示。

圖4 控制方法流程圖

程序運行后，將首先初始化系統(tǒng)資源，然后初始化串口，并創(chuàng)建讀串口線程，各監(jiān)測模塊通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至串口，然后進入命令執(zhí)行的等待循環(huán)中，在這個過程中若沒有其他消息觸發(fā)，將一直做讀串口循環(huán)。通過處理函數(shù)，將海水表層溶解氣體含量、風(fēng)速、溫度等數(shù)據(jù)匯入（Liss and Merlivat 92、Wanninkhof 86）經(jīng)驗公式[20-21]中計算生成交換通量。若需要數(shù)據(jù)庫操作，上位機軟件將創(chuàng)建新的進程，分配新的系統(tǒng)資源來完成數(shù)據(jù)處理，可將每個測點，每條測線的信息分類梳理入庫，提高記錄和檢索信息的效率。

1.1.7 系統(tǒng)船載集成方式

為了避免調(diào)查船煙囪廢氣和甲板工作人員活動的影響，海表大氣采集分析裝置進氣口固定于調(diào)查船前艙最高處，距海面約10 m。進氣口安裝倒錐形外罩和干燥管，以避免水汽和顆粒物進入氣路，對儀器內(nèi)部光腔產(chǎn)生不利影響。將抽水管置于調(diào)查船水文室探槽底部（距船底3 m處）通過離心泵抽取淺表層海水，利用海水原位測量裝置實現(xiàn)對表層海水溶存甲烷含量監(jiān)測。氣象傳感器及定位設(shè)備安裝于調(diào)查船桅桿上，通過延長電纜與系統(tǒng)各模塊相連，建立了一套適用于海洋大氣和海水甲烷連續(xù)同步測量系統(tǒng)（圖5），可滿足船基走航海氣甲烷交換通量連續(xù)觀測的實際需求。

圖5 船基走航測量方式

1.2 軟件方案

1.2.1 開發(fā)環(huán)境選擇

選擇在Windows平臺下采用C#語言開發(fā)數(shù)據(jù)采集存儲模塊，C#是一種穩(wěn)定的、簡單的、高效的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，具有快速數(shù)據(jù)操作流、界面顯示功能，用于進行串口通信及數(shù)據(jù)存儲[26]。JavaScript是由客戶端瀏覽器直接編譯運行的單線程語言，是簡化的函數(shù)式編程語言和面向?qū)ο缶幊陶Z言混合的產(chǎn)物。JavaScript主要由ECMAScript、文檔對象模型、瀏覽器對象模型組成，ECMAScript實現(xiàn)JavaScript語言語法描述，文檔對象模型文檔對象模型（Document Object Model）是用于處理網(wǎng)頁內(nèi)容方法的接口，瀏覽器對象模型瀏覽器對象模型（Browser Object Model）實現(xiàn)與瀏覽器的交互[27]。JavaScript程序設(shè)計語言擁有簡單、高效、動態(tài)性、交互性、跨平臺性、解釋型和輕量級等特點。其操作運行不需要公共網(wǎng)關(guān)接口（Common Gateway Interface）做出驗證操作，能夠直接響應(yīng)客戶發(fā)送的命令和操作，執(zhí)行效率高，速度快，為廣大Web用戶帶來了良好的體驗[28]。系統(tǒng)數(shù)據(jù)圖形顯示通過Echarts來實現(xiàn)，Echarts是一個純Javascript的圖表庫，底層依賴輕量級的Canvas類庫ZRender，能提供可交互、可高度個性化定制的數(shù)據(jù)可視化圖表[29]。

1.2.2 軟件功能

海氣甲烷交換通量計算的核心部分是在上位機的界面軟件中進行，軟件支持實時和離線兩種運行模式（圖6），通過菜單欄“模式選擇”中可以進行切換。實時模式下，首先需連接設(shè)備串口進行COM端口設(shè)置，待端口配置完畢軟件會自動從各模塊中獲取數(shù)據(jù)，界面圖表每隔5 s刷新一次，可隨時切換大氣、海水、通量、軌跡及熱力圖子界面（圖7）。實時模式下獲取的數(shù)據(jù)會實時保存到本地數(shù)據(jù)庫中，支持離線模式下查詢。離線模式下，圖表不會自動刷新，需要手動選擇時間區(qū)間進行數(shù)據(jù)篩選。

圖6 軟件初始界面

圖7 軟件運行界面

偏差校正：在進行試驗測量的過程中，經(jīng)常需要對儀器進行校準(zhǔn)，一般是通過通入一段時間的標(biāo)準(zhǔn)氣體來進行測量矯正。軟件中支持設(shè)置某一時間段的測量值為標(biāo)準(zhǔn)氣體的測量值（圖8），會將該時間段的數(shù)據(jù)計算得出儀器的測量值偏差，后續(xù)采集到的數(shù)據(jù)會自動根據(jù)該偏差進行校準(zhǔn)。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)氣體時段設(shè)置

2 碼頭試驗

為了驗證系統(tǒng)各模塊功能完備性、接口通信及軟件的可靠性，在三亞鳳凰島碼頭將該套系統(tǒng)部署在“海洋地質(zhì)四號”調(diào)查船內(nèi)并開展了相應(yīng)調(diào)測試驗，其中海表大氣采集分析裝置進氣口固定于調(diào)查船二層甲板離海表10 m處位置，通過氣泵原位抽取海表大氣完成海表大氣甲烷含量采測。在調(diào)查船水文與海底攝像室內(nèi)有探槽管道通向船底（距離船底3 m處），通過離心泵原位抽取海水至表層海水分離、測量裝置內(nèi)完成海水甲烷含量采測。氣象監(jiān)測裝置布放在船頭中控室旁，通過電纜連接至終端采集系統(tǒng)（圖9）。

經(jīng)過初步碼頭測試，系統(tǒng)海表大氣采樣裝置、表層海水采樣裝置及數(shù)據(jù)分析處理終端運行正常，各數(shù)據(jù)接口通訊正常，可同步顯示大氣、海水甲烷含量，船載走航過程中能實時定位，航次期間，系統(tǒng)氣象傳感器出現(xiàn)故障，因此風(fēng)速數(shù)據(jù)由調(diào)查船上的數(shù)字氣象儀提供。通過實時/離線獲取錄入各模塊數(shù)據(jù)結(jié)合經(jīng)驗公式計算海氣甲烷交換通量、繪制了通量變化分布圖（圖10），驗證了海水走航式甲烷現(xiàn)場采測技術(shù)和海氣界面交換通量計算方法的思想框架和軟件系統(tǒng)的可行性。

圖10 系統(tǒng)碼頭測試狀況

3 結(jié)論與展望

基于梯度法和“Liss and Merlivat、Wanninkhof”經(jīng)驗公式研制了船載海氣甲烷交換通量測量系統(tǒng)，通過表層海水采樣及溶解氣體分離裝置和數(shù)據(jù)采集模塊，實現(xiàn)了海表大氣及表層海水甲烷同步采測，替代了傳統(tǒng)站位式取樣分析測試方法，在數(shù)據(jù)獲取方式上實現(xiàn)了大氣、表層海水甲烷測量從站位式現(xiàn)場離散采樣到走航式連續(xù)同步測量的轉(zhuǎn)變，有效避免了樣品在采集轉(zhuǎn)運過程中的損耗，一定程度上提高了海氣通量觀測效率與計算精度。

基于C#、JavaScript語言設(shè)計了上位機顯示軟件，軟件界面簡潔直觀、操作簡單，能夠?qū)崟r或離線顯示系統(tǒng)獲取的海表大氣、海水甲烷含量及海氣界面基本氣象要素（風(fēng)速、風(fēng)向），并自動計算甲烷海氣交換通量。開發(fā)了基于離線地圖數(shù)據(jù)可視化通量熱力圖組件，使用強度色譜實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)強弱的數(shù)值與顏色一一映射，實現(xiàn)了調(diào)查船航跡定位及海氣甲烷通量分布圖顯示。

本系統(tǒng)基于碼頭試驗及短途走航初步驗證了系統(tǒng)方案設(shè)計可行性。后期將繼續(xù)開展船載環(huán)境適配性及海上浮標(biāo)端定點監(jiān)測系統(tǒng)集成研究，擴展水氣界面環(huán)境參數(shù)實時回傳功能，為海洋環(huán)境監(jiān)測及海氣界面相互作用研究提供高質(zhì)量的水氣界面實時觀測數(shù)據(jù)，進一步提升海洋環(huán)境應(yīng)急機動觀測、現(xiàn)場保障、防災(zāi)減災(zāi)等預(yù)警報能力。