國產DW 1633 CTD 與美國Sea-Bird 911 CTD南海剖面溫度觀測比對分析研究

張若華，徐常三

（河海大學 自然資源部海洋災害預報技術重點實驗室，江蘇 南京 210098）

海洋的溫度和鹽度是基礎的海洋觀測要素，能夠影響海洋中的動力過程。例如，海洋溫鹽結構能夠較為明顯地影響第一斜壓重力波相速度的地理分布[1]。另外，海洋溫鹽分布也能夠表征海洋熱力過程的結果。由于海水比熱容較大，相同的升溫幅度，海洋相比大氣和陸地能儲存更多的熱量。在溫室氣體導致的凈能量收入中，有90%以上都存儲在海洋中，使得海洋溫度上升。海洋熱含量的變化是全球氣候變化最為關鍵的指標之一[2-3]。因此，提高海洋溫度、鹽度等觀測數據的準確性對深入研究海洋動力過程和熱力過程，以及全球氣候變化具有重要的意義。

目前對海洋溫鹽要素的觀測主要有浮標觀測、潛標觀測和傳統船載溫鹽深剖面儀（Conductivity-Temperature-Depth Profiler，CTD）觀測。其中，船載CTD 觀測是不可或缺的觀測方式之一，是對全球Argo 觀測系統的有效補充，在精細化區域海洋動力過程研究中扮演著重要角色。船載CTD 能夠實現對于海洋全水深溫鹽要素的觀測，同時還能針對定點進行連續觀測。此外，船載CTD 的傳感器精度和采樣率更高，可以對海水溫鹽隨深度變化的規律進行精細刻畫。

從20 世紀60 年代開始，溫鹽深剖面儀開始廣泛運用在海洋觀測調查中。在過去幾十年的發展過程中，美國、日本等國家先后開展了CTD 的研制，國際上先后涌現出不同品牌的CTD，美國的CTD 測量技術一直走在世界前列，著名的CTD 生產廠家有Falmouth 科學儀器有限公司（Falmouth Scientific，Inc.）、海鳥公司（Sea-Bird）[4]。日本主要使用自容式CTD 儀器，特點是體積小、重量輕與功耗低[5-6]。但是20 世紀80 年代以后，世界市場上美國的高精度CTD 產品優勢明顯，幾乎沒有其他國家產品能夠與其競爭。近年來，我國加大了自主研發海洋測量儀器設備的力度，CTD 測量技術發展迅速，相繼成功研制了船體固定式、拖曳式、拋棄式等多種CTD[5]。

對不同型號的CTD 進行比測，國內外都進行過試驗。20 世紀80 年代，挪威科學家GYTRE T[7]用新型微型溫鹽深剖面儀與Neil Brown 1223 系列產品進行了同架比測試驗，試驗結果表明兩款設備溫度的最大誤差為0.18 ℃，均方根誤差為0.02 ℃，可以用于科考調查。20 世紀90 年代，加拿大貝德福海洋研究所將MK3 和Sea-Bird 911 兩款產品進行了比對試驗，試驗結果表明兩款設備均到達了世界海洋環流實驗（WorldOceanCirculationExperiment，WOCE）計劃 的要求[8]。ALBERLOA C 等[9]、MIZUNO K[10]將XCTD 和CTD 進行了比測，試驗結果表明兩款設備單個探頭之間的差異在0～1 000 m 深度范圍保持在±5 m 的誤差，XCTD 溫度的精度估計優于0.05 ℃。瑞典科學家NYFFELER F 等[11]將Ocean Seven 320 CTD與Sea-Bird 911 Plus CTD 進行了海上比測，認為兩者性能接近。在國內，有學者對CTD 37 Coastal、CTD 48 和CTD 304 Plus 三種設備進行了時間跨度長達3 個月的數據對比分析，結果表明，37 Coastal 壓力數據穩定性表現最好；三者溫度數據穩定性表現一致；而37 Coastal 鹽度數據穩定性和CTD48 一致[12]。雖然海上試驗的目的和方法都略有不同，但是在進行比較時，多數都采用均方根誤差和平均絕對誤差進行比較。

開展國產CTD 和同類國外高精度CTD 對比工作是推動國產設備優化提高的重要手段。本文基于“嘉庚號”科考船2021 年夏初在南海北部獲取的水溫觀測數據對國產DW 1633 CTD 的性能開展定量的對比分析，有利于促進國產CTD 技術的完善與進步，為我國海洋環境參數變化觀測設備的改進和推廣提供數據支持。

1 儀器說明與數據來源

1.1 參與比對試驗的CTD

進行比對試驗的CTD 為國產DW 1633 CTD，比對使用的標準CTD 為美國Sea-Bird 911 CTD。表1給出了DW 1633 CTD 和Sea-Bird 911 CTD 的溫度、壓力、電導率指標參數，包括范圍、分辨率和精度。本次比測分析使用的是兩款CTD 設備所測得的現場溫度數據。

表1 CTD 傳感器指標參數表

1.2 海上比對試驗

本次海上比對分析數據均取自于2021 年南海季風綜合調查航次，該航次由“嘉庚號”科考船于2021 年5 月5 日至6 月9 日期間執行。此次科學考察航次是以大氣、海洋和遙感觀測為主，兼顧海洋生物、化學和光學的綜合性科學考察。

南海海域的水深滿足比測試驗要求，儀器在比測試驗過程中不會觸底。安裝CTD 時，DW 1633 CTD和Sea-Bird 911 CTD 采用同架捆綁的方式固定在不銹鋼金屬框架內。Sea-Bird 911 CTD 和DW 1633 CTD 底端對齊，盡可能讓所有CTD 的傳感器保持在同一水平面上。框架頂部與科考船的鋼纜連接，通過鋼纜把整個不銹鋼金屬框架吊入海中進行測量試驗。兩款CTD 采樣頻率不同，Sea-Bird 911 CTD采樣頻率為10 Hz，DW 1633 CTD 采樣頻率為2 Hz。

2 數據處理方法

2.1 真值

真值為與給定的特定量的定義一致的值，它是一個理想的概念，從測量的角度講，真值不可能確切獲知[13]。本次比對試驗是針對DW 1633 CTD 的溫度剖面數據開展檢驗和驗證，真值為客觀的南海溫度剖面數據。在實際比測中，需要采用約定真值來代替真值與DW 1633 CTD 進行比對。Sea-Bird 911 CTD 是目前世界上最為先進的水文調查儀器之一，該CTD 精度和穩定性高，因此在本次比對中采用檢定好的Sea-Bird 911 CTD 作為標準CTD，約定該測量值為本次對比中的真值。

2.2 CTD 數據選取

2021 年南海季風綜合調查航次站位很多，部分站位的水深不足1 000 m，無法滿足對CTD 儀器的深海溫度測量能力進行比對的要求，此外不同站點的投放次數和投放深度都有所不同，考慮到選取數據的多樣性和代表性，本文選取了以下站點的測量數據：①B01 站點的10 次測量數據，第一次與第三次投放深度為4 200 m，其余為針對生物地球化學研究采水過程投放的500 m 剖面；C01 站點的8 次測量數據，第一次投放深度為2 760 m，其余投放深度為500 m（原因同上）；B01 站點和C01 站點的數據滿足了試驗對于測量時間多樣性的要求；②B02～B07 的測量數據，B02～B07 第一次投放深度均在4 000～4 200 m，B02、B04 第二次投放深度分別為500 m、200 m；B08 投放深度為3 500 m；C02～C09的測量數據，深度均在1 500～3 000 m。這些測量數據包括了深海和淺海的數據，既滿足了對CTD 淺海和溫躍層測量性能進行考察的要求，也滿足了對深海測量性能考察的要求。具體投放站點的經緯度數據和深度信息如表2 所示。

表2 投放站位經緯度和深度信息表

2.3 CTD 數據修正

本次比對將感溫、上升剖面、下降剖面進行分割，僅選取下降剖面的測量數據；由于海上比對中Sea-Bird 911 CTD 的測量頻率高于DW 1633 CTD，所以對于Sea-Bird 911 CTD，需選取與DW 1633 CTD 相同測量深度的溫度、鹽度數據，即使用深度（或壓力）作為對比的標準軸。處理后的測量數據是一一對應的，可以直接對其進行比對分析。

2.4 精度計算方法

本次比對分析過程選用相關系數R、均方根誤差RMSE、平均絕對誤差MAE 為主要參考指標。相關系數可以反映變量之間相關關系的密切程度。相關系數是按積差方法計算，同樣以兩變量與各自平均值的離差為基礎，通過兩個離差相乘來反映兩變量之間相關程度。系數的取值總是在-1.0 到1.0之間，接近0 的變量被稱為無相關性，接近1 或者-1 被稱為具有強相關性。均方根誤差RMSE 是觀測值與真值偏差的平方和觀測次數n 比值的平方根，在實際測量中，觀測次數n 總是有限的，真值只能用最可信賴（最佳）值來代替。均方根誤差對一組測量中的特大或特小誤差反應非常敏感，所以，均方根誤差能夠很好地反映出測量的精密度。平均絕對誤差MAE 是所有單個觀測值與算術平均值的偏差的絕對值的平均。與平均誤差相比，平均絕對誤差由于離差被絕對值化，不會出現正負相抵消的情況，因而，平均絕對誤差能更好地反映預測值誤差的實際情況，計算公式如下。

式中，R 為相關系數；RMSE 為均方根誤差；MAE 為平均絕對誤差；xi和yi分別為DW 1633 CTD和Sea-Bird 911 CTD 在同一深度處的測量值，其單位由測量的量決定；n 為觀測樣本個數。

3 結果討論

由于進行比對試驗的剖面深度達到了4 000 m，如果僅僅將分析停留在整體剖面，部分深度的細微差異會很不明顯，很難做出精確的比對分析。整體剖面的分析比對可以得到國產DW 1633 CTD 整體的各項測量誤差，同時可以對CTD 在深海和淺海測量表現進行比對；淺海剖面的比對可以更好地分析CTD 在淺海測量的精準度，尤其躍層附近的誤差大小更能體現CTD 的性能；深海剖面的比對可以更好地分析DW 1633 CTD 在深海測量上的穩定性和精確度。因此，結果討論分為3 個部分：DW 1633 CTD 和Sea-Bird 911 CTD 整體剖面比對結果、淺海剖面比對結果和深海剖面比對結果的討論。

3.1 整體剖面的比對

圖1 是利用33 個觀測剖面的溫度、深度數據制作的溫度隨深度變化的剖面圖的集合。剖面幾乎完全吻合。但是通過對單個站點溫度隨深度變化的剖面觀測來看，在500 m 尤其是200 m 以上的深度，可以觀測到DW 1633 CTD 測得的同深度海水溫度略低于Sea-Bird 911 CTD 所測得的溫度。有以下幾點原因會導致絕對誤差在淺海區域更大：①淺海的溫度梯度相對更大。由于選定的標準軸為深度，壓力傳感器本身存在誤差，假定壓力傳感器在深海和淺海誤差差距不大，那么因為淺海的溫度梯度更大，同樣的壓力誤差造成的溫度誤差必然是淺海會更大[14]；②淺海水文環境更復雜，導致兩款CTD 儀器測得的溫度誤差偏大。對比圖2（a）和圖2（b）剖面，兩款設備觀測的剖面均沒有明顯異常值，表明兩款CTD 的穩定性在本次比測試驗中都表現都較好。

圖1 兩款CTD 測得的溫度隨深度變化的剖面圖

圖2 兩款CTD 溫度—深度剖面的瀑布圖

表3 中選取了5 個代表剖面，剖面的平均絕對誤差在0.001～0.024 ℃，最大絕對誤差在0.150～0.424 ℃，均方根誤差在0.008～0.043 ℃，相關系數都是1。可以看出，DW 1633 CTD 在不同站點的各項誤差分布都比較接近，且各項誤差都較小。從表中平均絕對誤差和均方根誤差值可以明顯看出，測量深度較深時，除最大絕對誤差外各項誤差值都更小，也說明在測量中最大絕對誤差一般出現在淺海區域。將上述5 個代表剖面和所有觀測剖面集合的均方根誤差轉化為相對值，同樣可以看到當剖面深度比較深時，均方根誤差相對值同樣較小。通過以上比對可以得出，在本次海上比測的整體剖面比對中，國產DW 1633 CTD 與Sea-Bird 911 CTD 的誤差較為接近，在深海區域誤差較小，在淺海區域誤差相對較大。

表3 站點整體剖面誤差

3.2 淺海剖面的比對

3.2.1 B 系列站點

對比圖3（a）和圖3（b），兩款CTD 設備所獲取的淺海溫度剖面的溫度整體分布和等值線拐點除了在50 m 以上存在部分不同，其余海域基本一致。但是從圖3（c）的溫度差可以明顯看出，淺海海域的溫度差可以分為兩個部分，0～100 m 和100～500 m深度范圍。在100～500 m，DW 1633 CTD 和Sea-Bird 911 CTD 的溫度誤差絕對值都保持在0～0.1 ℃之間，絕大多數海域低于0.05 ℃，表現很穩定；而在0～100 m，DW 1633 CTD 所測得的溫度與Sea-Bird 911 CTD 所測得的溫度出現了較大差異，誤差最大的區域出現在B04、B05 站點附近、50 m 以上的海域，兩處的溫度絕對誤差最大超過了0.4 ℃。

圖3 B 系列站點0～500 m 剖面圖

根據表4 可以看出，均方根誤差最大為0.066℃，除B0101 和B0201 站點以外，其余站點均方根誤差大于或等于0.040 ℃。平均絕對誤差波動較大，B0101 站點誤差最小，為0.015 ℃；B0501 站點誤差最大，誤差達到了0.052 ℃。均方根誤差相對值最大的站點是B0501 站點，誤差相對值為0.32%，8 個站點中B0401、B0501 和B0701 站點的均方根誤差相對值相較其他站點較大。溫躍層附近溫度測量的高精確度是CTD 性能的體現，B01～B08 站點的溫躍層深度都在25 m 以上范圍，在此深度范圍內平均絕對誤差為0.039 ℃，均方根誤差為0.061 ℃，最大絕對誤差為0.314 ℃。

表4 B 站點淺海剖面誤差

3.2.2 C 系列站點

對比圖4（a）和圖4（b），溫度的整體分布較為一致，等值線拐點基本一致。從圖4（c）可以看出，C站點大部分剖面溫度誤差都在±0.05 ℃之間，誤差絕對值超過0.05 ℃的區域都在250 m 深度以上，250 m以下深度，DW 1633 CTD 與Sea-Bird 911 CTD的溫度誤差相對穩定，穩定在-0.05 ℃左右。誤差最大的區域出現在C0101 站點的50～100 m 深度范圍和C0901 站點的200 m 深度附近，誤差絕對值約0.2 ℃。與B 站點類似，C 站點的溫躍層都位于30 m深度以上，在溫躍層范圍內，DW 1633 CTD 與Sea-Bird 911 CTD 測量結果的平均絕對誤差為0.033 ℃，平均均方根誤差為0.058℃，最大絕對誤差為0.162℃。

由圖4（c）可以看出，與B 站點不同，C 站點測得的溫度誤差存在大于0 ℃的區域，且平均絕對誤差和均方根誤差的絕對值都相對更大，且各項誤差的波動也較大。平均絕對誤差和均方根誤差最大的站點均為C0101 站點，分別為0.054 ℃和0.077 ℃。本次海上比測試驗的最大絕對誤差出現在C0201 站點的淺海剖面，為0.424 ℃。與B 站點相比，均方根誤差相對值更大。最大絕對誤差出現在C0101 站點，為0.38%，所有站點的誤差相對值都高于0.20%。

圖4 C 系列站點0～500 m 剖面圖

表5 C 站點淺海剖面誤差

3.3 深海剖面的比對

在整體剖面的誤差分析中，我們可以看到深海區域的溫度絕對誤差小于淺海區域，本節對兩款CTD 所獲取的深海剖面數據進行比對，對國產DW 1633 CTD 的深海測量能力進行分析。

3.3.1 B 系列站點

由于超過1 400 m 的深度范圍海水溫度梯度很小，且C 系列站點部分測量深度為1 400 m，因此，用來對比CTD 深海測量能力的深度范圍選擇為500～1 400 m。對比圖5（a）和圖5（b），溫度的整體分布較為一致，等值線拐點基本一致。從圖5（c）可以看出，B 站點大部分剖面溫度誤差都在-0.01～0.01 ℃，誤差絕對值超過0.01 ℃的區域都在900 m深度以上，誤差絕對值隨深度的增加而變小，最大值出現在500～600 m 深度處，誤差超過0.03 ℃。結合圖5（c）和圖6（a）可以看出，大約在900 m 以上深度范圍，溫度差為負，且深度越淺溫度差的絕對值越大；900 m 以下深度范圍，溫度差為正，深度越深溫度差的絕對值越大。這表明，國產DW 1633 CTD 在900 m 深度以上的范圍測得的溫度要低于Sea-Bird 911 CTD，在900 m 深度以下的范圍測得的溫度要高于Sea-Bird 911 CTD，在500～1400 m 的深度范圍內，大約900 m 深度處是DW 1633 CTD 與Sea-Bird 911 CTD 測量結果最為接近的深度，離900 m 深度越遠，溫度差越大。

圖5 B 系列站點500～1 400 m 剖面圖

圖6 站點溫度差隨深度變化圖

由表6 可以看出，B0101～B0801 站點平均絕對誤差在0.003～0.006 ℃，均方根誤差在0.005～0.009 ℃，最大絕對誤差出現在B0801 站點，平均誤差和均方根誤差分布較為一致。將均方根誤差轉化為相對值依次為0.10%、0.12%、0.12%、0.07%、0.10%、0.09%、0.13%、0.16%、0.11%。最大均方根相對誤差依然出現在B0801 站點，但是沒有超過0.2%。同時平均絕對誤差和最大絕對誤差較為一致，所有剖面的平均誤差和最大絕對誤差均為負，且變化較小。對比整體剖面的結果，國產DW 1633 CTD 在測量深海剖面的溫度時表現更好。

表6 B 站點深海剖面誤差

3.3.2 C系列站點

由圖7（a）和圖7（b）看出，C0101～C0901 剖面溫度的整體分布較為一致，等值線拐點基本一致。圖7（c）中顯示，C 站點剖面的溫度誤差在-0.02～0.01 ℃，整體誤差小于B 站點剖面。與B 站點剖面類似，絕對誤差大于0.01 ℃的區域都在900 m 深度以上。但是C 站點相對B 站點，誤差為正的分布范圍很小，大部分剖面溫度誤差為-0.015～0 ℃；在1 000 m 深度以下的范圍，剖面溫度誤差大多在-0.005～0 ℃，溫度誤差的一致性相對更好。結合圖7（c）和圖6（b）可以看出，與B 站點類似，在約900 m 深度以上，溫度差為負，且深度越淺溫度差的絕對值越大；900 m 深度以下溫度差為正，溫度差的絕對值最小出現在900 m 深度處。與B 站點不同的是，在900 m 深度以下的范圍，C 站點的溫度差變化不大，均小于0.001 ℃。

圖7 C 系列站點500～1 400 m 剖面圖

對比B、C 站點的溫度差，可以發現900 m 深度是DW 1633 CTD 和Sea-Bird 911 CTD 測量溫度最接近的區域，在900 m 深度以上，DW 1633 CTD 測量的溫度小于Sea-Bird 911 CTD 測量的溫度；在900 m 深度以下，DW 1633 CTD 測量的溫度大于Sea-Bird 911 CTD 測量的溫度。雖然B、C 站點在900 m深度以下溫度差的變化有所不同，但是在此范圍內兩款CTD 測量的溫度相比于900 m 深度以上兩款CTD 測量的溫度，溫差更小。

由表7 可以看出，C0101～C0901 站點的平均絕對誤差在0.002～0.005 ℃，均方根誤差在0.003～0.008 ℃，最大絕對誤差在0.011～0.033 ℃，平均誤差和最大絕對誤差分布都很一致，均為負。不同站點之間誤差的波動很小。將均方根誤差轉化為相對值，均方根相對誤差最大為0.14%，對比C 站點整體剖面，相對誤差更小。

表7 C 站點深海剖面誤差

4 結 論

在本次比測試驗過程中，國產DW 1633 CTD和美國Sea-Bird 911 CTD 沒有出現機械和性能故障，獲取了相應的剖面數據，數據完整真實有效。通過對兩款CTD 獲取的溫度數據的比對分析，得出結論：從整體剖面來看，國產DW 1633 CTD 和Sea-Bird 911 CTD 溫度平均絕對誤差為0.006 ℃，最大絕對誤差為0.424 ℃，平均均方根誤差為0.025 ℃。從淺海剖面來看，B 站點剖面的平均絕對誤差為0.033 ℃，最大絕對誤差為0.414 ℃，平均均方根誤差為0.044 ℃；C 站點剖面的平均絕對誤差為0.036 ℃，最大絕對誤差為0.424 ℃，平均均方根誤差為0.061 ℃。從深海剖面來看，B 站點剖面的溫度平均絕對誤差為0.004 ℃，最大絕對誤差為0.041 ℃，平均均方根誤差為0.007 ℃；C 站點剖面的平均絕對誤差為0.004 ℃，最大絕對誤差為0.033 ℃，均方根誤差為0.006 ℃。B、C 站點剖面溫度誤差最小的深度均是在水深約900 m 處，0～900 m 深度DW 1633 CTD 測量的溫度低于Sea-Bird 911 CTD 測量的溫度，900 m 以下深度DW 1633 CTD 測量的溫度高于Sea-Bird 911 CTD 測量的溫度。而通過整體剖面的分析可知，500 m 以上的剖面測量誤差大于500～1 400 m 范圍的剖面，因此，在本次比對中，900 m 深度處是兩款CTD 測量溫度最為接近的區域。通過本次海上比測試驗可知，國產DW 1633 CTD 與Sea-Bird 911 CTD 相比，各項溫度誤差均比較小。但僅僅依靠一次海上比對試驗并不能對CTD 性能進行定性評價，還需通過長期的測試和檢驗才能對CTD 的性能進行更加精確的評估。