海洋觀測儀器的通用技術(shù)要求

王愛軍，程紹華

（國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計量中心，天津 300112）

0 引言

隨著海洋世紀(jì)的到來和全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的不斷增加，人類對海洋資源的依賴也在不斷增強(qiáng)，現(xiàn)場系統(tǒng)地觀測海洋環(huán)境及其要素可以更好地了解海洋[1-2]。近年來，為滿足我國在海洋防災(zāi)減災(zāi)、維護(hù)海洋權(quán)益、保護(hù)海洋環(huán)境、開展科學(xué)研究和應(yīng)對氣候變化等方面日益增長的需求，《海洋觀測預(yù)報管理條例》《全國海洋觀測網(wǎng)規(guī)劃（2014–2020 年）》《海洋觀測站點管理辦法》《海洋觀測資料管理辦法》《進(jìn)一步加強(qiáng)海洋觀測預(yù)報活動監(jiān)管的通知》等多項海洋觀測規(guī)劃、法規(guī)制度相繼頒布實施。

隨著海洋觀測制度的完善、重大海洋科技和業(yè)務(wù)專項的實施，我國建設(shè)的海洋觀測系統(tǒng)，由海洋站（點）網(wǎng)、雷達(dá)網(wǎng)、浮標(biāo)網(wǎng)、調(diào)查船、衛(wèi)星遙感等不同觀測平臺的組成，基本覆蓋了我國近岸、近海及部分重點海域的水文和氣象觀測要素，全面提升了海洋環(huán)境保障、公益服務(wù)、防災(zāi)減災(zāi)水平；海洋觀測技術(shù)成果和海洋觀測儀器設(shè)備得到較大規(guī)模的應(yīng)用，提高了自動觀測程度；同時自然資源部相繼制定了不同觀測平臺的海洋觀測標(biāo)準(zhǔn)，完善了海洋觀測標(biāo)準(zhǔn)體系。

連續(xù)的海洋觀測數(shù)據(jù)會更多地依賴于海洋觀測平臺及其搭載儀器的可靠性[3]，為保證海洋觀測立體觀測網(wǎng)的科學(xué)性和先進(jìn)性，有效解決海洋觀測儀器應(yīng)用中存在的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、可靠性低、管理維護(hù)難等問題。本文系統(tǒng)闡述了海洋觀測要素及其儀器的基本參數(shù)、一般技術(shù)要求等內(nèi)容，有助于推進(jìn)海洋觀測儀器應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化工作；匯總整理了海洋觀測數(shù)據(jù)常用的質(zhì)量控制方法，有利于提高海洋觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和觀測資料的質(zhì)量。

1 海洋觀測要素及其儀器的基本參數(shù)

海洋觀測標(biāo)準(zhǔn)不僅推動海洋觀測工作向制度化、規(guī)范化方向發(fā)展[4]，而且規(guī)范了海洋觀測儀器的生產(chǎn)、檢驗質(zhì)量及海洋觀測結(jié)果[5]。

HY/T 0309—2021 《海洋觀測要素分類與代碼》中把海洋觀測方式分為海濱觀測、浮標(biāo)潛標(biāo)觀測、岸基雷達(dá)觀測、船舶觀測和衛(wèi)星遙感觀測這5類。按照上述觀測方式將我國與海洋觀測活動有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行如下分類。與海洋站（點）有關(guān)的GB/T 14914.2—2019《海洋觀測規(guī)范》 第2 部分：海濱觀測；與岸基雷達(dá)有關(guān)的GB/T 14914.4 —2021 《海洋觀測規(guī)范》第4 部分：岸基雷達(dá)觀測；與浮標(biāo)潛標(biāo)有關(guān)的GB/T14914.3—2021《海濱觀測規(guī)范》第3 部分：浮標(biāo)潛標(biāo)；與調(diào)查船有關(guān)的 GB/T 12763.3—2007《海洋調(diào)查規(guī)范》第2 部分：海洋水文觀測，GB/T 12763.3—2020《海洋調(diào)查規(guī)范》第3 部分：海洋氣象規(guī)范，GB/T 17838—2017 《船舶海洋水文氣象輔助測報規(guī)范》；與衛(wèi)星遙感有關(guān)的GB/T 14914.5—2021《海洋觀測規(guī)范》第5 部分：衛(wèi)星遙感觀測。

鑒于我國近岸、近海的觀測活動用到的海洋觀測設(shè)備較多，因此本文系統(tǒng)梳理了除衛(wèi)星遙感觀測標(biāo)準(zhǔn)外的其他標(biāo)準(zhǔn)中與海洋觀測要素及其儀器有關(guān)的基本參數(shù)。其中表1–3 為海洋站（點）、岸基雷達(dá)和浮標(biāo)潛標(biāo)有關(guān)的要素及其技術(shù)參數(shù)，均為《海洋觀測預(yù)報條例》頒布后制定的，不同觀測方式、不同儀器設(shè)備之間技術(shù)銜接比較協(xié)調(diào)。然而調(diào)查船有關(guān)的3 項標(biāo)準(zhǔn)，1 項是2007 年制定的，目前正在修訂中，2 項是近5 年制定的，由于時間跨度較大，標(biāo)準(zhǔn)制定單位不同，各標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)參數(shù)存在不協(xié)調(diào)的地方。比如GB/T 17838—2017 中，空氣溫度、濕度和風(fēng)向指標(biāo)無分級，GB/T 12763.3—2020 則對這 3 個要素進(jìn)行了分級描述；GB/T 12763.2—2007 對波高、波向、表層水溫和表層海水鹽度等指標(biāo)進(jìn)行了分級描述， 而 GB/T 17838—2017 中并無分級，可能是因為GB/T 17838適用于商船、漁船等其他活動的船舶水文氣象，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)明顯低于GB/T 12763 的相關(guān)指標(biāo)。

綜上所述，海洋觀測活動承擔(dān)單位可以根據(jù)不同的觀測需求參照本文所整理的表1–4 進(jìn)行篩選，選擇出更加合適的海洋觀測設(shè)備。

續(xù)表1

表2 海洋浮標(biāo)潛標(biāo)所搭載測量儀器的技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of instruments carried by surface and subsurface buoys

續(xù)表2

表3 海洋岸基雷達(dá)所搭載測量儀器的技術(shù)參數(shù)Table 3 Technical parameters of instruments carried by shore-based radar

表4 海洋調(diào)查船所搭載測量儀器的技術(shù)參數(shù)Table 4 Technical parameters of instruments carried by survey ships

續(xù)表4

我國海洋觀測標(biāo)準(zhǔn)要求的觀測要素與國際文件 World Meteorologocal Organization（WMO）No.8[6]的要求基本一致，要素多為溫度、鹽度、海流、海浪、海冰、氣壓、溫濕度、風(fēng)、能見度等，我國的觀測技術(shù)指標(biāo)規(guī)定更為詳細(xì)[7]，如劃分了準(zhǔn)確度等級、次級觀測要素更多，其中表層水溫、風(fēng)速等指標(biāo)優(yōu)于WMO No.8；與美國同類儀器相比，我國海洋站驗潮儀測量精度低1 個數(shù)量級，測波儀在波高、周期和波向的測量精度也稍低，且運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性存在不足[8]。

2 海洋觀測儀器的一般技術(shù)要求

從儀器的外觀與機(jī)構(gòu)、標(biāo)記、附件、通訊與軟件、數(shù)據(jù)記錄、電源與功耗、環(huán)境適應(yīng)性、準(zhǔn)確度等計量特性評定、海上現(xiàn)場試驗等方面，明確了海洋觀測儀器的一般技術(shù)要求。具體的一般技術(shù)要求如下文。

2.1 外觀與結(jié)構(gòu)

海洋觀測儀器的外表無明顯的劃痕和碰傷等；可觸及部件無毛刺和尖銳突起；各連接件和外部構(gòu)件堅固可靠，具有耐腐蝕性、耐磨損性、耐老化性，最好采用標(biāo)準(zhǔn)件和通用器材，便于維修和更換。具有懸掛安裝要求的海洋觀測儀器，要求其懸掛結(jié)構(gòu)包括線纜和接頭等裝置，能承受產(chǎn)品規(guī)定工作水深下水頭壓力的1.5 倍[9]，在使用期限內(nèi)不應(yīng)有明顯的變形。

2.2 標(biāo)記

海洋觀測儀器的部位若有安全要求，需要設(shè)置安全標(biāo)記。必要時，設(shè)置鎖開關(guān)、軟件密碼、加封條等方式，防止非法操作。

2.3 附件

海洋觀測儀器附有必備的附件、備件、易損零件、專用工具和隨機(jī)技術(shù)文件。

2.4 通訊與軟件

海洋觀測儀器具備RS232 或RS485 等標(biāo)準(zhǔn)接口或?qū)Ｓ媒涌冢哂斜阌诓僮鞯墓ぷ鬈浖匾獣r可設(shè)置故障自動或半自動恢復(fù)功能，避免因誤操作產(chǎn)生錯誤的數(shù)據(jù)。

2.5 數(shù)據(jù)記錄

具有數(shù)據(jù)記錄功能的海洋觀測儀器，具有斷電、短路保護(hù)功能，能清晰地顯示和記錄數(shù)據(jù)，能長期保存記錄結(jié)果。電子信息數(shù)據(jù)應(yīng)便于下載和傳輸。

2.6 電源和功耗

海洋觀測儀器的電源適應(yīng)性有2 類：

1）交流要求電壓220 V，允許偏差為±10%，頻率50 Hz，允許偏差為±5%；

2）直流要求電壓3～36 V，允許偏差為±15%。

對于浮標(biāo)潛標(biāo)平臺搭載的長期工作的低功耗儀器，應(yīng)明確其靜態(tài)功耗。

2.7 環(huán)境適應(yīng)性試驗

海洋觀測儀器按照GB/T 32065（所有部分）的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性試驗，例如工作狀態(tài)進(jìn)行低溫試驗、高溫試驗、溫度變化試驗、交變濕熱試驗、傾斜和搖擺試驗、水靜壓力試驗；運(yùn)輸、貯存環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行低溫貯存試驗、高溫貯存試驗、沖擊試驗、碰撞試驗、恒定濕熱試驗；必要時，對其特定部件及外殼涂層進(jìn)行鹽霧試驗、浸漬試驗、長期霉菌試驗。試驗后儀器應(yīng)能正常工作。

2.8 計量特性評定

按照J(rèn)JF 1094—2002《測量儀器特性評定》的要求，確定海洋觀測儀器的計量特性，包括準(zhǔn)確度、重復(fù)性、靈敏度、分辨力、響應(yīng)時間等。

2.9 海上現(xiàn)場試驗

各類海洋觀測儀器在新產(chǎn)品鑒定或投產(chǎn)前，應(yīng)開展現(xiàn)場試驗，考核其海上現(xiàn)場的適用性、穩(wěn)定性和可靠性，考核時間應(yīng)不小于3 個月[9]。試驗前應(yīng)制定現(xiàn)場試驗大綱，規(guī)定試驗環(huán)境條件、方法、步驟等內(nèi)容。

3 海洋觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制

海洋觀測數(shù)據(jù)往往是在既不知道被測對象的真值，又是在被測對象不斷變化的條件下觀測獲得的，因而現(xiàn)在海洋工作者面對的重要難題是海洋觀測結(jié)果的質(zhì)量控制與評估[10]。海洋觀測儀器是實施海洋觀測活動的工具，其準(zhǔn)確度性能直接影響海洋觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此本文從海洋觀測儀器的準(zhǔn)確度性能測試方法，如儀器檢定校準(zhǔn)、海上現(xiàn)場比測等，為海洋觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制提供一些思路。

3.1 海洋觀測儀器的檢定/校準(zhǔn)

《海洋觀測預(yù)報管理條例》明確規(guī)定“未經(jīng)檢定、檢定不合格或者超過檢定周期的計量器具，不得用于海洋觀測。對不具備檢定條件的海洋觀測計量器具，應(yīng)當(dāng)通過校準(zhǔn)保證量值溯源”。因此，為了確保海洋觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，海洋觀測儀器應(yīng)送至法定計量檢定機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定校準(zhǔn)。某船載溫鹽深測量儀（Conductivity，Temperature，and Depth，簡稱CTD）觀測結(jié)果與浮標(biāo)剖面和歷史觀測資料存在系統(tǒng)性偏差，后來分析可能是CTD 儀短路故障導(dǎo)致的，如果儀器在出海前進(jìn)行計量檢定，確保儀器測量準(zhǔn)確后再進(jìn)行比測，可以保證海洋數(shù)據(jù)的質(zhì)量[11]。因此在海洋采集數(shù)據(jù)成本較高的情況下，各海洋觀測平臺搭載的海洋觀測儀器須經(jīng)國家法定計量檢定機(jī)構(gòu)檢定/校準(zhǔn)合格，且在有效期內(nèi)；如果維修后該儀器必須重新檢定/校準(zhǔn)，確定海洋觀測儀器準(zhǔn)確度性能后方能投入海洋觀測活動中；法定計量檢定機(jī)構(gòu)出具的新校準(zhǔn)系數(shù)及時輸入到CTD 的控制軟件，這樣可為高質(zhì)量的海洋觀測數(shù)據(jù)奠定基礎(chǔ)。

3.2 海洋觀測儀器的現(xiàn)場比測

由于海洋環(huán)境復(fù)雜，實驗室內(nèi)的檢定/校準(zhǔn)不能完全反映儀器設(shè)備在海洋現(xiàn)場實際應(yīng)用中的適用性，或者海洋觀測儀器安裝后拆卸費(fèi)時，且影響數(shù)據(jù)傳輸，因此，海洋觀測儀器還需進(jìn)行海上現(xiàn)場試驗，通常是采用儀器比測的方式[12]。

1）與傳統(tǒng)測量方法比較。

有些海洋觀測儀器需要采用和傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行同步或準(zhǔn)同步的比較測量，以便能了解和掌握各種觀測儀器的準(zhǔn)確度和可能產(chǎn)生的測量誤差。如船載CTD 儀或剖面浮標(biāo)所搭載電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行測量，同時采集海水樣品利用校準(zhǔn)后的實驗室高精度鹽度計進(jìn)行測定，比對兩者的鹽度數(shù)據(jù)確定電導(dǎo)率傳感器的觀測誤差[11]。類似的情況還有CTD 搭載的溶解氧傳感器，在儀器測量的同時采集水樣利用Winkler 滴定法進(jìn)行測定。

2）與同量值的觀測儀器比較。

有些海洋觀測儀器則在實際海洋環(huán)境中，對相同準(zhǔn)確度等級的同種儀器之間進(jìn)行量值的比較，一般用作比測的觀測儀器須經(jīng)計量檢定/校準(zhǔn)。例如，浮子式驗潮儀是潮位觀測儀器之一，一般是安裝前送至法定計量檢定機(jī)構(gòu)檢定，但安裝后拆卸不方便等原因，在使用期間定期比對方法來確保測量數(shù)據(jù)的溯源。

波浪測量儀器由于觀測對象的隨機(jī)性和工作原理的多樣性[13]，很難通過室內(nèi)的計量標(biāo)準(zhǔn)器具進(jìn)行充分的計量檢定，波浪儀器的可靠性、穩(wěn)定性等許多方面的性能只有在海上現(xiàn)場試驗中才能測試。荷蘭的DWR-MKIII 和國產(chǎn)SBF6-1 型波浪浮標(biāo)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和系統(tǒng)穩(wěn)定性相當(dāng)[14]。ARGO 浮標(biāo)也采用該方法確定采集數(shù)據(jù)的可靠性 。

然而在海上現(xiàn)場比測過程中，儀器布放位置不一致，或傳感器受周圍環(huán)境影響，導(dǎo)致部分要素的觀測結(jié)果存在缺測、“漂移”等現(xiàn)象；或者由于數(shù)據(jù)處理方法不一致有時會導(dǎo)致比測結(jié)果失去意義。因此需要不斷優(yōu)化儀器的布放位置和數(shù)據(jù)處理方法，例如兩型國產(chǎn)CTD 采用同架捆綁、同步下放，利用移相相位法比對分析CTD 下行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)曲線趨勢一致，線性基本吻合，國產(chǎn)儀器達(dá)到自身精度指標(biāo)，但低于 SBE19 Plus CTD 的精度[16]。

綜上所述，現(xiàn)場比測[17]首先要保證參試儀器與比測儀器的可比性，然后確保工作環(huán)境的一致性，盡量設(shè)置相同的儀器參數(shù)以保證相同的工作狀態(tài)，再通過對試驗過程統(tǒng)一控制，確保二者試驗的一致性和測量數(shù)據(jù)可比性，最后通過實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和計算，從準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性等方面對儀器進(jìn)行性能分析，因此有必要推動海上現(xiàn)場比測的規(guī)范化，確保試驗方法和數(shù)據(jù)處理的一致性。目前我國已編制了T/CSO 1—2021《電導(dǎo)率溫度深度剖面儀海上比測方法》、HY/T 0337—2022《浮子式驗潮儀現(xiàn)場比測 激光測距法》、HY/T 0338—2022《海洋水文氣象自動化觀測系統(tǒng)現(xiàn)場比測方法》等。

4 結(jié)束語

海洋觀測儀器是實施海洋觀測活動、獲取海洋觀測資料的手段。本文以不同觀測平臺將海洋觀測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，并梳理了海洋觀測儀器的基本參數(shù)，然后從儀器外觀與結(jié)構(gòu)、標(biāo)記、附件、電源與功率、通訊與軟件、數(shù)據(jù)記錄、環(huán)境適應(yīng)性、計量特性評定、海上現(xiàn)場試驗等明確了海洋觀測儀器的一般技術(shù)要求，有助于推動海洋觀測儀器應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化工作。考慮到儀器準(zhǔn)確度等性能影響觀測數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性，從儀器檢定/校準(zhǔn)和海上現(xiàn)場比測等角度進(jìn)行了整理，推動海上現(xiàn)場觀測的規(guī)范化，為海洋觀測活動承擔(dān)單位提供一些參考，為海洋觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度、可靠性和可溯源性提供有力的支撐。