国产抛弃式温度剖面仪（XBT）资料质量分析

任 强，魏传杰

（中国科学院海洋研究所环境工程中心，山东　青岛　266071）

国产抛弃式温度剖面仪（XBT）资料质量分析

任 强，魏传杰

（中国科学院海洋研究所环境工程中心，山东青岛266071）

国家海洋技术中心根据科研需求研发了抛弃式温度剖面仪（XBT）等一系列抛弃式产品。针对2014年8月份在西太平洋海域投放的XBT和XCTD所获取的温度数据进行对比分析，单剖面结果显示两者相关系数达到了0.95，在温跃层处出现温度差，断面标准差分析结果为200 m以上温跃层处较大而200 m以下标准差较小，最大和最小标准差值分别为0.39和0.08。温度断面分析结果显示两者在同样的位置出现等值线的凹凸现象，对大洋水团特殊物理海洋现象描述基本一致。分析温跃层处两者温度存在偏差的原因有3个：不同传感器的不同响应时间引起的误差、深度测量公式的误差以及传感器本身的测量误差影响。国产XBT的数据质量较好，总体上性能能满足对环境复杂海域的快速走航观测，数据质量准确度和可靠性都较好。

XCTD；XBT；温跃层；温度误差

抛弃式的水文测量设备是近年来国内外发展较为迅速且应用范围越来越广的一种快速便捷的测量装置，被各个国家的研究人员广泛使用。抛弃式的设备由主控计算机、数据处理甲板单元、发射枪以及传感器探头等几部分组成，主要在移动的测量平台上使用，如船舶、飞机等。它的主要原理是将测量传感器探头从发射枪上投放，探头在水体中以约4 m/s的速度做自由落体运动，同时测量海水的温度、电导率等参数，并通过尾部电导线与船体形成的信号回路将数据上传到甲板处理单元而获得实时水体数据，其中探头的深度由内置的计算公式获得［1］。抛弃式设备能在高速移动的平台下投放且探头下降时间短和操作简单，因而相对于常规海洋学固定站点调查来说可以节省大量的船时和人员成本。

XCTD是目前国际上应用范围较为广泛的一种抛弃式设备，它的主要生产厂家之一为日本TSK公司，能实时测量温度和电导率数据且传感器的精度高，数据质量和可靠性等性能突出。XBT与XCTD相比更为精简，根据国防经济以及国内研究的需求，我国近年来也大力研发抛弃式设备，为此国家海洋技术中心经过努力成功研发了XBT并形成了一系列产品，XBT能适用快速走航剖面式测量，对关键海域的调查能有效地节省时间成本，是一种性能优异的调查设备。本文将对日本TSK公司生产的XCTD以及国家海洋技术中心生产的XBT所获得的数据进行对比分析。

1　传感器性能及资料来源

1.1资料来源

在对西太平洋西边界调查期间，进行了走航XCTD-1型和国产XBT投放作业，对每个站点同时投放XCTD和XBT进行调查以进行对比，共获取了13组数据。

1.2传感器技术指标

表1为国家海洋技术中心的XBT以及日本TSK公司的XCTD的温度传感器技术指标。从表中可知，两者的深度测量精度一致，为全量程的2%，XBT深度测量范围稍低于XCTD，在温度测量精度方面XCTD较国产XBT高。

表1　XBT和XCTD技术指标

2　资料分析

2.1单站资料分析

从传感器技术指标可以看出，实际XBT投放深度只能到760 m，因而对XCTD也只取760 m以上的温度数据进行分析。如图3为某个站点XCTD和XBT获得数据对比，图3（a）为XCTD与XBT剖面数据，图中可以看出两者总体数据一致，相关度较高，但是在50～200 m处温度曲线稍有偏差，在200 m以下曲线基本重合。我们利用两者温度作分位点相关图［2］（图4），图中虚线为直线，图中显示两者温度均分布在直线附近，因而来源同一分布。在温度大于25℃以上稍有偏离直线，并且偏向于XBT坐标轴，说明在温度大于25℃以上的范围特征为XBT温度大于XCTD温度。

对XCTD与XBT温度相减得到温度差值图（图3（c）），可以看出200 m以上为温度差较大区域，最大温度差达到了0.85℃，200 m以下的温度差相对较小。对其中XCTD作温度垂直梯度（图3（b）），图中实线取值为大洋跃层标准0.05℃，可以看出主温跃层分布在50～200 m之内，且对应的温跃层平均温度为25℃以上。因此可以判断XCTD和XBT温度值存在明显偏差的区域处在温跃层50～200 m之间，并且XBT温度大于XCTD温度，而在温跃层以外其它区域两者温差相对较小，200 m以下区域平均温度差为0.1℃左右。

通过XCTD与XBT的温度方差分析（表2）计算得出P＞0.05，可以判定因素A（不同传感器）导致的温度测量值不存在显著性差异。且从单站的数据分析得出XBT与XCTD数据相关系数达到了0.95，说明国家海洋技术中心的XBT测量温度与XCTD测量温度相关系数高，数据基本一致。

图3　单剖面温度对比及差值图

图4　XCTD与XBT分位数相关图

表2　XBT与XCTD单剖面温度方差分析

2.2断面温度资料对比分析

XCTD目前在国际国内应用范围较广，XBT国内处于起步阶段，本文假设XCTD所获得的温度值为真值，又由于XCTD和XBT采样频率的不一致，因而它们二者深度数据不对等，因而对XCTD按照XBT深度数据行插值，求出同等XBT深度下的XCTD插值温度，然后二者温度相减计算XBT的误差，并求相应的标准差，标准差公式按照如下公式计算［3］：

本文对每个剖面取10 m深度作为一组求标准差，得出如下标准差等值线图（图5），其中白色虚线表示垂直温度梯度最大值，即温跃层最大值所处位置。从图中我们可以看出在断面上标准差整体呈现如下特征：在200 m以上标准差较大而200 m以下标准差较小，同时标准差最大值均出现在最大温跃层位置的分布特征。每10 m一组的标准差最大值为0.39，最小值为0.08。进而本文又把200 m作为一个分界线分别求取200 m上下以及全水层的标准差（图6），结果也显示200 m以上的标准差均小于200 m以下，全水层的标准差介于两者之间，200 m以上平均标准差为0.208，而200 m以下平均标准偏差较200 m以上减少31%，只有0.144，在全水层剖面上平均标准差为0.196。

图5　标准差等值线图

图6　200 m分层标准差

本文对整个断面上所获取的XCTD和XBT温度均进行插值处理，插值成1 m一层标准数据，分别作其温度等值线分布图（图7）。计算XCTD温度最大值和最小值分别为30.00℃和5.85℃，XBT温度最大值和最小值分别为30.03℃和5.70℃，而考虑到XBT温度测量精度为±0.1℃，因而可以认为XBT和XCTD整体上对温度的测量基本相同。并且从两者的温度等值线分布图来看，两者的温度分布高度一致，并且在相同的位置上（图中白色线框）出现了等值线的凹凸情况，等值线的凹凸可能对应的是垂直环流现象。因此可以认为XBT和XCTD的数据能很好地呈现大洋水体真实的水温以及物理海洋环流现象。

图7　XCTD与XBT温度等值线

2.3温度差分析

从单站剖面和断面数据来看，在温跃层以外的区域两者测量温度误差小，而在温跃层中，XBT与XCTD数据存在一定偏差，经过分析可得出在温跃层温度相差较大的原因有以下几个：

（1）盐度尖峰现象的影响［4］，在温跃层内温度变化较为剧烈，两种设备采用的是不同厂家的传感器，不同传感器对应不同的响应时间和采样时间，在投放的过程中，抛弃式的探头下落速度非常快，从而使传感器测得的温度值并不是该时刻的瞬时温度值而是上方对应某个深度的值，因此造成测量的温度值存在偏差，而在温跃层以下，温度变化相对缓慢，传感器指标以及速度等对测量有较小的影响，温度测量值相对较准确。

（2）传感器本身的测量误差影响，国产XBT测量精度只有0.1℃，因而对于在偏差0.1左右的温度差上，XBT的分辨能力有限，有可能电信号噪声的影响，而且信号通过漆包线传回甲板机的过程中可能由于漆包线的破损导致的误差影响。

（3）深度计算公式的误差［5-7］，抛弃式的设备从实用性和经济性考虑放弃使用压力传感器，而采用一组自由落体计算公式估算设备的深度，其计算公式为S=at-bt2，式中系数a，b的取值是厂家根据大量的实验得出来的值，并且与探头形状、重量、水体阻力、入水的姿态和入水初速度等相关，不同厂家不同型号的抛弃式探头有不同相关系数，因此深度计算上存在一定偏差。不同深度对应不同的温度值，因而深度计算上的误差造成温度误差。

3　结论

本文对国际上应用较为广泛的XCTD与国家海洋技术中心生产的XBT的性能以及数据等进行了分析，国产XBT的性能能满足快速走航的过程中观测，同时获得的数据准确度和稳定性等都较高。对特殊重点海域能够减少定点停船调查船时，节省费用和时间。从数据资料质量上来看，单站资料和全断面的对比结果表明国产XBT的传感器性能和所获取的数据质量都比较优异，数据相关程度为0.95，其存在的误差在合理的范围之内。与XCTD数据相比整体标准差较小，对大洋环境水体等真实物理海洋现象能够直观准确地描述。但是目前XBT的传感器分辨率等方面还需要提高，对于在深度计算公式方面的误差需要进一步分析改进。

［1］武玉华.XCTD定标方法研究［J］.海洋技术，2007，26（2）:14-16.

［2］陈上及，马继瑞.海洋数据处理分析方法及其应用［M］.北京：海洋出版社1991.

［3］张平，唐锁夫，屈科，等.国产XBT海上测试及实际使用效果分析［J］.声学技术，2012（06）:573.

［4］任强，于非，刁新源，等.处理走航式海洋多参数剖面测量系统（MVP）温度和电导率滞后效应的方法［J］.海洋科学，2014（08）: 59-66.

［5］HanawaK，RualP，BaileyR，etal.ANewDepth-TimeEquation forSippican orTSKT-7，T-6 and T-4 Expendable Bathythermographs（XBT）［J］.Deep-Sea Research Part I，1995，42（8）：1423-1451.

［6］Thadathil P，Ghosh AK，Muraleedharan P M.An Evaluation ofXBTDepth Equations for the Indian Ocean［J］.Deep-Sea Research Part I，1998，45（s4-5）:819-827.

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Quality Analysis on the Domestic Expendable Bathy Thermograph（XBT）Data

REN Qiang，WEI Chuan-jie
Center of Environmental Engineering，Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266071，Shandong Province，China

To meet the research demand，the National Ocean Technology Center has developed a series of expendable products，including a kind of expendable bathy thermograph（XBT）.In the study，comparative analysis is conducted on the temperature data obtained by the XBT and XCTD deployed to the east of Taiwan in the western Pacific Ocean on August 2014.The results show that the single profile correlation coefficient of the two sets of data reaches 0.95，and temperature difference appears in the thermocline.The section standard deviation at the depth of 200 m above the thermocline is larger than that at a depth larger than 200 m，with the maximum and minimum value of 0.39 and 0.08，respectively.Temperature profile analysis on the two sets of data shows that the contour concavo-convex phenomenon appears in the same position and the description of special physical phenomenon of water masses in the ocean is broadly consistent.There are three reasons for the deviation of the two sets of temperature data at the thermocline:the errors due to different response times of different sensors，depth measuring equation error and the measuring error of the sensor itself.It can be concluded that the data quality of domestic XBT is good.Generally，its performance can meet the requirement of quick underway observation on complex water environment，and the accuracy and reliability of data are satisfying.

XCTD；XBT；thermocline；temperature error

P714

A

1003-2029（2016）01-0102-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.016

2015-08-06

全球变化与海气相互作用资助项目（GASI-02-PAC-ST-Wsum）；国家自然科学基金委员会——山东省人民政府联合资助海洋科学研究中心项目（U1406401）；国家自然科学基金委员会——创新研究群体科学基金资助项目（41421005）

任强（1989-），男，硕士研究生，主要从事物理海洋学研究。E-mail：rqiocas1989@163.com