CZT1-2型船载拖曳式多参数剖面测量系统走航测量性能检验及测量数据海上比测

石超英，王爱军，王　聪，韩兆辉，王岩峰

（1.国家海洋标准计量中心，天津　300112；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东　青岛　266061）

CZT1-2型船载拖曳式多参数剖面测量系统走航测量性能检验及测量数据海上比测

石超英1，王爱军1，王聪1，韩兆辉2，王岩峰2

（1.国家海洋标准计量中心，天津300112；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛266061）

船载拖曳式多参数剖面测量系统是测量温度、深度、浊度、溶解氧、pH和叶绿素等多种海洋环境要素，提供海洋环境信息的重要观测设备。通过对2011年8月在渤海开展的CZT1-2型船载拖曳式多参数剖面测量系统比测试验，研究了该国产设备在渤海海区的适用效果。结果表明，传感器定点比测试验中，温度、盐度等数据的相关系数较好，而硝酸盐、磷酸盐、亚硝酸盐、硅酸盐和氨氮等营养盐的相对误差较大。在海试试验中，船载拖曳式多参数剖面测量系统经过了8 h试验，完成了预期的试验项目，拖体系统（含传感器）和甲板单元工作正常，具有良好的可靠性和环境适应性。本次海上比测试验为船载拖曳式多参数剖面测量系统进行改善、优化提供依据，为其产业化打下坚实的基础，并对海上试验提出了相应的改进建议。

拖曳式剖面测量系统；渤海；比测

船载拖曳式多参数剖面测量系统是以波浪式拖曳为主要工作方式，且其轨迹和姿态可控的拖曳体。CZT1-2型船载拖曳式多参数剖面测量系统主要针对100 m水深以内的海域，可测量温度、盐度、深度、浊度、溶解氧、pH、叶绿素和营养盐等海洋环境要素，为海洋工程、海洋开发、海洋研究等领域提供海洋环境信息［1］。

为了保证海洋公益性行业科研专项“拖曳剖面观测在渤海海域水质监控的应用研究”的质量，国家海洋标准计量中心、国家海洋局第一海洋研究所、国家海洋监测中心等单位，共同组织实施了此次在渤海的海上比测试验，检验各传感器的主要技术性能指标，试验结果为课题验收提供支撑，同时也为船载拖曳式多参数剖面测量系统进行改善、优化提供依据，为其产业化打下坚实的基础。

1　比测试验方法

本次海上试验的CZT1-2型船载拖曳式多参数剖面测量系统主要由可控制轨迹和姿态的拖曳体，以及温度、盐度、深度、浊度、溶解氧、pH、叶绿素、营养盐及数据采集器和拖曳组成。海上比测试验用船为“意兴轮”，拖曳系统试验用船为“烟港拖18”，于2011年8月23日13：48汇合于121°09.50'E，37° 54.00'N，然后同时开始采样测试，整个试验历时2 d。

比测试验项目包括：船载拖曳式多参数剖面测量系统布放与回收、实时传输距离试验、拖曳体运动轨迹试验和传感器数据比测试验，其中拖曳体运动轨迹试验包括（5～6）kn，（6～7）kn，（7～8）kn，（8～9）kn，（9～10）kn航速下分别完成自动控制状态下的5～15 m（或5～20，5～25 m）波浪式剖面和20 m定深拖曳，以及（8～8.5）kn航速下（5～60）m波浪式手动剖面拖曳（渤海最大水深85 m，因此预期最大下潜深度为60 m）。传感器数据比测试验是指在工作剖面上设置4个站位的垂直剖面定点测量，其结果与拖曳体携带的传感器在同样水深中的测量结果进行比对。本次海上比测定点测量中的温度、盐度、深度、浊度、和pH等要素的测量仪器为SBE25 CTD，溶解氧为现场采用使用碘量法滴定得到［2-3］，而5项营养盐要素则是采样冷藏带回实验室使用分光光度计测量得到［4］。

表1　4个垂直剖面站位的位置及取样深度

2　比测数据处理方法

2.1各测站的数据处理

对于各测站的拖曳走航系统和采水器样品的温度、盐度、pH、溶解氧、浊度等测量数据，分别按式（1）～式（3）计算出各观测要素的相关系数、误差绝对值和相对误差绝对值。

式中：|Δji|，δji和Rj分别为j测站i测量值的误差绝对值、相对误差绝对值和该测点相关系数；Xji和分别为拖曳走航系统在j测站i测量值和该测点的测量平均值；Yji和分别为采水器样品在第j测站i测量值和该测点的测量平均值。

将计算后的误差绝对值和相对误差绝对值当作样本，分别求出该样本的最大值平均值和方差σj，作为误差绝对值的最大值、平均值和方差。

2.2所有测站总体样本的数据处理

将处理好的各测站拖曳走航系统和采水数据分别首尾相接，得到拖曳走航系统和SBE 25 CTD剖面仪的观测数据的总体样本。分别计算出各观测要素的总体样本的相关系数、误差绝对值和相对误差绝对值。依据总体样本的误差绝对值和相对误差绝对值，计算总体样本的误差绝对值和相对误差绝对值的最大值、平均值和方差。

3　比测结果与分析

3.1（5～10）kn航速下波浪式和20 m定深拖曳试验

比测试验中，分别以（5～6）kn，（6～7）kn，（7～8）kn，（8～9）kn，（9～10）kn航速航行，在每个航速下分别完成自动控制状态下的5～15 m（或5～20 m，5～25 m）波浪式剖面和20 m定深拖曳（见图1），要求每个航速下波浪式剖面自动重复10次以上，定深拖曳达到稳定状态后重复30 min［6］。

图1　波浪式和定深剖面试验中深度对时间的变化

从图1可以看出，本次海试圆满完成了预期的波浪式剖面和20 m定深拖曳试验项目，拖体系统（含传感器）和甲板单元工作正常，具有良好的可靠性和环境适应性。（5～10）kn航速20 m定深拖曳试验中，拖体的平均深度均大于19.96 m，标准差均小于0.05 m。图2可看到（5～10）kn航速下波浪式剖面试验中各传感器测量数据随时间和深度的变化，各传感器数据传输正常，其中温度、盐度、DO和叶绿素4个参数随着深度的变化有显著的变化，而pH和浊度则没有显著变化。

3.2（8～8.5）kn航速（5～60）m波浪式拖曳试验

本次海试还进行了波浪式手动拖曳试验，试验中拖曳系统放缆90 m，以（8～8.5）kn航速，拖体进行了5个（5～60）m波浪式手动剖面拖曳，试验中最大剖面深度达到60 m，达到了预期深度、完成了预期的正弦剖面运动轨迹。由图3可见，（5～60）m波浪式剖面试验中传感器数据传输正常，各传感器的测量结果随时间和深度的变化有显著的波浪式变化，试验效果较好。

3.3定点比测试验

比测试验中，在工作剖面上设置4个站位的垂直剖面，对拖曳体携带的传感器所测量的温度、盐度、pH、溶解氧、浊度、叶绿素a、硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐和氨氮9项要素，进行定点比测。

图2　定深拖曳试验中温度、盐度、pH、DO、叶绿素a、浊度随时间、深度变化

表2列出了拖曳体各传感器数据的相关性与误差分析。拖体的温度、盐度与SBE25CTD的数据相关系数较好，其相关系数分别为0.944 6和0.992 7。pH传感器与采集水样所得数据之间的绝对误差最大值为0.22。在比测过程中，溶解氧、叶绿素a和浊度等其相对误差绝对值的最大值较大，原因可能是拖曳测量和站位测量的测量位置不完全一致导致的。

由表3所示，硝酸盐、磷酸盐、亚硝酸盐、硅酸盐和氨氮等营养盐的相对误差很大，主要原因可能是营养盐原位快速反应探测的技术尚存在诸多问题，营养盐的数据测量有一定时间的延迟导致测量结果不准确［5］。另一可能的原因是，装载拖曳走航系统与定点比测试验的船只并不能保证完全在同一地点，因此存在一定的时间差异，也会导致最后比测数据上差异较大。

图3　波浪式拖曳试验中温度、盐度、pH、DO、叶绿素a、浊度随时间、深度变化

4　结论

船载拖曳式多参数剖面测量系统是测量温度、深度、浊度、溶解氧、pH和叶绿素等多种海洋环境要素，提供海洋环境信息的重要观测设备［1，6］。本次渤海海域的海上比测试验，船载拖曳式多参数剖面测量系统经过了8 h试验，顺利完成了预期的波浪式剖面和20 m定深拖曳试验项目，（5～10）kn航速20 m定深拖曳试验中，拖体的平均深度均大于19.96 m，标准差均小于0.05 m，（8～8.5）kn航速（5～60）m波浪式剖面拖曳试验中最大剖面深度达到60 m。拖体系统（含传感器）和甲板单元工作正常，具有良好的可靠性和环境适应性。

在传感器定点比测试验中，温度、盐度等数据的相关系数良好；温度、盐度、pH、DO、浊度、叶绿素a等其误差绝对最大值依次为1.45℃，0.08，0.22，0.81 mL/L，1.50 NTU，5.69 mg/m3；硝酸盐、磷酸盐、亚硝酸盐、硅酸盐和氨氮等营养盐数据的相对误差很大，其主要原因可能是营养盐原位快速反应探测的技术尚存在诸多问题，且没有经过校准，导致测量结果不准确。

另外，基于本次海试中营养盐数据的相对误差很大，建议比测设备和拖曳系统测量设备在比测时尽可能保持时空的一致性，避免因所测量水团的空间位置不同和采样时间不同而引入不必要的误差。同时，浊度、叶绿素a、硝酸盐、磷酸盐、亚硝酸盐、硅酸盐和氨氮等采集水样分析的要素应在船上取样后立即分析，这样得出的数据更具有可比性。

表2　定点比测试验中各传感器数据误差一览表

表3　定点比测试验中各营养盐数据误差一览表

［1］国家海洋局第一海洋研究所.HY/T158-2013.拖曳式多参数剖面测量系统［S］.北京：中国标准出版社，2013.

［2］国家海洋标准计量中心.HY/T096-2007海水溶解氧测量仪检测方法［S］.北京：中国标准出版社，2007.

［3］刘彬.溶解氧的测定［J］.化学传感器，2011（04）：68-72.

［4］国家海洋局第一海洋研究所.GB/T12763.1海洋调查规范第2部分：海水水文观测［S］.北京：中国标准出版社，2007.

［5］四川大学.HY/T093-2005海水营养盐自动分析仪［S］.北京：中国标准出版社，2005.

［6］王岩峰.拖曳式多参数剖面测量系统的总体设计、功能评价及应用［D］.青岛：中国科学院研究生院（海洋研究所），2006：38-53.

Examination of Measuring Properties and Comparison of Measuring Data at Sea for the CZT1-2 Ship-borne Multi-Parameter Drag Measurement System

SHI Chao-ying1，WANG Ai-jun1，WANG Cong1，HAN Zhao-hui2，WANG Yan-feng2
1.National Center of Ocean Standards and Metrology，Tianjin 300112，China；
2.First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061，Shandong Province，China

The ship-borne drag multi-parameter profile measurement system is important observing equipment used to measure various marine environmental factors，including temperature，depth，turbidity，dissolved oxygen，pH and chlorophyll concentration，and to provide information on the marine environment.Based on the test for the CZT1-2 ship-borne multi-parameter drag profile system carried out in August 2011 in the Bohai Sea，this paper studies the applicable effect of domestic equipment in Bohai area.The results show that in the fixed-point comparison tests of sensors，correlation coefficients of temperature，salinity are relatively good，while the relative errors of nitrates，nitrites，phosphates，silicates and ammonia nitrogen are larger.In the sea test，a 8-h test for the ship-borne drag multi-parameter profile measurement system has completed the expected experimental programs，during which the drag system（including sensors）and the deck component work well and have good reliability and environmental adaptability，providing a sound basis for the improvement，optimization and industrialization of the system.This paper also puts forward corresponding suggestions for improving the tests at sea.

drag profile measurement system；Bohai Sea；comparison

P715

A

1003-2029（2016）02-0071-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.013

2015-09-04

海洋公益性行业科研专项经费资助项目（200805025）

石超英（1982-），女，硕士，工程师，主要研究方向为化学计量。E-mail：tenfly04@126.com