海气界面观测浮标现场原位校准技术研究

贾伟广， 朱丽萍， 秦鑫培， 于建清

(国家海洋标准计量中心，天津 300112)

1 引 言

海气界面观测浮标是一套以海气界面热通量和动量通量为监测目标的综合浮标系统[1]，此系统可实时获取海面上约3 m高度的气温、气压等气象参数，同时还可测量海表面下水温、波浪等水文参数，实现海气界面气象和水文参数的同步观测。

目前，国外已开展的海气浮标阵列主要有3大阵列[2]：热带太平洋浮标观测阵列(tropical atmos-phere ocean，TAO)、大西洋预报与研究观测浮标阵列(prediction and research moored array in the tropical tlantic，PIRATA)和热带印度洋浮标阵列(research moored array for african-asian-australian monsoon anal-ysis and prediction，RAMA)，国内外技术人员开展浮标整机检定校准研究，大都是定期更换分体传感器，均未考虑整体计量检定校准技术。在国内，国家海洋技术中心、山东省科学院海洋仪器仪表研究所等机构陆续开展的海气浮标计量校准工作，多是组装前对多个类型、不同参数传感器分体独立检定校准，整机组装完毕布放入海后，几乎不再进行校准工作。目前，海气浮标整机检定校准均未采用现场原位校准，寻找海气界面观测浮标现场原位校准新技术，确保其测量数据准确可信是当前研究的重点。

海气浮标量值传递研究人员综合考虑现场校准技术难度、浮标回收费用成本等因素，选配校准船只前往浮标所在海域进行校准工作，提出一种现场原位校准技术。

2 观测浮标现场原位校准技术

2.1 观测浮标现场原位校准项目

校准海气界面观测浮标就是对浮标搭载的各种传感器进行计量检测[3]。海气浮标配备气象传感器，采集海面上的气象数据，同时还装配水文传感器，测量海表面下水文数据。

因为观测参数类型不同，所以校准项目分为两部分：气象参数和水文参数。

在海气浮标工作海域，布放一套装配全部校准参数标准器具的标准浮标船[4](含1台准确度较高的波浪骑士浮标)，海气浮标和标准浮标船独立工作，联合观测[5]。

气象参数共6项：气温、气压、风速、风向、相对湿度和太阳辐射度，海气浮标选配生产单位有：山东省科学院海洋仪器仪表研究所(鲁仪所)、国家海洋技术中心(技术中心)和锦州阳光气象公司(锦州阳光)产品；标准浮标船配备芬兰VAISALA、美国HACH、美国EPPLEY的仪器。相关设备信息如表1所示。

水文参数共4项：水温、波浪、流速、流向，海气浮标装配生产单位有：鲁仪所、技术中心产品，标准浮标船配备美国Sea-bird、荷兰DATAWELL、挪威Aanderaa的仪器。相关设备如表2所示。

表1 气象参数标准器和被校仪器信息Tab.1 Meteorological standard and calibrated instruments

表2 水文参数标准器和被校仪器信息Tab.2 Hydrological standard and calibrated instruments

2.2 观测浮标现场原位校准过程

2019-07-09至2019-09-30对布放在某岛北部国家浅海海洋综合试验场内的海气界面观测浮标(经度N：37.5822356，纬度E：122.0766592)进行现场原位校准技术研究。海气浮标和标准浮标船上搭载传感器主要位置如图1所示。

图1 海气界面观测浮标和标准浮标船Fig.1 Air-sea interface observation buoy and standard ship

具体校准过程如下：

首先，对拟校准的、已布放在海洋综合试验场海域内的海气浮标工作性能进行评测，研判已搭载的传感器类型、测量范围、精度等信息[6]，对标准浮标船进行标准器选配、安装和性能调试，做到校准参数种类全覆盖、测量范围全满足。然后，在距离海气浮标300 m远海域，研究人员布放一套标准浮标船(含波浪骑士浮标)，确保海气浮标和标准浮标船水文气象环境一致无差别。经过81天同步联合观测后，回收标准浮标船。最后，对两套系统分别获得的水文和气象数据分析处理，评测测量误差[7]，评判是否满足国家技术规范要求。

3 现场原位校准数据结果分析

海气界面观测浮标校准过程耗时较长、数据量较大，为便于分析，校准数据结果分析也分为两个部分：气象参数和水文参数。

3.1 气象参数校准数据结果分析

海试期间由于受到超强台风“利奇马”影响，6项参数测量数据区间较大，实际测量结果如下：

气温校准过程中，变化范围是18.9～28.1℃，最大示值误差绝对值是0.2 ℃；气压校准过程中，变化范围是920.1～1 028.8 hPa，最大示值误差绝对值是0.3 hPa；风速校准过程中，变化范围是3.5～26.3 m/s，最大示值误差绝对值是 0.3 m/s；风向参数测量范围均是0°～360°，本实验中最大示值误差绝对值是5.0°；相对湿度校准过程中，变化范围是(65～99)%RH，最大示值误差绝对值是4%RH；太阳辐射度校准过程中，变化范围是0～956 W/m2，最大示值误差绝对值是28 W/m2。海试结果显示，气象参数满足《海滨观测规范》[8]和《气象观测规范》[9]技术性能要求。

部分试验数据如表3～表8所示。

表3 气温校准数据和示值误差Tab.3 Partial test data of air temperature ℃

表4 气压校准数据和示值误差Tab.4 Partial test data of air pressure hPa

表5 风速校准数据和示值误差Tab.5 Partial test data of wind speed m/s

表6 风向校准数据和示值误差Tab.6 Partial test data of wind direction (°)

3.2 水文参数校准数据结果分析

对于水文参数水温、波浪、流速和流向的校准，均采用标准浮标船装配技术性能较高的标准器方式，采用感温迅速且精度较高的铂电阻水温探头，同时配备波浪观测领域技术性能极其优异的波浪骑士MKⅢ浮标[10]，并且搭载国际通用的挪威Aanderaa海流计[11]，从仪器源头确保标准数据准确可靠，校准结果真实可信[12]。

表7 相对湿度校准数据和示值误差

表8 太阳辐射度校准数据和示值误差Tab.8 Partial test data of solar radiance W/m2

海试校准数据结果如下：

水温变化范围是18.9～26.9 ℃，最大示值误差绝对值是0.8 ℃；波浪场有波高、波周期和波向三个分量[13]，波高变化范围是0.3～3.2 m，最大示值误差绝对值是0.20 m；波周期变化范围是2.3～6.9 s，最大示值误差绝对值是0.3 s；波向变化范围是0°～360°，最大示值误差绝对值是10°；流场也是矢量场，分为流速和流向两个参数[14]，流速校准时，海气浮标和校准船每30 min测量一次流速值，流速变化范围是0.08～0.59m/s，最大示值误差绝对值是0.05 m/s，流向变化范围是0°～360°，最大示值误差绝对值是4°，数据结果满足《海滨观测规范》要求[15]，基本达到陆地实验室校准水平。

水文参数校准试验部分数据如表9～表14所示。

表9 水温校准数据和示值误差Tab.9 Partial test data of water temperature ℃

表10 波高校准数据和示值误差Tab.10 Partial test data of wave height m

表11 波周期校准数据和示值误差Tab.11 Partial test data of wave period s

表12 波向校准数据和示值误差Tab.12 Partial test data of wave direction (°)

表13 流场流速校准数据和示值误差Tab.13 Partial test data of flow rate m/s

表14 流场流向校准数据和示值误差Tab.14 Partial test data of flow direction (°)

从表9～表14可以看出，当天海况较差，标准浮标船姿态运动较大，对海流测量造成一定影响[16]，但是经过后期数据处理，可得两套观测系统的流速、流向值一致性较好，能够反映该试验场海域往复流特点。

分析实验数据可知，与海洋气象参数现场校准技术一样，水文参数现场校准技术满足量值传递技术规范要求。

4 结 语

研究人员依托国家浅海海洋综合试验场专业设备，进行海气界面观测浮标计量校准技术研究。经过一段时间现场海试，数据结果显示基本达到陆地实验室校准水平，技术性能满足《海滨观测规范》和《气象观测规范》要求，技术可行。

提出一种海气浮标量值传递方法，改变以往只能单个参数、耗时费力的固有校准模式，可在海气浮标正常工作状态下，较好地实现气象和水文参数的现场原位校准，确保其测量数据可以准确量值溯源，数据准确可靠，为海气浮标量值溯源提供了一种新的有效途径。

后续工作可以增加海试时长，获取更多试验数据，提高技术成熟度，早日形成规范化技术标准。