国产DW 1633 CTD 与美国Sea-Bird 911 CTD南海剖面温度观测比对分析研究

张若华，徐常三

（河海大学 自然资源部海洋灾害预报技术重点实验室，江苏 南京 210098）

海洋的温度和盐度是基础的海洋观测要素，能够影响海洋中的动力过程。例如，海洋温盐结构能够较为明显地影响第一斜压重力波相速度的地理分布[1]。另外，海洋温盐分布也能够表征海洋热力过程的结果。由于海水比热容较大，相同的升温幅度，海洋相比大气和陆地能储存更多的热量。在温室气体导致的净能量收入中，有90%以上都存储在海洋中，使得海洋温度上升。海洋热含量的变化是全球气候变化最为关键的指标之一[2-3]。因此，提高海洋温度、盐度等观测数据的准确性对深入研究海洋动力过程和热力过程，以及全球气候变化具有重要的意义。

目前对海洋温盐要素的观测主要有浮标观测、潜标观测和传统船载温盐深剖面仪（Conductivity-Temperature-Depth Profiler，CTD）观测。其中，船载CTD 观测是不可或缺的观测方式之一，是对全球Argo 观测系统的有效补充，在精细化区域海洋动力过程研究中扮演着重要角色。船载CTD 能够实现对于海洋全水深温盐要素的观测，同时还能针对定点进行连续观测。此外，船载CTD 的传感器精度和采样率更高，可以对海水温盐随深度变化的规律进行精细刻画。

从20 世纪60 年代开始，温盐深剖面仪开始广泛运用在海洋观测调查中。在过去几十年的发展过程中，美国、日本等国家先后开展了CTD 的研制，国际上先后涌现出不同品牌的CTD，美国的CTD 测量技术一直走在世界前列，著名的CTD 生产厂家有Falmouth 科学仪器有限公司（Falmouth Scientific，Inc.）、海鸟公司（Sea-Bird）[4]。日本主要使用自容式CTD 仪器，特点是体积小、重量轻与功耗低[5-6]。但是20 世纪80 年代以后，世界市场上美国的高精度CTD 产品优势明显，几乎没有其他国家产品能够与其竞争。近年来，我国加大了自主研发海洋测量仪器设备的力度，CTD 测量技术发展迅速，相继成功研制了船体固定式、拖曳式、抛弃式等多种CTD[5]。

对不同型号的CTD 进行比测，国内外都进行过试验。20 世纪80 年代，挪威科学家GYTRE T[7]用新型微型温盐深剖面仪与Neil Brown 1223 系列产品进行了同架比测试验，试验结果表明两款设备温度的最大误差为0.18 ℃，均方根误差为0.02 ℃，可以用于科考调查。20 世纪90 年代，加拿大贝德福海洋研究所将MK3 和Sea-Bird 911 两款产品进行了比对试验，试验结果表明两款设备均到达了世界海洋环流实验（WorldOceanCirculationExperiment，WOCE）计划 的要求[8]。ALBERLOA C 等[9]、MIZUNO K[10]将XCTD 和CTD 进行了比测，试验结果表明两款设备单个探头之间的差异在0～1 000 m 深度范围保持在±5 m 的误差，XCTD 温度的精度估计优于0.05 ℃。瑞典科学家NYFFELER F 等[11]将Ocean Seven 320 CTD与Sea-Bird 911 Plus CTD 进行了海上比测，认为两者性能接近。在国内，有学者对CTD 37 Coastal、CTD 48 和CTD 304 Plus 三种设备进行了时间跨度长达3 个月的数据对比分析，结果表明，37 Coastal 压力数据稳定性表现最好；三者温度数据稳定性表现一致；而37 Coastal 盐度数据稳定性和CTD48 一致[12]。虽然海上试验的目的和方法都略有不同，但是在进行比较时，多数都采用均方根误差和平均绝对误差进行比较。

开展国产CTD 和同类国外高精度CTD 对比工作是推动国产设备优化提高的重要手段。本文基于“嘉庚号”科考船2021 年夏初在南海北部获取的水温观测数据对国产DW 1633 CTD 的性能开展定量的对比分析，有利于促进国产CTD 技术的完善与进步，为我国海洋环境参数变化观测设备的改进和推广提供数据支持。

1 仪器说明与数据来源

1.1 参与比对试验的CTD

进行比对试验的CTD 为国产DW 1633 CTD，比对使用的标准CTD 为美国Sea-Bird 911 CTD。表1给出了DW 1633 CTD 和Sea-Bird 911 CTD 的温度、压力、电导率指标参数，包括范围、分辨率和精度。本次比测分析使用的是两款CTD 设备所测得的现场温度数据。

表1 CTD 传感器指标参数表

1.2 海上比对试验

本次海上比对分析数据均取自于2021 年南海季风综合调查航次，该航次由“嘉庚号”科考船于2021 年5 月5 日至6 月9 日期间执行。此次科学考察航次是以大气、海洋和遥感观测为主，兼顾海洋生物、化学和光学的综合性科学考察。

南海海域的水深满足比测试验要求，仪器在比测试验过程中不会触底。安装CTD 时，DW 1633 CTD和Sea-Bird 911 CTD 采用同架捆绑的方式固定在不锈钢金属框架内。Sea-Bird 911 CTD 和DW 1633 CTD 底端对齐，尽可能让所有CTD 的传感器保持在同一水平面上。框架顶部与科考船的钢缆连接，通过钢缆把整个不锈钢金属框架吊入海中进行测量试验。两款CTD 采样频率不同，Sea-Bird 911 CTD采样频率为10 Hz，DW 1633 CTD 采样频率为2 Hz。

2 数据处理方法

2.1 真值

真值为与给定的特定量的定义一致的值，它是一个理想的概念，从测量的角度讲，真值不可能确切获知[13]。本次比对试验是针对DW 1633 CTD 的温度剖面数据开展检验和验证，真值为客观的南海温度剖面数据。在实际比测中，需要采用约定真值来代替真值与DW 1633 CTD 进行比对。Sea-Bird 911 CTD 是目前世界上最为先进的水文调查仪器之一，该CTD 精度和稳定性高，因此在本次比对中采用检定好的Sea-Bird 911 CTD 作为标准CTD，约定该测量值为本次对比中的真值。

2.2 CTD 数据选取

2021 年南海季风综合调查航次站位很多，部分站位的水深不足1 000 m，无法满足对CTD 仪器的深海温度测量能力进行比对的要求，此外不同站点的投放次数和投放深度都有所不同，考虑到选取数据的多样性和代表性，本文选取了以下站点的测量数据：①B01 站点的10 次测量数据，第一次与第三次投放深度为4 200 m，其余为针对生物地球化学研究采水过程投放的500 m 剖面；C01 站点的8 次测量数据，第一次投放深度为2 760 m，其余投放深度为500 m（原因同上）；B01 站点和C01 站点的数据满足了试验对于测量时间多样性的要求；②B02～B07 的测量数据，B02～B07 第一次投放深度均在4 000～4 200 m，B02、B04 第二次投放深度分别为500 m、200 m；B08 投放深度为3 500 m；C02～C09的测量数据，深度均在1 500～3 000 m。这些测量数据包括了深海和浅海的数据，既满足了对CTD 浅海和温跃层测量性能进行考察的要求，也满足了对深海测量性能考察的要求。具体投放站点的经纬度数据和深度信息如表2 所示。

表2 投放站位经纬度和深度信息表

2.3 CTD 数据修正

本次比对将感温、上升剖面、下降剖面进行分割，仅选取下降剖面的测量数据；由于海上比对中Sea-Bird 911 CTD 的测量频率高于DW 1633 CTD，所以对于Sea-Bird 911 CTD，需选取与DW 1633 CTD 相同测量深度的温度、盐度数据，即使用深度（或压力）作为对比的标准轴。处理后的测量数据是一一对应的，可以直接对其进行比对分析。

2.4 精度计算方法

本次比对分析过程选用相关系数R、均方根误差RMSE、平均绝对误差MAE 为主要参考指标。相关系数可以反映变量之间相关关系的密切程度。相关系数是按积差方法计算，同样以两变量与各自平均值的离差为基础，通过两个离差相乘来反映两变量之间相关程度。系数的取值总是在-1.0 到1.0之间，接近0 的变量被称为无相关性，接近1 或者-1 被称为具有强相关性。均方根误差RMSE 是观测值与真值偏差的平方和观测次数n 比值的平方根，在实际测量中，观测次数n 总是有限的，真值只能用最可信赖（最佳）值来代替。均方根误差对一组测量中的特大或特小误差反应非常敏感，所以，均方根误差能够很好地反映出测量的精密度。平均绝对误差MAE 是所有单个观测值与算术平均值的偏差的绝对值的平均。与平均误差相比，平均绝对误差由于离差被绝对值化，不会出现正负相抵消的情况，因而，平均绝对误差能更好地反映预测值误差的实际情况，计算公式如下。

式中，R 为相关系数；RMSE 为均方根误差；MAE 为平均绝对误差；xi和yi分别为DW 1633 CTD和Sea-Bird 911 CTD 在同一深度处的测量值，其单位由测量的量决定；n 为观测样本个数。

3 结果讨论

由于进行比对试验的剖面深度达到了4 000 m，如果仅仅将分析停留在整体剖面，部分深度的细微差异会很不明显，很难做出精确的比对分析。整体剖面的分析比对可以得到国产DW 1633 CTD 整体的各项测量误差，同时可以对CTD 在深海和浅海测量表现进行比对；浅海剖面的比对可以更好地分析CTD 在浅海测量的精准度，尤其跃层附近的误差大小更能体现CTD 的性能；深海剖面的比对可以更好地分析DW 1633 CTD 在深海测量上的稳定性和精确度。因此，结果讨论分为3 个部分：DW 1633 CTD 和Sea-Bird 911 CTD 整体剖面比对结果、浅海剖面比对结果和深海剖面比对结果的讨论。

3.1 整体剖面的比对

图1 是利用33 个观测剖面的温度、深度数据制作的温度随深度变化的剖面图的集合。剖面几乎完全吻合。但是通过对单个站点温度随深度变化的剖面观测来看，在500 m 尤其是200 m 以上的深度，可以观测到DW 1633 CTD 测得的同深度海水温度略低于Sea-Bird 911 CTD 所测得的温度。有以下几点原因会导致绝对误差在浅海区域更大：①浅海的温度梯度相对更大。由于选定的标准轴为深度，压力传感器本身存在误差，假定压力传感器在深海和浅海误差差距不大，那么因为浅海的温度梯度更大，同样的压力误差造成的温度误差必然是浅海会更大[14]；②浅海水文环境更复杂，导致两款CTD 仪器测得的温度误差偏大。对比图2（a）和图2（b）剖面，两款设备观测的剖面均没有明显异常值，表明两款CTD 的稳定性在本次比测试验中都表现都较好。

图1 两款CTD 测得的温度随深度变化的剖面图

图2 两款CTD 温度—深度剖面的瀑布图

表3 中选取了5 个代表剖面，剖面的平均绝对误差在0.001～0.024 ℃，最大绝对误差在0.150～0.424 ℃，均方根误差在0.008～0.043 ℃，相关系数都是1。可以看出，DW 1633 CTD 在不同站点的各项误差分布都比较接近，且各项误差都较小。从表中平均绝对误差和均方根误差值可以明显看出，测量深度较深时，除最大绝对误差外各项误差值都更小，也说明在测量中最大绝对误差一般出现在浅海区域。将上述5 个代表剖面和所有观测剖面集合的均方根误差转化为相对值，同样可以看到当剖面深度比较深时，均方根误差相对值同样较小。通过以上比对可以得出，在本次海上比测的整体剖面比对中，国产DW 1633 CTD 与Sea-Bird 911 CTD 的误差较为接近，在深海区域误差较小，在浅海区域误差相对较大。

表3 站点整体剖面误差

3.2 浅海剖面的比对

3.2.1 B 系列站点

对比图3（a）和图3（b），两款CTD 设备所获取的浅海温度剖面的温度整体分布和等值线拐点除了在50 m 以上存在部分不同，其余海域基本一致。但是从图3（c）的温度差可以明显看出，浅海海域的温度差可以分为两个部分，0～100 m 和100～500 m深度范围。在100～500 m，DW 1633 CTD 和Sea-Bird 911 CTD 的温度误差绝对值都保持在0～0.1 ℃之间，绝大多数海域低于0.05 ℃，表现很稳定；而在0～100 m，DW 1633 CTD 所测得的温度与Sea-Bird 911 CTD 所测得的温度出现了较大差异，误差最大的区域出现在B04、B05 站点附近、50 m 以上的海域，两处的温度绝对误差最大超过了0.4 ℃。

图3 B 系列站点0～500 m 剖面图

根据表4 可以看出，均方根误差最大为0.066℃，除B0101 和B0201 站点以外，其余站点均方根误差大于或等于0.040 ℃。平均绝对误差波动较大，B0101 站点误差最小，为0.015 ℃；B0501 站点误差最大，误差达到了0.052 ℃。均方根误差相对值最大的站点是B0501 站点，误差相对值为0.32%，8 个站点中B0401、B0501 和B0701 站点的均方根误差相对值相较其他站点较大。温跃层附近温度测量的高精确度是CTD 性能的体现，B01～B08 站点的温跃层深度都在25 m 以上范围，在此深度范围内平均绝对误差为0.039 ℃，均方根误差为0.061 ℃，最大绝对误差为0.314 ℃。

表4 B 站点浅海剖面误差

3.2.2 C 系列站点

对比图4（a）和图4（b），温度的整体分布较为一致，等值线拐点基本一致。从图4（c）可以看出，C站点大部分剖面温度误差都在±0.05 ℃之间，误差绝对值超过0.05 ℃的区域都在250 m 深度以上，250 m以下深度，DW 1633 CTD 与Sea-Bird 911 CTD的温度误差相对稳定，稳定在-0.05 ℃左右。误差最大的区域出现在C0101 站点的50～100 m 深度范围和C0901 站点的200 m 深度附近，误差绝对值约0.2 ℃。与B 站点类似，C 站点的温跃层都位于30 m深度以上，在温跃层范围内，DW 1633 CTD 与Sea-Bird 911 CTD 测量结果的平均绝对误差为0.033 ℃，平均均方根误差为0.058℃，最大绝对误差为0.162℃。

由图4（c）可以看出，与B 站点不同，C 站点测得的温度误差存在大于0 ℃的区域，且平均绝对误差和均方根误差的绝对值都相对更大，且各项误差的波动也较大。平均绝对误差和均方根误差最大的站点均为C0101 站点，分别为0.054 ℃和0.077 ℃。本次海上比测试验的最大绝对误差出现在C0201 站点的浅海剖面，为0.424 ℃。与B 站点相比，均方根误差相对值更大。最大绝对误差出现在C0101 站点，为0.38%，所有站点的误差相对值都高于0.20%。

图4 C 系列站点0～500 m 剖面图

表5 C 站点浅海剖面误差

3.3 深海剖面的比对

在整体剖面的误差分析中，我们可以看到深海区域的温度绝对误差小于浅海区域，本节对两款CTD 所获取的深海剖面数据进行比对，对国产DW 1633 CTD 的深海测量能力进行分析。

3.3.1 B 系列站点

由于超过1 400 m 的深度范围海水温度梯度很小，且C 系列站点部分测量深度为1 400 m，因此，用来对比CTD 深海测量能力的深度范围选择为500～1 400 m。对比图5（a）和图5（b），温度的整体分布较为一致，等值线拐点基本一致。从图5（c）可以看出，B 站点大部分剖面温度误差都在-0.01～0.01 ℃，误差绝对值超过0.01 ℃的区域都在900 m深度以上，误差绝对值随深度的增加而变小，最大值出现在500～600 m 深度处，误差超过0.03 ℃。结合图5（c）和图6（a）可以看出，大约在900 m 以上深度范围，温度差为负，且深度越浅温度差的绝对值越大；900 m 以下深度范围，温度差为正，深度越深温度差的绝对值越大。这表明，国产DW 1633 CTD 在900 m 深度以上的范围测得的温度要低于Sea-Bird 911 CTD，在900 m 深度以下的范围测得的温度要高于Sea-Bird 911 CTD，在500～1400 m 的深度范围内，大约900 m 深度处是DW 1633 CTD 与Sea-Bird 911 CTD 测量结果最为接近的深度，离900 m 深度越远，温度差越大。

图5 B 系列站点500～1 400 m 剖面图

图6 站点温度差随深度变化图

由表6 可以看出，B0101～B0801 站点平均绝对误差在0.003～0.006 ℃，均方根误差在0.005～0.009 ℃，最大绝对误差出现在B0801 站点，平均误差和均方根误差分布较为一致。将均方根误差转化为相对值依次为0.10%、0.12%、0.12%、0.07%、0.10%、0.09%、0.13%、0.16%、0.11%。最大均方根相对误差依然出现在B0801 站点，但是没有超过0.2%。同时平均绝对误差和最大绝对误差较为一致，所有剖面的平均误差和最大绝对误差均为负，且变化较小。对比整体剖面的结果，国产DW 1633 CTD 在测量深海剖面的温度时表现更好。

表6 B 站点深海剖面误差

3.3.2 C系列站点

由图7（a）和图7（b）看出，C0101～C0901 剖面温度的整体分布较为一致，等值线拐点基本一致。图7（c）中显示，C 站点剖面的温度误差在-0.02～0.01 ℃，整体误差小于B 站点剖面。与B 站点剖面类似，绝对误差大于0.01 ℃的区域都在900 m 深度以上。但是C 站点相对B 站点，误差为正的分布范围很小，大部分剖面温度误差为-0.015～0 ℃；在1 000 m 深度以下的范围，剖面温度误差大多在-0.005～0 ℃，温度误差的一致性相对更好。结合图7（c）和图6（b）可以看出，与B 站点类似，在约900 m 深度以上，温度差为负，且深度越浅温度差的绝对值越大；900 m 深度以下温度差为正，温度差的绝对值最小出现在900 m 深度处。与B 站点不同的是，在900 m 深度以下的范围，C 站点的温度差变化不大，均小于0.001 ℃。

图7 C 系列站点500～1 400 m 剖面图

对比B、C 站点的温度差，可以发现900 m 深度是DW 1633 CTD 和Sea-Bird 911 CTD 测量温度最接近的区域，在900 m 深度以上，DW 1633 CTD 测量的温度小于Sea-Bird 911 CTD 测量的温度；在900 m 深度以下，DW 1633 CTD 测量的温度大于Sea-Bird 911 CTD 测量的温度。虽然B、C 站点在900 m深度以下温度差的变化有所不同，但是在此范围内两款CTD 测量的温度相比于900 m 深度以上两款CTD 测量的温度，温差更小。

由表7 可以看出，C0101～C0901 站点的平均绝对误差在0.002～0.005 ℃，均方根误差在0.003～0.008 ℃，最大绝对误差在0.011～0.033 ℃，平均误差和最大绝对误差分布都很一致，均为负。不同站点之间误差的波动很小。将均方根误差转化为相对值，均方根相对误差最大为0.14%，对比C 站点整体剖面，相对误差更小。

表7 C 站点深海剖面误差

4 结 论

在本次比测试验过程中，国产DW 1633 CTD和美国Sea-Bird 911 CTD 没有出现机械和性能故障，获取了相应的剖面数据，数据完整真实有效。通过对两款CTD 获取的温度数据的比对分析，得出结论：从整体剖面来看，国产DW 1633 CTD 和Sea-Bird 911 CTD 温度平均绝对误差为0.006 ℃，最大绝对误差为0.424 ℃，平均均方根误差为0.025 ℃。从浅海剖面来看，B 站点剖面的平均绝对误差为0.033 ℃，最大绝对误差为0.414 ℃，平均均方根误差为0.044 ℃；C 站点剖面的平均绝对误差为0.036 ℃，最大绝对误差为0.424 ℃，平均均方根误差为0.061 ℃。从深海剖面来看，B 站点剖面的温度平均绝对误差为0.004 ℃，最大绝对误差为0.041 ℃，平均均方根误差为0.007 ℃；C 站点剖面的平均绝对误差为0.004 ℃，最大绝对误差为0.033 ℃，均方根误差为0.006 ℃。B、C 站点剖面温度误差最小的深度均是在水深约900 m 处，0～900 m 深度DW 1633 CTD 测量的温度低于Sea-Bird 911 CTD 测量的温度，900 m 以下深度DW 1633 CTD 测量的温度高于Sea-Bird 911 CTD 测量的温度。而通过整体剖面的分析可知，500 m 以上的剖面测量误差大于500～1 400 m 范围的剖面，因此，在本次比对中，900 m 深度处是两款CTD 测量温度最为接近的区域。通过本次海上比测试验可知，国产DW 1633 CTD 与Sea-Bird 911 CTD 相比，各项温度误差均比较小。但仅仅依靠一次海上比对试验并不能对CTD 性能进行定性评价，还需通过长期的测试和检验才能对CTD 的性能进行更加精确的评估。