海洋学研究 >

2025 , Vol. 43 >Issue 1: 14 - 21

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-909X.2025.01.002

研究论文

国产深海HM4000型剖面浮标盐度数据校正

  • 张璇 , 1, 2 ,
  • 刘增宏 , 1, 2, * ,
  • 陈朝晖 3 ,
  • 任翀 4 ,
  • 熊海霞 4 ,
  • 高志远 3 ,
  • 严啸峦 5 ,
  • 张林林 5
展开
  • 1.自然资源部第二海洋研究所,浙江 杭州 310012
  • 2.卫星海洋环境监测预警全国重点实验室,浙江 杭州 310012
  • 3.中国海洋大学 物理海洋教育部重点实验室,山东 青岛 266100
  • 4.崂山实验室,山东 青岛 266237
  • 5.中国科学院海洋研究所,山东 青岛 266071
*刘增宏(1977—),男,正高级工程师,主要从事物理海洋调查分析研究,E-mail:。

张璇(2001—),女,江苏省扬州市人,主要从事Argo数据处理与应用研究,E-mail:。

收稿日期: 2024-02-26

  修回日期: 2024-04-26

  网络出版日期: 2025-05-30

基金资助

南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)资助项目(SML2021SP102)

崂山实验室科技创新项目(LSKJ202201500)

收起

Calibration of salinity data of a domestically-produced HM4000 deep profiling float

  • ZHANG Xuan , 1, 2 ,
  • LIU Zenghong , 1, 2, * ,
  • CHEN Zhaohui 3 ,
  • REN Chong 4 ,
  • XIONG Haixia 4 ,
  • GAO Zhiyuan 3 ,
  • YAN Xiaoluan 5 ,
  • ZHANG Linlin 5
Expand
  • 1. Second Institute of Oceanography, MNR, Hangzhou 310012, China
  • 2. State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics, Hangzhou 310012, China
  • 3. Key Laboratory of Physical Oceanography, MOE, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
  • 4. Laoshan Laboratory, Qingdao 266237, China
  • 5. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China

Received date: 2024-02-26

  Revised date: 2024-04-26

  Online published: 2025-05-30

Fold

摘要

2023年12月,崂山实验室“深海Argo区域观测网建设”项目在菲律宾海盆布放了1台国产4 000 m级HM4000型剖面浮标(世界气象组织编号为2902895),该浮标携带了加拿大RBR公司生产的RBRargo3 deep 6k CTD传感器(以下简称RBR CTD)。布放后发现,该浮标返回的盐度观测数据与船载CTD结果以及气候态盐度值相比存在系统性的偏差。为了校正浮标盐度数据,使用现场盐度计分析结果和船载CTD测量的盐度,计算了RBR CTD电导率的偏移率,进而对浮标盐度剖面进行了校正。经检验,校正后的结果与邻近浮标和气候态盐度数据基本一致。随着我国 “深海Argo区域观测网建设”项目的启动实施,越来越多的国产深海Argo浮标将被布放,相比观测水深为0~2 000 m范围内的核心Argo(Core-Argo,仅观测海水温度和盐度),深海Argo(Deep-Argo)需要更高的观测精度才能分辨出深海更小的变化。当前,Deep-Argo使用的CTD传感器仍存在技术问题,一些浮标和传感器在存储、运输和使用过程中难免会存在不当操作,导致观测数据特别是盐度数据存在较大误差。为此,本文提出了一种使用现场比测资料对深海Argo浮标观测资料进行校正的方法,可为我国深海Argo区域观测网资料质量控制提供重要的技术支撑。

关键词： 深海Argo; HM4000型剖面浮标; RBR CTD传感器; Autosal 8400B实验室盐度计; 船载SBE 911 CTD; 电导率漂移; 盐度校正

本文引用格式

张璇 , 刘增宏 , 陈朝晖 , 任翀 , 熊海霞 , 高志远 , 严啸峦 , 张林林 . 国产深海HM4000型剖面浮标盐度数据校正[J]. 海洋学研究, 2025 , 43(1) : 14 -21 . DOI: 10.3969/j.issn.1001-909X.2025.01.002

Abstract

In December 2023, the project “Construction of Regional Deep-Argo Observation Network” sponsored by Laoshan Laboratory deployed a domestically-produced HM4000 profiling float with the maximum profiling depth of 4 000 m (the World Meteorological Organization number is 2902895) in the Philippine Sea, which was equipped with an RBRargo3 deep 6k Temperature-Conductivity-Depth (CTD) sensor produced by RBR, Canada. It was found that the salinity observation data reported by the float exhibited a systematic deviation compared to the shipboard CTD and climatological salinity. In order to correct the salinity data of the float, the conductivity slope of the RBR CTD was calculated by using bottle salinity measured by the Autosal 8400B salinometer and salinity measurements from the shipboard CTD cast. Salinity profiles of the float were then calibrated, and the calibrated salinity was found to be basically consistent with the nearby float and the climatological data. With the implementation of the “Construction of Regional Deep-Argo Observation Network” project, an increasing number of domestically-produced deep Argo floats will be deployed. Compared to the Core Argo floats that measure temperature and salinity profiles in the upper 2 000 m of the ocean, Deep-Argo requires higher accuracy to resolve smaller variations in deep waters. Currently, technical problems are still found in deep CTD sensors, and improper handling and operation during storage, transportation, and usage of some floats and sensors are inevitable, resulting in large errors in the observations, especially the salinity data. Therefore, this study proposes a method of calibrating Deep-Argo floats’ observation data using in-situ shipboard CTD cast, which can provide essential technical support for quality control of the Deep-Argo floats.

Key words： Deep-Argo; HM4000 profiling float; RBR CTD sensor; Autosal 8400B salinometer; shipboard SBE 911 CTD; conductivity drift; salinity calibration

0 引言

2000年启动实施的国际Argo计划已获取数百万条0~2 000 m深度范围内的温度和盐度剖面,为海洋和大气科学的基础研究和业务化预测预报提供了重要数据来源,已成为全球海洋观测系统(Global Ocean Observing System, GOOS)和全球气候观测系统(Global Climate Observing System, GCOS)的重要组成部分[1⇓⇓-4]。随着浮标和传感器技术的发展,2015年,美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)下属太平洋海洋环境实验室(Pacific Marine Environmental Laboratory, PMEL)的Gregory C. Johnson提出要在全球海洋建设和维持约1 200个深海Argo浮标组成的观测网,以收集全球海洋2 000 m以深(最深达6 000 m)的温度和盐度剖面数据,即Deep-Argo计划[5]。
Deep-Argo计划的提出,迅速得到了美国、法国、英国和日本等国家的响应,至2023年底,已在大西洋、太平洋、印度洋和南大洋等海域布放近400个深海Argo浮标,使用的浮标类型主要包括两类:1)4 000 m级浮标,包括法国NKE公司生产的ARVOR_D、日本TSK公司生产的NINJA_D和我国青岛海山海洋装备有限公司生产的HM4000型浮标,其中ARVOR_D和NINJA_D两款浮标为长筒状,安装了加固版SBE41 CP型(SBE公司)CTD传感器,HM4000型浮标为球形,可搭载SBE61或加拿大RBR公司生产的RBRargo3 deep 4k/6k型CTD传感器;2)6 000 m级浮标,包括美国Teledyne Webb研究公司生产的APEX_D、斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography)研制的SOLO_D和我国崂山实验室研制的XUANWU型浮标,上述3种浮标均可安装SBE61或RBRargo3 deep 6k型CTD。然而,通过分析深海Argo浮标返回的观测数据发现,无论是SBE41 CP型还是SBE61型CTD的电导率传感器均存在压力抵消系数问题(压力抵消系数即CPcor,与电导率单元的可压缩性有关,是压力效应的校正项),导致盐度数据出现压力依赖负偏差,最大偏差可达0.04[6-7]。具体来说,SBE公司给出厂的所有SBE 41 CP和SBE 61型CTD的电导率传感器使用同一个CPcor(dbar-1),但在实际使用过程中发现,出厂时提供的CPcor有误差,需要使用浮标布放时的现场比测资料(如高精度船载CTD仪)进行修正。至于RBR CTD传感器,目前安装到深海Argo浮标上的数量还非常少,其观测数据的准确性和稳定性尚未可知。
2023年12月,崂山实验室科技创新项目“深海Argo区域观测网建设”搭载中国科学院海洋研究所“科学”号调查船在西北太平洋的菲律宾海盆布放了1台装载RBR CTD的HM4000型浮标(WMO编号为2902895),其返回的盐度剖面数据与船载CTD仪比测结果、气候态盐度数据均存在系统偏差。本文利用现场采水的盐度计、船载CTD测量结果和气候态盐度数据,对浮标盐度数据进行了校正和验证,并对盐度误差产生的原因进行了剖析。

1 数据与方法

1.1 数据来源

2023年12月9日,“深海Argo区域观测网建设”项目搭载中国科学院海洋研究所“科学”号执行的国家自然科学基金委共享航次,在菲律宾海盆(21°N,130°E)布放了1台HM4000型剖面浮标(WMO编号为2902895),至2024年1月11日,该浮标已获取33条温度和盐度剖面数据(图1)。浮标最大下潜深度为4 000 m,循环周期设为1 d,垂向采样间隔从浅往深设置为2~50 m不等。为了保证浮标能顺利下潜至4 000 m,技术人员设置第1~2条剖面的最大深度分别为200和2 000 m,直至第3条剖面才使浮标下潜至4 000 m(图2)。浮标装载了加拿大RBR公司生产的RBRargo3 deep 6k型CTD传感器(序列号为205912),该公司于2021年7月对压力、温度和电导率传感器进行了实验室标定,其中电导率使用加拿大盖德莱茵(Guildline)仪器公司生产的Autosal 8400B型盐度计进行了标定,测试结果显示标定误差在±0.000 3 mS/cm范围内,满足出厂精度指标要求。在将该CTD传感器安装到浮标上之前,浮标生产单位未将其送到权威部门再次进行标定或校准。
图1 2902895号浮标及其邻近浮标(WMO编号:2902881)的漂移轨迹

(2902881号浮标轨迹中绿色点代表第83~91号剖面位置;2902895号浮标轨迹中红色点代表最后剖面位置,绿色叉代表第1~2号剖面位置,蓝色点代表其他剖面位置。)

Fig.1 Trajectories of the float 2902895 and its nearby float 2902881

(In the trajectory of the float 2902881, the green points represent the positions of profiles 83 to 91. In the trajectory of the float 2902895, the red dot represents the last profile position; the green crosses represent the first and second profile positions, and the other profile positions are indicated by blue dots.)

图2 浮标下潜最大深度随时间的变化

Fig.2 The maximum diving depth of the float varied with time

在布放浮标的同时,使用船载SBE 911 CTD测量获取了1条0~5 670 m的温度和盐度剖面,该数据经过SBE提供的软件进行了响应时间匹配、热滞后校正、滤波、船只摇晃影响消除等步骤的处理,最后数据被平均成1 m间隔;在布放CTD的同时,使用玫瑰型采水器采集了5~5 560 m水深范围内的23个水样,在科考船的恒温实验室内使用Autosal 8400B型实验室盐度计(测量准确度高于±0.002)进行盐度分析。
为了验证校正后的浮标盐度数据的准确性,使用两套气候态数据集作为参考数据,包括:1)GAILLARD等[8]研制的ISAS13(The in Situ Analysis System)多年平均气候态数据集,该数据集基于Argo、船载CTD、XBT(Expendable Bathythermograph)和XCTD(Expendable CTD)等观测的温度和盐度数据制作,水平分辨率为0.5°×0.5°,垂向为0~5 500 m,共159层;2)BOYER等[9]制作的WOA2018(The World Ocean Atlas)气候态数据集,该数据集基于Argo、船载CTD、XBT、XCTD、MBT(Mechanical Bathythermograph)、MRB(Moored Buoy)、DRB(Drifting Buoy)等设备观测的温度和盐度数据制作,水平分辨率为1°×1°,垂向为0~5 500 m,共102层。

1.2 浮标盐度剖面数据校正

1.2.1 船载CTD数据质量控制

经SBE软件处理后的船载SBE 911 CTD数据仍可能存在毛刺、密度倒转等异常,为了剔除这些异常数据,设计了一套质量控制方案,主要包括温度和盐度全局测试、压力单调增长、尖峰、MEDD(中值距离法)、滑动标准差和密度倒转等测试步骤,并对通过测试的温度和盐度数据使用滑动平均方式进行平滑,质量控制后的效果如图3所示。
图3 船载CTD观测的温度-盐度曲线

Fig.3 Temperature-salinity curves observed by shipboard CTD

1.2.2 浮标观测数据实时质量控制

在进行浮标盐度剖面数据校正前,按照国际Argo资料管理组制定的方法对浮标观测数据进行了实时质量控制,主要包括观测日期、卫星定位、漂移速度、温盐压异常数据检测、密度倒转等14个步骤[10],目的是检测出明显异常的观测数据并赋予质量控制标记(如“1”表示好的数据,“4”表示坏的数据)。

1.2.3 浮标观测数据初步检验

图4显示了浮标第1~3号剖面与船载CTD观测结果的比对,不难发现,两者的温度非常吻合,而盐度则存在较大差异。浮标观测的盐度比船载CTD仪的测量结果在1 000 m以深平均偏小约0.14,且偏差呈系统性分布(图4b)。
图4 浮标第1~3号剖面和船载CTD观测的温度垂向分布(a)、盐度垂向分布(b)以及温度-盐度曲线(c)

Fig.4 Vertical distributions of temperature (a), salinity (b), and temperature-salinity curves(c) from the first three profiles of the float and the shipboard CTD

1.2.4 浮标盐度剖面校正

为了对浮标盐度剖面数据进行校正,首先需要找出相对于盐度真值的偏移率(slope)。由于盐度是通过电导率传感器测量海水电导率后计算得到的,因此,更准确的方法应该是找出电导率的偏移率。
SBE公司提供了一种船载CTD的电导率偏移率计算方法[11]:
S = ∑ i = 1 n ( α i ) ( β i ) ∑ i = 1 n ( α i ) ( α i )
式中:S代表电导率的偏移率,i代表样本序号,α表示待检验电导率测量值(如浮标电导率观测值),β表示电导率真值(如实验室盐度计分析得到的电导率或校正后的船载CTD电导率值)。
虽然本航次使用的船载SBE 911 CTD在航前已通过国家海洋标准计量中心的标准化校准,但CTD在运输和海上使用过程中难免会受到物理碰撞、生物附着和电磁干扰等因素影响,导致测量值出现误差。因此,首先需要使用实验室海水样品盐度计分析结果对船载CTD盐度剖面数据进行验证和校正。需要指出的是,在实验室盐度计分析海水样品前,已使用国家一级标准海水对盐度计进行了自校,可以认为其测量的海水电导率(可换算成盐度)为真值。浮标布放站位上600 m以深的盐度计分析和船载CTD测量的电导率数据如表1所示,通过式(1)计算得到船载CTD仪电导率传感器的偏移率为1.000 019,几乎可以忽略不计,即2902895号浮标布放站点上获取的船载CTD盐度资料是可信的,可以作为真值对浮标盐度剖面数据进行校正。
表1 浮标布放站位上盐度计分析和船载CTD测量结果

Tab.1 Analysis results from the salinometer and shipboard CTD measurements at the float deployment station

序号 采样
深度/m		 盐度计分析电导率
/(S·m-1)		 船载CTD测量电导率
/(S·m-1)
1 600 3.465 5 3.464 9
2 700 3.360 6 3.359 4
3 800 3.291 2 3.291 2
4 1 000 3.225 7 3.225 7
5 1 200 3.186 6 3.189 7
6 1 600 3.155 3 3.154 9
7 2 000 3.140 3 3.140 0
8 3 000 3.148 0 3.147 7
9 4 000 3.179 0 3.178 7
10 5 000 3.219 1 3.218 9
11 5 560 3.243 0 3.242 7
鉴于浮标第1~2号剖面最大深度分别只有200和2 000 m,为了在性质更为稳定的水团中进行比对,本文挑选第3号剖面(最大深度约4 000 m)与船载CTD进行比对并计算电导率偏移率。第3号剖面与船载CTD投放的空间距离仅4.2 km、时间差为45.3 h,比对的层次选择在水深600 m以下,基本可以认为两者处于同一水体中。通过公式(1)计算得到浮标电导率偏移率为1.003 7,使用该斜率对浮标所有电导率观测值进行校正,最后使用校正后的电导率及浮标观测的温度和压力重新计算盐度。

2 结果与分析

2.1 校正后浮标盐度的验证

图5显示了浮标校正前后的盐度与船载CTD现场观测结果的对比,可以看出,校正后的浮标盐度与船载CTD测量的盐度在深层(对应温度<5 ℃)非常吻合,在1 000 m以深,校正后的盐度平均高出约0.005 2±0.003 1,且垂向分布相对均匀(图5a)。该偏差已满足国际Argo观测项目(观测0~2 000 m水深范围的温度和盐度)的盐度测量精度目标(±0.01),但仍低于深海Argo计划提出的盐度测量精度标准(±0.002)。同时,校正后的盐度与ISAS13气候态盐度也基本一致,特别是在σθ为27.4~27.6等密度面之间,两者基本重合(图5b)。
图5 校正前后的浮标盐度与船载CTD数据的盐度差以及与气候态盐度数据的对比

Fig.5 Comparison of float-measured salinity (before and after calibration) with shipboard CTD data and climatological salinity

在2902895号浮标附近恰好有一个我国布放的HM2000型浮标(WMO编号为2902881)在工作。该浮标于2022年11月布放,最大下潜深度为2 000 m,在2023年12月—2024年1月期间,其距2902895号浮标的平均距离仅53 km。从图6可见,2902895号浮标校正后的盐度与邻近的2902881号浮标盐度观测数据基本一致,特别是在σθ为25.5~26.5范围内的北太平洋中央水团和σθ为27.5以深的深层水团,两者非常吻合。
图6 2902895号和2902881号浮标的温度-盐度曲线比对

Fig.6 Comparison of the temperature-salinity diagram between the floats 2902895 and 2902881

此外,本研究以ISAS13和WOA2018气候态资料为参考,选取了1.5~5.0 ℃温区内的8个等温层,对校正后的浮标盐度进行了进一步验证(图7)。结果显示,温度越低,浮标盐度与两个气候态盐度的差异越小且越稳定,其中温度低于2.0 ℃时的盐度差异基本在±0.01范围内,能满足国际Argo计划提出的盐度精度目标。
图7 校正后的浮标盐度与ISAS13(a)和WOA2018(b)气候态盐度在不同等温层上的差异

(灰色阴影代表国际Argo计划±0.01盐度观测精度目标。)

Fig.7 Differences between the float salinity (after calibration) and ISAS13(a) and WOA2018(b) climatological salinity at different isotherms

(The gray shading denotes the target salinity accuracy of ±0.01 proposed by the international Argo program.)

2.2 原因分析

2902895号浮标携带的RBRargo3 deep 6k CTD传感器是一款专门为深海剖面浮标设计的CTD传感器,与SBE61 CTD采用电极方式测量海水电导率不同,其采用电磁感应原理,通过测量电流的变化来实现对海水电导率的测量。每个CTD出厂前,RBR公司会在恒温水槽中使用标准海水对电导率传感器进行标定,确保CTD传感器的初始精度在目标精度范围内(如电导率初始精度为±0.000 3 S/m)。但在实际使用时,传感器在运输和布放过程中可能会发生碰撞等,甚至出现传感器破损,从而导致测量的数据产生较大的误差。为此,大部分浮标制造商在浮标组装前,会采用一个简易装置对每个CTD传感器进行筛选,以确保浮标装载的CTD在出厂前处于正常状态。通过调查发现,2902895号浮标装载的RBR CTD传感器在水池测试时曾发生碰撞,导致传感器外表涂层破损(具体位置见图8)。虽然在安装到该浮标上之前,浮标制造商已使用胶泥进行了修补,但这种物理外型上的变化势必会改变电导率单元测量时周围的电磁场,导致电导率测量值出现显著误差。需要指出的是,磁电型电导率传感器对其周围的物理阻挡物比较敏感,因此厂家通常建议在传感器周围一定范围内避免有任何阻挡物的存在,特别是金属材质的物体。
图8 RBR CTD传感器涂层破损的位置

Fig.8 The damaged coating locations of the RBR CTD sensor

3 结论与讨论

2023年12月,崂山实验室在西北太平洋的菲律宾海布放了我国首批国产深海Argo浮标,其中1个为装载RBRargo3 deep 6k CTD传感器的HM4000型浮标。该浮标返回的盐度剖面数据与现场船载SBE 911 CTD测量结果相比存在系统性偏差,偏差达-0.14。为了对浮标盐度进行校正,首先将Autosal 8400B型实验室盐度计对海水样品的分析结果作为真值,对船载CTD观测的盐度进行验证,确保现场比测盐度资料的可靠性。而后,将船载CTD资料作为参考,与浮标首条4 000 m深剖面进行比对,计算得到浮标电导率的漂移斜率,进而对浮标观测的所有电导率进行校正,再重新计算盐度。最后,选取邻近的Argo浮标和ISAS13、WOA2018气候态数据集对校正后的浮标盐度进行了验证。结果表明,校正后的浮标盐度在水体性质稳定的层位上与邻近浮标及气候态数据非常吻合,至少能满足国际Argo计划提出的±0.01的盐度观测精度要求。
需要指出的是,RBR CTD采用电磁感应原理测量海水电导率,其测量的准确性受电磁场的强度和频率、电流的传输和探测等因素的影响,电导率传感器的外表破损和形变、周围的物理阻挡等均会造成盐度测量误差。因此,浮标制造商或用户在浮标出厂前或布放时须确保携带的CTD传感器处于良好的工作状态,特别是在传感器周围安装其他部件时(如平衡盘、天线、CTD防撞装置等),需要严格遵照CTD制造商对阻挡物的距离要求,或将组装好的浮标CTD传感器返回CTD制造商重新进行标定。国际深海Argo工作组强烈建议在布放深海Argo浮标时开展现场船载CTD比测,有条件时应进行采水并使用高精度盐度计分析海水盐度。一旦发现浮标观测资料存在系统性偏差,可以结合盐度计分析结果和船载CTD观测资料,对浮标盐度剖面数据进行校正。

感谢中国科学院海洋研究所“科学”号执行的国家自然科学基金委共享航次为本文提供船载CTD和实验室盐度计分析结果;浮标观测数据由自然资源部杭州全球海洋Argo系统野外科学观测研究站(http://www.argo.org.cn)处理和提供。

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