Argo剖面浮标压力测量误差问题剖析.docx

1、Sept,2009OCEANTECHNOLOGYArgo剖面浮标压力测量误差问题剖析朱伯康1刘增宏吃刘仁清I许建平©(1.国家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州310012；2.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江杭州310012)摘要：部分配置Druck压力传感嚣的APEX型Argo'1*浮标所观测的压力值存在明显偏差，尽管压力传感器故障的原因已经查明，但目前还没有寻找到一种比较理想的解决方法。文章扼要介绍了压力传感器故障产生的原因，探讨了压力误差校正的办法，以及目筒可供选择的措您等，供国内浮标技术研制人员和Argo.CTD用户参考。关键词：Argo计划；Argo割面浮标；压

2、力传感嚣；测量误差中图分类号:P715.2文献标识码：A文童编号:1003-2029(2009)03-0127-041引言2009年5月，国际Arg。信息中心向全球Argo剖面浮标用户转发了一封来自美国海鸟公司致全球Argo用户的公开信,建议停止投放配置有Druck压力传感器的Argo浮标。至此,压力传感器故障和测量误差间题正式公布于众。众所周知,Argo浮标在大洋里的正常工作时间，即平均寿命约为4a,旦潜在的传感器漂移误差会随着观测时间的延长而增大。国际Argo资料管理小组提出的延时模式质晨控制(DMQC)工作重点，最初集中于电导率传感器的漂移，当时认为其漂移是最大的。经过大量细致的研究，利

3、用深海T-S关系的相对稳定性，建立了对这种漂移进行统计评估和校正的系统。而对温度传感器所产生的微小漂移的研究还很少。一般认为，在Argo浮标大约4a的海上正常工作期间，其温度传感器的稳定性完全可以满足国际Argo计划对Argo资料精度的要求。最近,DMQC的重点已经转移到了压力校正上。2008年3月在英国举行的第九次国际Argo科学组会议t,就已经注意到并讨论了美国Webb研究公司研制的APEX型浮标所呈现的压力偏移误差问题。Webb研究公司早期配置APF-8控制器的APEX浮标，总是出现正的海表压力。当浮标观测到的海表压力为负值时,通常处理为零。这样，这种APEX型浮标有很好的正压力偏移的统

4、计资料时，对负偏移的频率和特征就了解很少。其实.这个问题已经发现好几年了。目前,Webb研究公司针对这个问题新设计的配置APF-9控制器的浮标，不存在这个问题(没有舍去负压力偏移)，其试验性施放工作也已经接近尾声。华盛顿大学对270个带APF-9控制器的APEX浮标的压力偏移时间系列进行了研究，发现海面压力偏移的概率收稿日期：2009-06-15基金项目：国家海洋局海洋公益性行业科研专项经费项目(200706022)o接近高斯分布，其平均值为零，标准偏差约1dbaro因此，大约在半数情况T.APF-8控制器测得的压力偏移被错误地舍为零。这种未知的偏移对热平衡计算和其他定量估计的影响尚不清楚，需

5、要进一步研究，也许只有20%的浮标受到影响。此外，对装备APF-9控制器的浮标上出现的负偏移研究表明，大约5%的浮标有较大的负偏移.可能高达50dbar,而这种偏移在配置APF-8控制器的浮标中，因其采用了平滑处理就根本看不出来。这种误差是由于海鸟CTD仪组件上的Druck压力传感器内漏油引起的。这也是美国海鸟公司建议停止投放配置有Druck压力传感器的Argo浮标的重要原因。2压力传感器故障原因分析美国海鸟公司从2003年开始，就在其CTD仪上配置Druck压力传感器。对安装在A码。浮标上的SBE-41和SBE-41CP两种型号CTD仪所使用的Druck压力传感器存在的问题，即所谓的“Dru

6、ck微泄漏”(Dmckmicro-leaks),该公司进行了分析研究。通过近两年回收的3个传感器的分析.终于查明，油是从密封的传感器内仓，通过传感器后部金属与玻璃密封圈之间的一条很细的裂缝中泄漏出来的。油泄漏的速度非常慢，一个月仅几毫升。当油泄漏时，把海水压力传给传感器仓的一个可弯曲的钛隔膜，使其向传感器仓弯曲，以补偿油的损失，导致传感器在压力观测数据中形成渐进的负偏移，而在Argo资料中则呈现负的海表压力。当油泄漏到一定程度时，隔膜向内弯曲加剧，最终导致压力传感元件短路。有证据表明,隔膜达到最低点时,并不会导致油或海水通过传感器进一步泄漏。2009年3月初，由美国华盛顿大学的DanaSwif

7、t工程师对Argo浮标观测的海表压力所做的大最分析发现,2007年及以后布放的浮标，出现负海表压力的情况反而增加了，且增加的幅度令人担扰，即从2007年之前的3%提高到了2007年的12%左右。最近，对500个浮标的分析结果表明，2008年布放的浮标，其负海表压力的发生率更高，达到了10%以上，有的蔑至可能高达30%。值得注意的是,Argo浮标在1000dbar深度形成足以与正常浮标区分的负压力偏差的时间需要500d£也就是说，在2008和2009年初布放的浮标，其Druck微泄漏问题的发生率有可能要一年以后才能体现出来。3压力偏差校正探讨早在2007年.日本海洋科技中心（JAMST

8、EC）的科技人员就提出了对Argo浮标压力偏差校正的建议。他们通过分析指出，带APF-8控制器的APEX型浮标没有做任何内部压力调整，即增加了5dbar的海面压力'遗憾的是，当浮标观测到任何负海表乐力在加上5dbar之前，又都被设为0,而旦这样的结果被发送了出去。为此,在他扪所做的分析中，已经减去了由浮标加上的5dbar,配置APF-9控制器的APEX型浮标同样没有做任何内部压力调整.所以发回的海表昆力有正值也有负值。那么，配置不同控制器的APEX浮标的压力校正该怎么做呢？由于APF-8型浮标目前将测得的负海面压力在发送前都设为“零”，使这个问题变得夏杂化了o如果压力传感器补偿漂移在“

9、零”的两侧是一致的，那么仅纠正正的漂移将造成数据偏差。为此.已经要求浮标制造商进行改进，目前他们也正在做实验室试验。在考虑所知的SBEY1CTD的最大压力漂移的偏差问题时，首先要关注一下带有Paine和Ametek压力传感器的浮标。在这些早期的仪器中，海面压力漂移总是趋向正误差，所有APEX型浮标都是这样报告的，即使是带APF-8控制器的浮标也一样°Ametek压力传感器出现这个问题的原因现已查明，在这里处于绝对鼻空的传感器应该有一个基准声拭,但该声找迅速泄漏，泄漏后就向浮标内部压力（仅部分真49001674S432S2IS1054S432S2IS10550100150IWileXu

10、rnbrr（该浮标为APEX260型，配置APF8控制器和Ametek压力传感器,位于白令海）图14900167号Argo浮标报告的海衰压力（SSP）与剖面数的关系空）漂移，从而导致正的海面压力。在22个带有APF-8控制器和使用Ametek压力传感器的SBE-41CTD的APEX型浮标中，漂移都非常快（在布放后的1-3个制面内），报告的海面压力要高于正确值25dbar,然后漂移变十曼，报告的压力高于正确值36dbar（图Do这样，仅仅纠正配置Ametek压力传感器的浮标的正偏差,似乎只能改进这些浮标所得资料的精度和偏差。由日本海洋科技中心报告的有关配置Ametek压力传感器的浮标所获资料与美

11、国太平洋海洋环境实验室所得到的结果基本相似:海表压力（SSP）开始快速漂移到异常商的37dbar,接着向更高的值漂移，但速度要缓慢得多（图2）。（据H本海洋科技中心配置的Ametek传感器的Argo浮标观测结果整理）图2海表压力（SSP）与削面数之间的关系日本海洋科技中心还布放了一批装备有Paine压力传感器的浮标。这种传感器显示r向异常正海表压力测量值的大幅度漂移.其形态与Ametek压力传感器有所区别（图3）。在施放后最初的10个周期内海面压力值迅速增加。随后，增速很快减小，但在浮标的整个生命周期内部分SSP值最终可以达到15dbar左右。日本海洋科技中心始终没有查明有关产生这种偏差的任何

12、原因（或机制）。（据日本海洋科技中心配置Paine压力传感器的Argo浮标观测结果整理）图3海表压力与剖面数之间的关系另外，还有191个由美国太平洋海洋环境实验室布放的APEX型浮标所获得的数据。这批浮标都配置了Druck压力传感器。它们的运行周期从4个到92个削面不等.平均为49个剖面°在这些浮标中，从第51个剖面开始显示出负海表压力漂移的迹象，也就是说,它们要么总是报告零海表压力，要么在报告了一些略偏正的海表压力后，接下来就开始继续报告零海表压力。另有36个浮标报告的海表压力接近0（有些在整个记录中略偏正，偶尔有一些为。压力）。其余104个浮标显示了正海表压力漂移的迹象（图4）。

13、这些正压漂移一般都很小，几乎都小于1dbaro如果负漂移的大小与正漂移相似，那么即使只纠正正漂移也会增加单个剖面的精度，甚至会减小总的偏差。日本海洋科技中心的配置有Druck压力传感器的浮标的情况与此相似（图5）。（该浮标为APEX260型,配世APF8控制器和Druck压力传感器，位于西南热带太平洋）图45900669号Argo浮标给出的海衰压力与剖面数的关系（据日本海洋科技中心配置Druck压力传感器的Argp浮标观测结果整理）图5海表压力（SSP）与剖面敷之间的关系最后，日本海洋科技中心的科技人员建议.对Argo资料中已知的所有压力漂移进行调整，以便提高A璃。计划中获取的水文资料的一致性

14、和精度。他们还指出，即使是微小的误差也应该进行校正，因为未经校正的压力传感器漂移所产生的Argo资料中的微小偏差，对全球海洋热通最估算所产生的影响会很大。在最糟糕的情况下，这种偏差可产生相当于对20世纪后半期所做的大洋热通量变化估算值那么大的误差。3结束语正如美国海鸟公司致全球Argo用户的公开信中所述，无论统计资料的确切性如何，压力问题及其后果是严重的。目前海鸟公司已经停止给Argo浮标提供CTD传感器，直到可以证明压力传感器在浮标的生命期内能够正常工作为止。该公司也强烈呼吁浮标生产厂停止向用户提供浮标，并将CTD送回海鸟公司检验和维修°同时,也建议各国际Argo计划成员国暂停布放

15、浮标，并与浮标生产商联系如何返回CTD传感器进行维修。海鸟公司还表示，由于没有库存的压力传感器可供更换，所以建议用户不必马上返回浮标、检修CTD;并提出了三种解决办法供用户选择：（1）在实验室建立一种可以使微泄漏加速的测试程序，将Dnick传感器分成两类，即坏的（有微泄漏的传感器）和在5a中不会有漂移的好传感器。尽管Deck公司作了很大努力、但在英国和海鸟公司都还没有找到一个可靠的测试方'法。目前,海鸟公司正在试验几种方法.其中一种有可能使Argo用户利用自己的设备来快速鉴定传感器的好坏。这样,好的浮标就能马上投放.而不必推迟布放或返回厂家。（2）对那些需要马上投放浮标的研究项目，海鸟

16、公司储备有100个Paine压力传感器可供选用。在2000年初之前的SBE-41和SBE-41CP型CTD,使用的都是Paine压力传感器。这种传感器随时间推移会产生正漂移，但在浮标的整个寿命期内不会超过+10dbar,同时它还会有跨度变化（压力校正中的斜率），其值大约是偏差漂移的10%。（3）海鸟公司还与瑞士Kistler公司合作开发了一种Deck传感器的替代品。经过5a的努力，已经研制出一种很有希望的新型传感器，现正在海鸟公司进行最后测试。此前,在Kistler公司已经通过了全部设计标准的测试.第-批100个新型传感器已经在生产线上，估计一个月后可供用户选用。由此可见,Arg。浮标压力传感

17、器问题还是比较严重。由于2003年及以后布放的APEX型Argo浮标，其配置的SBECTD的压力传感器均改用了Dnwk的产品，所以其提供的观测压力难免包含了压力偏差。在此期间，我国的许多海洋调查研究机构，也陆续从国外引进了一大批SBECTD仪或其他型号的CTD仪,倘若其配置的同样是Dnick压力传感器,其观测的压力（或深度）是否亦存在上述误差，希望能引起足够重视。本文据2009年5月5日由国际Argo信息中心转发的“美国海鸟公司致全球Argo用户的公开信”，第九次国际Arg。科学组会议（2008年3月18-200，英国）资料汇编，以及CRESTArgoProjectLPOReportNo.09

18、一5等整理。（下转第137页）我们的总体科技实力距离发达海洋国家还有较大差距，我国海洋经济发展面临着巨大的人口、资源和环境压力，经济发展吸需由粗放型向集约型转变,科技对海洋经济发展的推动作用发挥得还不够充分。因此,我们必须加快海洋科技创新体系建设，进一步优化海洋科技力虽布局和科技资源配置，加强海洋资源勘探与利用关键技术的研究开发，培养海洋科学研究、海洋开发与管理、海洋产业发展所需要的各类人才,全面提高科技对海洋经济发展的页献率。参考文献:1中国海洋经济统计公报).(2001-2008年)2中国海洋灾害公报>.(2001-2008年)3中国海洋环境质址公报1(2001-2008年)4科技兴

19、海战略研究报>.(2008年)AnalysisoftheStrategyofPromotingScientificDevelopmentofMarineEconomyDependingonScienceandTechnologyPENGWei(NationalOceanTechnologyCenter,Tianjin300112,China)Abstract:Marinedevelopmentisameasuretorespondtothecrisisofpopulationgrowth,resourceshortageanddeteriorationoftheecologicalenv

20、ironment.Marinedevelopmenthighlydependonscienceandtechnology.TheabilityofmarinetechnologytosupportdevelopmentofmarineeconomyisfairlyweakinChinacomparedtodevelopedcountries.Scientificandtechnologyinnovationshouldbeemphasizedtopromotethesustainabledevelopmentofmarineeconomy.Keywords:marinescienceandtechnology;marineeconomy;scientificdevelopment（上捶第129页）AnalysisofthePressureErrorsinArgoFloatsProfilingZHUBo-kang*,LIUZeng-hongu,LIURen-qing1,XUJian-pingu(1.SecondInstituteofOceanography,SOA,HangzhouZhejiang310012;2.StatekeylaboratoryofSatelliteOceanEnvironment