ARGO浮标海上比测试验研究

张 川 ，胡 波 ，王 聪 ，高占科 ，张少永

（1.国家海洋标准计量中心，天津 300112；2.国家海洋技术中心，天津 300112）

ARGO浮标海上比测试验研究

张 川1，胡 波1，王 聪1，高占科1，张少永2

（1.国家海洋标准计量中心，天津 300112；2.国家海洋技术中心，天津 300112）

通过海上比测试验，对新研制的ARGO浮标的工作稳定性、各传感器计量性能的准确性进行全面客观的评价。采用经过计量检定过的SBE911plus温盐深剖面测量系统及中国ARGO数据库中其它ARGO浮标的相关数据作为参比，得出比测试验结果。分析数据得出结论：被测ARGO浮标与作为参比仪器的SBE911plusCTD所测数据具有良好的一致性，不同仪器间温度和盐度测量结果的相关度均在0.9以上，其中温度误差在-2.5℃～1.5℃之间，盐度误差在-0.15～0.4范围内。对于产生误差的原因进行了分析和总结，总体上得出结论：被测ARGO浮标的工作性能稳定，传感器计量性能准确可靠。

比测试验；ARGO浮标；SBE911plusCTD；相关性；误差

1998年由美国等国的大气、海洋科学家共同推出了全球海洋观测试验项目——ARGO计划，希望能够借此做到快速、准确、大范围地收集全球海洋上层的海水温、盐度剖面资料，以提高气候预报的精度，有效防御全球日益严重的气候灾害（如飓风、龙卷风、台风、冰暴、洪水和干旱等）给人类造成的威胁[1]。在此项计划中，地转海洋学实时观测阵（Array for real-time geostrophic oceanography，ARGO），通 称 “ARGO 全球海洋观测网”将承担全球海洋观测计划海上观测的重任。而这个建立在海洋上的观测网就是由数以千计的卫星跟踪浮标（ARGO浮标）组成的。在此计划提出的十几年间，各国科学家已利用ARGO浮标采集的数据开展了众多海洋研究[2-4]，并取得了丰硕的成果[5-6]。中国作为海洋大国在过去几年间积极参与了ARGO计划，国内的海洋学者利用ARGO观测数据进行了大量的有价值的科学研究和探索[7-13]，推动了我国海洋事业的健康发展，为科学认知海洋、合理利用海洋资源提供了理论依据。

建立全球海洋观测网，ARGO浮标是必不可少的测量设备。它可以在海洋中自由漂移，自动测量海面到设定水深之间的海水温度、盐度和深度，并可通过跟踪它的漂移轨迹，获取海水的移动速度和方向。经过多年的研究积累，我国目前已具备自行研制ARGO浮标的能力[14]。由于ARGO浮标一经投放，即自行工作，无需人为干预，因此在投放前保证其工作状态正常稳定是能否得到真实准确数据的前提。而海洋现场环境往往十分复杂，因此在布放浮标时进行现场比测试验是检验浮标工作情况的最佳手段。

所谓比测，是指在规定条件下，对相同准确度等级的同种计量基准、标准或工作计量器具之间的量值进行的比较。用作比测的计量基准、标准或工作计量器具必须经计量检定确认合格，同时还应按照经合法程序认定的 “比测方法”进行。所谓现场校准或现场比测，则是在测量仪器或测量系统的使用现场进行的校准或比测[15]。通过现场比测可以得到被检仪器设备所采集数据的可靠性，并且通过分析被检仪器与“基准”仪器数据偏差的原因，可对仪器设计制造等环节提供有价值的参考，因此国内外海洋工作者经常采用此方法来获取相关方面资料[16-18]。

本文对两台国家海洋技术中心研制的ARGO浮标的海上比测试验进行了介绍，对实验数据进行了分析，并得出结论。

1 仪器设备

此次比测试验对象为两台自持式剖面循环探测漂流浮标（又称中性剖面探测漂流浮标）。布放后它自动潜入水下设定深度（2 000 m）的水层，随海流保持中性漂浮；经过一段预定的时间后浮标自动上浮直至水面，在上升过程中进行温度、盐度剖面测量；到达水面后仍处于漂浮状态，通过Argos卫星定位与数据传输系统将采集的数据传送给用户；本次测量数据传输后仪器自动下沉到预定深度，重新开始下一个自动循环过程（图1）。仪器指标参见表1。

作为基准的CTD设备为美国SeaBird公司生产的SBE911plusCTD，可测量定点剖面海水温度、盐度、电导率和压力等要素。仪器指标参见表2。

表1 ARGO浮标技术指标

表2 SBE911plusCTD技术指标

图1 ARGO浮标工作流程

2 比测方法

此次试验搭乘“东方红”2号海洋调查船，于2009年10月16日10:00～22:00在南海海域的两个站位进行 （站位1：E118°10.184'，N21°37.111'； 站 位 2：E122°14.318'，N21°18.717'；参见图2）。在站位1和站位2分别投放PTT编号为87620和88173的两个2 000 m深海型ARGO浮标，同时下放SBE911plusCTD采集温盐深数据。10 d后两个ARGO浮标 上 浮 （87620：E122°20.580'，N20°34.200'；88173：E121°58.080'，N20°50.160'） 收 集 到 其 第 一 个 剖 面 的 数 据 ， 与SBE911plusCTD数据进行比对。

图2 A：试验站位及各浮标数据采集点；B：局部放大图

另外，为了进一步检验ARGO浮标的工作性能，我们在中国ARGO数据库中搜索到一台与87620在地理位置和数据采集时间上最接近的ARGO浮标（PTT编号80613：E122°32.040'，N20°1.140'， 数据采集时间与 87620 相差 7 d，（参见图2），对这两个ARGO浮标的数据进行比对。

3 结果与讨论

在比测过程中，无论采用SBE911plusCTD或ARGO浮标80613作为基准进行比对，评价其计量性能均包括测量误差、误差分散性、相关性3个指标。

误差（△x）——测量结果减去被测量的真值，即Δx=xx0。式中：△x称测量误差，又称为测量的绝对误差；x为测量结果；x0为真值（由于真值是不能确定的，实际上使用约定真值，即基准仪器的测量值）。

标准差（s）——对同一被测量作n次测量，表征测量结果分散性的量，可按下式计算：

式中：xi为第i次测量结果；x¯i为n次测量结果的算术平均值。

相关系数 （r）——表示两个变量之间相互依赖性的度量，它等于两个变量间的协方差除以各自方差之积的正平方根，为：

其估计值：

相关系数是一个-1和+1范围内的纯数。

3.1 SBE911plusCTD为基准的比测结果

ARGO87620及ARGO88173第一个剖面的数据与SBE911plus的结果比较如图3、图4所示。由于ARGO浮标上浮过程中采集的数据间隔较大（400 m以上大约间隔100 m采一次数据），而SBE911plus采样频率为每1 m采一次数据，因此在这里对于SBE911plus的数据我们挑选出与ARGO浮标数据相对应的进行作图比较。由数据可以看出，整体上ARGO浮标与SBE911plus的测量结果（温度和盐度）数据具有良好的一致性，相关系数都在0.9以上，说明ARGO浮标的工作稳定性和各计量性能准确可靠（表3）。同时，由测量误差（图 5、图 6）可以看出，ARGO浮标与 SBE911plus的数据存在微小差别。其中，温度误差在-2.5℃～1.5℃之间，盐度误差在-0.15～0.3范围内。温度、盐度在浅水区和跃层区域误差较大，1 000 m以下误差极小且较稳定。造成这种结果主要是由于在浅水区，温度和盐度的变化比较显著，尤其诸如黑潮的流经等因素引起的跃层结构区域内的海水各项参量都处于不稳定状态，而比测所采用的ARGO浮标第一剖面的数据与SBE911plusCTD的定点数据在时间上相差约10 d，地理位置也有所变化，因此被测海水的不确定性在这里起主要作用。当达到压力1 000 m以下的深水区后，由于海水环境相对稳定，因此比测结果的误差也相应减小，这一点也印证了以上“海水不确定性起主要作用”的推断。

图3 ARGO87620与SBE911plus在同一压力下的温度、盐度测量结果比较

图4 ARGO88173与SBE911plus在同一压力下的温度、盐度测量结果比较

表3 ARGO浮标与SBE911plusCTD比测结果评价

图5 ARGO87620与SBE911plus温度、盐度测量结果误差的比较（A温度误差；B盐度误差）

3.2 ARGO80613为基准的比测结果

在国家ARGO数据库中经过比对查找，选择PTT编号为80613的ARGO浮标数据与此次试验中的ARGO87620进行比对。ARGO80613是2008年10月9日投放在西北太平洋巴士海峡海域的APEX型剖面浮标，其性能稳定可靠，截至此次试验时已正常工作1 a。将其作为参比数据的来源可以有效地说明此次投放的ARGO浮标的性能状态。

结果如图7、图8所示，两台浮标的温度和盐度数据基本一致（表 4），温度误差范围为-2.5℃～0.5℃，盐度误差在-0.15～0.4范围内。误差的分布规律与3.1中的情况相同，在浅水区/跃层区域误差较大，1 000 m以下的深水区误差很小。而两台ARGO浮标采样点的差异也是造成图示上数据不吻合的原因之一，因此加大采样密度，按照不同需求控制采样间隔也是ARGO浮标有待进一步改进的方面。

图6 ARGO88173与SBE911plus温度、盐度测量结果误差的比较（A温度误差；B盐度误差）

图7 ARGO87620与ARGO80613在同一压力下的温度、盐度测量结果比较

图8 ARGO87620与ARGO80613温度、盐度测量结果误差的比较（A温度误差；B盐度误差）

表4 ARGO87620与ARGO80613比测结果评价

4 结论

通过对ARGO浮标的比测试验，验证了此次投放的ARGO87620和ARGO88173的工作状态和测量准确性，对于2 000 m深海型ARGO浮标的研制和使用提供了参考依据，为此类仪器计量性能和稳定性考察提供了新的方法和思路。

[1]ROEMMICH D,JOHNSON G C,RISER S,et al.The argo program observing the global ocean with profiling floats[J].Oceanography,2009,22(2):34-43.

[2]ADRIAN J M,PATAMA S,KAREN J H.Deep ocean impact of a Madden-Julian Oscillation observed by Argo floats[J].Science,2007,318,1765-1769.

[3]CHU P C,IVANOV L M,MELNICHENKO O V,et al.Argo floats revealing bimodality of large-scale mid-depth circulation in the North Atlantic[J].Acta Oceanol Sin， 2008,27(2)：1-10.

[4]SHIGEKI H,TOSHIO S,NOBUYUKI S,et al.Global surface layer salinity change detected by Argo and its implication for hydrological cycle intensification[J].J Oceanogr,2009,65,579-586.

[5]ROEMMICH D,Argo Steering Team.Argo the challenge of continuing 10 years of progress[J].Oceanography,2009,22(3):46-55.

[6]朱伯康,许建平.国际Argo计划执行现状剖析[J].海洋技术,2008,27(4)：102-114.

[7]张艳慧,王凡,臧楠.基于Argo浮标和历史资料的热带西太平洋次表层与中层水年代变化分析[J].海洋学报,2008,30(6)：17-23.

[8]苏京志,王东晓,张人禾,等.南海Argo浮标观测结果初步分析[J].海洋与湖沼,2008,39(2)：97-104.

[9]ZHANG Y H,YU X L,WANG F.Origins and pathways of the subsurface and intermediate water masses of the Indonesian Throughflow derived from historical and Argo data[J].Acta Oceanol Sin， 2008，27(4)：17-25.

[10]XIE J P，ZHU J.Estimation of the surface and mid-depth currents from Argo floats in the Pacific and error analysis[J].J Marine Syst,2008,73(1-2)：61-75.

[11]ZHOU H,GUO P F,XU J P,et al.Direct measurements of surface and middepth circulation in the Shikoku Basin by Argo profiling floats[J].Acta Oceanol Sin， 2007,26(2)：1-11.

[12]薛惠芬,苗春葆,董明媚.全球ARGO浮标及其观测资料状况分析[J].海洋技术,2005,24(4)：23-28.

[13]孙朝辉,刘增宏,朱伯康.全球海洋中Argo剖面浮标运行状况分析[J].海洋技术,2006,25(3)：127-134.

[14]余立中,张少永,商红梅.我国Argo浮标的设计与研究[J].海洋技术,2005,24(2)：121-129.

[15]赵维三,李希玲.海洋监测仪器的现场校准和比测[J].气象水文海洋仪器,2004,(1)：52-54.

[16]刘红,何青,虞志英,等.河口海岸测流仪器比测研究[J].海洋工程,2007,25(4)：60-65.

[17]PRAKASH C,MANNIL M,SHAILESH N.Comparative analysis of ocean color measurements of IRS-P4 OCM and SeaWiFS in the arabian sea[J].IEEE Trans Geosci Remote Sens,2003,41(4)：922-926.

[18]李震,冯雷,邱薇.几种测流设备的比测试验及分析[J].海洋技术,2006,25(4)：42-45.

Comparative Study of Argo Floats on Sea Trial

ZHANG Chuan1,HU Bo1,WANG Cong1,GAO Zhan-ke1,ZHANG Shao-yong2
（1.National Center of Ocean Standard and Metrology,Tianjin 300112,China;2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

The stability and accuracy of the ARGO floats were evaluated objectively and comprehensively through the comparative testing on the sea.The data of temperature,conductivity and depth collected by ARGO floats and SBE 911PLUS (Sea-Bird Electronics,Inc.,USA)were analyzed,while compared with other ARGO floats which had been worked for over 1 year.The result indicated that the instruments had high internal consistency reliability.The correlation results of different instruments were more than 0.9.The temperature error was between-2.5℃ to 1.5℃ and the salinity error was-0.15 to 0.4.The cause of these errors are analyzed and summarized.The test verified that the performance and stability of ARGO floats are stable.The results are important for the future research and development of ARGO floats.

comparative test;ARGO float;SBE911plusCTD;correlation;error

P715.2

B

1003-2029（2011）02-0094-05

2011-04-15

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2006AA09A306）

张川（1981-），男，工程师，博士，主要从事海洋仪器检定校准工作。