学术交流▏基于双传感器CTD剖面数据分析
经过长期的海洋观测，人们对海洋温盐结构有了比较充分的了解，基本掌握了海洋温盐的季节变化特征和海区特点。笔者长期从事海洋调查资料处理分析工作，在对温盐资料处理分析工作中，遇到的资料包括调查船在漂泊或锚泊状态下定点投放设备观测的CTD温盐资料，走航状态下观测的XBT、XCTD温盐资料以及Argo漂流浮标温盐观测资料等各种类型。
长期以来，在CTD资料处理方面，很多的海洋工作者和科研人员给予了大量的关注和研究，取得各种研究成果。CTD资料处理的研究内容主要包括异常值处理、实验室标定、盐度滞后订正等问题。最近几年随着Argo漂流浮标使用的增多，更多研究内容转向浮标资料的盐度订正问题。
现在，高精度的温盐观测仪器使用较为普遍，经过多年的发展，我们往往会很自然地认为CTD观测数据一定是准确可靠的，但事实并非如此。近几年在海洋调查中双传感器SBE CTD投入使用，最近笔者对一批双传感器SBE CTD观测资料进行了处理分析，发现了一个以前单传感器CTD无法注意的问题，对于数据可靠性具有很大影响，并对此进行了分析。
图1是某CTD测站观测的温度剖面曲线，横坐标为温度，纵坐标为深度，其中左图为下降过程温度曲线，右图为上升过程温度曲线。从图中可以看出，下降过程曲线和上升过程曲线有较大的区别。
该测站观测是在调查船上，使用双传感器SBE CTD进行的，所谓双传感器是在仪器上同时装有两个温度和电导率传感器，压力传感器还是一个，是近几年出现的一种新的仪器类型。
图2是同一测站另一温度传感器剖面曲线，同样左图为下降过程温度曲线，右图为上升过程温度曲线。比较图1和图2可以发现，同一个测站4条温度剖面曲线，表现出3种不同的特征ꎮ只有上升过程的两条温度曲线是一致的。
比较同一深度的温度值在梯度大的地方，下降曲线与上升曲线最大差异超过3℃。这种情况不是很常见，但也绝非个例。
⒈ 下降及上升观测过程分析
在海上进行CTD温盐剖面观测，仪器下水之前已经开始采集空气中的数据。在整个下降和上升过程中一直都处于工作状态，那么下降和上升过程采集的温度数据哪个更好呢？
CTD传感器安装在仪器的下端，在下降过程中传感器最先接触到海水，通常认为下降过程中测量的是处于自然状态的观测数据，最接近于真实的海洋。在上升过程中，最先接触海水的是仪器的框架和主体，搅动了传感器上方的海水，处于下端的传感器接触到的是经过混合的海水。因此在一般情况下，会很自然地认为下降过程观测数据优于上升过程数据。但是在多数情况下，下降曲线和上升曲线的数据和形状都是比较接近的，仪器的搅动不足以解释为何差异如此之大。
⒉ 基于测点位置的分析
CTD观测过程都是在船只漂泊的状态下完成的，观测深度小的情况整个过程需要几十分钟，观测深度大的(200m)情况需要3h以上。在整个过程中船只由于受到风以及海流的影响，不断漂移，有时会多达3～4n mile以上，所以CTD的观测过程并不是真正的定点观测，而是在不断变化的位置上进行观测。由此可见，由于时间和测点位置的变化也可能造成下降和上升过程数据的不一致。但是时间和测点位置的变化尺度相对还是很小，不足以产生轮廓上太大差异。
⒊ 传感器稳定性分析
通过上面的分析可以看出，无论是通过下降及上升观测过程分析还是基于测点位置的分析，都无法判别那个数据更为准确，但事准确的剖面曲线只有一个。此时对于只有一组传感器的CTD仪器，已经无法做出选择。
安装了双传感器的CTD仪器给使用者提供了更为有利的数据判别工具。在仪器工作正常的情况下，安装位置很近的两个传感器感应数据一定是非常接近的。比较图1和图2可以发现，对于相同时间、相同位置的两个传感器观测数值，在某一段时间出现了较大的差异，最大的可能是在此过程中仪器工作不稳定，观测结果是错误的。从而可以判别的仪器工作的稳定性，如果两个传感器数据存在一定的差异，说明观测数据是不可靠的，去伪存真，保留最优的观测结果。这些分析对于单传感器CTD是无法实现的，此案例中上升过程的两条温度曲线是非常一致，是更为可靠的观测数据。
图3绘制的是两组传感器整个过程中都稳定工作的温度剖面曲线。图中绘制了上升和下降过程温度剖面，数值比较接近。同为上升和下降过程的两个温度传感器的观测数据非常一致，在图中完全重合在一起。
双传感器CTD为我们提供了更加准确观测海洋温盐结构的工具。通过本文的分析，明确了利用双传感器CTD观测数据的一致性作为判别观测数据是否正常可靠的原则。CTD观测过程中仪器不稳定的情况时有发生，是一个必须重视的问题，在数据处理可以利用这一原则通过数据的比较分析，选择最优的观测结果，充分发挥双传感器CTD所带来的优势，避免将错误的结果用于进一步的数据分析和应用。
■作者简介：董津生，1969年出生，男，天津人，高级工程师，硕士，主要从事海洋水文观测资料管理和处理工作。
资料来源于《中国测绘地理信息学会海洋测绘专业委员会第二十七届海洋测绘综合性学术研讨会论文集》，版权归《海洋测绘》所有。其他平台如要转载，请备注作者与出处。