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应用对比分析法分析连云港温盐井水温数据

2020-02-21 324 上传者：管理员

摘要：温盐井在海洋系统得到了普遍推广，探究温盐井的性能也就是研究所测得的水文数据的有效性，符合形势要求。本文选择了连云港海洋环境监测站的温盐井水温观测系统近一年井内外水温资料，进行了对比分析，水温数据有96.2％通过技术规定，确切地指出温盐井达到了测量表层海上温度的技术要求。

关键词：
水温误差
海水表层水温
海洋观测
温盐井
滞后效应
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1、前言

海水温度是海洋基本参数之一，是全球海—气系统最重要的变量之一，是气候变化的关键指标，是海洋营养盐、初级生产力和渔场分布的重要影响因子，是诸多海洋水文要素中最重要和最基本的要素，是整个海洋系统的重要组成部分[1－3]。目前，对海水温度的研究，主要集中在研究其演变规律和在海洋环境中的作用。例如乔方利认为海水温度的分布与变化主要取决于海区的热量平衡状态[4]，张阳等基于ARGO数据对黑潮水温的研究[5]，中村启美等对西太平洋海域升温现象的研究[6]，石强对渤海冬季温盐的研究[7]等。对海水温度测量方法和数据处理的研究也不少。例如金义亭等设计的高精度海水温度检测系统[8]，林建国等对CTD中水温资料的处理的研究[9]，肖付民等研究了水温对声纳影响的研究[10]等。但是，具体到对我国海洋系统中广泛应用的温盐井测量海水温度系统的研究不多。

自20世纪50年代开始，我国陆续在全国沿海建立并投入运行了72个岸基海洋观测站(包括岛屿站)，并获取了大量沿岸海域海洋环境基础数据[11]。沿海台站所获取的海水温度主要是指海面表层海水温度，即海水表面到0.5m深处海水温度，其获取手段由早期的水温表感温，人工读取，发展到电子式自动感温实时在线观测。我国海水表层温度自动观测系统一般安置在一专门建筑物—温盐井内，我国«海滨观测规范»中对此规定如下:温盐井是为了观测表层海水温度和表层海水盐度而专门设置的建筑设施，内径一般不小于0.4m，在理论最高潮位和理论最低潮位之间，每隔0.5m设一进水孔，进水孔的直径不小于0.1m，以保证井内外水体的自由交换[12]。对温盐井性能的研究主要有:张伟在1991年针对小麦岛海洋站自动观测系统运行情况研究中，指出温盐井内外水温虽然有差异，但是在容许可接受的范围内，总体上温盐系统符合技术要求[13]。宋升锋等在2009年在对岚山海洋站温盐井测温系统井内外水温的对比分析中指出，该温盐井内外水温一致，符合相关技术要求[14]。丁森在对日照海洋站温盐井建设研究中指出温盐自动仪器在温盐井中运行正常，井内外水温差异小，完全符合技术要求[15]。但上述这几例研究中，存在一个共同的弱项，即温盐井内外水温比测时的时段很短，只有一个白昼。针对这样情况，本文选择了连云港海洋环境监测站的温盐井水温观测系统近一年井内外水温资料，进行了对比分析，以期发现温盐井水温观测系统的工作特性，为提高海水温度资料质量水平和改善温盐井性能提供帮助。

2、温盐井内外水温比对分析

连云港海洋环境监测站于2013年5月17日，在温盐井里安装了温盐自动观测系统。用同期水银水温表测得的井外海水表层温度和温盐井中自动观测系统测得的海水表层温度进行了比对，每日3次，分别于08、14、20时进行对比观测。至2014年5月17日，共取得1082对温盐井内外海水表层水温比对数据。

2.1 水温误差的年、月分析

在进行分析时，假定井外测得的海表水温为海表水温真值，那么井内测得的水温减海表水温真值，就是温盐井测温系统的测量误差。经统计得，全年平均算术误差为－0.07℃，绝对误差均值为0.16℃，最大正误差为1.6℃，最大负误差为－1.6℃。在水温低温阶段，例如水温不大于3.0℃时，绝对最大误差值为0.2℃；而在高温阶段，例如水温不低于28.0℃时，绝对最大误差值为1.6℃。上述数据说明，温盐井测温系统与水温表测温(井外)所得的水温系列在统计属性上没有大的变化，主要表现为均值和最低值，变异不大，在海滨观测规范等级范围内(自动测温系统技术等级规定为第3级，即最大误差在为±0.5℃)，而差异最大的就是年最高水温值，最大绝对误差达1.6℃，影响了水温极值的统计。更为具体的差值月分析见图1。

图1温盐井内外海表水温误差月份分布示意图

可以看出在秋冬季水温的绝对误差值要小于春夏季。由于温盐井特有的物理结构，使得井内井外水体充分交换需要时间，即井内水温变化总要滞后于井外水温的变化。秋冬季水温高于气温，致使表层水温降温，密度增大，从而产生水体上下对流，混合均匀，水温变化幅度小，因而引起的井内外差值也小。春夏季刚好相反，一般水温低于气温，表层水温升温，表层海水密度变小，使得水体形成上层密度小、下层密度大的稳定结构，这样的稳定结构更有利于表层水温快速响应日照和气温的变化，从而使得井内外水温差值大。算术误差平均值只有秋季是正值，其他季节都是负值，这是由于只有秋季气温在快速下降，从而引起水温同步下降，又因为井外水温要先于井内水温变化，才引起水温平均误差为正。而其他季节气温总体而言，要么上升，要么稳定在某个值附近，再加之温盐井的滞后效应，水温差值一般就表现为负值。

按照海滨观测规范水温观测的等级规定看，连云港温盐井测温有79.6％的数值在二级范围内，二至三级有16.6％，即有96.2％的水温数据符合海滨观测规范规定的三级标准，只有3.8％的水温观测数据超出规范规定级别范围，为可疑数据。这说明连云港温盐井总体性能基本符合海滨观测规范的技术要求，所获的水温数据有96.2％通过技术规定，有3.8％的水温数据作为可疑数据存在。可以进一步统计出每个月份的水温数值符合三级准确度的部分的比例，见表1。从中可以发现，11、12和1月份水温数据合格率达100％，这和上节分析的原因相同；而8月水温数据合格率只有91.3％，为全年最低。

表1连云港温盐井海表水温数据符合三级准确度部分占比

通过误差的正负号分析，可以分析出系统是否存在系统误差。计算水温误差正负值各占正负值出现的总次数的比例，见表2，发现9、10、11月份，正误差占优，分布在70％~79％之间，而其他月份负误差占优，特别是3、4月份负误差更是高达90％以上，全年平均正号占34.1％，负号占65.9％。从上述发现可得出该温盐井测温系统存在系统误差，该系统误差在9、10和11月为正值，其他月份为负值。全年表现为正的系统误差，这是温盐井滞后效应的体现。

表2连云港温盐井海表水温误差正负号分布表

2.2 水温误差的时次分析

在观测时次上对水温误差等级进行统计，得表3，发现8时和20时符合二级标准的数据高达87％以上，三级合格率达98％以上，超出观测等级之外的可疑数据不到2％，而14时的观测数据，只有61.9％达二级观测标准，达三级标准的有92.2％，超出观测等级之外的可疑数据有7.8％。这些说明，14时的误差比8时和20时的都大，其原因为中午日照强烈，引起井外水温变化远快于井内。在误差均值上也表现为14时水温变化快，从而形成误差大这一现象。14时水温平均算术误差为－0.16℃，而8时和20时分别为－0.02℃和－0.01℃。

表3连云港温盐井海表水温8、14、20时

同样在时次上进行误差正负号研究，经统计得表4，发现各个时次上“－”符号占优，特别是14时“－”符号更是占78.5％，20时正负号占比比较接近，负号占比为53.8％。这说明温盐井测温系统14时存在明显的系统误差，8时的系统误差较轻，20时几乎不存在系统误差，在阴雨天，各时次的误差就很小，说明日照是系统误差的主要外因。

表4连云港温盐井海表水温8、14、20时

3、结束语

通过对连云港海洋环境监测站温盐井测温系统的误差的分析，得出以下结论。

(1)温盐井自动测温系统测得的水温系列和人工观测所得的水温系列在统计属性上基本保持一致，差异比较大的地方是水温最高值部分，影响级差统计。(2)秋冬季水温的绝对误差值要小于春夏季。(3)水温数据有96.2％通过技术规定，有3.8％的水温数据作为可疑数据存在。(4)温盐井滞后效应的存在，使其测温系统存在系统误差。(5)14时的误差比8时和20时的都大，并存在系统误差，全年绝对误差均值大约为－0.16℃。参照«海滨观测规范»中规定的水温自动观测系统的技术要求，连云港海洋环境监测站的温盐井水温自动观测系统技术性能基本符合规范要求，能在实际工作中使用。

参考文献:

[1]侍茂崇.物理海洋学[M].济南:山东教育出版社,2004.

[2]陈则实,王文海,吴桑云,等.中国海湾引论[M].北京:海洋出版社,2007.

[3]张阳,陈春涛,朱建华,李铜基.基于ARGO数据的日本以南黑潮水温垂直变化研究[J].海洋测绘,2011,31(6):52-55.

[4]中村启美,马兰.西太平洋海域升温现象仍在持续[J].海洋测绘,1998,18(4):57-59.

[5]石强.渤海冬季温盐年际变化时空模态与气候响应[J].海洋通报,2013,32(5):506-513.

[6]金义亭,刘敬彪,章雪挺.高精度海水温度检测系统设计[J].电子器件,2011,34(5):542-545.

许娴,孙克渠,王超,李用留,葛修军.连云港温盐井水温资料对比分析[J].海洋测绘,2019,39(3):80-82.