ARGO剖面浮标电导率传感器漂移问题研究.doc

1、1ARGO 剖 面 浮 标 电 导 率 传 感 器 漂 移 问 题 探 讨 童 明 荣 1， 许 建 平 1， 3， 马 继 瑞 2， 3， 刘 增 宏 1， 3， 孙 朝 辉 1， 3（ 1.国 家 海 洋 局 第 二 海 洋 研 究 所 ， 浙 江 杭 州 310012； 2. 国 家 海 洋 信 息 中 心 ， 天 津 300171；3. 国 家 海 洋 局 海 洋 动 力 过 程 与 卫 星 海 洋 学 重 点 实 验 室 ， 浙 江 杭 州 310012）摘 要 ： ARGO 剖 面 浮 标 在 海 上 长 期 工 作 ， 其 携 带 的 电 导 率 传 感 器 漂 移 会 导 致

2、测 量 数 据 误 差 ， 从而 影 响 观 测 资 料 的 质 量 。 本 文 利 用 误 差 理 论 和 回 归 分 析 、 曲 线 拟 合 等 数 理 统 计 方 法 ， 检 测 和 处 理由 ARGO 剖 面 浮 标 电 导 率 传 感 器 漂 移 所 带 来 的 测 量 误 差 ， 并 对 太 平 洋 、 大 西 洋 和 印 度 洋 上 已 经 发现 有 电 导 率 传 感 器 漂 移 的 ARGO 资 料 进 行 了 校 正 ， 取 得 了 比 较 理 想 的 结 果 。关 键 词 ： ARGO 剖 面 浮 标 ； 电 导 率 传 感 器 ； 漂 移 ； 校 正1 引 言ARGO

3、计 划 是 目 前 国 际 海 洋 研 究 中 最 活 跃 和 规 模 最 大 的 观 测 计 划 ， 旨 在 建 立 一 个实 时 的 、 高 分 辨 率 的 全 球 海 洋 监 测 系 统 ， 用 于 快 速 、 准 确 、 大 范 围 地 收 集 全 球 海 洋 上 层的 温 度 和 盐 度 剖 面 资 料 。 在 未 来 十 年 内 ， 全 球 海 洋 中 将 会 建 成 一 个 由 3000 个 ARGO浮 标 组 成 的 大 洋 观 测 网 ， 每 年 提 供 约 10 万 个 剖 面 的 温 、 盐 度 资 料 。目 前 ， 在 国 内 外 的 海 洋 和 大 气 科 学 领 域

4、 ， 已 经 有 很 多 利 用 ARGO 资 料 开 展 数 据同 化 试 验 、 海 洋 和 海 气 耦 合 模 式 模 拟 以 及 水 团 分 析 等 应 用 研 究 ， 并 取 得 了 一 些 可 喜的 成 果 ， 也 预 示 着 ARGO 资 料 运 用 的 美 好 前 景 。 可 以 预 计 ， ARGO 资 料 将 是 以 后 海洋 和 大 气 科 学 工 作 者 作 研 究 的 重 要 基 础 数 据 来 源 。但 剖 面 浮 标 由 于 其 抛 弃 式 和 长 期 在 海 上 漂 泊 的 特 性 ， 传 感 器 的 不 稳 定 性 或 卫 星 传送 出 现 误 码 等 因 素

5、 ， 都 会 使 观 测 结 果 产 生 较 大 的 偏 差 。 特 别 是 盐 度 观 测 ， 其 采 用 的电 导 率 传 感 器 会 随 着 时 间 产 生 较 大 的 漂 移 ， 而 浮 标 的 漂 移 特 性 又 决 定 了 其 不 可 能 回 收 ，也 就 无 法 进 行 实 验 室 校 正 。 所 以 ， 对 盐 度 观 测 资 料 进 行 有 效 的 质 量 控 制 ， 以 便 给 用 户提 供 高 质 量 的 ARGO 浮 标 资 料 ， 将 是 一 项 非 常 重 要 而 又 必 不 可 少 的 工 作 。在 过 去 的 几 年 中 ， Freeland（ 1997） 和

6、Bacon 等 （ 2001） 已 经 做 了 许 多 尝 试 ， 提出 利 用 历 史 观 测 资 料 或 在 时 间 、 空 间 上 相 邻 的 观 测 资 料 来 校 正 并 提 高 ARGO 浮 标 观测 的 盐 度 精 确 度 。 目 前 ， 根 据 不 同 的 ARGO 资 料 用 户 ， 建 立 了 两 个 资 料 质 量 控 制 模 式 ，一 个 称 为 “实 时 （ 24 72h 以 内 ） 质 量 控 制 模 式 ”， 其 特 点 是 处 理 快 速 、 时 间 短 ， 资 料精 确 度 一 般 ， 但 已 无 明 显 的 错 误 ， 适 用 于 海 洋 和 天 气 业 务

7、 预 报 部 门 或 在 海 上 从 事 捕 捞作 业 的 渔 民 等 ； 另 一 个 称 为 “延 时 （ 90d 以 内 ） 质 量 控 制 模 式 ”， 经 过 该 模 式 处 理 的资 料 ， 其 精 确 度 可 以 达 到 ARGO 计 划 要 求 的 技 术 指 标 （ 温 度 和 盐 度 的 精 确 度 分 别 为0.5 和 0.01） ， 资 料 质 量 可 以 得 到 可 靠 保 证 ， 适 用 于 科 学 研 究 和 海 气 耦 合 模 式 ， 以 及对 长 期 气 候 的 预 测 模 式 中 。 美 国 华 盛 顿 大 学 的 Wong 等 （ 2001） ， 利 用 2

8、001 年 全 球海 洋 数 据 库 中 的 剖 面 浮 标 数 据 ， 已 经 开 发 出 一 种 校 正 ARGO 浮 标 盐 度 数 据 的 方 法 。而 澳 大 利 亚 联 邦 科 学 和 工 业 研 究 组 织 （ CSIRO） 的 科 学 家 们 ， 则 采 用 了 ARGO 浮 标周 围 的 WOCE CTD 数 据 库 中 的 历 史 观 测 资 料 进 行 校 正 （ CSIRO， 2001） 。 这 两 种 质量 控 制 方 法 已 经 在 一 些 国 家 的 ARGO 资 料 中 心 进 行 尝 试 应 用 。 基金项目：国 家 科 技 部 国 际 科 技 合 作 重 点

9、 项 目 （ 2002CB714001） 、 国 家 基 础 研 究 重 大 项 目 前 期 研究 专 项 （ 2001CCB00200） 和 国 家 海 洋 局 青 年 基 金 项 目 。22 问 题 的 提 出遗 憾 的 是 ， 以 上 两 种 校 正 方 法 并 非 完 美 无 缺 ， 首 先 它 们 的 校 正 效 果 的 好 坏 很 大 程度 上 取 决 于 历 史 数 据 库 可 靠 与 否 。Taiyo Kobayashi 和 Shinya Minato（ 日 本 ， 2003） 等 利 用 日 本 海 洋 科 技 中 心（ JAMSTEC） 提 供 的 太 平 洋 历 史 数

10、据 库 ， 并 应 用 Wong 等 提 出 的 方 法 ， 校 正 太 平 洋ARGO 浮 标 的 盐 度 数 据 ， 效 果 就 有 所 改 善 。 图 1（ a） 为 用 JAMSTEC 提 供 的 太 平 洋历 史 数 据 库 对 太 平 洋 上 的 5900110 号 浮 标 5 层 上 的 盐 度 校 正 结 果 ， 而 图 1（ b） 用 的是 Wong 等 提 供 的 历 史 数 据 库 校 正 结 果 。 很 明 显 ， JAMSTEC 提 供 的 气 候 学 数 据 更接 近 于 浮 标 观 测 的 盐 度 数 据 ， 其 校 正 效 果 更 好 。图 1 5900110

11、号 浮 标 5 层 上 盐 度 随 时 间 变 化（ a） 用 JAMSTEC 提 供 的 气 候 学 数 据 库 （ b） 用 Wong 等 提 供 的 气 候 学 数 据 库其 次 ， 上 述 两 种 校 正 方 法 对 电 导 率 传 感 器 漂 移 误 差 的 处 理 效 果 还 有 待 改 进 。浮 标 上 电 导 率 传 感 器 的 漂 移 主 要 是 由 生 物 污 染 或 防 止 生 物 污 染 的 生 物 杀 伤 剂 腐 蚀 引起 的 。 这 些 过 程 引 起 的 物 理 变 化 会 导 致 电 子 元 器 件 改 变 几 何 形 状 以 及 有 效 容 积 ， 结 果 导

12、致 电 导 率 观 测 值 与 真 值 的 差 异 。图 2 29036 号 浮 标 T-S 曲 线（ a） 正 常 （ b） 传 感 器 漂 移在 浮 标 漂 移 距 离 不 是 很 大 的 情 况 下 ， 海 水 的 物 理 性 质 在 一 段 时 间 内 变 化 甚 微 ， 尤 其3是 在 深 层 水 中 。 如 在 西 北 太 平 洋 海 域 ， 正 常 的 T-S 曲 线 在 中 层 和 深 层 应 该 是 汇 聚 的（ 图 2a） ， 但 是 如 果 电 导 率 传 感 器 发 生 漂 移 后 ， 即 使 是 中 层 和 深 层 的 T-S 曲 线 都 会 出现 不 正 常 的 发

13、 散 （ 图 2b） 。Wong 等 假 定 电 导 率 传 感 器 元 件 是 随 时 间 慢 慢 改 变 的 ， 而 不 是 突 然 变 化 的 。 因 此 ，简 单 地 采 用 线 性 方 法 及 气 候 学 数 据 来 校 正 电 导 率 传 感 器 漂 移 问 题 。 这 种 方 法 对 传 感 器漂 移 的 线 性 假 定 ， 是 其 处 理 效 果 有 待 提 高 的 原 因 之 一 。 图 3（ a） 显 示 了 有 传 感 器 电 导 率 漂 移 问 题 的 5900319 号 浮 标 所 观 测 的 盐 度 垂 直分 布 曲 线 ， 而 图 3（ b） 则 是 采 用 Wo

14、ng 等 （ 2001） 方 法 处 理 后 的 盐 度 垂 直 分 布 曲 线 ，可 见 校 正 结 果 并 不 明 显 。图 3 5900319 号 浮 标 盐 度 垂 直 分 布 曲 线（ a） 观 测 结 果 （ b） 校 正 结 果 毫 无 疑 问 ， 利 用 海 洋 调 查 船 在 ARGO 浮 标 观 测 的 剖 面 附 近 水 域 得 到 的 现 场 测 量 数据 ， 作 为 评 判 标 准 ， 是 对 ARGO 数 据 进 行 校 正 和 质 量 控 制 的 最 理 想 方 法 。 尽 管 这 样的 方 法 不 可 能 应 用 于 所 有 的 ARGO 浮 标 ， 但 比 上

15、 述 方 法 更 显 其 优 越 性 。3 资 料 来 源 和 方 法自 国 际 ARGO 计 划 于 2001 年 实 施 以 来 ， 各 国 已 经 在 太 平 洋 、 大 西 洋 和 印 度 洋 上布 放 了 近 千 个 浮 标 ， 同 时 也 发 现 了 一 些 存 在 电 导 率 传 感 器 漂 移 的 ARGO 浮 标 ， 我 们从 中 选 取 了 漂 移 距 离 不 是 很 大 、 测 量 剖 面 超 过 30 个 （ 时 间 大 约 为 1 年 ） ， 并 且 测 量深 度 达 到 或 接 近 2000m 的 23 个 ARGO 浮 标 的 剖 面 数 据 作 为 研 究 对

16、象 。一 般 ARGO 剖 面 浮 标 的 采 样 间 隔 为 ： 1000m 水 深 以 浅 是 10 20m； 在 1000m 以深 是 50 100m。 然 后 ， 把 其 剖 面 观 测 数 据 插 值 到 0 2000m 的 标 准 层 上（ 0m， 10m， 20m， .， 1750m， 2000m） ， 表 层 和 底 层 采 用 线 性 内 插 ， 其 他 层 次 采 用Akima 插 值 6。ARGO 计 划 在 设 计 浮 标 观 测 网 时 ， 选 择 2000m 作 为 浮 标 最 大 测 量 深 度 的 原 因 之 一 ，即 为 了 便 于 ARGO 浮 标 资 料

17、的 质 量 控 制 。 因 为 在 这 一 深 度 上 ， 对 某 个 特 定 海 域 而 言 ，海 水 的 性 质 在 相 当 长 时 间 内 几 乎 是 均 衡 的 ， 如 果 浮 标 漂 移 距 离 不 是 很 大 的 话 ， 每 个观 测 剖 面 2000m 水 深 处 的 盐 度 应 不 变 或 基 本 不 变 。 我 们 对 ARGO 浮 标 电 导 率 传 感 器漂 移 问 题 的 检 测 和 处 理 都 将 基 于 这 个 假 定 。 根 据 Taiyo Kobayashi 以 及 Shinya Minato（ 日 本 ， 2003） 的 工 作 ， 在 热 带 太 平 洋 和

18、 东 印 度 洋 用 1000m 处 的 盐 度 校 正 就可 以 ， 而 在 北 太 平 洋 则 至 少 要 用 1500m 处 盐 度 。 这 里 由 于 所 选 浮 标 观 测 深 度 都 接 近 或4达 到 了 2000m， 为 了 方 便 一 律 取 2000m 处 盐 度 作 质 量 控 制 的 依 据 。利 用 海 洋 调 查 船 投 放 ARGO 浮 标 是 最 理 想 的 方 式 ， 这 样 可 以 在 浮 标 投 放 位 置 附 近作 CTD 仪 比 测 。 2002 年 12 月 2003 年 1 月 ， 国 家 海 洋 局 第 二 海 洋 研 究 所 在 主 持 承担

19、国 家 基 础 研 究 重 大 项 目 前 期 研 究 专 项 期 间 ， 使 用 “向 阳 红 14”号 科 学 考 察 船 在 西北 太 平 洋 海 域 执 行 了 一 个 专 门 航 次 ， 布 放 13 个 ARGO 剖 面 浮 标 。 在 本 航 次 中 ， 采 用船 载 CTD 仪 和 实 验 室 盐 度 计 等 观 测 仪 器 设 备 ， 与 ARGO 剖 面 浮 标 进 行 准 同 步 观 测 ，即 在 ARGO 浮 标 布 放 后 ， 在 浮 标 布 放 点 附 近 进 行 CTD 仪 观 测 ， 并 在 一 些 特 定 深 度 上采 集 海 水 样 品 ， 再 用 实 验

20、室 盐 度 计 测 量 出 它 们 的 盐 度 值 ， 以 此 来 观 察 ARGO 剖 面 浮标 观 测 资 料 的 准 确 和 可 靠 性 。 这 也 为 检 查 ARGO 浮 标 投 放 后 传 感 器 的 工 作 状 态 提 供 了丰 富 的 比 较 数 据 。对 于 温 盐 深 剖 面 仪 （ 即 CTD 仪 ） ， 目 前 已 经 有 了 一 套 较 为 完 整 的 资 料 校 正 和处 理 方 案 。 其 中 的 一 些 方 法 对 于 ARGO 浮 标 观 测 数 据 校 正 同 样 有 效 。 例 如 利 用 中 位 数滤 波 技 术 来 去 掉 一 些 误 差 较 大 的

21、数 据 ； 用 Fofonoff 迟 后 订 正 法 或 者 Grose 迟 后 订 正法 消 除 “盐 度 尖 峰 ”； 用 滑 动 平 均 滤 波 器 消 除 噪 声 ； 用 线 性 内 插 对 原 始 数 据 进 行 压 缩处 理 等 。 这 些 方 法 在 很 多 文 献 中 已 有 详 细 介 绍 26， 有 的 方 法 也 将 直 接 引 用 到 本 文 的工 作 中 。结 合 前 述 处 理 CTD 仪 的 方 法 和 气 候 学 校 正 方 法 ， 本 文 试 图 运 用 误 差 理 论 和 数 理统 计 等 方 法 ， 并 采 用 现 场 CTD 仪 比 较 观 测 资 料

22、， 处 理 由 ARGO 浮 标 电 导 率 传 感 器 漂移 所 产 生 的 观 测 误 差 。4 电 导 率 传 感 器 漂 移 检 测按 常 规 调 查 方 法 ， CTD 仪 必 需 在 调 查 航 次 的 前 （ 后 ） 接 受 权 威 部 门 的 标 定 ， 以保 证 得 到 高 精 度 的 观 测 数 据 。 本 航 次 所 用 的 SeaBird911 CTD 仪 在 航 次 前 ， 经 过 了 国家 海 洋 标 准 计 量 中 心 的 标 定 。 图 4（ a） 为 5900228 号 浮 标 附 近 采 用 CTD 仪 观 测 的 盐度 垂 直 分 布 曲 线 与 实 验

23、室 盐 度 计 （ AutoSal 8400B 型 ） 测 量 结 果 的 比 较 ， 可 见 ， 通 过采 集 水 样 测 定 的 各 特 定 层 上 的 盐 度 与 CTD 仪 的 观 测 结 果 是 吻 合 的 。 然 后 ， 比 较 CTD仪 观 测 结 果 与 ARGO 浮 标 观 测 结 果 （ 图 4b） 。 可 以 看 到 ， CTD 仪 观 测 的 盐 度 分 布 曲线 与 ARGO 浮 标 观 测 结 果 大 体 吻 合 ， 且 1000m 水 深 以 下 吻 合 程 度 更 佳 。 至 于 出 现 的某 些 差 异 （ 尤 其 在 表 层 ） 则 与 ARGO 剖 面 浮

24、 标 的 观 测 特 性 有 关 ， 即 两 者 观 测 并 非 在 同步 状 态 下 进 行 ， 而 是 在 CTD 仪 测 量 后 第 10 天 才 获 得 浮 标 的 第 一 个 剖 面 资 料 ， 故 存 在微 小 的 差 异 实 属 正 常 。 这 些 分 析 结 果 充 分 表 明 ， 5900228 号 浮 标 在 布 放 初 期 的 观 测 资料 是 准 确 、 可 信 的 。图 4 5900228 号 浮 标 观 测 结 果 比 较5（ a） CTD 仪 与 盐 度 计 （ b） CTD 仪 与 ARGO 浮 标结 合 2000m 水 深 处 的 盐 度 不 变 的 假 定

25、， 由 浮 标 观 测 的 第 一 个 剖 面 2000m 处 的 盐度 数 据 ， 可 以 认 为 是 以 后 所 有 剖 面 2000m 深 度 处 盐 度 的 真 值 。 这 是 我 们 用 以 检 测ARGO 浮 标 电 导 率 传 感 器 漂 移 的 依 据 。我 们 把 某 个 浮 标 观 测 到 的 所 有 剖 面 的 盐 度 垂 直 分 布 曲 线 （ S-P 曲 线 ） 集 合 在 一 起 ，直 观 看 上 去 ， 从 海 面 直 到 2000m 水 深 的 包 络 线 都 很 宽 ， 说 明 此 浮 标 的 电 导 率 传 感 器已 经 发 生 了 漂 移 1)。 从 图

26、5 显 示 的 29036 号 浮 标 所 有 剖 面 的 盐 度 垂 直 分 布 曲 线 和 浮标 漂 移 轨 迹 图 来 看 ， 浮 标 的 漂 移 距 离 不 是 很 大 ， 观 测 得 到 的 海 洋 状 况 ， 特 别 是 深 层（ 2000m） 盐 度 变 化 不 可 能 很 大 ， 而 该 浮 标 变 化 值 超 过 0.4， 可 见 该 浮 标 的 电 导 率 传感 器 存 在 漂 移 确 信 无 疑 。图 5 29036 号浮标盐度垂直分布（a）及漂移轨迹（b）图 6 29036 号 浮 标 观 测 数 据 与 气 候 学 数 据 比 较（ a） 第 一 个 剖 面 （ b）

27、 最 后 一 个 剖 面1) Annie Wong ,American,通 讯6进 一 步 ， 还 可 以 比 较 浮 标 观 测 数 据 与 气 候 学 数 据 及 周 边 ARGO 浮 标 、 CTD 仪 观测 数 据 ， 来 检 验 浮 标 电 导 率 传 感 器 状 态 的 变 化 。 图 6 显 示 了 29036 号 浮 标 的 第 一 个和 最 后 一 个 剖 面 与 气 候 学 数 据 的 T-S 曲 线 比 较 。 图 7 显 示 了 29036 号 浮 标 的 第 一 个 和最 后 一 个 剖 面 与 邻 近 ARGO 浮 标 和 CTD 仪 观 测 数 据 的 S-P 曲

28、 线 比 较 。 很 明 显 ， 第 一个 剖 面 与 气 候 学 数 据 以 及 邻 近 的 ARGO 浮 标 数 据 非 常 接 近 ， 而 最 后 一 个 剖 面 则 偏 离 很远 。 从 而 可 以 说 明 投 放 初 期 浮 标 电 导 率 传 感 器 是 好 的 ， 而 后 来 传 感 器 发 生 了 漂 移 。图 7 29036 号 浮 标 与 邻 近 浮 标 、 CTD 仪 观 测 结 果 的 比 较 （ a） 第 一 个 剖 面 （ b） 最 后 一 个 剖 面为 了 从 数 值 上 判 断 电 导 率 传 感 器 的 漂 移 问 题 ， 要 把 ARGO 浮 标 观 测 得

29、 到 的 深 层（ 2000m） 盐 度 数 据 与 浮 标 所 在 区 域 的 气 候 学 数 据 比 较 ， 如 果 浮 标 观 测 得 到 的2000m 处 盐 度 数 据 大 多 在 该 浮 标 所 在 区 域 气 候 学 数 据 的 变 化 范 围 （ 2 ， 为 标 准 偏差 ） 之 外 ， 那 么 我 们 认 为 浮 标 上 的 传 感 器 已 经 发 生 了 漂 移 。这里我们引用 Wong 等的方法，利 用 和 浮 标 剖 面 的 观 测 时 间 相 近 、 位 置 相 邻 的WOA2001 数 据 ， 可 以 得 到 浮 标 剖 面 位 置 处 的 盐 度 客 观 估 计

30、值 和 估 计 误 差 。 那 么 ， 如 果浮 标 观 测 得 到 的 2000m 处 盐 度 数 据 与 区 域 气 候 学 数 据 客 观 估 计 值 之 差 超 过 2 倍 的 估计 误 差 ， 可 以 认 为 传 感 器 已 经 产 生 漂 移 。 从图 8 看到， 29036 号浮标 2000m 处盐度值，大约从第 21 个剖面开始，就超出区域气候学数据范围之外（2 ） ，表面该浮标的电导率传感器是在第 21 个剖面后发生漂移的。 Annie Wong ,American,通 讯7图 8 29036 号浮标观测的盐度数据与气候学数据在 2000m 层上的比较5 校 正 方 法 及

31、资 料 处 理检 测 到 某 浮 标 的 电 导 率 传 感 器 发 生 漂 移 后 ， 本 文 提 出 采 用 误 差 理 论 和 回 归 分 析 、曲 线 拟 合 等 数 理 统 计 方 法 来 处 理 ， 可 以 取 得 符 合 实 际 的 结 果 。 叙 述 如 下 ：误 差 是 观 测 值 与 真 值 之 间 的 偏 离 。 一 般 情 况 下 ， 把 观 测 值 的 算 术 平 均 值 作 为 随 机变 量 观 测 值 的 真 值 。 上 面 已 经 证 明 了 ARGO 浮 标 投 放 初 期 电 导 率 传 感 器 是 好 的 ， 因此 ， 这 里 把 误 差 定 义 为 ：

32、浮 标 每 个 剖 面 上 盐 度 数 据 与 第 一 个 剖 面 盐 度 数 据 之 差 。 根据 误 差 产 生 原 因 不 同 ， 可 以 分 为 过 失 误 差 、 随 机 误 差 和 系 统 误 差 。5.1 过 失 误 差 的 发 现 与 处 理过失误差，也即观测资料中少数比正常数值大得多或小得多的所谓异常数据。如果浮标测量海区受到了严重污染或者卫 星 传 送 出 现 误 码 等 都 会 导 致 过 失 误 差 。对于可疑数据应该用数理统计的方法判别其真伪，并决定取舍。这里用莱 因 达 准 则 来 判 别 和 剔 除 过 失误 差 ， 即 凡 剩 余 误 差 超 出 +3 的 为

33、过 失 误 差 ， 该 数 据 将 被 剔 除 ， 并 用 相 邻 数 据 插 值替 代 。图 9 5900152 号浮标 2000m 处盐度误差随时间的变化（a）处理前 （b）处理后图 9（ a） 给 出 了 5900152 号 浮 标 2000m 处 盐 度 误 差 随 时 间 的 变 化 ， 除 了 第 39个 剖 面 的 误 差 较 大 外 ， 基 本 上 呈 周 期 性 变 化 趋 势 。 于 是 ， 采 用 莱 因 达 准 则 判 别 ， 发现 第 39 个 剖 面 为 过 失 误 差 ， 该 点 数 据 用 前 后 两 个 剖 面 的 数 据 插 值 替 代 （ 图 9b） 。5

34、.2 随 机 误 差 的 判 断 与 处 理随 机 误 差 是 一 种 偶 然 的 、 未 能 预 料 到 的 误 差 ， 是 难 以 避 免 和 校 正 的 误 差 。 检 验 工 作中 随 机 误 差 的 分 布 符 合 正 态 分 布 规 律 ， 它 是 由 许 多 难 以 控 制 的 微 小 因 素 造 成 的 。 例 如 ，传 感 器 内 生 物 杀 伤 剂 的 正 常 变 化 和 试 验 海 区 环 境 条 件 的 微 小 变 化 等 。 由 于 每 个 因 素 出现 与 否 ， 以 及 这 些 因 素 所 造 成 的 误 差 大 小 、 方 向 事 先 无 法 知 道 ， 其 发

35、 生 完 全 出 于 偶 然 ，因 而 很 难 在 测 试 过 程 中 加 以 消 除 。对 于 有 限 测 定 次 数 ， 测 定 值 的 偶 然 误 差 分 布 不 符 合 正 态 分 布 ， 而 是 符 合 t 分 布 ，则 应 该 用 t 分 布 来 处 理 。 这 里 用 假 设 检 验 （ t 检 验 法 ） 和 分 布 检 验 图 示 法 （ 正 态 概 率图 、 直 方 图 ） 来 判 断 误 差 是 否 符 合 正 态 分 布 （ 或 t 分 布 ） ， 即 是 否 是 随 机 误 差 。取 太 平 洋 、 大 西 洋 和 印 度 洋 上 23 个 发 生 电 导 率 传 感

36、 器 漂 移 问 题 的 ARGO 剖 面 浮 标为 例 ， 经 t 检 验 ， 发 现 其 中 6 个 浮 标 的 各 剖 面 2000m 盐 度 误 差 符 合 t 分 布 。 进 一 步 ，8用 正 态 概 率 图 和 直 方 图 确 认 是 否 正 态 分 布 。图 10（ a） 是 29039 号 浮 标 的 各 剖 面 2000m 盐 度 误 差 随 时 间 的 变 化 。 图 10（ b）为 误 差 直 方 图 ， 可 以 看 到 误 差 分 布 基 本 符 合 正 态 分 布 形 式 ， 从 图 10（ c） 误 差 正 态 概率 图 中 看 到 ， “ ”几 乎 连 成 一

37、条 直 线 ， 同 样 说 明 是 符 合 正 态 分 布 的 。 于 是 我 们 可 以说 此 误 差 为 符 合 t 分 布 的 随 机 误 差 ， 用 平 均 值 法 来 减 免 。图 10 29039 号 浮 标 误 差 随 时 间 的 变 化 （ a） 、 直 方 图 （ b） 和 概 率 分 布 图 （ c）假 设 浮 标 有 n 个 剖 面 ， 每 个 剖 面 2000m 层 的 盐 度 测 量 值 分 别 为 ，201S， .， ， .， 。 由 于 我 们 假 定 了 第 一 个 剖 面 2000m 层 盐 度 测 量20S20iSnS值 为 真 值 ， 因 此 各 剖 面

38、2000m 层 盐 度 测 量 值 的 “剩 余 误 差 ”分 别 为 ：12010SS。 。 。 。 。 。 20120ii。 。 。 。 。 。 20120SSn由 于 这 些 “剩 余 误 差 ”符 合 正 态 分 布 ， 各 剖 面 2000m 盐 度 测 量 真 值 应 该 是 所 有 测量 值 的 平 均 值 ： 20iSniS120 )()()(1 20120201202012020 SSSSn ni niiiSS120201于 是 各 剖 面 2000m 盐 度 测 量 误 差 真 正 误 差 为 ：120 i9)(2020 iikiikiikii SSSRS niiiiiik

39、i 101202020 iSS。 。 。 。 。 。 2020 iii。 。 。 。 。 。 2020 inSS 对 于 某 一 个 剖 面 i（ i=1,2.n） 上 面 每 一 标 准 层k（ 0m， 10m， 20m， .， 1750m,2000m） 上 的 因 传 感 器 漂 移 引 起 的 误 差 是 一 样 的 （ 同一 时 间 、 同 一 传 感 器 ） ， 即 。201175201 .SS假 定 每 个 剖 面 i（ i=1,2， .， n） 每 个 标 准 层k（ k=0m， 10m， 20m， .， 1750m,2000m） 上 的 盐 度 观 测 数 据 为 Sik ，

40、于 是 ， 第 i 个剖 面 的 k 标 准 层 上 的 去 除 因 “传 感 器 漂 移 ”引 起 的 误 差 后 ， 盐 度 校 正 值 RSik 可 以 利用 下 式 得 到 ： 图 11 29039 号 浮 标 盐 度 垂 直 分 布 曲 线 及 漂 移 轨 迹（ a） 校 正 前 （ b） Wong 等 校 正 结 果 （ c） Tong 等 校 正 结 果 （ d） 漂 移 轨 迹图 11 为 29039 号 浮 标 进 行 随 机 误 差 处 理 前 后 的 盐 度 垂 直 分 布 和 用 Wong 等（ 2001） 方 法 校 正 后 的 盐 度 垂 直 分 布 的 比 较 ，

41、 可 见 本 文 的 处 理 结 果 （ 图 11c） 要 优 于前 者 。5.3 系 统 误 差 识 别 与 处 理10（ 1） 系 统 误 差 分 类处 理 了 过 失 误 差 和 随 机 误 差 后 ， 把 剩 下 的 误 差 当 作 系 统 误 差 处 理 。所 谓 系 统 误 差 ， 一 般 是 指 在 确 定 的 测 试 条 件 下 ， 采 用 某 一 种 测 试 方 法 和 某 一 测 试 装置 所 固 有 的 误 差 。 通 常 ， 引 起 这 一 类 误 差 的 原 因 ， 在 进 行 测 试 之 前 就 已 经 存 在 ， 所 以 系统 误 差 在 测 试 过 程 中 始

42、终 有 确 定 的 规 律 性 。 根 据 系 统 误 差 在 测 量 过 程 中 所 具 有 的 不 同特 性 ， 可 将 它 分 为 定 值 系 统 误 差 和 变 值 系 统 误 差 。定 值 系 统 误 差 是 在 整 个 测 量 过 程 中 ， 误 差 大 小 和 方 向 始 终 不 变 的 ， 它 对 每 一 测 量值 的 影 响 均 为 一 定 的 常 量 。 ARGO 浮 标 电 导 率 传 感 器 的 定 值 系 统 误 差 是 由 仪 器 生 产 厂家 、 仪 器 校 准 部 门 直 接 提 供 给 观 测 者 和 资 料 处 理 部 门 的 ， 他 们 可 根 据 这 些

43、 校 准 参 数 ， 对原 始 记 录 进 行 校 正 。 而 我 们 得 到 的 ARGO 剖 面 浮 标 数 据 都 已 经 经 过 了 实 时 质 量 控 制 以及 上 述 校 准 ， 所 以 这 里 忽 略 定 值 系 统 误 差 。 也 即 ， 我 们 把 ARGO 浮 标 电 导 率 传 感 器漂 移 误 差 作 变 值 系 统 误 差 来 分 离 和 处 理变 值 系 统 误 差 的 特 点 是 在 整 个 测 量 过 程 中 ， 误 差 的 大 小 和 方 向 随 测 试 的 某 一 个 或 几个 因 素 按 确 定 的 函 数 规 律 而 变 化 。 按 照 其 变 化 规

44、律 又 可 分 为 线 性 变 化 、 周 期 性 变 化 和复 杂 规 律 变 化 的 系 统 误 差 。线 性 变 化 的 系 统 误 差 按 照 其 变 化 规 律 又 有 两 种 ， 一 种 是 从 第 一 个 剖 面 开 始 就 有 系 统误 差 ， 另 一 种 是 从 中 间 某 剖 面 开 始 才 有 系 统 误 差 。 图 12（ a） 中 看 到 5900175 号 浮 标属 于 前 者 ， 而 图 12（ b） 中 29036 号 浮 标 属 于 后 者 。图 13（ a） 显 示 的 是 周 期 性 变 化 的 系 统 误 差 ， 图 13（ b） 中 的 4900218 号 浮 标 是复 杂 规 律 变 化 的 系 统 误 差 的 例 子 。图 12 线 性 变 化 的 系 统 误 差（ a） 29036 号 浮 标 （ b） 5900175 号 浮 标