技术领域
[0001] 本
发明涉及海洋科学领域,具体涉及一种多参数水质剖面仪(简称RBR)的pH校正方法。
背景技术
[0002] pH表示水中酸性物质氢离子(H+)浓度的负对数(pH=log10[H+]),其作为水环境健康的重要指标,对海洋
生物的生存和繁衍具有重要意义。关于
海水pH值的测定,常规化学法多利用采水器采集水样,并使用台式pH计测定海水的pH值。由于台式pH计的
探头价格较低、易于更换,故测量结果更加精准,但该方法耗时耗
力且只能获取单点pH数据,具有较大的局限性。多参数水质剖面仪的问世为获取高频且连续的剖面数据提供了可能,目前已成为国际上应用最广泛的海洋调查仪器设备之一。该仪器包含
温度、电导(
盐度)、压力(深度)、溶解
氧、有效光合作用辐照(PAR)、叶绿素、
浊度、pH等多个探头,最多可以同时测定13个水下参数。由于其体积小巧,非常适合于近海
水体快速调查、大面积调查、水质剖面观测、走航观测、拖体安装观测、浮标长期观测、海底长期监测等,但仪器长时间工作或位于温
盐跃层处测定时,可能存在数据漂移或响应滞后现象。因此,现场调查过程中可以将两种方法相结合,以台式pH计测定的海水pH值为基准,对多参数水质剖面仪观测的pH 剖面进行校正,两者优势互补能够获取更高频且精确的pH剖面。
[0003] 关于多参数水质剖面仪的pH校正,前人多采用“线性回归法”,而考虑到多参数水质剖面仪pH探头的实际测量误差,高pH更高,低pH更低,即测定过程中斜率发生变化,故该方法的相对误差较大,因此本发明采用“比值法”对多参数水质剖面仪观测的pH数据进行校正,可获取
精度更高、
质量更好的pH剖面,为研究海水理化性质提供良好的数据支持。
发明内容
[0004] 有鉴于此,本发明提供了一种多参数水质剖面仪的pH校正方法,改善因仪器响应随时间漂移产生的测定误差,获取更高精度的pH剖面,为研究海水的理化性质提供更高频且精确的数据
基础。本发明的技术方案如下:
[0005] 一种多参数水质剖面仪的pH校正方法,包括下列步骤:
[0006] 1)数据获取:利用多参数水质剖面仪获取观测海域各
站点的pH剖面S;
[0007] 2)数据质量控制:通过剔除仪器测定过程中的感温数据、逆压校正数据、计算局部标准差去除大振幅奇异值等步骤,对S进行质量控制,质量控制结果用Q表示;
[0008] 3)数据平均:对Q中各站位下行数据进行滑动平均,处理结果用A表示;
[0009] 4)数据校正:以经过pH标准缓冲溶液校准过的台式pH计测定的海水pH值为基准,对A进行校正处理,方法如下:
[0010] 第1步:去除跃层数据,利用多参数水质剖面仪同步观测的温度、盐度、声速、水深2
数据,计算各站位的
浮力频率N,并根据logN>-3确定海水中温度跃层的
位置,去除A中跃层处的pH数据,处理结果用T表示,浮力频率的计算公式为:
[0011]
[0012] 式中,c0为声速,ρ为海水
密度,z为水深,g为重力
加速度,g2/co2一项量级甚小,忽略不计;
[0013] 第2步:计算台式pH计测定的海水pH值与对应T中pH的比值,并将该比值定义为 Ratio,即有:
[0014]
[0015] 式中,pHb为台式pH计测定的海水pH值,pHr指对应多参数水质剖面仪测定的海水 pH值;
[0016] 第3步:假定Ratio近似服从正态分布,计算Ratio的概率密度函数,并对离散较大的 Ratio进行1~3倍标准偏差剔除,处理结果用R表示;
[0017] 第4步:对R与对应T中pH观测数据进行线性拟合,计算观测海域各站位pH剖面的校正系数,方法如下:令y=ax+b,参数a和b用来调整校正曲线的斜率和截距,x表示多参数水质剖面仪观测的pH剖面A,即包含跃层在内的全部pH数据,y表示不同pH对应的校正比例;
[0018] 第5步:将A和y一一对应相乘,获得完整的pH校正剖面。
[0019] 本发明的多参数水质剖面仪的pH校正方法,包括数据获取、数据质量控制、滑动平均处理和数据校正等步骤。首先用多参数水质剖面仪获取观测海域各站点的pH剖面;接下来进行数据质量控制,包括去除感温数据、逆压校正数据和去尖峰处理三个步骤;然后使用“滑动平均法”对质量控制后的pH剖面进行平均输出;最后以台式pH计测定海水的pH值为基准,对多参数水质剖面仪观测的pH平均输出剖面进行校正。本发明方法的特征有:1)多参数水质剖面仪的
采样频率为6Hz,可以获取较为丰富的pH剖面;2)通过pH校正步骤,可以改善因仪器响应随时间漂移产生的测定误差,有效地保证数据质量,为研究海水理化性质提供更高频且精确的数据支持。
附图说明
[0021] 图2是部分实验结果,其中:
[0022] (a)B09站位的跃层剖面图
[0023] (b)Ratio的概率密度函数及频率分布直方图
[0024] (c)Ratio与pHr的线性相关曲线
[0025] (d)pHb与pHr的线性相关曲线
[0026] 图3是2017年黄渤海夏季共享航次校正前后底层pH的大面分布图,其中:
[0027] (a)校正前 (b)校正后
具体实施方式
[0028] 本发明主要包括:数据获取、数据质量控制、数据平均和数据校正等步骤。图1给出了所提方法的
框图。包括:
[0029] 1、数据获取:利用多参数水质剖面仪获取观测海域各站点的pH剖面,并用S表示。仪器在布放前已使用pH=4.01,7.00和9.21的NIST(National Institute of Standards and Technology,USA)标准缓冲溶液在室温下对pH探头进行了校准;布放过程中保证布放船侧迎
风,均匀下放,以便仪器稳定测量。多参数水质剖面仪的
采样频率为6Hz,pH探头测定范围1~13,精度为0.1,可获取较为丰富的pH剖面;
[0030] 2、数据质量控制:为了排除观测过程中由于船体运动、绞车
钢缆摆动以及仪器探头不
稳定性带来的外界干扰,需要对多参数水质剖面仪测定的原始pH剖面S进行质量控制,质量控制结果用Q表示。具体过程如下:
[0031] 第1步:去除感温数据。多参数水质剖面仪入水后需在表层(~1m)停留约1min,完成仪器感温过程,此过程多为虚假数据,应予以去除;
[0032] 第2步:逆压校正数据。当Pi-Pi-1≤0,剔除Pi水深处的pH数据,式中,i为某一站点的数据序列,Pi为i处的压力,Pi-1为i-1处的压力;
[0033] 第3步:去尖峰处理。计算pH剖面在对应深度处的一阶导数及导数的局部标准差,将两者比值超过某一设定
阈值的
信号作为尖峰去除,并用尖峰两端信号的平均值替代。原理如下:
[0034]
[0035] 式中,i为某一站点的数据序列,zi为对应位置的水深,xi为多参数水质剖面仪测得的对应位置的pH数据,Di为对应水深的一阶导数,s为对应水深一阶导数的标准差。使得其中lim为变量,将两者比值超过lim这一阈值的信号作为尖峰去除,并用尖峰两端的平均信号代替。
[0036] 3、数据平均:为了精确地表示测量结果,消除偶然变动引起的随机误差,常对动态测试数据作平滑和滤波处理。本
专利采用“滑动平均法”对Q进行处理(处理结果用A表示),滤除0.2m以下的物理现象,以便下一步研究分析。滑动平均法的基本原理:
[0037] yj=fj+ej j=1,2,...,N
[0038] 式中,yj为动态测试数据,fi为较平滑的测量结果,ei为随机误差。
[0039] 4、数据校正:为改善因仪器响应随时间漂移产生的测定误差,获取更高精度的pH剖面,所提方法以台式pH计测定的海水pH值为基准,对多参数水质剖面仪观测的pH剖面A 进行校正。具体过程如下:
[0040] 第1步:去除跃层数据。温盐跃层附近由于水温、盐度突然而急剧变化,多参数水质剖面仪可能存在响应滞后现象,因此,首先需要对各站位跃层附近的pH数据进行去除。
[0041] 利用多参数水质剖面仪同步观测的温度、盐度、声速、水深等数据,计算各站位的浮力频率N,并根据logN2>-3确定海水中温度跃层的位置,去除A中跃层处的pH数据,处理结果用T表示。浮力频率的计算公式为:
[0042]
[0043] 式中,c0为声速,ρ为海水密度,z为水深,g为
重力加速度。g2/co2一项量级甚小,可忽略不计。
[0044] 第2步:计算台式pH计测定的海水pH值与对应T中pH的比值,并将该比值定义为 Ratio,即有:
[0045]
[0046] 式中,pHb为台式pH计测定的海水pH值,pHr指对应多参数水质剖面仪测定的海水 pH值。
[0047] 第3步:假定Ratio近似服从正态分布,计算Ratio的概率密度函数,并对离散较大的 Ratio进行1~3倍标准偏差剔除,处理结果用R表示。基于上述假设,将有68%数值分布在距离平均值有1个标准差之内的范围,约95%数值分布在距离平均值有2个标准差之内的范围,约99.7%数值分布在距离平均值有3个标准差之内的范围。概率密度函数的计算公式为:
[0048] 记作X~N(μ,σ2),
[0049] 其中,x为第2步中定义的比值Ratio,μ为Ratio的期望,σ为Ratio的标准差,σ2为 Ratio的方差。
[0050] 第4步:对R与对应T中pH观测数据进行线性拟合,计算观测海域各站位pH剖面的校正系数。令y=ax+b,参数a和b用来调整校正曲线的斜率和截距,x表示多参数水质剖面仪观测的pH剖面A,y表示不同pH对应的校正比例。本专利以2017年黄渤海夏季共享航次为例,对离散较大的Ratio作2倍标准偏差剔除处理,拟合所得一元线性曲线为:
[0051] y=-0.0991x+1.8037 R2=0.8225
[0052] 由R=0.9069可以看出,回归曲线中Ratio与pHr的相关性较好,故采用线性拟合法适用于多参数水质剖面仪的pH剖面校正。
[0053] 第5步:将A和y一一对应相乘,获得完整的pH校正剖面。即:
[0054] Y=A×y
[0055] 式中,A为校正前多参数水质剖面仪观测的pH剖面,Y为校正后多参数水质剖面仪观测的pH剖面。
[0056] 对校正前后的两套数据进行线性拟合,以检验pH校正前后是否改变调查海域pH的空间分布,拟合曲线如图2d所示;图3显示了2017年渤黄海夏共享航次底层pH的大面分布,由此可以看出,校正前后pH的空间分布并没有发生改变,但数据质量明显提高,更符合正常海水pH约为7.9~8.1的科学规律。
[0057] 以上所述仅为本发明的优选
实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何
修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。