用于海水温度测量的仪器设备较多，如早年使用较多的测温计(液体和机械式温度计、电子温度计)、玻璃液体温度计、表面温度计、颠倒温度计等。下面对当前使用较多的温深系统作简要介绍。

温深系统可以测量水温的铅直连续变化。常用的仪器有温盐深(CTD)测量仪、抛弃式温深(XBT)测量仪、抛弃式温盐深(XCTD)测量仪、走航式温盐深测量仪(MVP300)等。利用温深系统测水温时，每天至少应选择一个比较均匀的水层与颠倒温度计的测量结果对比一次。如发现温深系统的测量结果达不到所要求的准确度，应调整仪器零点或更换仪器探头。对比结果应记入观测值班日志。

1.温盐深测量仪

温盐深(Conductivity Temperature Depth，CTD)测量仪用于测量水体的电导率、温度及深度三个基本的水体物理参数。根据此三个参数，还可以计算出其他各种物理参数，如声速等。温盐深测量仪是海洋及其他水体调查的必要设备。

CTD测量仪自1974年问世后很快被用于海洋调查中。在多国联合进行的大规模调查中作出了贡献。我国的海洋调查也日益广泛地使用CTD测量仪。CTD测量仪和其他一些高准确度、快速取样仪器以及卫星观测手段的联合应用，使得海洋调查和海洋学研究进入了一个全新的阶段，并推动了海洋中、小尺度过程和海洋微细结构的研究。

温盐深测量仪主要由水中探头和记录显示器及连接电缆组成。探头，由热敏元件和压敏元件等构成，与颠倒采水器一并安装在支架上，可投放到不同深度；记录显示器，除接收、处理、记录和显示通过铠装电缆从海水中探头传来的各种信息数据外，还能起到整套设备的操纵器功能。盐温深测量仪可测定海洋不同水层或深度的海水水温、盐度、氧含量、声速、电导率及压力，用以研究海水物理化学性质、水层结构和水团运动状况。

当前，市场上的温盐深测量仪型号较多，下面以CTD90M温盐深测量仪为例作简要介绍。

CTD90M温盐深测量仪用内置电池组供电，在预设的时间间隔或者深度间隔上采集的数据存储在128M存储卡上。通过标准RS-232接口进行数据采集程序的设计和数据读取。SST提供的标准数据读取软件包(SST-SDA)，可在Windows 95/98/Me/2000/XP系统中使用，可以处理数据记录过程，并通过一个共享的图形用户界面显示实时获得的数据或存储的数据。

(1)CTD90M温盐深测量仪集成的传感器

CTD90M温盐深测量仪可以同时集成以下传感器:压力(深度)、温度、电导率、pH、氧化还原电位(ORP)、浊度、溶解氧/快速响应溶解氧、硫化氢、光合有效辐射、叶绿素a、流速及其他需要的传感器，所有传感器在钛舱室中得到保护。

(2)尺寸和重量

长度(框架):约350mm，直径(框架):90mm，长度(总长):460mm，重量(在空气中):约4kg，内置电池:碱性电池8Ah。

(3)主要特性

光学窗口显示传感器的实际状况，底部最多9个探头，最多4个外部单元，深度范围最深可达6000m，可以控制和操作HYDRO-BIOS多通道水样采集器或浮游生物连续采样网，SDA数据读取软件可在Windows 95/98/Me/XP系统中使用，计算采用联合国教科文组织(UNESCO)的公式。

(4)工作模式

直读式工作，自容式工作。

(5)数据记录模式

直读式工作时，数据可及时观测并全部记录。

自容式工作时，数据记录模式有3种:①连续模式，每一组数据都存储下来；②时间间隔模式，采用数个可选方案，按照设定的时间间隔记录数据；③深度间隔模式，按照设定的深度间隔记录数据。

(6)数据处理

CTD90M温盐深测量仪集成了一个由精确的微处理器所控制的4通道20位的模/数转换器，可以把模拟信号转换成数字信号，数据以RS-232格式传输(通过多芯电缆)到计算机中。在利用RS-232格式传输时，CTD90M温盐深测量仪可以利用电池，也可以利用直流电(7～15V)进行供电。

(7)CTD90M温盐深测量仪标准传感器配置

CTD90M温盐深测量仪/温盐深剖面测量仪直读模式的系统配置见表3.1:FSK遥测和RS-232。

表3.1　CTD90M温盐深测量仪标准传感器配置

2.抛弃式温深测量仪

抛弃式温深测量仪XBT是一种常用的测量温深系统。它由探头、信号传输线和接收系统组成。探头通过发射架投放。探头感应的温度通过导线输入接收系统并根据仪器的下沉时间得到深度值。在船舶航行时使用的XBT，称为船用投弃式温深计(SXBT)；利用飞机投弃的XBT，称为航空投弃式温深计(AXBT)。XBT易投放，并能快速地获得温深资料，因而应用广泛。

探头深度根据记录时间，由下降关系式计算得出:

式中，d为深度，m；t为时间，s。

t的二次项表示下降速度随时间增加而减小。这是由于导线逐渐释放，探头重量减少所致。装在探头上热敏电阻时间常数为0.1s，把它代入式(3.1)，可得深度的分辨率为65cm。最通用的两种探头分别可测到450m和700m以浅的温度数据。

XBT的主要优点是使用成本低。它可以接装在各种船只上。缺点是容易发生多种故障:①由于导线通过海水地线形成回路，如果记录仪接触不良，就记录不到信号；②如果导线碰到船体边缘，将绝缘漆磨损，就可能使记录出现尖峰或上凸等，导致数据失真；③如果导线暂时被挂住，导线拉长，也会出现记录温度升高的现象。

美国海军使用的机载投弃式温深计AXBT，能够测量300～500m水深的海水温度剖面。从飞机上发射的投掷体在空中下降过程中利用自旋稳定旋浆(或用降落伞)放慢下降速度。当它触及海面时，其底盘和旋浆脱落，天线伸出；大约5s后开始发射未调制的连续无线电载波；10～100s以后，位于下端的热敏传感器探头从飘浮的AXBT壳体上脱落，与此同时用音频对载波进行调制。音频与热敏电阻感应的温度成比例地变化，其变化关系由仪器制造者给出:

式中，f为音频，Hz；T为温度；a，b分别为常数。

音频信号产生后，通过导线传输到AXBT投掷体。然后再把调制载波信号送到飞机上，转换成直流电压信号，并把该信号与时间函数记录在长图记录器上。温度准确度达0.5℃。探头下降速度为1.52m/s。大约需要200s才能测出300m水深的温度。AXBT体长为92cm，直径为12.5cm，重8.2kg，到达海面后7分钟沉入水底。这种仪器的优点是成本低(与用船投放相比)，能够从飞机上投放，可为海洋专家提供大范围真实海温。但是，飞机飞行高度和速度都受限制，一般飞行高度低于3000m，飞行速度小于463km/h，从而缩短了飞机有效航程。

3.抛弃式温盐深测量仪

抛弃式温盐深(XCTD)测量仪的工作原理如下:XCTD测量仪探头由船上的探头发射装置发射入水，实时采集温度与电导率数据，信号通过传输导线传到观测室内的数据接收装置中，接收装置对接收到的数据进行分析计算。上位机检测到探头的入水信号后，开始对接收到的数据进行解析并实时显示、存储。探头内部和发射装置中分别有一个传输线线轴，随着探头的下降，两个线轴自然展开。当导线达到最大长度后，导线拉断，探头沉入海底，整个测量过程结束。

XCTD测量仪由4部分组成，包括投弃式探头、探头发射装置、数据接收装置(PCI数据采集卡)和上位机数据处理软件，其中发射装置位于甲板上，数据接收装置和数据处理软件都位于船舱的观测室内，组成结构如图3.3所示。

图3.3　XCTD组成框图

(1)测量探头

XCTD探头由温度传感器和电导率传感器完成海水温度和电导率的测量，模数转换之后通过发射电路将数字信号发到传输线上。

(2)发射装置

发射装置是一个枪状装置，用户扣动扳机，装置中探头就会像子弹一样射入水中。发射装置中有一个同探头中一样的传输导线线轴，此线轴连接探头中的线轴与数据接收装置，探头在下降的过程中，两个线轴同时展开，这样就避免了由于船舶走航和探头下降导致传输线拉力过大而断裂。

(3)数据接收装置

对经过传输线传输到船上的信号进行处理，主要分为数据恢复、数据处理和数据传输三个模块。由于经过导线的传输，信号发生了严重的失真，采用相应数据恢复电路，恢复出与发送端一样的数字基带码型，为后面的数据处理做好准备。数据处理模块负责把接收到的数据进行计算，由电导率值计算出盐度，由时间和下降速度计算出深度，以及按照提前设计好的传输协议对数据进行打包。数据传输模块实际上是一个UART接口，将并行数据变为串行，并发送给上位机的串口。

(4)实时数据处理软件

探头入水进行信号判断，对接收到的数据帧进行解析，然后将温、盐、深三路探头发射装置发射入水，实时采集温度与电导率数据，信号通过传输导线传到观测室，实时数据处理软件是对数据进行实时显示，并有数据存储功能。

4.走航式CTD测量仪(www.daowen.com)

走航式CTD测量仪(MVP300)是一个走航式海水剖面测量系统，在船速为12kn时，测量深度可达300m，随着船速的减小，测量深度增大。该系统能够连续提供声速、温度、盐度等海洋参数的垂直剖面和水平梯度。MVP300是完全自动化的测量系统，系统测量由计算机直接控制。系统组成包括拖鱼、甲板卷缆筒、液压系统、拖曳杆、有远程控制接口的控制器。图3.4所示为MVP300系统框图。

开始测量时，系统拖鱼处于拖曳状态，使卷缆筒处于自由模式并松开刹车，拖鱼将在海水中作近似垂直下落，速度大约为3m/s。一旦到达预先设定的深度，系统启动刹车，停止放缆。接着，马达启动收缆，直至拖鱼到达拖曳深度。以后拖鱼的投放就从这里开始，无论连续投放或间隔投放，都由控制计算机控制。

MVP300温盐深测量系统的电导率传感器灵敏度高，在传感器以7m/s的速度下落时仍可以正常测量。母船通过拖曳电缆为传感器供电，同时数据也通过这根电缆实时传送到控制计算机，计算机经简单处理后保存在硬盘上。MVP300系统的拖鱼采用流体设计，绞车采用全自动液压装置的先进设计。该系统绞车的卷缆筒摩擦力特别小，轻轻一拉就能转起来，它的电缆是由凯夫拉的新材料构成，重量轻，不生锈，比同直径的钢缆拉力还大。当拖曳母船以0～12kn航速航行时，释放卷缆筒刹车，使拖鱼处于自由状态，由于卷缆筒摩擦力很小，拖缆又轻，再加上拖鱼的流线形设计，拖鱼在自身重力的作用下，几乎以自由落体的垂直方式下落，这就保证了测量数据几乎都在一个垂直直线上。

图3.4　MVP300系统框图

MVP300温盐深测量系统和传统的CTD相比较，其有可以自动控制的液压绞车，整个系统的吊放、回收、系统检查都可以通过计算机自动控制进行，而且设有多种安全保护装置，在出现紧急情况时可以立即制动，保护系统免受破坏。

MVP300系统测量时的参数设定:

(1)拖曳深度

拖曳深度是指每次剖面测量之间拖鱼在水中的深度。

拖曳深度一般设为10～20m，也可以根据具体的测量进行调整。拖曳深度由拖曳速度、拖缆长度、海流和海况决定，在缆长一定的情况下，船速越快拖鱼就越浅，船速越小拖鱼就越深，但不会超过这时的缆长。拖曳速度在6kn以上时，拖鱼深度一般都能保持在10m左右。当拖曳速度低于6kn时，拖鱼的重力相对于船的拖曳力大很多，拖缆与水平面的夹角一般大于60°，这时拖缆不能放得太长，尤其在进行海表面各项参数的测量时。

(2)拖曳速度

拖曳速度是指测量时测量母船的船速。

拖曳速度主要由测量间隔、海水深度、海流等决定。在拖缆长度确定的情况下，拖曳深度就由拖曳速度来控制，速度变化范围是0～12kn。在拖曳测量间隔确定的情况下，拖曳速度就由海区的深度来确定。

另外，系统还有一个限制，就是拖曳速度和最大出缆长度的限制，当拖曳速度一定时，出缆长度有一个最大限制，这主要与拖缆能承受的拉力有关。表3.2为拖曳速度与最大出缆长度的关系。

表3.2　拖曳速度与最大出缆长度的关系

(3)拖曳最大深度

拖曳最大深度是指拖鱼能够到达的最大深度，在这个深度，拖曳绞车自动进行回收。

拖曳最大深度一般由海区深度确定，保证最少离海底20m，这样可以保证拖鱼不碰底。在船速较快的情况下，虽然设置最大深度可以保证测量要求，实际上却达不到要求的测量深度，这时，就要减慢船速，甚至进行定点测量。例如，在船速为10kn的情况下，要求测到1000m，可是最大出缆长度只有1400m，加上拖缆倾斜，可能实际测量海深还不到500m，这时就要减慢拖曳速度。

最大深度、拖曳速度、出缆长度这3个量是相互关联的，在设备安全的情况下，可以互相调整这3个量，满足实际测量要求。

5.卫星海表温度遥感

卫星海洋遥感，是基于电磁波与大气和海洋的相互作用原理，利用卫星捕获海洋反射回的电磁波信息，加以分析获取海洋参数，属于多学科交叉的学科，其内容涉及物理学、海洋学和信息学，并与空间技术、光电子技术、计算机技术、通信技术密切相关。卫星海洋遥感是20世纪后期海洋科学取得重大进展的观测技术之一。

与传统的船舶、浮标数据相比，海洋遥感资料具有以下无可比拟的优点:

①大面积同步测量，且具有很高或较高的空间分辨率。可满足区域海洋学研究乃至全球变化研究的需要。20世纪后期国际海洋界执行和参与的大型研究计划，如世界气候研究计划(WCRP)，热带海洋与全球大气研究计划(TOGA)，世界大洋环流实验(WOCE)，全球海洋通量联合研究计划(JGOFS)，海岸带海陆相互作用计划(LOICZ)等，都采用了卫星海洋遥感所提供的数据集。

②可满足动态观测和长期监测的需求。20世纪90年代，各国海洋卫星计划已构成10～20年时间尺度的连续观测，以满足海洋环境业务化监测和气候研究的迫切要求。

③实时或准实时性。可满足海洋动力学观测和海洋环境预报的需要。目前，卫星对于同一海域的观测时间间隔为半个小时至一个月。

④卫星资料不仅具有大面积同步测量的特点，同时具有自动求面积平均值的特点，尤其适用于数值模型的检验和改进。卫星资料在海洋数值模式中的数据同化是当今的前沿研究课题之一。

⑤卫星观测可以涉及船舶、浮标不易抵达的海区。

卫星海表温度测量主要是基于海面热红外辐射的原理。卫星海表温度(Sea Surface Temperature，SST)是最早从卫星上获取的海洋环境参数，是卫星海洋遥感中最为成熟且应用最为广泛的技术。卫星海表温度测量已实现业务化，在大中尺度海洋现象和过程、海洋-大气热交换、全球气候变化以及渔业资源、污染监测等方面有重要应用。

卫星SST常分为海表皮温和海表体温。前者指海表微米量级海水层的温度，后者指海表0.5～1.0m海水层的温度。

利用红外波段测温的物理基础是普朗克辐射定律。温度为T(K)的黑体的辐射率由普朗克函数给出

其中，普朗克常数h＝6.6262×10－34J·s，玻尔兹曼常数k＝1.3806×10－23J/K，光速c＝3×108m/s。地球表面平均温度约为300K，其黑体辐射峰值波长在8～14μm。实际物体的辐射还与比辐射率有关，在红外谱段，海洋的比辐射率e≈0.98，随波长、海水温盐、海况的变化极小。

在红外谱段，大气存在两个窗口，即3μm～5μm波段和8μm～13μm波段，如图3.5所示。图中，7mm、29mm、54mm总可降水量(total precipitable water)分别对应极地、中纬度、热带。可见，热带大气透射率最低，证明水汽是主要的吸收因子。11μm、12μm为海水辐射峰值区。3.7μm波长水汽吸收弱，透射率高。因此，红外辐射计的光谱通道设在3.7μm、11μm、12μm。

图3.5　大气透射率随波长的变化

这里，仅介绍从AVHRR(美国国家海洋和大气管理局(NOAA)系列卫星的主要探测仪器)原始数据反演海表温度，包括读带、辐射量定标、几何校正、云检测、海表温度反演，流程如图3.6所示。

图3.6　从AVHRR原始数据反演海表温度流程框图

NOAA采用的业务化海表温度反演算法有MCSST、CPSS和NLSST三类，其中MCSST包括劈通道算法和三通道算法。

劈通道算法:

三通道算法:

卫星海表温度广泛应用于海洋动力学、海气相互作用、渔业经济研究和污染监测等方面。

在海洋动力学方面利用海表温度研究了黑潮和湾流的特征，赤道海域Kelvin波、Rossby波的传播过程。此外，还利用卫星海表温度发现了诸多中尺度涡旋，并研究了中尺度涡旋、上升流、锋面的变化。小尺度海洋动力特征方面，主要研究了湍动的精细结构。

海气相互作用方面，利用卫星海表温度结合其他数据研究全球气候变化，计算海洋热收支、CO2气体交换系数等。特别值得一提的是，卫星海表温度已进入天气、海洋数值预报业务。

渔业方面，卫星海表温度可为渔业部门提供鱼类的洄游路线和渔场的有关信息。

污染监测方面，利用卫星反演技术可以监测石油污染、大型电站冷却水排放造成的热污染等。