2020年，加拿大达尔豪斯大学联合爱尔兰海洋研究所、德国 GEOMAR 等机构，在同一条科考船上同步搭载三套走航式 pCO2 测量系统——其中包括 SubCtech 的 OceanPack 膜式流通系统与一套新研制的紧凑型流通式传感器系统，以一台传统大型气—水平衡器系统作为参考值，在亚极地北大西洋完成 34 天、两次横跨的现场比对。第一航次中，OceanPack 与参考系统的平均偏差仅 −4.7 ± 2.9 µatm。
研究背景
海表二氧化碳分压 pCO2 是决定海气 CO2 通量方向与强度的关键变量。目前绝大部分表层 pCO2 数据，来自“机会船”（Ships of Opportunity，SOOP-CO2）上安装的大型、复杂的气—水平衡器，配合独立红外分析仪。这一技术路线经过多年部署验证，是公认的成熟方案。
但随着全球观测网络的扩张与可持续性要求提高，传统方案的短板日益显现：设备认证繁琐、自主性有限、维护成本高。尤其在商用船舶（Volunteer Observing Ships，VOS）上，把庞杂的平衡器系统搬上船并不现实。国际上因此呼吁发展更紧凑、更易认证、更自主的走航测量系统，并建议开展国际比对试验、公开比对结果。这正是本研究的出发点：把不同原理的走航系统放在同一条船上、同一片水体中，检验它们究竟能否长期保持一致。
观测平台与方法
比对在同一艘走航科考船上展开：三套系统同步搭载于同一条船，历时 34 天，覆盖两次横跨亚极地北大西洋的航程。成果发表于《Limnology and Oceanography: Methods》（DOI: 10.1002/lom3.10346）。参试的三套系统代表了两类技术路线。
图1. 德国SubCtech公司 OceanPack CUBE 紧凑型走航海洋表层多要素观测系统
其一是作为参考值的传统大型气—水平衡器系统，由气—水平衡器与独立红外气体分析仪构成，沿用 SOOP-CO2 网络的经典配置，代表当时的“标准做法”。其二是 SubCtech 的膜式流通系统（OceanPack），采用水样流经膜单元、CO2 透过膜进入气相回路的原理，结构紧凑、易于集成到船舶的流通式水路上。其三是一套新型紧凑型流通式传感器系统，是本研究中最新开发、也是被寄予厚望的一类方案。
三套系统在船上同步运行，共用同一路海水，以便在相同水团、相近时刻获取可比数据。研究没有停留在“给出一个平均偏差”，而是系统梳理了可能导致系统间不一致的误差来源，包括：膜式系统对 pCO2 突变的响应偏慢；管路与平衡器内因生物污损（biofouling）产生的“船内呼吸”效应；以及平衡温度测量本身的偏差。作者由此提出，可通过在取水口与平衡器之间的管路上加装成对的溶解氧光学传感器，对管内的呼吸作用进行校正——就像对水温升高效应做校正一样。
图2. 两套新型走航系统相对参考系统的平均偏差（Arruda et al., 2020）
主要结果
第一，第一航次的一致性令人鼓舞。以传统平衡器系统为参考，OceanPack 的平均偏差为 −4.7 ± 2.9 µatm，紧凑型流通式传感器系统的平均偏差为 −5.7 ± 4.0 µatm。两者都落在数个微大气压的范围内，说明不同原理的走航系统完全有可能达到良好一致——若把这一量级与全球数据库对“最高质量数据”的精度要求对照，其潜力相当可观。
第二，长期一致性才是真正的挑战。到了第二航次，系统间的一致性明显变差。作者指出，短期比对中“看起来很好”并不足以保证长期精度；随着航次延长、生物污损累积、气路状态变化，偏差会缓慢漂移。这一发现直接指向了走航观测数据质量控制中最容易被忽视的环节：持续、定期的系统间核查，而非一次性的出厂标定。
第三，误差源是可识别、可控制的。研究把不一致归结为三类过程：膜式系统响应时间偏慢，在穿越 pCO2 梯度时容易滞后；船内管路与平衡器中微生物活动引起的呼吸作用，会改变水样中的 CO2；平衡温度的测量偏差会直接传递到 pCO2 的计算中。作者强调，这些误差若未被识别，其量级相对于全球数据库中最高质量数据的精度指标可能相当显著；但只要被识别并加以校正，它们都可以被控制。
第四，紧凑型系统的优势值得重视。研究讨论了紧凑型流通式系统在安装、认证、维护与运行自主性上的长处，并认为这类系统更适合部署到非专业化的商用船舶上，从而成倍扩大海表 pCO2 的观测覆盖。
结论与意义
这项比对给出了一个兼顾乐观与审慎的结论：不同原理的走航 pCO2 系统之间，短时间内可以取得约 5 微大气压量级的一致，具备互为补充、互为验证的潜力；但要在数周乃至数月的尺度上稳定维持这一致性，必须在平衡温度测量、生物污损与气路泄漏等环节上建立严格的运行规程。研究同时支持了观测网络向“传感器化、自主化”演进的可行性——前提是把长期比对作为常态化的数据质量保障手段。
对走航碳观测的启示
对于希望拓展走航碳观测能力的国内单位而言，这项研究的实用价值在于：它把“系统能否被信任”这一问题拆解成了可操作的检查清单。OceanPack 这类膜式流通系统体积小、集成度高、便于并入船舶既有的流通水系统，在机会船、渡轮、科考船上都能以较少的改装代价投入运行；而其稳定的长期表现，离不开与参考系统之间定期开展的交叉比对。把比对制度化、把误差源校正流程化，既是让数据进入 SOCAT 等全球数据库的通行证，也是区域碳收支评估可信度的基础。本研究对“管内呼吸”校正的思路，也提示观测设计应更多地关注水样在管路中滞留期间发生的生物地球化学变化。
参考文献
Arruda, R., Atamanchuk, D., Cronin, M., Steinhoff, T., & Wallace, D. W. R. At-sea intercomparison of three underway pCO2 systems. Limnology and Oceanography: Methods, 2020, 18(2): 63–76. DOI: 10.1002/lom3.10346
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