2.2.4. Обоснование точности измерений при проведении натурных наблюдений

Ценность единицы информации определяется точностью измерения. Но точность не является самоцелью, а определяет меру допустимой потери информации. Иногда простые приборы с невысокой точностью измерений вполне могут обеспечить требуемую достоверность решений конкретных задач. При этом повышается надежность использования и упрощаются условия эксплуатации аппаратуры, а также снижается стоимость работ. Таким образом, для выбора аппаратуры, позволяющей обеспечить измерение необходимых параметров водной среды с точностью, необходимой и достаточной для решения задач разного уровня, первоначально необходимо сформулировать эти требования.

Океанологические измерители характеризуются рядом особенностей, специфика которых состоит в том, что измерения производятся в естественной среде, сильно изменяющейся как в пространстве, так и во времени. Эта изменчивость определяется различной масштабностью и, в целом, может рассматриваться как случайный процесс. В области мелкомасштабной изменчивости энергия флуктуаций наиболее изменчивых величин, как правило, уменьшается по степенному закону. Применительно к задачам измерений в этой области такой факт приводит к необходимости снижения погрешности измерителей и к более тщательному учету различных методических и технических факторов, влияющих на качество информации.

Природным процессам свойственны неограниченные функции спектральной плотности, поэтому, в измерительных задачах отсутствует какой-либо конкретный предел повышения точности. Длительное время тезис "чем точнее, тем лучше" вообще считался общепринятым. Однако стремление "беспредельного" повышения точности наталкивается на ряд ограничений как методического, так и технического характера.

Очевидно, что требования к оценке измерений, в первую очередь, зависят от масштаба исследуемых процессов, и, чаще всего, по мере увеличения масштаба требования к точности измерений снижаются. По общепринятой классификации, изменчивость параметров воды морей можно разделить на крупномасштабные, синоптические, мезо- и мелкомасштабные.

Первую группу составляют исследования сезонной, междугодичной изменчивости водной массы исследуемой акватории, которые характеризуются периодами колебаний от 2 ÷ 3 мес. до нескольких лет. Для исследования необходимы многолетние наблюдения, проводимые по стандартной методике, с использованием неизменности точек и областей наблюдений (положения разрезов, координат станций, горизонтов). Изучение крупномасштабных процессов имеет большое практическое значение для решения задач долгосрочного прогнозирования.

Вторую группу составляют исследования синоптической изменчивости с периодами колебаний от 3÷5 суток до 2÷3 мес. при горизонтальных масштабах от 100 км.

Третью группу составляют исследования высокочастотной области спектра океанологических параметров.

Известно, что изменения состояния условий среды могут происходить за сравнительно небольшие промежутки времени (месяцы, недели, дни и даже часы). При этом амплитуда колебаний параметров среды соизмерима с сезонными и годовыми колебаниями, в связи с чем, исследование процессов второй и третий групп имеет первостепенное значение для вопросов краткосрочного прогнозирования. В тоже время, изменчивость состояния среды отмеченных временных масштабов может оказывать значительное влияние на оправдываемость долгосрочных прогнозов.

Как правило, по мере увеличения масштаба исследований необходимая точность измерений может быть снижена. Так, например, для проведения мезомасштабных исследований среднеквадратичная погрешность измерения температуры и солености не должна превышать 0,015 ÷ 0,030 °С и 0,005 ÷ 0,010 ‰, при относительной погрешности наблюдения, лежащей на уровне 0,02 ÷ 0,05; а продолжительность и дискретность наблюдения должны составлять, соответственно, 30 сут и 8 мин. Для оценки синоптической изменчивости среднеквадратичная погрешность, время и дискретность наблюдений уже составляют, соответственно, 0,03 ÷ 0,04 °С; 0,01 ÷ 0,03 ‰; 1,5 г и 3 ч.

В табл. 2.2 приведены допустимые погрешности измерения температуры ΔT и солености ΔS для процессов различных групп масштабности. В таблице также приводятся данные о продолжительности наблюдений t_наб и их дискретности Δt.

Таблица 2.2. Пределы допустимых погрешностей измерения температуры и солености для различных групп масштабности

Пространственно-временные границы масштабности		Погрешность, ·10-3		Временные параметры
		ΔT, °С	ΔS, ‰	tнаб	Δt
Мелкомасштабные процессы
1 мм – 100 м	0,1 с – 166 мин	3–15	2–18	28 ч	50–80 мс
Мезомасштабные процессы
0,1 – 50 км	2,8 – 83 ч	15–30	5–10	20-30 сут	4–8 мин
Синоптические процессы
50 – 300 км	3,5 – 58 сут	40	10–30	3–4 мес	2–3 ч
Сезонные процессы
более 300 км	2 – 12 мес	80	40–60	10 лет	1,5 сут

Как следует из приведенных примеров, именно масштабы изменчивости параметров морской воды, в первую очередь, определяют выбор характеристик технических средств измерения, их место и роль в практических измерениях. Таким образом, в зависимости от уровня задач исследований предъявляются различные требования к точностным характеристикам аппаратуры, ее быстродействию, стабильности и другим тактико-техническим данным, а также времени и дискретности наблюдений.

Вместе с тем, необходимо учитывать, что некоторые из интересующих нас параметров, являются косвенными. Они вычисляются из других, непосредственно измеряемых (первичных), что может потребовать от измерительных преобразователей более высокой точности, чем выбранный масштаб исследований.

П. Калашников, используя общепринятые требования к величинам допустимых погрешностей для определения солености, плотности и скорости звука, и применив выражение (2.17), вычислил величины погрешностей, которые допустимы в измерении CTD–параметров, с целью дальнейшего расчета вторичных параметров с выбранной точностью. Результаты расчетов приведены в табл. 2.3.

Самые высокие точности измерений электропроводности и температуры нужны при расчете солености. Точность измерения давления при этом может быть значительно меньше. В принципе, возможно перераспределение вклада каждого CTD–параметров с тем, чтобы за счет снижения величины ΔР увеличить величины Δγ и ΔT, находящиеся у границы технических возможностей.

Таблица 2.3. Допустимые погрешности CTD–параметров, требуемые для расчета вторичных параметров с выбранной точностью

Погрешность расчета вторичных параметров	Погрешность измерений первичных параметров
	ΔT С	Δγ мСм∙см-1	ΔР дцб
Солености – ΔS = 0,005 ‰	0,0025	0,0022	4,91
Плотности – Δρ = 0,005 кг∙м-3	0,0030	0,0026	0,63
Скорости звука – ΔC = 0,05 м∙c-1	0,0095	0,0161	1,75

После оценки, устранения либо минимизации вкладов различных погрешностей CTD–данных решается задача их оптимального представления. При этом необходимо учитывать пространственные/временные масштабы, внутри которых достоверность полученной информации признана удовлетворительной. Нижнюю границу этих масштабов связывают с постоянной времени датчика, обладающего наибольшей инерционностью. Для большинства CTD–зондов - это термометры, их инерционность находится в пределах от 0,2 до 1 с. Верхний предел ограничен влиянием методических погрешностей, которые зависят от условий зондирования. Для большинства судов качка имеет период от 4 до 8 с. Учитывая представленные оценки нецелесообразно представлять CTD–данные с дискретностью по времени менее 1 с, а по пространству до 1 м.

Таким образом, ясно, что для выбора необходимых точностных характеристик измерителей с целью репрезентативной оценки измеряемых и определяемых параметров водной среды, в каждом отдельном случае, кроме учета масштабности, а также стратегии и тактики исследований, требуется всесторонняя оценка всех влияющих факторов и разумный компромисс между инструментальными качествами измерителей и эксплуатационно-экономической целесообразностью их применения.