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探讨AUV在南极罗斯海域海洋调查中的应用报告

2020-02-21 217 上传者：管理员

摘要：文中首先进行了罗斯海海洋环境概况介绍，并对首次采用自主水下机器人来开展南极海区断面调查进行了分析，分析调查数据可知：南极罗斯海域试验海区整体水温在1℃以内，温度向下缓慢较小，盐度向下逐渐增加，水质浊度较低。验证了AUV极地科学考察的可行性，数据分析结果具有一定的学术价值。

关键词：
水质浊度
海洋调查
温度
溶解氧
罗斯海
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1、引言

两极地区丰富的矿产、海洋生物资源及特殊的气候条件引起了全球的广泛关注。近年来，两极地区科学考察频率逐年增加，科考数据逐渐丰富，科考设备日益多样[1]。

目前，常采用气象站监测数据、卫星雷达遥感数据、NCEP/NCAR再分析资料、海冰密集度数据等对南极海冰进行监测，分析其空间、季节及年际变化特征[2－4]，也有少量关于风速、风向、气温、气压等方面的研究报道[5]。海洋水体环境、海底底质则需科考船现场观测，任典勇[6]利用4个航次的调查数据，分析普里兹及其毗邻海域25~50m水体中溶解氧特征，给出温跃层趋势与溶解氧趋势类似的结论；林丽娜等[7]利用多个南极科考航次所观测的CTD数据，分析了普里兹湾及邻近海域的水团类型、各水团空间分布及温盐结构特征；修淳等[8]利用第32次南极科学考察海底柱状采样数据，分析了海底沉积物中的TOC、TN等元素化学特征及其来源。

南极大陆气象站、南极海区卫星雷达遥感技术相对成熟，数据量更为丰富，故已有的学术成果多是针对南极海冰、气象等方面的研究。而水体温度、盐度、溶解盐、水质浊度等研究则更依赖于现场海洋调查数据。本文基于国内在南极罗斯海域首次AUV海洋调查试验数据，分析了试验海域温度、盐度、溶解盐、水质浊度等要素特征，具有一定的科学意义，也为未来极地科学考察提供一种新的调查方式。

2、罗斯海海洋环境概况

罗斯海位于158°W~170°E、78°S以北海域，西临维多利亚地和南极大陆横断山脉，南接罗斯冰架，是南太平洋进入南极大陆的大海湾之一，也是船舶航行所能到达的最南部海域，其地理位置分布见图1。

图1南极罗斯海地理分布示意图

罗斯海面积约9.6×104km2，水深一般在500~700m之间。南极大陆向海延伸水深迅速增加，大陆架区域狭窄，由西向东依次为维多利亚地盆地、库尔曼高地、中央海槽、中央高地、东部盆地。

罗斯海盛行东南风，形成自东向西方向的沿岸流，外海自西向东顺时针方向南极绕极流控制。沿岸流沿维多利亚地北上，与南极绕极流汇合。极地海冰变化是全球气候变化的窗口，罗斯海域海冰范围最小值、最大值分别出现在2月中旬、9月上旬[3]，海冰范围最小值时间短暂，2月中旬以后海冰迅速扩大，7月上旬海冰范围扩大速度变缓，7~10月冰情稳定，呈现“快速缩小、缓慢扩大”的季节变化特征。

在全球海洋生物种类、数量下降的趋势下，罗斯海海洋生物链仍保存完好，是南极海域生物种类和数量最丰富的海域，其中帝王企鹅数量约为2.4×105只，南极海燕5.5×106只，雪燕1×106只，南极小须鲸2.1×104条，均占全球数据极大比例，被誉为“TheLastOcean”与“LivingLaboratory”，将逐渐建成全球最大的海洋保护区[9－10]。

3、试验方案

本航次首次采用自主水下机器人来开展南极海区断面调查，主要测试AUV高纬度导航性、潜浮性及耐低温性等。同时，通过无人自主水下航行器搭载的探测传感器进行海洋环境要素连续、系统的科学监测，获取该海区相关的观测数据，同时也为南极科考增加一种新的观测手段。本次试验搭载雪龙船号母船于2019年1月7日3点(UTC时间)到达罗斯海新站，母船锚泊于163.74°E、74.94°S位置，同步开展调查试验，见图2。

图2　罗斯海AUV航路规划图；　表1AUV 主要技术指标；图3　AUV 调查航迹及站点分布示意图

3.1 试验设备

基于AUV具有自主航行性、潜浮性、悬停性、水面遥控和数据实时远程通讯等优势，利用其搭载各类传感器进行水下环境调查，已成为当前海洋环境信息获取的发展趋势。本次试验AUV搭载温度、盐度、浊度、溶解氧以及海流等多类传感器，AUV载体具备指定海域长期定点观测作业、多站点走航式观测作业、避碰等多项功能，相关技术指标见表1。表1AUV主要技术指标

3.2 试验过程

AUV潜器在P0点下潜至30m，经P1点最后至P2点，全程定深30m，以2kn速度航行，其中在P1至P2点各做一次60m的剖面观测，在P2点上浮至水面结束使命等待回收，调查任务规划见图3。试验过程中，AUV按预设航迹沿75°N向东航行3km，历时2小时53分，完成了2个60m水深的断面调查，航行3400m，获取了温度、盐度、浊度、溶解氧以及海流等探测数据。

4、试验数据分析

仅依据本航次的有限数据分析南极罗斯海域海洋环境结构显然不够充分，对试验数据进行分析的目的之一在于验证AUV在该海域进行海洋调查的可行性，同时也浅析相关海洋环境参数空间分布特征，并初步给出其物理成因。分析调查数据可知，南极罗斯海域试验海区整体水温在1℃以内，见图4。受太阳辐射影响，夏季60m以浅水层内温度随深度增加而逐渐降低，参照国家海洋调查规范[11]，可知温度垂向梯度未达到跃层标准。60m以浅水层内，盐度随深度增加而逐渐增加，夏季太阳辐射增强，海表温度升高致使冰川融化，给浅表层水体注入大量融冰淡水，是盐度垂向变化特征的重要成因。

图4温盐数据调查结果示意图；图5　溶解氧数据调查结果示意图

海水溶解氧主要源于大气和海洋植物的光合作用，与海洋生物的活动密切相关。试验海域60m以内水层范围内，溶解氧整体呈现3段结构，见图5。0~20m范围内，溶解氧整体较高，最高可达80％，主要受风浪搅拌所致；20~40m范围内，溶解氧向下急剧降低，约下降10％；40~60m范围内，溶解氧整体较低，最小可到60.4％。

海洋水质浊度是水质指标的一个重要参数[12]，是海洋污染和海洋环境保护的重要参考，通常与悬浮物、溶解物、营养盐相关。在全球海洋鱼类数量、种类急剧减少的大背景下，罗斯海是罕见生态环境未被大规模破坏的海域之一，至今仍保存有完好的海洋生物链。分析图6可知，南极罗斯海域水质浊度整体较低，约在20NTU以下(我国大陆架以内海域海水浊度通常大于80NTU)，水质较好，印证了罗斯海“最后的海洋”称誉[9－10]。

图6水质浊度数据调查结果示意图

5、结束语

受气候条件、作业难度、安全风险及经济成本等多方面制约，目前国内外针对南极海域海洋环境调查及数据分析相关报道稀缺。本次试验是国内首次利用AUV搭载多种传感器对南极进行海洋调查，验证了AUV极地科学考察的可行性。罗斯海特殊的气候条件使其产生了相对独特的温盐结构，夏季太阳辐射增强、表层融冰，是其浅表层水体相对高温低盐的主要成因。罗斯海被誉为“最后的海洋”、“生物实验室”，AUV数据显示调查海域溶解氧整体较高(最高可达80％)、海水浊度较低(≤20NTU)，验证了该海域适于海洋生物生存。然而，受数据量限制，对相关海洋要素的浅析仅限于60m以浅水层。作者下一步将继续深化该海域海洋环境要素的研究。

参考文献:

[1]张北辰.中国第34次南极科学考察简报[J].极地研究,2018,33(4):447-449.

[2]赵杰臣,张林,田忠翔,等.南极罗斯海2012年夏季海冰特征分析[J].极地研究,2014,26(3):342-351.

[3]刘帅斌,周春霞,王泽民.罗斯海和普里兹湾海域海冰范围变化对比分析[J].极地研究,2016,28(2):228-234.

[4]周旋,王彦磊,周江涛,等.基于SMAP卫星雷达资料的海冰检测技术[J].海洋技术学报,2018,37(4):1-9.

[5]沈辉,孙启振,董剑,等.2015年南极中山站气象和海冰特征分析[J].海洋预报,2017,34(6):27-38.

孙芳,高飞,李铁军.南极罗斯海域AUV海洋调查试验[J].海洋测绘,2019,39(3):76-79.