基于微型自主水下航行器（Micro-AUV）的波罗的海水柱特性高分辨率测绘及其在近岸观测系统中的应用潜力评估

本文首次系统性评估了一种微型自主水下航行器（Micro-AUV）在波罗的海复杂近岸环境（河口、海峡、海岸斜坡）的应用。该平台在2025年的11次任务中运行可靠，成功捕捉了锋面、亚中尺度、近底层结构及双涌升流胞等精细过程，其测量数据与参考剖面相比具有高精度。研究表明，这种Micro-AUV以其机动性（可在浅于1米处操作）和航程（1.5 m s−1时达40公里），能够有效填补船基调查、水下滑翔机、FerryBox和海岸站之间的观测空白，是未来集成海岸观测系统中一项有前景且高性价比的补充。

文章内容归纳总结

引言：近岸观测的挑战与新平台的机遇

近岸海域是陆地-海洋相互作用最为强烈的区域，其物理、化学和生物特性具有高度的时空变异性，观测极具挑战性。传统的海洋观测系统结合了船基、自主和遥感组件，但在动态的浅水沿海区域仍存在显著空白。波罗的海作为一个典型的半封闭内陆浅海，受淡水输入、营养盐负荷和有限水体交换的强烈影响，其水柱特性在多种时空尺度上变化，尤其是在亚海盆、海峡、河口和沿海斜坡区域，中尺度过程更为活跃。现有的观测平台，如Argo浮标和水下滑翔机，难以在浅于约30米的海域（约占波罗的海面积三分之一）有效工作；研究船测量在时空分辨率上受限；FerryBox和遥感技术则主要限于表层。因此，在海岸线至约30米水深的区域，存在关键的观测空白。本研究旨在测试一种新的微型自主水下航行器（Micro-AUV）平台在波罗的海等近岸观测系统中的集成潜力。

数据与方法：设备、任务与性能评估

设备与传感器

本研究使用的YUCO-PHYSICO micro-AUV由法国Seaber公司制造，重量轻、结构紧凑，便于从船只或岸上部署。其最大作业深度为300米，航速1.5-3.0 m s⁻¹。该AUV搭载了AML Oceanographic的多参数探头，集成了电导率/温度、浊度和叶绿素a荧光传感器。其导航依赖于多普勒计程仪，可保持固定的海底高度（最高50米）或固定深度。任务通过Seaplan软件配置，操作期间通过超高频无线电远程控制单元（SEACOMM）进行通信，典型有效范围约为1-2公里。

调查任务概述

2025年，在三个对比鲜明的海域共执行了11次AUV任务：浅水河口马察鲁湾、连接里加湾与穆松德海峡的苏尔海峡，以及波罗的海东北部沿海斜坡。任务覆盖深度从1米到超过100米。前五次任务在四月进行，六至十次在七月，最后一次在十月。

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  马察鲁湾：作为穆松德系统的一部分，这是一个平均水深约1.5米的浅水、半咸水、富营养化海湾。AUV在此以固定深度模式运行，成功绘制了海湾内部与外部穆松德水域之间的强烈梯度。
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  苏尔海峡：连接穆松德与里加湾，其水文条件受锋面位置强烈控制。任务采用了固定深度和固定高度的锯齿状剖面相结合的模式，对水柱进行垂直探测。
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  波罗的海：任务从近岸浅水区延伸至离岸超过100米水深的区域，旨在测试AUV穿越季节性温跃层和永久性盐跃层的能力。

续航与传感器性能

分析显示，AUV的电池消耗与指令航速强相关。在1.5 m s⁻¹的最低航速下，其最大航程约为40公里（约7.8小时）；而在3.0 m s⁻¹的最高航速下，航程降至约14公里（约1.3小时）。水温和对AUV姿态的操控对能耗影响较小。

传感器性能通过与高精度的SBE 19plus V2 SeaCAT剖面仪进行对比验证。结果显示，AUV测量的温度和盐度与参考数据高度一致，叶绿素a和浊度测量值也与SBE探头数据有很强的相关性，证实了其传感器的可靠性。

调查结果：揭示精细尺度海洋过程

马察鲁湾的锋面动力学

四月任务期间，受热浪影响，海湾内部水温从约5-7°C显著上升至超过11°C。观测清晰地揭示了海湾内部（较暖、较淡、较浑浊）与外部穆松德水域（较冷、较咸、较清澈）之间强烈的水平梯度。AUV高分辨率测绘捕捉到了一个西北-东南走向的锋面，其温度、盐度、叶绿素a和浊度的最大水平梯度分别可达0.5°C/100 m、0.5 g kg⁻¹/100 m、3 mg m⁻³/100 m和2 NTU/100 m。这些特性的空间分布主要由两个水团之间的锋面位置和混合决定。

苏尔海峡的复杂水文与近底层过程

春季任务捕捉到一个亚中尺度的、较暖且较浑浊的水体楔入。夏季，强烈的热浪导致表层水温超过23°C，而底层水温低于17°C，水柱分层显著。高分辨率观测揭示了至少五种不同的水团相互作用，包括来自里加湾的冷水、经过混合的波罗的海水体、穆松德冷水以及两个在热通量作用下形成的暖表层水。观测还发现了一个持续存在的近底层高浊度层（通常2-4米厚，最高达12-13 NTU）。在静风且分层的条件下，该层并非由波浪引起的沉积物再悬浮导致，很可能与富含有机质的蓬松层有关。这一发现突显了AUV在解析遥感或表层观测无法触及的近底层动力学方面的独特价值。

波罗的海近岸的层化结构与涌升流

十月任务成功穿越了温跃层（~5-25米）和盐跃层（~50-80米），揭示了波罗的海典型的三层结构。在盛行东风的作用下，两个层化界面向海岸抬升，形成了双涌升流结构：一个出现在紧邻海岸线的约3公里范围内，另一个出现在水深从70米骤降至15米的陡峭海岸坡折处。此外，观测显示近岸浅水区比离岸深水区冷却更快，较冷、较密的水体可能沿海坡下沉。叶绿素a最大值局限于上混合层，而浊度最大值则出现在盐跃层内（65-80米），可能与氧化还原跃层内的胶体硫颗粒有关。

讨论：Micro-AUV的操作特性与在观测系统中的潜力

操作特性

Micro-AUV在航程、航速和作业深度上与水下滑翔机（Glider）形成互补。其最大优势在于出色的机动性和在极浅水域（可浅至1-2米）的操作能力，这是水下滑翔机（通常需大于30米）和Argo浮标无法实现的。在1.5-3.0 m s⁻¹的航速下，它可以快速（0.5-2小时）横跨一个典型的中尺度涡旋（直径5-10公里），提供近乎同步的高分辨率剖面，而背景流引起的位移远小于涡旋尺度，确保了观测的“瞬时性”。其默认2 Hz的采样率可在沿轨方向上提供米级水平分辨率。主要限制在于通信范围短（UHF，1-2公里）和数据无法实时远程传输，增加了操作风险和人员需求。

在集成观测系统中的角色

Micro-AUV是填补现有观测平台空白的关键补充。它能够提供船基调查、水下滑翔机、FerryBox和海岸站所缺乏的近岸高分辨率三维数据。

由于其自主性有限，它不适合用于建立长期时间序列或进行大尺度 basin-wide 研究，这些更适合由船基监测、FerryBox、Argo浮标和固定观测站完成。然而，Micro-AUV在以下方面具有独特价值：

1. 1.
   针对性过程研究：用于调查锋面、亚中尺度涡、涌升流、近底层过程等。
2. 2.
   快速响应任务：用于监测藻华、溢油、废水排放、疏浚或工程建设等突发事件的影响。
3. 3.
   精细化测绘：在海峡、河口、海岸带等复杂地形区域，进行高密度空间测绘。
4. 4.
   辅助解释：在固定观测站（如锚系）附近进行高分辨率空间测绘，帮助解释时间序列数据中观测到的变化。

总之，本研究表明，Micro-AUV平台能够在波罗的海各种水文条件下可靠运行，精确捕捉水柱的精细尺度垂直和水平结构。尽管存在续航和通信范围的限制，但它代表了一种有前景的、高性价比的补充工具，可以增强对动态近岸环境的理解和监测能力，有望成为未来集成海岸观测系统的重要组成部分。