北极海冰下环境全年观测：MOSAiC考察中遥控潜水器的创新应用与数据集解析

为解决北极海冰变化对全球能量平衡和生态系统影响的关键问题，研究人员利用遥控潜水器(ROV)在MOSAiC考察中首次实现全年海冰下环境多参数同步观测，获取了物理、化学和生物数据，揭示了海冰底部地形、光学特性及生物地球化学过程的时空变异性，为北极气候模型改进提供了重要依据。

　　

北极海冰的快速变化直接影响全球能量收支、大气与海洋环流模式，以及独特的冰区生态系统。然而，传统观测方法难以获取海冰-海洋界面的连续数据，且破坏性采样（如钻探）会干扰环境。为填补这一空白，由Alfred-Wegener-Institut等国际团队主导的MOSAiC（北极气候多学科漂流观测站）考察首次利用轻量化遥控潜水器(ROV)在北极全年漂流期间完成80余次海冰下环境调查，同步测量了物理、化学和生物参数，相关成果发表于《Scientific Data》。

研究采用搭载多学科传感器的M500 ROV系统，在2019-2020年MOSAiC考察期间覆盖所有季节和冰型。关键技术包括：1) 声学长基线定位系统(LBL)实现水下高精度导航；2) 多波束声呐(DT101)和单波束测高仪(PA500)绘制海冰底部三维地形；3) 高光谱辐射计(RAMSES)测量冰下光场特性；4) 传感器组合(CTD、ADCP、SUNA等)采集水体理化数据；5) 高清摄像系统记录冰下生物与环境特征。

方法与数据记录
研究通过5个ROV站点（因冰动力事件多次重建）完成系统性观测。定位数据经卡尔曼滤波平滑处理，水平精度达1.5米。海冰厚度数据通过声学测距与ROV深度校准获得，与人工钻孔测量差异均值0.15米。光学测量中，辐照度传感器(RAMSES-ACC)和辐射度传感器(RAMSES-ARC)分别以180°和7°开角捕捉冰下光传输特性，并通过与自主辐射站数据对比验证（如2020R14站点透射率误差<5%）。

关键结果

1. 海冰底部地形：多波束数据揭示不同冰型的模态厚度差异，如次年冰(1.5-1.6米)和脊冰(>2.8米)，并首次量化了夏季脊冰融化速率(0.015 m d^-1
   )。
2. 光学特性：薄冰区（如再冻结水道）透射率高达24%，而厚冰区（如4米脊冰）仅0.5%，光谱分析显示440 nm处吸收峰与冰藻叶绿素相关。
3. 水体特性：GP-CTD数据显示上混合层（0-30米）盐度均一，而40米以下盐跃层显著；ADCP观测到冰下流速时空异质性。
4. 生物地球化学：ECO-triplet荧光计检测到70米深处浮游生物散射峰，与网采样品深度吻合；UV光谱仪(SUNA)记录硝酸盐垂向梯度（表层4 μmol L^-1
   至100米9 μmol L^-1
   ）。

讨论与意义
该研究创纪录地实现了北极冰下环境全年多参数同步观测，解决了传统方法的空间覆盖不足和季节缺失问题。数据揭示了冰底地形与光学特性的耦合关系（如冰藻生物量对光谱吸收的影响），为改进海冰-海洋通量模型提供了关键参数。例如，多波束数据可直接用于计算热盐交换，而辐射传输数据支撑了冰区初级生产力的模拟。研究还首次记录了冬季冰下血小板冰的形成过程，丰富了极地海洋学认知。

数据集通过PANGAEA平台开放共享，包含定位、声学、光学等12类数据，采用MATLAB脚本统一处理。未来可结合机载激光扫描(LAS)数据构建全三维海冰厚度场，或通过水样校准提升生物光学传感器精度。这项工作为理解北极快速变化下的生物物理关联设立了新基准，对预测气候反馈机制具有深远意义。