ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 3, с. 56-67
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
УДК 551.46.08
ОПТИЧЕСКИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ НЬЮ-ЙОРКА ПО ДАННЫМ МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ © 2008 г. R. Khanbilvardi1, В. М. Кушнир2, С. В. Станичный2
international Center for Environmental Research and Development, Department of Civil Engineering,
City College of CUNY, USA, New York, USA 2Морской гидрофизический институт Национальной академии наук Украины, Севастополь E-mail: kushnir@alpha.mhi.iuf.net; kushnir@sevinter.net Поступила в редакцию 20.06.2007 г.
Показано, что гидрооптический параметр — индекс цвета воды, оцененный по данным непосредственных измерений яркости восходящего излучения бортовым спектрофотометром цветового спутникового сканера типа MODIS/Terra, имеет ярко выраженную пространственную и временную структуру в прибрежной зоне Нью-Йорка. Индекс цвета изменяется от 1.5 для прибрежных вод с высокой мутностью до 2.3 для прозрачных вод отрытого океана. Статистический спектральный анализ оптических неоднородностей вдоль нескольких разрезов, ориентированных вдоль береговой линии, показал два основных масштаба возмущений, соответствующих 20—30 и 9—11 км. Первый тип возмущений соответствует мезомасштабным вихрям, которые отчетливо видны на спутниковых изображениях морской поверхности. Неоднородности с масштабами 9—11 км проявляются как возмущения, движущиеся вдоль побережья в западном направлении со скоростью примерно 1.73 км/сут. Когерентность этих возмущений быстро уменьшается при удалении от береговой черты. Эти особенности характерны для захваченных волн, а их параметры соответствуют дисперсионным соотношениям для баротропных шельфовых волн.
ВВЕДЕНИЕ
Исследования восходящего излучения морской среды по данным цветового сканера МОЭК/Тегга показали сложность пространственно-временной структуры измеряемых спутниками сигналов в прибрежных зонах и, особенно, в прибрежных зонах таких больших мегаполисов как Нью-Йорк [1— 13]. Это объясняется как естественными причинами, так и значительной антропогенной нагрузкой на прибрежные акватории. Эта нагрузка на прибрежные зоны постоянно увеличивается в связи с расширением масштабов жилищного и курортного строительства, производственной деятельности, туристического и курортного бизнеса — население прибрежных зон увеличилось примерно в два раза на последние декады [14]. В результате существенно возросло количество минеральной и органической примесей в прибрежных водах, источниками которых являются сельскохозяйственные удобрения, канализационные и промышленные стоки, эрозия берегов. Одним из возможных следствий этой проблемы стали появление большого числа новых токсичных форм водорослей и увеличение числа областей, подверженных их воздействию. Об этом свидетельствует рост зарегистрированных подобных случаев в прибрежных водах США, в том числе в прибрежных акваториях Нью-Йорка, что не отмечалось до 1972 г. [15].
Естественные причины сложной пространственно-временной структуры оптических характеристик прибрежных вод определяются как физическими явлениями различной природы, так и биологическими процессами развития и трансформации биоты [16—21]. Совокупность всех этих антропогенных и естественных физико-биологических процессов проявляется в контрастах оптических характеристик восходящего излучения с различными длинами волн, которые измеряются цветовыми сканерами. Эти космические средства — эффективный инструмент для изучения пространственной структуры и временной изменчивости оптических характеристик морской поверхности, так как позволяют получить ее изображения с разрешением от 0.25 до 1 км при захвате до 2000 км. Измеряемые сигналы охватывают длины волн от 0.41 до 0.87 цш видимого спектра, а также ИК- и тепловую области.
Изменчивость оптико-биологических параметров морской среды в прибрежных зонах проявляется сложным образом и этой проблеме посвящено большое число исследований [1, 6—10, 13, 22]. В работах [3, 4] была выполнена статистическая обработка данных последовательных спутниковых измерений концентрации хлорофилла в нескольких районах, примыкающих к западному побережью Канады. В результате получены зависимости характерных временных масштабов из-
менчивости (интервалов временной корреляции) от величин пространственных масштабов оптико-биологических неоднородностей.
Вычислению характеристик восходящего излучения морской поверхности Ьк(К) посвящено большое число исследований, в которых использованы различные методы учета влияния атмосферы на показания бортовых спектрофотометров [23—25]. Тем не менее в прибрежных водах с высоким содержанием примесей существуют известные проблемы. Они связаны с тем, что обычно для вычисления яркости Ьк(К) используется известное свойство чистой воды — практически полное поглощение излучения в красной и ближней ИК-части спектра, начиная с длин волн 670...700 нм, и потому отсутствие восходящего излучения в этой части спектра. В прибрежных водах с высоким содержанием различных примесей указанная закономерность нарушается, и здесь ЬМГ(К > 670 нм) Ф 0. В результате вычисленные величины ЬМГ(Х) в видимой части спектра существенно занижены, а в некоторых случаях появляются области с отрицательными величинами Ь^,(К), что не имеет физического смысла [22, 26].
Для обработки данных цветовых сканеров в прибрежных районах применяют специальные методы. В [27] предложено классифицировать пикселы изображения по форме и амплитуде спектров и на этой основе заменить наблюдаемые спектры их средними величинами соответствующих классов. Средние спектры используются как многомерные трассеры динамики водной среды. Таким методом удалось определить характеристики распространения шельфовых вод в зоне материкового склона в восточной части Черного моря, а также параметры нестационарных апвел-лингов у побережья Кавказа.
Другой известный подход к обработке данных цветовых сканеров основан на оценках отношения 1(\\, К2) сигналов бортового спектрофотометра для длин волн 450 и 520 нм, на которых наблюдаются наибольшие контрасты оптических величин [28]. Этим методом были выявлены слабоконтрастные неоднородности гидрооптических характеристик, практически не проявляющиеся на исходных изображениях. Такая оценка является по существу аналогом индекса цвета [29, 30].
В настоящей работе использован такой же подход по следующим причинам:
1) пространственные масштабы атмосферного аэрозоля, вычисленные по программе 8ЕЛЭЛ8 (стандартный метод НАСА) для времени выполнения спутниковых измерений, были равны 100— 200 км, что значительно превышает масштабы изучаемых оптических неоднородностей;
2) целью работы является анализ статистических характеристик изменчивости оптических параметров, величины которых не зависят от их абсолютных значений;
3) при выполнении спутниковых измерений наблюдалась высокая прозрачность атмосферы
(оптическая толщина аэрозоля в августе была 0.1—0.15, в феврале и ноябре 0.05—0.1);
4) атмосферная коррекция приводит к значительному увеличению шумовой составляющей обрабатываемых сигналов, что затрудняет или во многих случаях делает невозможным их статистический анализ.
Обычно при вычислении индекса цвета используют такие длины волн, комбинация которых соответствует максимальным контрастам оптических характеристик. Эти контрасты отражают динамику водной среды, поскольку, как правило, оптически активные примеси соответствуют условиям консервативности, т.е. характерные масштабы их переноса и диффузии существенно меньше масштабов, которые характеризуют фотораспад, оседание мелкодисперсной взвеси, химические превращения и т.п. К числу основных причин формирования оптических не-однородностей относится пространственная структура показателей поглощения (основной фактор) и рассеяния света назад [30]. Наибольшие контрасты этих параметров соответствуют длинам волн К1 = 440.490 нм и К2 = 540..560 нм, так как первый диапазон соответствует максимуму показателя поглощения хлорофиллом, второй — его минимуму. Спектральная зависимость показателя рассеяния назад обычно имеет вид К-?, где показатель п изменяется от 4.3 для чистой воды до 0.4-2.2 для условий высокого содержания минеральной или органической взвеси.
Основной задачей этой работы является изучение статистических характеристик изменчивости оптико-биологических характеристик прибрежной зоны и их связи с динамическими процессами. В отличие от упомянутых выше работ эта часть исследования сфокусирована на зависимости характеристик изменчивости от расстояния до береговой черты. Такая постановка задачи объясняется несколькими причинами.
1. Зависимость структуры оптико-биологических параметров от расстояния до берега отчетливо проявляется при простом визуальном анализе практически всех спутниковых снимков, и, в том числе снимков, полученных в прибрежной зоне Нью-Йорка и приведенных ниже в тексте статьи.
2. Изменения глубины при удалении от берега в прибрежных зонах оказывают сильное влияние на многие механизмы изменчивости физических полей морской среды [17, 19, 20]. В связи с этим представляется важным определить влияние этих механизмов на структуру оптико-биологических параметров в исследуемом районе.
3. В последние годы активно развиваются методы контроля качества водной среды и модели физико-биологических процессов [34—36]. При этом, естественно, должны учитываться эффекты изменения характерных масштабов оптико-биологических неоднородностей при удалении от береговой линии.
58
KHANBILVARDI и др.
С.ш., град
- 74.0 - 73.5 - 73.0 - 72.5 - 72.0 - 71.5 - 71.0
В.д., град
Рис. 1. Траектории трасс Х_1...Х_4, вдоль которых определены оптические характеристики океанской поверхности в прибрежной зоне Нью-Йорка.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Район исследований оптических неоднород-ностей в прибрежных водах Нью-Йорка показан на рис. 1 и 2.
Для анализа изменчивости оптических характеристик прибрежной зоны Нью-Йорка были отобраны спутниковые изображения морской поверхности по данным MODIS/Terra (пространственное разрешение 0.5 км) в безоблачные дни, относящиеся к характерным сезонам годового ци
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.