ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 4, с. 507-515
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЗВЕСИ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ БЕЛОГО МОРЯ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОГО СКАНЕРА ЦВЕТА SeaWiFS
© 2004 г. В. И. Буренков, С. В. Вазюля, О. В. Копелевич, С. В. Шеберстов
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва Поступила в редакцию 30.09.2003 г.
Данные спутникового сканера цвета 8еа"^Р8 использовались для исследования пространственно-временной изменчивости концентрации взвеси в Белом море. Повышенное содержание взвеси характерно для районов, подверженных влиянию речного стока. Наименьшее содержание взвеси наблюдается в центральной части моря, Кандалакшском заливе, а также в западной части воронки Белого моря, откуда в него поступают баренцевоморские воды. Сезонная и межгодовая изменчивость содержания взвеси в Белом море в значительной степени связана с вариациями речного стока.
1. ВВЕДЕНИЕ
Современные методы изучения и мониторинга морей океанов невозможно представить без спутниковых наблюдений, развитие и внедрение которых в практику океанологических исследований происходит ускоряющимися темпами. До недавнего времени использовались главным образом спутниковые измерения температуры поверхности океана. В последнее время все более широко используются спутниковые измерения цвета океана, обеспечивающие большой объем полезной информации о морях и океанах.
Долговременные квазинепрерывные спутниковые измерения цвета вод позволяют осуществлять систематические наблюдения динамики происходящих изменений, в частности, в структуре и функционировании прибрежных экосистем, предоставлять оперативную информацию для промышленного рыболовства, осуществлять контроль качества вод в прибрежных зонах, наблюдать различные динамические процессы (распространение речных стоков, мезомасштабные вихри, изменчивость фронтальных зон).
В настоящее время функционируют несколько спутниковых датчиков цвета, однако, основная информация поступает с американского сканера цвета SeaWiFS [5], который обеспечивает глобальное покрытие Мирового океана каждые двое суток. SeaWiFS был запущен в августе 1997 г., и сейчас его данные наиболее широко используются во всем мире (достаточно сказать, что число пользователей SeaWiFS на август 2002 г. составило около 2000 из 71 страны). Данные SeaWiFS бесплатно распространяются авторизированным пользователям центром DAAC GSFc NASA (Distributed Active Archive Center, Goddard Space Flight Center, National Aeronautics and Space Administra-
tion) через Интернет или по почте. Использованная в настоящей работе версия программного обеспечения БеаБАБ 4.1 для обработки данных Беа'^РБ и других датчиков цвета позволяет рассчитывать, наряду с концентрациями хлорофилла "а" и пигментов фитопланктона, также показатели поглощения желтым веществом и рассеяния назад взвешенными частицами. Однако алгоритмы БеаБАБ при расчете вышеуказанных параметров для морей России дают во многих случаях очень большие ошибки, во-первых, из-за ошибок атмосферной коррекции, во-вторых, из-за того, что они не учитывают специфику этих морей [2-4, 6-11]. Последнее касается, в частности, алгоритма расчета концентрации хлорофилла ОС4, в котором используется уравнение регрессии, выведенное по данным, относящимся в основном к открытому океану [12]. Алгоритм основан на предположении о том, что существует корреляция между содержанием хлорофилла и других оптически активных компонентов морской воды, таких как взвесь, окрашенное органическое вещество (тип вод 1). Воды Белого моря относятся к так называемому типу вод 2, где такая корреляция отсутствует (в частности, из-за большого влияния речного стока).
Разработке алгоритмов, пригодных для морей России, посвящены работы [2-4, 6-8, 11]. К сожалению, наиболее универсальный из них полуаналитический алгоритм [2, 3, 6, 8] реально не всегда применим из-за ошибок атмосферной коррекции, поэтому усилия были направлены также на разработку биооптических алгоритмов, более устойчивых к погрешностям атмосферной коррекции. Эти алгоритмы применялись для расчетов биооптических параметров в различных морях России [4, 7, 11]. Непосредственно для изучения распре-
деления взвеси в Белом море они применяются впервые.
2. ДАННЫЕ SEAWIFS, АЛГОРИТМЫ ИХ ОБРАБОТКИ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
В основном исходными данными для расчетов являлись данные SeaWiFS GAC (Global Area Coverage) уровня 1A с разрешением в надир 4.4 х 4.4 км, полученные из Центра данных GSFC DAAC NASA. Учитывая относительно малые размеры Белого моря, на период проведения экспедиции 2001 г. (НИС "Профессор Штокман", 49-й рейс) специально заказывались данные LAC (Local Area Coverage) с разрешением в надир 1.1 х 1.1 км. С помощью программы msll2 программного обеспечения SeaDAS рассчитывались стандартные продукты 2-го уровня: значения нормализованной яркости излучения Ьш, вышедшего из водной толщи, аэрозольной оптической толщины та, показателя диффузного ослабления для длины волны 490 нм K(490) и концентрации хлорофилла Chl_OC4 по стандартному алгоритму ОС4. Дальнейшая обработка проводилась с помощью программного обеспечения, разработанного в ИО РАН. Оно работает в Microsoft Windows и позволяет использовать новые и модифицированные алгоритмы обработки. С помощью этих алгоритмов рассчитывались продукты обработки 2-го уровня: концентрация хлорофилла Схл, показатели рассеяния назад взвешенными частицами для длины волны 555 нм bbp(555), а также концентрации взвеси. Разработанное программное обеспечение позволяет проводить пространственное и временное осреднение данных 2-го уровня (т.е. создавать файлы 3-го уровня), а также рассчитывать различные статистические характеристики. Дневные значения данных 3-го уровня рассчитывались на стандартной сетке 9 х 9 км осреднением значений 2-го уровня для данного дня (для данных LAC использовалось осреднение по сетке 4 х 4). Среднемесячные и другие средние распределения рассчитывались осреднением дневных файлов 3-го уровня за соответствующий период времени. Средние сезонные значения (для Белого моря данные SeaWiFS доступны только с мая по сентябрь) рассчитывались путем осреднения среднемесячных значений за соответствующий период.
Для построения карт распределения биооптических параметров в Белом море использовались алгоритмы, разработанные авторами для Баренцева моря. Для определения показателя рассеяния назад и концентрации взвеси использовался алгоритм, развитый в [4, 7]. Этот алгоритм специально разработан для случаев, когда полуаналитический алгоритм не работает из-за ошибок атмосферной коррекции; такая ситуация как раз типична для Баренцева и Белого морей. В разработанном "упро-
щенном алгоритме используются лишь два спектральных канала 8еа"^Р8 - 510 и 555 нм, для которых ошибки атмосферной коррекции гораздо меньше, чем для каналов 412, 443 и 490 нм. Алгоритм основан на расчете показателя рассеяния назад морской воды ЪЪ(555) через значения параметра Х(555) = ЪЪ(555)[а(555)+ЪЪ(555)], где а(555) -показатель поглощения морсокй воды, и показателя диффузного ослабления К(555), через который можно найти значение суммы [а(555) + ЪЪ(555)]. Параметр Д555) рассчитывается через значения нормализованной яркости Ькд(555) для канала 555 нм, содержащиеся в данных сканера цвета Беа'^РБ 2-го уровня, а показатель диффузного ослабления К/555) - через отношение нормализованных яркостей £жд(510)£жд(555) для каналов 510 и 555 нм. Показатель рассеяния назад взвешенными частицами ЬЬр(555) находится как разность между показателями рассеяния назад морской воды Ьь(555) и чистой морской воды ЪЪ„(555), значение которого известно. Более подробное описание алгоритма можно найти в [4, 7].
По данным одновременных измерений концентрации взвешенного вещества и оптических наблюдений, проводившихся в Баренцевом море (13- и 14-й рейсы НИС "Академик Сергей Вавилов"), рассчитано уравнение регрессии, позволяющее оценить по восстановленному значению ЪЬр концентрацию взвеси [4, 7]:
Свзв = 73.5bbp(555) + 0.016,
(1)
где ЪЪр измеряется в м-1, а Свзв в мг/л. Средняя погрешность определения концентрации взвеси по этому уравнению составляет около 30%.
Анализ спутниковых данных сканера цвета Беа'^РБ для Белого моря (а также для других арктических морей) показал, что из-за ошибок атмосферной коррекции возникает необходимость в отбраковке данных. Значения £жд(510) и Ькд(555), которые используются в описанном выше алгоритме, в некоторых случаях были явно занижены. Это происходит главным образом при отрицательных значениях Ькд(490) и Ь№д(670), поэтому данные с отрицательными ¿жд(490) и Ь№д(670) отбраковывались.
Для определения концентрации хлорофилла в Белом море использовался региональный алгоритм, разработанный на основе данных натурных измерений, выполненных в Баренцевом море в августе-сентябре 1998 г. (13- и 14-й рейсы НИС "Академик Сергей Вавилов"). По полученным данным рассчитано уравнение регрессии между концентрацией хлорофилла Схл и отношением нормализованных яркостей ¿жд(510)/£жд(555) для спектральных каналов 8еа"^Р8 510 и 555 нм, где рассчитанные нормализованные яркости Ь№д(к)
совпадают с измеренными in situ с приемлемой точностью [11]:
СХл = 0.34[LWW(510)/LWW(555)]-1'39. (2)
Данные измерений (n = 21) охватывали как открытые районы Баренцева моря, так и Печорское море; среднеквадратическая ошибка определения концентрации хлорофилла составляет 0.135 мг/м3. Поскольку верификация этого алгоритма применительно к водам Белого моря не проводилась, приводимые ниже значения концентрации хлорофилла следует рассматривать как ориентировочные. Можно надеяться, что построенные карты правильно отображают относительные изменения концентрации хлорофилла, однако за их абсолютные значения при отсутствии соответствующей верификации поручиться нельзя.
з. анализ судовых измерений яркости восходящего излучения
Для верификации спутниковых данных и развития биооптических алгоритмов, т.е. алгоритмов, которые позволяют по измеренным спектрам определять различные параметры (концентрацию хлорофилла и взвеси, поглощение желтым веществом), чрезвычайно важны судовые изм
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.