= ФИЗИКА МОРЯ =
УДК 551.465
ПРОЯВЛЕНИЯ ОСНОВНОГО ЧЕРНОМОРСКОГО ТЕЧЕНИЯ, "ЦВЕТЕНИЯ" КОККОЛИТОФОРИД И КОНТИНЕНТАЛЬНОГО СТОКА В СРЕДНЕМЕСЯЧНЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЯХ КОЭФФИЦИЕНТА ЯРКОСТИ
ЧЕРНОГО МОРЯ
© 2015 г. Г. С. Карабашев, М. А. Евдошенко
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: genkar@mail.ru Поступила в редакцию 03.04.2013 г., после доработки 03.12.2013 г.
По данным сканера цвета океана MODIS-Aqua за 2003—2011 гг. построены среднемноголетние распределения коэффициента яркости Rrs Черного моря в апреле, мае, июне и сентябре ради определения вклада сезонных факторов в долгопериодную изменчивость изображений бассейна. В апреле ветвь Основного Черноморского Течения (ОЧТ) к западу от 34° в.д. визуализируется повышенными Rrs в разных участках видимого спектра, что связано с переносом взвешенных частиц вследствие интенсификации ОЧТ в зимне-весенний период. В период июньского "цветения" кокколитофорид среднемноголетний уровень Rrs в 2—3 раза превышает аналогичный показатель для предыдущих и последующих месяцев. Превышение максимально в открытом море, где июньское среднемноголет-нее распределение Rrs отличается горизонтальной неоднородностью. Сезонный ход спектра Rrs на северо-западном шельфе Черного моря явно связан с годичным циклом распресненности вод региона, обусловленным влиянием континентального стока.
DOI: 10.7868/S0030157415010086
ВВЕДЕНИЕ
В течение последней декады быстро росло количество публикаций, нацеленных на изучение долгопериодной изменчивости водной среды по данным сканеров цвета океана (СЦО). К ним относится и настоящая работа. Она ставилась ради уточнения представлений о зависимости средне-многолетних распределений спектрального коэффициентов яркости Rrs поверхности Черного моря от факторов сезонной изменчивости свето-поглощающих и светорассеивающих веществ. Их влияние на оптические свойства вод Черного моря известно благодаря исследованиям российских и украинских морских экспедиций. Однако результаты судовых наблюдений слишком отрывочны для достоверной оценки структуры долгопериодных распределений характеристик состояния бассейна. Мы воспользовались массивами спектральных коэффициентов яркости моря Rrs, полученными с помощью СЦО MODIS-Aqua (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer на спутнике Aqua) в 2003—2011 гг. после репроцессинга 2009 г. и доступными на портале NASA (http:// oceancolor.gsfc.nasa.gov/cgi/browse.pl?sen=am).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Оценки Rrs для региона Черного моря на длинах волн X 469, 488, 531, 547, 555, 645 нм были за-
гружены с указанного портала в виде стандартных продуктов уровня Ь2, обеспечивающих разрешение 1 х 1 км (размер элемента изображения (пикселя) при визировании моря в надир). Оно достаточно для различения основных элементов водообмена вне зоны первичного контакта морских вод с речными. Спутниковым изображениям внутренних морей в видимой области спектра, включая Черное море, присуща особо сложная и изменчивая структура. Поэтому мы ориентировались на визуальное сопоставление распределений Вгз и их статистический анализ как пространственных переменных для суждения о роли факторов, влияющих на изображение моря. Оценки Вгз(Х) в виде атрибутов пикселей с произвольным шагом по координатам усреднялись в ячейках регулярной сетки, если ячейку населяли не менее двух пикселей приемлемого качества. На местности ячейки выглядели как квадраты 3.6 х 3.6 км с шагом 2' по широте и 2.7' по долготе. Та же сетка использовалась для осреднения данных по месяцам.
Анализировались данные Вгз за апрель, когда современный сток Дуная максимален [10], июнь (период "цветения" кокколитофорид [7, 12, 13]), май (интервал, промежуточный между паводком и "цветением") и сентябрь как период без явного фаворита среди факторов сезонной изменчивости Черного моря. Период "цветения" диатомовых водорослей в феврале—марте не рассматри-
вался вследствие невозможности сформировать массивы исходных данных требуемой обеспеченности из-за кратного сокращения длительности солнечного сияния в это время года [8].
Изображения водоема, получаемые с помощью СЦО, часто портят пробелы из-за облачности и прочих помех. Они ставят перед выбором: строить среднесезонные распределения путем осреднения всех приемлемых данных, выигрывая в обеспеченности результата, или усреднять только лучшие изображения с минимальным числом пробелов и максимальным покрытием бассейна. Такие изображения в наименьшей степени искажены погрешностями атмосферной коррекции и наилучшим образом воспроизводят структуру изображений моря. Мы предпочли второй подход, чтобы выиграть в несмещенности оценок текущих и средних Вгз, и включали в выборки каждого месяца по три осредненных на сетке изображения, лучших в указанном смысле. Таким образом, среднемесячные изображения Черного моря на нескольких длинах волн строились для названных месяцев по выборкам пространственно-осредненных изображений объемом по 27 членов каждая (по три изображения за год с 2003 по 2011 гг.).
Такие распределения предполагалось использовать для выявления роли факторов долгопериодной изменчивости среды в масштабах бассейна в зависимости от времени года подобно тому, как это уже делалось в локальных масштабах [20]. Наш подход опирается на допущение, общее для всех СЦО: яркость восходящего солнечного излучения на орбите СЦО над морем зависит только от содержания и состава взвеси и окрашенных примесей в морской воде, если яркость нормализована, т.е. приведена к условиям, когда водная поверхность визируется в надир, влияние атмосферы исключено, а Солнце находится в зените [15]. По нормализованной яркости п1ж(к) находят коэффициент яркости моря Вгз(Х) = п1м>(к)/В0(к), где F0(Х) — солнечная постоянная. Вгз(Х) связан с показателями обратного рассеяния ЬЬ(Х) и поглощения а(Х) соотношением
^(Х) ~ ЬЬ(Х)/а(Х). (1)
Спектральная селективность Ьь(к) убывает с ростом размеров светорассеивающих частиц d относительно длины волны X. Отношение d/X широко варьирует в Мировом Океане, но воды внутренних морей обычно богаты сравнительно крупной взвесью (^ > X), и потому сильная селективность ЬЬ(Х) здесь маловероятна. Селективность а(Х) определяется прежде всего окрашенными растворенными органическими веществами (ОРОВ) естественного происхождения и собственным поглощением воды. Последнее доминирует в желто-красной области видимого спектра и пренебрежимо мало в сине-фиолетовой. Здесь ОРОВ являются главн-
ым фактором изменчивости поглощения света, их светопоглощение экспоненциально растет с уменьшением длины волны излучения [19]. Как следствие, естественная изменчивость длинноволновой яркости моря определяется только обилием и размерным составом взвешенных частиц (вклад воды в поглощение всюду одинаков), тогда как коротковолновая яркость прямо зависит от концентрации частиц и обратно — от концентрации ОРОВ.
Оценки этих составляющих, найденные по Вгз посредством стандартных расчетных алгоритмов, доступны так же, как и сами Вгз, но они ненадежны в условиях Черного моря, так как стандартные алгоритмы игнорируют специфику окраинных морей. Она учитывается локальными алгоритмами, однако они до сих пор не проверялись на применимость к многолетним рядам наблюдений Вгз. По этим причинам мы предпочли стандартные определения спектральных Вгз, поскольку они в наименьшей мере зависят от расчетных процедур и способны служить индикаторами различных событий в водной среде благодаря зависимости от концентрации и состава оптически значимых примесей. Определения Вгз(645) использовались для индикации неоднородностей коэффициента яркости, обусловленных взвесью в приповерхностном слое не глубже 2—3 м. Такова максимальная мощность слоя формирования восходящей длинноволновой яркости в водах любой прозрачности (рис. 1 в [6]).
На рис. 1 показаны особенности черноморского бассейна и меридиональные разрезы, на которых строились профили спектральных Лга. Анализ профилей, дополняя анализ карт, позволил минимизировать неоднозначность восприятия структуры распределений, связанную с использованием ограниченного числа градаций при картировании Лга. Разрез на 31° в.д. проложен так, чтобы его северная часть находилась на минимальном расстоянии от придунайской области, а центральная и южная части были достаточно далеки от западной излучины континентального склона (рис. 1). Разрез на 33° в.д. соответствует ситуации на максимальном расстоянии от дельты Дуная и излучины там, где континентальный склон отступает на север относительно своего генерального направления к западу от 34° в.д. (рис. 1). Разрез на 36° в.д. позволяет судить о меридиональном ходе Лга на востоке котловины.
РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 2 показаны распределения Вгз на длинах волн 488, 555 и 645 нм в апреле, июне и сентябре в Черном море, осредненные в ячейках регулярной сетки за период с 2003 по 2011 гг. Майское распределение оказалось промежуточным по амплитуде и конфигурации неоднородностей
45
44
43
42
41
28
30
32
34
36
38
40
в.д.
42
о
Рис. 1. Очертания Черного моря (сплошной жирный контур) и изобат 200 м (сплошной тонкий) и 1400 м (пунктирный), представляющих положение континентального склона. ВО — основные русла дельты Дуная; ромбы — положение устьев рек Сакарья (на западе) и Кызыл-Ирмак (на востоке). Меридиональные разрезы на 31°, 33° и 36° в.д. представлены кружками, квадратами и треугольниками соответственно.
между апрельским и июньским распределениями и потому не приводится. Градации Вгз на картах выбирались так, чтобы визуализировать структуру распределения в границах континентального склона. Это условие не позволяет использовать единую шкалу градаций для спектрально-одинаковых распределений из-за сильной сезонной изменчивости оценок Вгз.
В пределах 200-метровой изобаты оценки средних Вгз на всех длинах волн в июне в два-три раза превышали соответствующие оценки в апреле и сентябре, исключая район юго-западной излучины континентального склона. Наибольшие Вгз в апреле тяготели к континентальному склону; в июне глубоководную котловину заняли старшие градации Вгз, причем восточнее 34° в.д. наибольшие Вгз пришлись на северную часть к
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.