ОКЕАНОЛОГИЯ, 2007, том 47, № 4, с. 520-532
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
О ДОЛГОПЕРИОДНОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ НОРМАЛИЗОВАННОЙ
ЯРКОСТИ ЧЕРНОГО МОРЯ
© 2007 г. Г. С. Карабашев, М. А. Евдошенко, С. В. Шеберстов
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва
e-mail: genskara@mtu-mt.ru Поступила в редакцию 17.08.2006 г., после доработки 24.01.2007 г.
По 482 изображениям Черного моря, полученным сканером цвета океана SeaWiFS в 1998-2004 гг., рассчитаны средние значения спектральных нормализованных яркостей в окнах 20 х 20 км и построены их распределения, усредненные по различным временным интервалам. Значимые различия среднегодовых распределений яркостей по амплитуде, местоположению и очертаниям макромасштабных неоднород-ностей позволили рассматривать такие распределения как годичные спектрально-яркостные портреты бассейна, отражающие особенности годового хода гидрометеорологическиих условий в черноморском регионе. Обнаружены сезонные особенности распределений яркости, связанные с полем ветра. Выявлена существенная межгодовая изменчивость погрешностей стандартного алгоритма атмосферной коррекции, занижающих оценки коротковолновых яркостей. Показана важная роль речного стока и стратификации зондируемого слоя и цветения кокколитофорид в формировании годичных спектрально-яр-костных портретов Черного моря.
1. введение
Нормализованная яркость Ьшм водоема рассчитывается по восходящей яркости солнечного излучения, зарегистрированной спутниковым сканером цвета океана (СЦО) на околоземной орбите, и показывает, какой была бы яркость моря при визировании его поверхности в надир, если бы атмосфера отсутствовала, а Солнце находилось в зените [10]. Такая Ьшы не зависит от условий наблюдений и обусловлена только рассеянием и поглощением солнечного излучения в море. В свою очередь непостоянство обоих явлений определяется изменчивостью содержания и состава фитопланктона и продуктов его жизнедеятельности, антропогенных загрязнений, абиотической водной взвеси и других примесей морской воды. Поэтому возможность расчета Ьшы критически важна для решения ряда актуальных задач методами спутниковой океанологии в видимой области спектра. При всех ее успехах обратная задача определения указанных примесей по оценкам Ьш не нашла еще исчерпывающего решения. Хуже всего дело обстоит во внутренних морях, на шельфе, в проливах и прочих переходных зонах, т.е. именно там, где синоптичность, экспрессность и регулярность спутниковых наблюдений становятся особенно востребованными в силу повышенной изменчивости морской среды.
Спутниковые методы определения примесей в морской воде постоянно улучшаются благодаря совершенствованию алгоритмов атмосферной коррекции и восстановления океанологических характеристик по оценкам Ьш. Замена универсальных алгоритмов локальными, учитывающими регио-
нальную специфику, позволила существенно снизить ошибки восстановления концентраций хлорофилла и взвеси в морской воде по данным СЦО SeaWiFS [2]. Накопление архивных материалов делает доступным изучение долговременной изменчивости Lwn и открывает дополнительные возможности для уточнения региональных особенностей формирования нормализованной яркости, поскольку они не могут не проявляться в характеристиках такой изменчивости в силу региональной специфики вариаций факторов среды, влияющих на уровень и спектры нормализованной яркости, даже если она рассчитывается посредством универсальных алгоритмов. В этом отношении наибольший интерес представляют данные СЦО SeaWiFS, так как они 1) охватывают период 1998-2004 гг., рекордный по длительности среди материалов современных СЦО; 2) доступны на Интернет-сайтах NASA; 3) прошли основательную апробацию в сотнях научных публикаций множества авторов.
Мы воспользовались указанными материалами для выявления изменчивости спектральной яркости Черного моря в различных пространственно-временных масштабах, опираясь на определения характеристик группирования и рассеяния яркостей, их взаимных связей и пространственной неоднородности. Настоящая статья посвящена главным образом межгодовой и сезонной изменчивости характеристик группирования (средних значений) нормализованных яркостей.
Строгое сравнение подобных характеристик на различных участках временной оси возможно лишь по выборкам данных, равновеликим для того или иного периода усреднения (неделя, месяц, сезон го-
да и т.д.). Облачность и другие атмосферные помехи препятствуют измерениям яркости моря на орбите носителя СЦО и подвержены сильной изменчивости в интересующих нас периодах. В качестве меры влияния облачности на регулярность измерений восходящей яркости моря с орбиты носителя СЦО целесообразно использовать отношение наблюдающейся продолжительности солнечного сияния к возможной. На большей части черноморского региона многолетние среднемесячные оценки относительного солнечного сияния убывают от 70-80% в июле-августе до 20-30% в декабре-феврале (табл. 5, 6 в [7]). Реальные межсезонные различия выборок данных по населенности (количеству информативных пикселей) могут быть еще более значительными, так как в зимнее время условия спутниковых наблюдений в видимой области спектра ухудшаются не только вследствие облачности. Ради сравнимости результатов мы ограничились анализом данных СЦО SeaWiFS, полученных с середины апреля по октябрь, когда указанная мера меняется не более чем на треть. При этом средние значения яркостей за указанный период используются как суррогатные "среднегодовые" оценки для сопоставления межгодовых вариаций яркостей, а средние яркости за доли того же периода служат су-роогатными показателями внутригодовой изменчивости яркостей.
2. материалы и методы
Первичным материалом служили цифровые изображения Черного моря в виде MLAC-файлов уровня L1A (размер пикселя 1.1 х 1.1 км при наблюдении в надир), полученные NASA с помощью СЦО SeaWiFS с 1998 по 2004 гг. и доступные через Интернет. Данные уровня L1 пересчитывались системой SEADAS, версия 4.4, в данные уровня L2, исправленные на влияние атмосферы и привязаные к географическим координатам. Эти данные картировались с помощью оригинального браузера ради визуальной отбраковки снимков с числом доброкачественных пикселей, недостаточным для достоверного воспроизведения распределений яркости хотя бы на части акватории Черного моря. Всего было выбрано 482 снимка приемлемого качества. Данные выбранного снимка сохранялись в табличном ASCII-файле, в строке которого записаны географические координаты элемента изображения (пикселя) и его нормализованные яркости на длинах волн X = 412, 443, 490, 510, 555 и 670 нм. Дальнейшая обработка данных выполнялась в среде MATLAB. Географические координаты пикселей пересчитывались в линейные относительно точки 41° с.ш., 27°30' в.д. Акватория Черного моря была поделена на окна размером 20 х 20 км. Использовались только окна, расположенные целиком в пределах изобаты 0 м. Они нумеровались относитель-
но указанной точки с запада на восток и с юга на север (всего 972 окна).
Характеристики изменчивости рассчитывались по подвыборкам данных окон, отвечавших критериям достаточной населенности (не менее 100 пикселей) и равномерности (не более чем двукратное различие между населенностями участков окна размером по 25% от его площади), причем из подвыборок исключались выбросы по критерию утроенного среднеквадратического отклонения. Эти меры ограничили влияние ложной неоднородности распределений Ьш в окнах, обусловленной пропусками пикселей с недоброкачественными атрибутами из-за облачности и других помех. Подобная фильтрация исходной информации усиливает отсев и без того малочисленных данных осенне-зимнего периода.
Оценки средних яркостей в окнах тЬшы найденные по исправленным подвыборкам, использовались для выявления особенностей расределений яркости в масштабах бассейна, а статистические характеристики, рассчитанные по подвыборкам данных в окнах, позволяли судить об изменчивости свойств мезомасштабных распределений яркости по акватории моря в различных временных интервалах. Использование нормализованных яркостей Ьш, но не рассчитанных по ним величин, избавило от влияния допущений, заложенных в алгоритмы пересчета, не устраняя, однако, эффект ошибок атмосферной коррекции. Они особенно вероятны в коротковолновой части видимого спектра, в связи с чем массивы нормализованных яркостей, рассчитанных по черноморским данным СЦО SeaWiFS по стандартному алгоритму атмосферной коррекции, нередко содержат физически несостоятельные отрицательные оценки сине-фиолетовых Ьшы. Они непригодны для модельных расчетов размерных характеристик из-за своей смещенности, однако привлекаются там, где она не сказывается на конечном результате, а наличие полноспектральной информации облегчает истолкование наблюдаемых распределений (например, при суждении о зависимости местоположения локальных неоднородностей яркости от длины волны излучения [6]).
3. результаты
Результаты расчетов характеризуют распределения яркостей от поздней весны до ранней осени, так как доброкачественные изображения Черного моря оказались крайне малочисленными с ноября по апрель. Распределения таких изображений по годам также неодинаковы (таблица). Проверка принадлежности выборок средних яркостей в окнах тЬшм к одной и той же генеральной совокупности по критерию Колмогорова-Смирнова дала отрицательный результат для любых пар годичных выборок тЬшм на каждой из длин волн независимо от объема исходных данных.
Средние яркости Ь, их коэффициенты вариации сУ% и отношения на длинах волн 412-670 нм, рассчитанные по выборкам оценок тЬш за 1998-2004 гг.
Год 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
N 38 38 82 95 79 88 62
20351 20951 46238 47922 41124 51 727 34227
Ь(412) -1.011 -1.236 -0.807 -1.36 -0.357 -0.885 -0.583
0.488 0.498 0 .684 0. 292 1 .181 0 .671 0.628
Ь(443) 0.816 0.834 1.098 0.546 1.756 0.98 0.945
Ь(490) 1.102 1.136 1.474 0.785 2.201 1.204 1.157
Ь(510) 0.998 1.029 1.309 0.751 1.891 1.002 0.977
Ь(555) 0.747 0.793 0.971 0.646 1.334 0.664 0.679
Ь(670) 0.083 0.093 0.103 0.079 0.128 0.058 0.066
сУ(412) 98.7 61.7 73.5 89.1 58.9 47.7 61.7
сУ(443) 72.7 39.9 5
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.