ОКЕАНОЛОГИЯ, 2015, том 55, № 2, с. 182-191
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
О СЕЗОННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ МАКСИМУМА СПЕКТРА КОЭФФИЦИЕНТА ЯРКОСТИ ЧЕРНОГО МОРЯ ПО СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ
© 2015 г. Г. С. Карабашев, М. А. Евдошенко
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: genkar@mail.ru Поступила в редакцию 05.06.2013 г., после доработки 06.05.2014 г.
Предложен способ определения длины волны максимума спектра коэффициента яркости водной поверхности, основанный на сплайн-интерполяции его оценок спутниковым сканером цвета океана MODIS-Aqua на длинах волн 469, 488, 531, 547, 555 нм. Способ опробован на примере спектров коэффициента яркости, измеренных плавающим спектрорадиометром, и применен к массиву цифровых изображений Черного моря, полученных с помощью сканера с 2003 по 2011 гг. Обнаружено, что в пелагиали Черного моря длина волны максимума указанного спектра смещается к коротковолновой границе видимого спектра с весны до осени, начиная с западной части пелагиали. Этот эффект объясняется сезонными изменениями состава и содержания оптически значимых примесей, обусловленными годичным циклом жизнедеятельности морского фитопланктона.
DOI: 10.7868/S0030157415020057
1. ВВЕДЕНИЕ
Развитие спутниковых сканеров цвета океана (СЦО) началось в 60-70-х гг. прошлого века с измерений спектров коэффициента яркости моря Вгз(Х) с помощью спектрорадиометра на авианосителе [12]. Такой спектр слабо зависит от условий освещения, но тесно связан с содержанием и составом примесей морской воды и, следовательно, может быть использован для их дистанционного определения.
Со временем регистрация Вгз(Х) с помощью судовых спектрорадиометров превратилась в важную составляющую подспутниковых наблюдений в поддержку функционирования ряда поколений СЦО для мультиспектрального дистанционного зондирования. Теперь уже ясно, что форма и амплитуда спектров Вгз(Х) крайне чувствительны к количественному и качественному составу веществ, растворенных и взвешенных в морской воде, и несут информацию о состоянии верхнего слоя водоема. Это понимание реализуется ныне в интенсивном развитии средств гиперспектрального дистанционного зондирования морской среды с авиа- и спутниковых носителей с разрешением до 1—2 нм по длине волны и до метров по пространству ([10] и др.).
По ряду причин нет оснований ожидать, что результаты гиперспектральных съемок морских акваторий будут так же доступны, как и данные мультиспектральных съемок современными СЦО. Спектральное разрешение последних определяется числом каналов, полушириной и длиной волны
максимума их спектральных полос. На видимый спектр (400—700 нм) приходится не более десяти каналов, из них практически неприменимы до 2— 3 каналов в случае наблюдений во внутренних морях, проливах и прочих переходных акваториях, где смещенность оценок яркости по краям спектра может оказаться недопустимо большой из-за ошибок атмосферной коррекции. Каналы распределены по спектру неравномерно, оставляя непокрытой желто-оранжевую область. Как следствие, разреженность определений Rrs по спектру не позволяет восстанавливать форму Rrs(X) и ее характеристики, включая длину волны максимума и оценки Rrs пересчитываются в концентрации примесей с помощью индексов цвета (отношений спектрально-различных яркостей), неспособных воспроизвести всю спектральную информацию, представленную в полном спектре.
После репроцессинга данных СЦО MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer на спутнике Aqua), осуществленного группой OBPG (Ocean Biology Processing Group) в NASA в 2009 г., в средней части спектра появился учащенный ряд каналов с центрами на длинах волн 469, 488, 531, 547, 555 нм. Он почти покрывает область изменчивости спектров коэффициента яркости в крупных озерах и внутренних морях. В связи с этим целесообразно воспользоваться MODIS-снимками Черного моря, найти для каждого элемента изображения путем интерполяции оценок Rrs на длинах волн указанных каналов, построить многолетние среднемесячные распреде-
ления кт по акватории бассейна, а затем проверить подобные распределения на познавательную ценность и совместимость с представлениями о свойствах бассейна. Настоящая работа посвящена реализации этого подхода.
Выбор Черного моря оправдан тем, что оно является типичным внутренним морем, неплохо изучено, благоприятно для применений СЦО по длительности относительного солнечного сияния [7] и достаточно разнообразно по оптическим свойствам вод.
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для предварительной проверки реализуемости подхода мы воспользовались опубликованными спектрами ]Ьы(к), измеренными в экспедициях на Черном море [2] и в южной Атлантике [18] с помощью плавающего спектрорадиометра с разрешением 2 нм, созданного в Лаборатории оптики океана Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (ЛОО ИО РАН). Взятые из них оценки ^ на длинах волн 469, 488, 531, 547, 555 нм имитировали воспроизведение спектров каналами СЦО МОЭК. Для интерполяции указанных оценок использовали кубические сплайны, известные своими хорошими аппроксимативными свойствами [1]. Рис. 1 демонстрирует удовлетворительную воспроизводимость исходных ^(к) результатами сплайн-интерполяции имитирующих спектров: расхождения оценок кт оригинала и имитации не превышает 10 нм, если кт оригинала лежит в интервале 469—555 нм. Попытка расширить диапазон интерполяции, добавив канал с центром на 645 нм, не удалась из-за появления ложного экстремума между Лз(555) и ^г«(645), что характерно для сплайн-интерполяции чрезмерно разреженных данных.
Более основательная проверка была сделана на примере массива спектров Лз(к), зарегистрированных в ходе экспедиций ЛОО ИО РАН летом 2004—2009 гг. на северо-востоке Черного моря. Применяя то же сравнение оригинального спектра с его сплайн-интерполированной имитацией в интервале 469—555 нм, мы получили выборку разностей dк = ктог — ктт объемом 84 члена (здесь ктог и кт1т — длины волн максимумов спектра-оригинала и спектра-имитации) и построили гистограмму относительного распределения dк по величине, представленную на рис. 2. Здесь значительная часть разностей лежит в пределах ±5 нм, несколько большая доля укладывается в интервал ±10 нм и лишь несколько оценок dк выходят за эти пределы. Такие оценки случались, когда ^(к) имели почти плоские максимумы подобно спектру 3 на рис. 1. В целом, результаты проверок свидетельствовали о правомерности интервальной оценки длин волн максимумов Лз(к) при ширине интервалов не менее 10—15 нм, если
Рис. 1. Реальные спектры Rrs(X) (сплошные линии), имитация этих спектров на длинах волн СЦО MODIS-Aqua 469, 488, 531, 547, 555 нм (символы 1-4) и аппроксимация спектров-имитаций кубическими сплайнами (пунктир). Построено по данным спектрорадиометра ЛОО ИО РАН в глубоководной части Черного моря (1-, 2- и 3-й рейсы ИС "Акванавт", 1997 г. [2]) и на субполярном фронте южной Атлантики (4- и 17-й рейсы НИС "Сергей Вавилов", 2001 г. [18]).
спектр восстанавливается по определениям Rrs на длинах волн 469—555 нм путем интерполяции кубическими сплайнами. Применение такой интерполяции к Rrs(X) пикселей спутниковых изображений бассейна позволяет строить карты величины ^mim в 6—9 градациях и сравнивать их с картами освоенных океанологических характеристик. Пока что это единственный способ определения познавательного потенциала ранее недоступных массовых определений по данным сканеров цвета океана.
Цифровые изображения Черного моря заказывались нами как авторизованными пользователями через OBPG NASA и копировались после получения индивидуального доступа к ним. В результате были сформированы массивы цифровых изображений Черного моря на длинах волн 413, 443, 469, 488, 531, 547, 555, 645, 667, 678 нм, представленные в виде стандартных продуктов уровня L2 с разрешением 1 х 1 км в надир. Были исполь-
F, %
Длина волны, нм
Рис. 2. Относительная частота Д % распределения разностей dX по величине (/% = 100 х р/84, где р1 — число попаданий в г'-й интервал разностей). Построено по данным ЛОО ИО РАН, полученным с помощью спек-трорадиометра в северо-восточной части Черного моря в 2004-2009 гг.
зованы данные МОЭ^-Адиа за 2003-2011 гг. для апреля, когда современный сток Дуная максимален [8], июня (период "цветения" кокколитофо-рид [13]), мая (промежуток между паводком и "цветением") и сентября (период без явного фаворита среди факторов сезонной изменчивости вод Черного моря).
Как известно, структура "мгновенных" спутниковых изображений моря формируется под действием множества факторов различных пространственно-временных масштабов и потому бывает крайне изменчивой, что затрудняет их интерпретацию и сравнение с данными традиционных наблюдений. Чтобы иметь дело с долговременными достаточно устойчивыми трендами изменчивости оценки Вгз(к) в виде атрибутов пикселей изображения с произвольным шагом по координатам осреднялись в ячейках регулярной сетки с шагом 2' по широте и 2.7' по долготе. На
местности они выглядят как квадраты 3.6 х 3.6 км. Индивидуальные изображения моря проектировались на эту сетку, а затем она же использовалась для осреднения спроектированных данных по месяцам.
Изображения водоема, получаемые с помощью СЦО, нередко портит множество дефектов. Они ставят перед выбором: строить среднесезон-ные распределения путем осреднения всех приемлемых данных, выигрывая в обеспеченности результата, или применить процедуру осреднения к малочисленным изображениям наилучшего качества, повысив вероятность несмещенности оценок среднего, но проиграв в их обеспеченности. Под "наилучшим качеством" здесь понимается максимальное покрытие акватории моря доброкачественными пикселями. Очевидно, снимки такого качества получаются при безоблачной или малооблачной погоде по всему бассейну и нахождении оси полосы обзора СЦО приблизительно над его серединой. Наилучшее качество осредня-емых изображений бассейна повышает достоверность среднего распределения, важную при истолковании данных. Поэтому мы предпочли второй подход, включив в выборки изображений того или иного месяца по три файла простран-ственно-осредненных изображений с наиболее полным покрытием акватории моря. Дале
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.