ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2013, № 5, с. 21-31
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
ОЦЕНКА КОНЦЕНТРАЦИИ ХЛОРОФИЛЛА В КАРСКОМ МОРЕ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОГО СКАНЕРА MODIS-AQUA
© 2013 г. О. А. Кузнецова2,3, О. В. Копелевич1,3, *, С. В. Шеберстов1,3, В. И. Буренков1, 3,
С. А. Мошаров1, А. Б. Демидов1
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва 2Московский государственный университет 3Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург
*Е-таП: oleg@ocean.ru Поступила в редакцию 12.03.2013 г.
Предложен и реализован новый подход к разработке регионального алгоритма оценки концентрации хлорофилла в Карском море по данным спутниковых сканеров цвета, учитывающий трудности получения регулярных качественных спутниковых данных в Арктическом регионе из-за плохих условий для спутниковых наблюдений. Разработка алгоритма основана на данных судовых измерений, проведенных в Карском море в двух рейсах НИС "Академик Мстислав Келдыш" в сентябре 2007 и 2011 гг. С помощью нового алгоритма рассчитаны карты среднемесячных пространственных распределений концентрации хлорофилла в сентябре 2007 и 2011 гг., сравнительные графики изменения концентрации хлорофилла по маршруту экспедиций (прямые определения, расчеты посредством нового и стандартного алгоритма МОБК), гистограммы среднемесячных распределений концентрации хлорофилла по занимаемым площадям в июне—октябре обоих годов. Результаты показывают непригодность использования стандартного алгоритма МОБК для Карского моря, которое находится под сильным влиянием речного стока, и приемлемое согласие данных расчетов по новому алгоритму с данными судовых исследований.
Ключевые слова: спутниковые сканеры цвета, концентрация хлорофилла, судовые измерения, региональный алгоритм, пространственные распределения, сезонные изменения, Карское море
DOI: 10.7868/S0205961413050023
ВВЕДЕНИЕ
Цель данной работы — разработка регионального алгоритма оценки концентрации хлорофилла в Карском море по спутниковым данным. Концентрация хлорофилла — важнейший параметр для характеристики биомассы фитопланктона и расчета первичной продуктивности океанов и морей, чувствительный индикатор изменений, происходящих с морскими экосистемами. Это единственная характеристика морских экосистем, изменчивость которой, благодаря спутниковым наблюдениям, может быть изучена в широком диапазоне пространственных и временных масштабов.
Концентрация хлорофилла входит в число стандартных продуктов обработки данных спутниковых сканеров цвета, и ее значения, рассчитанные по стандартным алгоритмам, доступны на сайтах NASA и Европейского космического агентства (см., например, http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/). Однако стандартные алгоритмы для большинства морей России, находящихся под сильным влиянием речного стока, могут давать большие ошибки, и для
них требуются региональные алгоритмы, учитывающие специфические особенности рассматриваемого бассейна. Такие алгоритмы могут быть разработаны только на основе данных натурных измерений в исследуемом регионе (http://optics.ocean.ru).
Для Карского моря алгоритмы, существующие в настоящее время, дают результаты, неадекватные имеющимся данным судовых измерений. Проведенные нами расчеты показали, что стандартный алгоритм обработки данных сканера МОЭК существенно завышает концентрацию хлорофилла по сравнению с данными прямых определений, а алгоритм для Баренцева моря, разработанный ранее в Институте океанологии РАН (ИО РАН) (http://optics.ocean.ru), занижает. Для Карского моря необходим свой региональный алгоритм, учитывающий его специфику.
Попытка разработки такого алгоритма уже предпринималась ранее по данным 54-го рейса НИС "Академик Мстислав Келдыш", проведенного в Карском море в сентябре 2007 г. (Флинт, 2010), причем не только для концентрации хлоро-
Рис. 1. Расположение станций в 54-м (а) и 59-м (б) рейсах НИС "Академик Мстислав Келдыш" в Карском море в 2007 и 2011 гг.
филла (Буренков и др., 2010а), но и для концентрации взвеси (Буренков и др., 20106). В настоящей работе региональный алгоритм определения концентрации хлорофилла в Карском море разрабатывается на более обширном массиве данных.
Использование спутниковых данных в арктических морях связано со многими ограничениями, главное из которых — облачность, существенно лимитирующая количество доступной спутниковой информации. Долгая арктическая зима с ледовым покрытием, низкое Солнце затрудняют расчет биооптических характеристик по спутниковым данным. Если говорить о Карском море, то количество судовых измерений здесь также невелико, поэтому разработка регионального алгоритма для этого моря потребовала специального подхода, цель которого заключалась в максимально возможном использовании всей совокупности имеющихся данных.
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ, МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЙ И ОБРАБОТКИ
Данные натурных измерений, на которых основывается разработка алгоритма, получены в двух рейсах НИС "Академик Мстислав Келдыш", проведенных в Карском море в 2007 и 2011 гг.: 54-й рейс - 05.09-07.10.2007 г. (Флинт, 2010), 59-й -12.09-07.10.2011 г. Расположение станций, выполненных в этих рейсах, показано на рис. 1.
Особенность Карского моря заключается в том, что оно принимает крупнейший в Арктическом бассейне пресноводный речной сток, из которого около 90% приходится на Обь и Енисей. Влияние этого стока распространяется практически на все море, и эта особенность имеет важное значение для разработки алгоритма определения концентрации хлорофилла по данным спутниковых сканеров цвета, поскольку речной сток непосредственно влияет на оптические свойства морской воды и формирование спектральных величин светового излучения, выходящего из водной толщи и определяющего исходную информацию для решения рассматриваемой задачи.
На рис. 1 видно, что районы исследований, проведенных в указанных выше рейсах, различаются: в 2007 г. исследования проводились в западной части моря, и одна из главных задач 54-го рейса заключалась в изучении трансформации речного стока Оби (Флинт, 2010); в 2011 г. - основным объектом исследований были восточная часть Карского моря и пресноводный сток Енисея.
В обоих рейсах выполнялся широкий комплекс гидрофизических, гидрохимических, биологических и геологических исследований; разработка алгоритма основывалась в первую очередь на данных прямых определений концентрации хлорофилла и измерений спектрального коэффициента яркости водной толщи посредством плавающего
спектрорадиометра, которые использовались для сопоставления со спутниковыми данными.
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ХЛОРОФИЛЛА
Определение хлорофилла-а в морской воде проводилось стандартным флуорометрическим методом (Holm-Hansen et al., 1978; Ocean optics protocols, 2003) с помощью флуорометра МЕГА-25 (производство кафедры биофизики МГУ им. М.В. Ломоносова). Флуорометр откалиброван с использованием аутентичного хлорофилльного стандарта фирмы Sigma Chemical Co. (США).
Пробы воды (0.5 л) отбирались батометрами с выбранных горизонтов, фильтровались через стекловолокнистые фильтры GF/F фирмы Whatman под вакуумом 0.2 атм. Фильтры подсушивали и помещали в 90%-ный ацетон для проведения экстракции хлорофилла-а при температуре +4°С в темноте в течение 24 ч. Полученные экстракты помещали в измерительную кювету флуорометра и определяли интенсивность флуоресценции. Для коррекции концентрации хлорофилла-а с учетом феофитина экстракт подкисляли 1 н HCl и снова определяли интенсивность флуоресценции. Расчет концентраций хлорофилла-а и феофитина по данным флуоресценции проводился по формулам (EPA Method, 1997; UNESCO, 1994).
В 2007 г. в период с 9 по 30 сентября, были выполнены измерения концентрации хлорофилла на 38 станциях, в 2011 г. — на 37 станциях, в период 15.09—01.10. Пробы отбирались с разных горизонтов, но для разработки спутникового алгоритма использовались данные только для подповерхностного слоя 0—3 м — если отбирались пробы с нескольких горизонтов в этом слое, то бралась средняя концентрация.
ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЯРКОСТИ ВОДНОЙ ТОЛЩИ
Для верификации данных спутниковых измерений и разработки региональных биооптических алгоритмов в обоих рейсах использовался плавающий спектрорадиометр (Артемьев и др., 2000). Этот прибор измеряет спектральную яркость выходящего из водной толщи излучения непосредственно под поверхностью Lu(0-, X) и спектральную облученность поверхности моря Ed(0+, X), что позволяет рассчитать спектральный коэффициент яркости водной толщи, который используется для разработки биооптических алгоритмов и верификации алгоритмов атмосферной коррекции. Определяемый коэффициент яркости р(Х) выражается формулой p(X) = Lu(0-, X)/Ed(0-, X), где Ed(0-, X) — спектральная облученность, создаваемая нисходя-
щем потоком солнечного излучения (прямого и рассеянного) непосредственно под поверхностью моря. Величины Ed(0-, X) и Ed(0+, X) связаны формулой Ed(0-, X) = tEd(0+, X), где t — коэффициент пропускания поверхности, который зависит от условий освещения (высота Солнца, облачность) и состояния поверхности. В зависимости от этих факторов значение t принималось 0.85—0.95 (Иванов, 1978).
Коэффициент яркости водной толщи р(Х) и коэффициент яркости моря RRS(X), определяемый по спутниковым данным (см. следующий раздел), связаны формулой Lee et al. (1998)
Rrs(X) = 0.165p(X)/[1 - 0.497p(X)].
Измерения плавающим спектрорадиометром выполнялись на дрейфовых станциях. Прибор отводился от борта судна с помощью плавучего якоря на расстояние 30—50 м, чтобы избежать влияния корпуса судна на измерения. В зависимости от погодных условий выполнялись 20— 50 сканирований по спектру. При обработке результаты измерений осреднялись по специально разработанному алгоритму.
Спектральный диапазон измерений — 390— 700 нм, разрешение — 2.5 нм, время сканирования по спектру — 15 с. Точность измерения яркости и облученности — 5%. Перед рейсами прибор был откалиброван в лабораторных условиях в ИО РАН с помощью вторичного эталона спектральной облученности.
Проведение световых измерений в Карском море было затруднено погодными условиями, прежде всего
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.