hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.59887/2073-6673.2024.17(3)-8hydrophysics-1373Research ArticleТЕХНИЧЕСКАЯ ГИДРОФИЗИКАTECHNICAL HYDROPHYSICSВлияние параметров поверхностного слоя в Карском море на точность оценки концентрации хлорофилла-а биооптическими алгоритмамиInfluence of the Kara Sea Surface Layer Parameters on the Accuracy of Chlorophyll-a Concentration Estimation by the Bio-optical Algorithmshttps://orcid.org/0000-0003-1893-8358ДерягинД. Н.DeryaginD. N.

Дерягин Дмитрий Николаевич, младший научный сотрудник ИО РАН, аспирант Московского физико-технического института (национального исследовательского университета)

WoS ResearcherID: LNP-5769-2024

Scopus Author ID: 57960680800

117997, Нахимовский пр., д. 36, г. Москва

117997, Nakhimovsky pr., 36, Moscow

141701, Institutskiy per., 9, Dolgoprudny, Moscow region

dmitriy.deryagin@phystech.suhttps://orcid.org/0000-0001-7792-8489ВазюляС. В.VazyulyaS. V.

Вазюля Светлана Васильевна, старший научный сотрудник ИО РАН

WoS ResearcherID: G-1423-2014

Scopus Author ID: 6507188979

117997, Nakhimovsky pr., 36, Moscow

svershova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5641-4227ГлуховецД. И.GlukhovetsD. I.

Глуховец Дмитрий Ильич, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИО РАН, доцент Московского физико-технического института (национального исследовательского университета)

WoS ResearcherID: AAE-9599-2019

Scopus AuthorID: 57193736311

117997, Нахимовский пр., д. 36, г. Москва

141701, Институтский пер., 9, г. Долгопрудный, Московская область

117997, Nakhimovsky pr., 36, Moscow

141701, Institutskiy per., 9, Dolgoprudny, Moscow region

glukhovets@ocean.ruИнститут океанологии им. П.П. Ширшова РАН; Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)РоссияShirshov Institute of Oceanology of the Russian Academy of Sciences; Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)Russian FederationИнститут океанологии им. П.П. Ширшова РАНРоссияShirshov Institute of Oceanology of the Russian Academy of SciencesRussian Federation20242911202417391101Copyright © Дерягин Д.Н., Вазюля С.В., Глуховец Д.И., 20242024Дерягин Д.Н., Вазюля С.В., Глуховец Д.И.Deryagin D.N., Vazyulya S.V., Glukhovets D.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/1373

Представлены результаты настройки гидрооптической модели в программе HydroLight для трёх станций в Карском море, выбранных внутри, на границе и вне поверхностного опреснённого слоя, отличающихся различными вертикальными распределениями значений биооптических характеристик. Выбранные распределения типичны для областей Карского моря, находящихся под влиянием речного стока. Модель с хорошей точностью (средняя относительная ошибка менее 10 %) воспроизводит измеренные в экспедициях спектры коэффициента яркости моря, вертикальные профили показателя ослабления света морской водой и фотосинтетически активной радиации. Полученные результаты позволили провести оценку точности различных алгоритмов определения концентрации хлорофилла-а в интервале значений, характерных для акватории Карского моря. С той же целью выполнены аналогичные расчеты для различных значений по казателя поглощения окрашенным растворенным органическим веществом. Показано, что региональный алгоритм ИО РАН позволяет проводить оценку величин концентрации хлорофилла-а в области значений, превышающих 0,5 мг/м3, с существенно меньшей относительной ошибкой (менее 50 %), чем полуаналитический алгоритм GIOP (более 100 %). При этом вариации показателя поглощения желтого вещества оказывают существенно меньшее воздействие на результаты регионального алгоритма. Значительное влияние начального приближения значений концентрации хлорофилла-а на результаты работы полуаналитического алгоритма GIOP делает его непригодным для использования в области влияния речного стока в Карском море. Реализован численный метод определения толщины слоя, формирующего 90 % яркости выходящего из воды излучения, что в дальнейшем позволит более детально оценивать влияние параметров поверхностного слоя на точность оценки концентрации хлорофилла-а в Карском море по данным спутниковых сканеров цвета.

The results of the hydro-optical model setup in the HydroLight software for three stations in the Kara Sea characterized by different vertical distributions of the values of bio-optical properties are presented. The selected distributions are typical for the areas of the Kara Sea influenced by the river runoff. The stations are located inside, outside and at the boundary of the surface desalinated layer. The model reproduces the spectra of remote sensing reflectance, vertical profiles of light attenuation coefficient of sea water and photosynthetically available radiation measured in expeditions with good accuracy (average relative error less than 10 %). The results obtained made it possible to evaluate the accuracy of different algorithms for determining chlorophyll-a concentration in the range of values typical for the Kara Sea. For the same purpose, similar calculations were performed for different values of the absorption coefficient of colored dissolved organic matter. It is shown that the IO RAS regional algorithm allows estimation of chlorophyll-a concentration in the range of values exceeding 0.5 mg/m3 with a significantly smaller relative error (less than 50 %) than the semi-analytical GIOP algorithm (more than 100 %). At the same time, variations in the yellow matter absorption coefficient have a significantly smaller impact on the results of the regional algorithm. The significant influence of the initial approximation of chlorophyll-a concentration values on the results of the semi-analytical GIOP algorithm makes it unsuitable for use in the area of influence of river runoff in the Kara Sea. A numerical method for determining the thickness of the layer forming 90 % of the water-leaving radiance was implemented, which will allow a more detailed assessment of the influence of surface layer parameters on the accuracy of chlorophyll-a concentration estimation in the Kara Sea based on satellite ocean color data in the future.

коэффициент яркости морярегиональные биооптические алгоритмыконцентрация хлорофилла-апоказатель поглощения ОРОВHydroLightКарское мореremote sensing reflectanceregional bio-optical algorithmschlorophyll-a concentrationCDOM absorption coeffi cientHydroLightKara SeaГидрооптическое моделирование выполнено в рамках соглашения № 169-15-2023-002 в ходе реализации важнейшего инновационного проекта государственного значения «Единая национальная система монито ринга климатически активных веществ», анализ полученных результатов — в рамках государственного зада ния по теме № FMWE-2024-0015. Грант предоставлен через Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН.Hydro-optical modeling was performed under Agreement No. 169-15-2023-002 in the course of implementation of the most important innovative project of state importance “Unified National System for Monitoring of Climate Active Substances”, analysis of the obtained results — under the state assignment on the topic No. FMWE-2024-0015. The grant was provided through the P.P. Shirshov Institute of Oceanology of the Russian Academy of Sciences.ReferencesЛаврова О.Ю., Костяной А.Г., Лебедев С.А., Митягина М.И., Гинзбург А.И., Шеремет Н.А. Комплексный спутниковый мониторинг морей России. М.: ИКИ РАН, 2011. 480 c.Lavrova O. Yu., Kostianoy A.G., Lebedev S.A., Mityagina V.I., Ginzburg A.I., Sheremet N.A. Complex Satellite Moni toring of the Russian Seas. Moskva: IKI RAN;2011. 480 p. (in Russian).Кузнецова О.А., Копелевич О.В., Шеберстов С.В., Буренков В.И., Мошаров С.А., Демидов А.Б. Оценка концентрации хлорофилла в Карском море по данным спутникового сканера MODIS-Aqua // Исследование Земли из космоса. 2013. № 5. С. 21–31.Kuznetsova O.A., Kopelevich O.V., Sheberstov S.V., Burenkov V.I., Mosharov S.A., Demidov A.B. Estimation of chloro phyll concentration in the Kara Sea from data of MODIS-aqua satellite scanner. Issledovanie Zemli iz Kosmosa. 2013;5:21 31 (in Russian).Салинг И.В., Вазюля С.В., Демидов А.Б., Глуховец Д.И. Модификация регионального алгоритма для расчета кон центрации хлорофилла в Карском море // Труды XXX Юбилейного Международного симпозиума «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы». Томск.: ИОА СО РАН, 2024. С. C57–C60.Saling I.V., Vazyulya S.V., Demidov A.B. Modification of a regional algorithm for calculating chlorophyll concentration in the Kara Sea. Proceedings of the XXX International Symposium “Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics”. Tomsk, IOA SB RAS, 2024: C57–C60 (in Russian).Копелевич О.В., Салинг И.В., Вазюля С.В. Глуховец Д.И., Шеберстов С.В., Буренков В.И., Каралли П.Г., Юшма нова А.В. Биооптические характеристики морей, омывающих берега западной половины России, по данным спутниковых сканеров цвета 1998–2017 гг. / Под ред. О.В. Копелевича. М.: ИО РАН, 2018. 140 с.Kopelevich O.V., Sahling I.V., Vazyulya S.V., Glukhovets D.I., Sheberstov S.V., Burenkov V.I., Karalli P.G., Yush manova A.V. Biooptical characteristics of the seas washing the shores of the western half of Russia, according to satellite color scanners 1998–2017. Moskva, IO RAN, 2018. 140 p. (in Russian).Li J., Matsuoka A., Hooker S.B., Maritorena S., Pang X., Babin M. A tuned ocean color algorithm for the Arctic Ocean: a solution for waters with high CDM content // Optics Express. 2023. Vol. 31, N 23. P. 38494–38512. doi:10.1364/OE.500340Li J., Matsuoka A., Hooker S.B., Maritorena S., Pang X., Babin M. A tuned ocean color algorithm for the Arctic Ocean: a solution for waters with high CDM content. Optics Express. 2023;31(23):38494–38512. doi:10.1364/OE.500340Lewis K.M., Arrigo K.R. Ocean color algorithms for estimating chlorophyll a, CDOM absorption, and particle back scattering in the Arctic Ocean // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020. Vol. 125, N 6. P. e2019JC015706. doi:10.1029/2019JC015706Lewis K.M., Arrigo K.R. Ocean color algorithms for estimating chlorophyll a, CDOM absorption, and particle backscatter ing in the Arctic Ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020;125(6): e2019JC015706. doi:10.1029/2019JC015706Зацепин А.Г., Завьялов П.О., Кременецкий В.В., Поярков С.Г., Соловьев Д.М. Поверхностный опресненный слой в Карском море // Океанология. 2010. Т. 50, № 5. С. 698–708.Zatsepin A.G., Zavialov P.O., Kremenetskiy V.V., Poyarkov S.G., Soloviev D.M. The upper desalinated layer in the Kara Sea. Oceanology. 2010;50:657–667. doi:10.1134/S0001437010050036Glukhovets D.I., Goldin Y.A. Surface desalinated layer distribution in the Kara Sea determined by shipboard and satellite data // Oceanologia. 2020. Vol. 62, № 3. P. 364–373. doi:10.1016/j.oceano.2020.04.002Glukhovets D.I., Goldin Y.A. Surface desalinated layer distribution in the Kara Sea determined by shipboard and satel lite data. Oceanologia. 2020;62(3):364–373. doi:10.1016/j.oceano.2020.04.002Osadchiev A., Zabudkina Z., Rogozhin V., Frey D., Gordey A., Spivak E., Salyuk A., Semiletov I., Sedakov R. Structure of the Ob-Yenisei plume in the Kara Sea shortly before autumn ice formation // Frontiers in Marine Science. 2023. Vol. 10. P. 1129331. doi:10.3389/fmars.2023.1129331Osadchiev A, Zabudkina Z, Rogozhin V, Frey D, Gordey A, Spivak E, Salyuk A, Semiletov I, Sedakov R. Structure of the Ob-Yenisei plume in the Kara Sea shortly before autumn ice formation. Frontiers in Marine Science. 2023;10:1129331. doi:10.3389/fmars.2023.1129331Буренков В.И., Гольдин Ю.А., Артемьев В.А., Шеберстов С.В. Оптические характеристики вод Карского моря по судовым и спутниковым наблюдениям // Океанология. 2010. Т. 50, № 5. С. 716–29.Burenkov V.I., Goldin Y.A., Artem’ev V.A., Sheberstov S.V. Optical characteristics of the Kara Sea derived from ship borne and satellite data. Oceanology. 2010;50:675–687. doi:10.1134/S000143701005005XКравчишина М.Д., Клювиткин А.А., Новигатский А.Н., Глуховец Д.И., Шевченко В.П., Белан Б.Д. 89-й рейс (1-й этап) научно-исследовательского судна “Академик Мстислав Келдыш”: климатический эксперимент во взаимодействии с самолетом-лабораторией ТУ-134 “Оптик” в Карском море // Океанология. 2023. Т. 63, № 3. С. 492–495. doi:10.31857/S0030157423030073Kravchishina M.D., Klyuvitkin A.A., Novigatsky A.N., Glukhovets D.I., Shevchenko V.P., Belan B.D. Cruise 89 (First Leg) of the R/V Akademik Mstislav Keldysh: Climate Experiment in Interaction with the Tu-134 Optik Flying Labora tory. Oceanology. 2023;63:428–431. doi:10.1134/S0001437023030074Погосян С.И., Дургарян А.М., Конюхов И.В., Чикунова О.Б., Мерзляк М.Н. Абсорбционная спектроскопия ми кроводорослей цианобактерий и растворенного органического вещества: измерения во внутренней полости интегрирующей сферы // Океанология. 2009. Т. 49. С. 934–939.Pogosyan S.I., Durgaryan A.M., Konyuhov I.V., Chivkunova O.B., Merzlyak M.N. Absorption spectroscopy of mi croalgae, cyanobacteria, and dissolved organic matter: Measurements in an integrating sphere cavity. Oceanology. 2009;49:866–871. doi:10.1134/S0001437009060125Глуховец Д.И., Шеберстов С.В., Копелевич О.В., Зайцева А.Ф., Погосян С.И. Измерения показателя поглощения морской воды с помощью интегрирующей сферы // Светотехника. 2017. № 5. С. 39–43.Glukhovets D.I., Sheberstov S.V., Kopelevich O.V., Zajceva A.F., Pogosyan S.I. Measurement of sea water absorption factor using integrating sphere. Light Engineering. 2018;26(1):120–126. doi:10.33383/2016–079Артемьев В.А., Таскаев В.Р., Григорьев А.В. Автономный прозрачномер ПУМ-200 // Материалы XVII международной научно-технической конференции «Современные методы и средства океанологических исследований (МСОИ-2021)». М.: ИО РАН, 2021. C. 25–28.Artemiev V.A., Taskaev V.R., Grigorev A.V. Autonomous transparency meter PUM-200. Sovremennye Metody i Sredst va Okeanologicheskih Issledovanij (MSOI-2021). 2021:95–99 (in Russian).Артемьев В.А., Буренков В.И., Вортман М.И., Григорьев А.В., Копелевич О.В., Храпко А.Н. Подспутниковые измерения цвета океана: новый плавающий спектрорадиометр и его метрология // Океанология. 2000. Т. 40, № 1. С. 148–155.Artemiev V.A., Burenkov V.I., Vortman M.I., Grigoriev A.V., Kopelevich O.V., Khrapko A.N. Sea-truth measurements of ocean color: A new floating spectroradiometer and its metrology. Oceanology. 2000;40:139–145.Mobley C.D. Light and water: radiative transfer in natural waters. San Diego: Academic Press, 1994. 592 p.Mobley C.D. Light and water: radiative transfer in natural waters. San Diego: Academic Press, 1994. 592 p.Loisel H., Morel A. Light scattering and chlorophyll concentration in case 1 waters: A reexamination // Limnology and Oceanography. 1998. Vol. 43, N 5. P. 847–858. doi:10.4319/lo.1998.43.5.0847Loisel H., Morel A. Light scattering and chlorophyll concentration in case 1 waters: A reexamination. Limnology and Oceanography. 1998;43(5):847–858. doi:10.4319/lo.1998.43.5.0847Pope R.M., Fry E.S. Absorption spectrum (380–700 nm) of pure water II Integrating cavity measurements // Applied Optics. 1997. Vol. 36, N 33. P. 8710. doi:10.1364/AO.36.008710Pope R.M., Fry E.S. Absorption spectrum (380–700 nm) of pure water II Integrating cavity measurements. Applied Op tics. 1997;36(33):8710. doi:10.1364/AO.36.008710Röttgers R., McKee D., Utschig C. Temperature and salinity correction coefficients for light absorption by water in the visible to infrared spectral region // Optics Express. 2014. Vol. 22, N 21. P. 25093–25108. doi:10.1364/OE.22.025093Röttgers R., McKee D., Utschig C. Temperature and salinity correction coefficients for light absorption by water in the visible to infrared spectral region. Optics Express. 2014;22(21):25093–25108. doi:10.1364/OE.22.025093Morel A., Antoine D., Gentili B. Bidirectional reflectance of oceanic waters: accounting for Raman emission and varying particle scattering phase function // Applied Optics. 2002. Vol. 41, N 30. P. 6289. doi:10.1364/AO.41.006289Morel A., Antoine D., Gentili B. Bidirectional reflectance of oceanic waters: accounting for Raman emission and vary ing particle scattering phase function. Applied Optics. 2002;41(30):6289. doi:10.1364/AO.41.006289Demidov A.B., Kopelevich O.V., Mosharov S.A., Sheberstov S.V., Vazyulya S.V. Modelling Kara Sea phytoplankton pri mary production: Development and skill assessment of regional algorithms // Journal of Sea Research. 2017. Vol. 125. P. 1–17. doi:10.1016/j.seares.2017.05.004Demidov A.B., Kopelevich O.V., Mosharov S.A., Sheberstov S.V., Vazyulya S.V. Modelling Kara Sea phytoplankton primary production: Development and skill assessment of regional algorithms. Journal of Sea Research. 2017;125:1–17. doi:10.1016/j.seares.2017.05.004Werdell P.J., Franz B.A., Bailey S.W., Feldman G.C., Boss E., Brando V.E., Dowell M., Hirata T., Lavender S.J., Lee Z.P., Loisel H., Maritorena S., Mélin F., Moore T.S., Smyth T.J., Antoine D., Devred E., d’Andon O.H.F., Mangin A. General ized ocean color inversion model for retrieving marine inherent optical properties // Applied Optics. 2013. Vol. 52, N10. P. 2019–2037. doi:10.1364/AO.52.002019Werdell P.J., Franz B.A., Bailey S.W., Feldman G.C., Boss E., Brando V.E., Dowell M., Hirata T., Lavender S.J., Lee Z.P., Loisel H., Maritorena S., Mélin F., Moore T.S., Smyth T.J., Antoine D., Devred E., d’Andon O.H.F., Mangin A. Generalized ocean color inversion model for retrieving marine inherent optical properties. Applied Optics. 2013;52(10):2019–2037. doi:10.1364/AO.52.002019Bricaud A., Morel A., Babin M., Allali K., Claustre H. Variations of light absorption by suspended particles with chloro phyll a concentration in oceanic (case 1) waters: Analysis and implications for bio-optical models // Journal of Geophys ical Research. 1998. Vol. 103. P. 31033–31044. doi:10.1029/98JC02712Bricaud A., Morel A., Babin M., Allali K., Claustre H. Variations of light absorption by suspended particles with chloro phyll a concentration in oceanic (case 1) waters: Analysis and implications for bio-optical models. Journal of Geophysical Research. 1998;103: 31033–31044. doi:10.1029/98JC02712Gordon H.R., McCluney W.R. Estimation of the depth of sunlight penetration in the sea for remote sensing // Applied Optics. 1975. Vol. 14, N 2. P. 413–416.Gordon H.R., McCluney W.R. Estimation of the depth of sunlight penetration in the sea for remote sensing. Applied Optics. 1975;14(2):413–416.Gordon H.R., Clark D.K. Remote sensing optical properties of a stratified ocean: an improved interpretation //Applied Optics. 1980. Vol. 19, N 20. P. 3428–3430. doi:10.1364/AO.19.003428Gordon H.R., Clark D.K. Remote sensing optical properties of a stratified ocean: an improved interpretation. Applied Optics. 1980;19(20):3428–3430. doi:10.1364/AO.19.003428Zaneveld J.R.V., Barnard A.H., Boss E. Theoretical derivation of the depth average of remotely sensed optical parame ters // Optics Express. 2005. Vol. 13, N 22. P. 9052–9061. doi:10.1364/OPEX.13.009052Zaneveld J.R.V., Barnard A.H., Boss E. Theoretical derivation of the depth average of remotely sensed optical parame ters. Optics Express. 2005;13(22):9052–9061. doi:10.1364/OPEX.13.009052Lipinskaya N.A., Salyuk P.A., Golik I.A. Variations and Depth of Formation of Submesoscale Eddy Structures in Satel lite Ocean Color Data in the Southwestern Region of the Peter the Great Bay // Remote Sensing. 2023. Vol. 15, N 23. P. 5600. doi:10.3390/rs15235600Lipinskaya N.A., Salyuk P.A., Golik I.A. Variations and Depth of Formation of Submesoscale Eddy Structures in Sat ellite Ocean Color Data in the Southwestern Region of the Peter the Great Bay. Remote Sensing. 2023;15(23):5600. doi:10.3390/rs15235600

The authors declare that there are no conflicts of interest present.