hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.7868/S2073667318030085hydrophysics-768Research ArticleТЕХНИЧЕСКАЯ ГИДРОФИЗИКАTECHNICAL HYDROPHYSICSКонцентрация хлорофилла-а в Черном море: сравнение спутниковых алгоритмовComparison of the Black Sea Chlorophyll-a Algorithms for SeaWiFS and MODIS InstrumentsСуслинВ. B.SuslinV. V.

Севастополь

Sevastopol

slava.suslin@mhi-ras.ruЧуриловаТ. Я.ChurilovaT. Ya.

Севастополь

Sevastopol

ЛиМ. Е.LeeM. E.

Севастополь

Sevastopol

МончеваС.MonchevaS.

Варна

Varna

ФиненкоЗ. З.FinenkoZ. Z.

Севастополь

Sevastopol

Морской гидрофизический институт РАНРоссияMarine Hydrophysical Instutute RASRussian FederationИнститут морских биологических исследований им. А. О.Ковалевского РАНРоссияKovalevsky Institute of Marine Biological Research RASRussian FederationИнститут океанологии БАНБолгарияInstitute Oceanology BASBulgaria2018161120221136472Copyright © Суслин В.B., Чурилова Т.Я., Ли М.Е., Мончева С., Финенко З.З., 20222022Суслин В.B., Чурилова Т.Я., Ли М.Е., Мончева С., Финенко З.З.Suslin V.V., Churilova T.Y., Lee M.E., Moncheva S., Finenko Z.Z.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/768

Для Черного моря проведено сравнение трех алгоритмов, стандартного NASA, Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН и Морского гидрофизического института РАН, восстановления концентрации хлорофилла-а (Са) по данным спутниковых измерений в видимом диапазоне спектра на основе доступных измерений in situ за период с 1997 по 2015 гг. Результаты сравнения для трех спутниковых сканеров SeaWiFS, MODISAqua и MODIS-Terra показали: 1) стандартный продукт NASA завышает Са во всем его диапазоне изменчивости в Чёрном море, причём величина относительной ошибки составляет около 300 %; 2) продукт Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН аппроксимируется в логарифмических осях {Са(in situ), Са(алгоритм)} прямой, которая имеет такой же наклон, как и аналогичная аппроксимация стандартного продукта NASA, но, благодаря сдвигу в диапазоне Са от 0.2 до 0.9 мг∙м−3, лучше соответствует наблюдениям в терминах относительной ошибки (~80 %); 3) продукт Морского гидрофизического института дает наименьшую относительную ошибку (~40 %), но обладает высокой чувствительностью к качеству спектрального коэффициента моря (RRS), т. е. к отношению RRS в двух спектральных каналах из диапазона 480—560 нм.

We compared the global and two regional chlorophyll-a algorithms for SeaWiFS and MODIS-Aqua/Terra instruments in the Black Sea based on in situ measurements of the chlorophyll-a concentration (below Са) in the upper sea layer during 1997—2015. Comparison results for three SeaWiFS, MODIS-Aqua and MODIS-Terra instruments showed: 1) the standard product NASA overestimates Са throughout the range of variability of Са in the Black Sea, the average value of the relative error is about 300 %; 2) the product of the Shirshov’s Institute of Oceanology has the same slope in the logarithm axises {Са(in situ), Са(algorithm)}, like the standard NASA product, but due to the shift, in the Са range from 0.2 to 0.9 mg∙m−3 is better, in terms of relative error (~80 %) corresponds to observations; 3) the product of the Marine Hydrophysical institute gives the smallest relative error (~40 %), but it has a high sensitivity to the quality of the remote spectral reflectance (RRS), that is, to the ratio of RRS in two bands from 480—560 nm.

концентрация хлорофилла-аЧерное моредистанционное зондированиевидимый диапазонрегиональный биооптический алгоритмchlorophyll-a concentrationBlack Searemote sensingvisible domainregional biooptical algorithmРабота выполнена в рамках государственных заданий: тема № 0827-2014-0011 «Исследования закономерностей изменений состояния морской среды на основе оперативных наблюдений и данных системы диагноза, прогноза и реанализа состояния морских акваторий» и тема № 0828-2014-0016 «Создание методов и технологий оперативного контроля экологического состояния биоты, оценки и прогноза качества морской среды», а также частично при поддержке РФФИ гранты № 17-05-00113, № 16-05-00076, № 18-45-920070.ReferencesФиненко З. З. и др. Оценка продуктивности фитопланктона Черного моря по спутниковым данным // Доклады Академии наук. 2010. Т. 432, № 6. С. 845—848.Finenko Z. Z. et al. Estimation of phytoplankton productivity in the sea based on satellite data. Doklady Biological Sciences. 2010, 432, 1, 233—236.Dorofeev V. et al. The My Ocean Black Sea coupling of dynamics and ecosystem // Mercator Ocean Quarterly Newsletter. January 2011. N 40. P. 26—35.Dorofeev V. et al. The My Ocean Black Sea coupling of dynamics and ecosystem. Mercator Ocean Quarterly Newsletter. January 2011, 40, 26—35.O'Reilly J. E. et al. SeaWiFSPostlaunch Calibration and Validation Analyses, Part 3 // NASA Tech. Memo. 2000-206892. 2000. V. 11, S. B. Hooker and E. R. Firestone, Eds., NASA Goddard Space Flight Center. 49 p.O'Reilly J. E. et al. Sea WiFSPostlaunch Calibration and Validation Analyses, Part 3. NASA Tech. Memo. 2000-206892. 2000, 11, S.B. Hooker and E.R. Firestone, Eds., NASA Goddard Space Flight Center. 49 p.Kopelevich O. V. et al. Application of SeaWiFS data for studing variability of bio-optical characteristics in the Barents, Black and Caspian Seas // Deep-Sea Research. Part II: Tropical Studies in Oceanography. 2004. V. 51, N 10—11. P. 1063—1091.Kopelevich O. V. et al. Application of SeaWiFS data for studing variability of bio-optical characteristics in the Barents, Black and Caspian Seas. Deep-Sea Research. Part II: Tropical Studies in Oceanography. 2004, 51, 10—11, 1063—1091.Suslin V., Churilova T. A regional algorithm for separating light absorption by chlorophyll-a and coloured detrital matter in the Black Sea, using 480–560 nm bands from ocean colour scanners // International Journal of Remote Sensing. 2016. V. 37, N 18. Р. 4380—4400. http://doi.org/10.1080/01431161.2016.1211350.Suslin V., Churilova T. A regional algorithm for separating light absorption by chlorophyll-a and coloured detrital matter in the Black Sea, using 480—560 nm bands from ocean colour scanners. International Journal of Remote Sensing. 2016, 37, 18, 4380—4400. http://dx.doi.org/10.1080/01431161.2016.1211350.Суетин В. С. и др. Оценка изменчивости оптических свойств воды в Черном море летом 1998 года по данным спутникового прибора SeaWiFS // Морской гидрофизический журнал. 2002. № 6. С. 44—54.Suetin V. S. et al. Analysis of the variability of the optical properties of water in the Black Sea in summer 1998 according to the data of SeaWiFS satellite instrument. Physical Oceanography. 2002, 12(6), 331—340.Суетин В. С. и др. Уточненная интерпретация данных наблюдений Черного моря спутниковым прибором SeaWiFS осенью 1998 г. // Морской гидрофизический журнал. 2008. № 2. С. 68—77.Suetin V. S. et al. Improved interpretation of the data of observations of the black sea by a SeaWiFS satellite instrument in autumn 1998. Physical Oceanography. 2008, 18, 2, 106—115.Суслин В. В. и др. Региональный алгоритм расчета концентрации хлорофилла-а в Черном море по спутниковым данным SeaWiFS // Морской экологический журнал. 2008. Т. 7, № 2. С. 24—42.Suslin V. V. et al. The SeaWiFS algorithm of chlorophyll a in the Black Sea. Marine Ecological Journal. 2008, VII, 2, 24—42 (in Russian).Pope R. M., Fry E. S. Absorption spectrum (380—700 nm) of pure water. II. Integrating cavity measurements // Appl. Opt. 1997. V. 36. P. 8710—8723.Pope R. M., Fry E. S. Absorption spectrum (380-700 nm) of pure water. II. Integrating cavity measurements. Appl. Opt. 1997, 36, 8710—8723.NASA Goddard Space Flight Center, Ocean Ecology Laboratory, Ocean Biology Processing Group. SeaBASS. https://seabass.gsfc.nasa.gov/search (Date of access: 14.10.2017).NASA Goddard Space Flight Center, Ocean Ecology Laboratory, Ocean Biology Processing Group. SeaBASS. URL: https://seabass.gsfc.nasa.gov/search (Date of access: 14.10.2017).Oguz T., Ediger D. Comparision of in situ and satellite-derived chlorophyll pigment concentrations, and impact of phytoplankton bloom on the suboxic layer structure in the western Black Sea during May–June 2001 // Deep-Sea Research II. 2006. V. 53. P. 1923—1933.Oguz T., Ediger D. Comparision of in situ and satellite-derived chlorophyll pigment concentrations, and impact of phytoplankton bloom on the suboxic layer structure in the western Black Sea during May-June 2001. Deep-Sea Research II. 2006, 53, 1923—1933.Mitchell B. G. et al. Determination of spectral absorption coefficients of particles, dissolved materials and phytoplankton for discrete water samples. Ocean Optics Protocols for Satellite Ocean Color Sensor Validation, 4(4), Inherent Optical Properties: Instruments, Characterization, Field Measurements and Data Analysis Protocols // NASA Tech. Rep. 2003-211621, Goddard Space Flight Cent., Greenbelt, Md. 2003. P. 39—64. URL: https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/docs/technical/protocols_ver4_voliv.pdf (Дата обращения: 12.09.2017)Mitchell B. G. et al. Determination of spectral absorption coefficients of particles, dissolved materials and phytoplankton for discrete water samples. Ocean Optics Protocols for Satellite Ocean Color Sensor Validation, 4(4), Inherent Optical Properties: Instruments, Characterization, Field Measurements and Data Analysis Protocols. NASA Tech. Rep. 2003-211621, Goddard Space Flight Cent., Greenbelt, Md. 2003, 39—64. URL: https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/docs/technical/protocols_ver4_voliv.pdf (Date of access: 12.09.2017).NASA Goddard Space Flight Center, Ocean Ecology Laboratory, Ocean Biology Processing Group; (2014): Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor (SeaWiFS) Ocean Color Data, NASA OB.DAAC. http://doi.org/10.5067/ORBVIEW-2/SEAWIFS_OC.2014.0 (Date of access: 14.10.2017).NASA Goddard Space Flight Center, Ocean Ecology Laboratory, Ocean Biology Processing Group; (2014): Sea-viewing Wide Fieldofview Sensor (SeaWiFS) Ocean Color Data, NASA OB.DAAC. http://doi.org/10.5067/ORBVIEW-2/SEAWIFS_OC.2014.0.NASA Goddard Space Flight Center, Ocean Ecology Laboratory, Ocean Biology Processing Group. Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) Aqua Ocean Color Data; 2014 Reprocessing. NASA OB.DAAC, Greenbelt, MD, USA. doi: 10.5067/AQUA/MODIS_OC.2014.0.NASA Goddard Space Flight Center, Ocean Ecology Laboratory, Ocean Biology Processing Group. Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) Aqua Ocean Color Data; 2014 Reprocessing. NASA OB.DAAC, Greenbelt, MD, USA. doi: 10.5067/AQUA/MODIS_OC.2014.0.NASA Goddard Space Flight Center, Ocean Ecology Laboratory, Ocean Biology Processing Group. Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) Terra Ocean Color Data; 2014 Reprocessing. NASA OB.DAAC, Greenbelt, MD, USA. doi: 10.5067/TERRA/MODIS_OC.2014.0. Accessed on 14.10.207.NASA Goddard Space Flight Center, Ocean Ecology Laboratory, Ocean Biology Processing Group. Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) Terra Ocean Color Data; 2014 Reprocessing. NASA OB.DAAC, Greenbelt, MD, USA. doi: 10.5067/TERRA/MODIS_OC.2014.0.NASA Goddard Space Flight Center, Ocean Ecology Laboratory, Ocean Biology Processing Group. Remote Sensing Reflectance (Rrs). https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/atbd/rrs/ (Date of access: 10.05.2017).NASA Goddard Space Flight Center, Ocean Ecology Laboratory, Ocean Biology Processing Group. Remote Sensing Reflectance (Rrs). URL: https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/atbd/rrs/ (Date of access: 10.05.2017).NASA Goddard Space Flight Center, Ocean Ecology Laboratory, Ocean Biology Processing Group. Chlorophyll a (chlor_a)/Algorithm Description, https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/atbd/chlor_a/ (Date of access: 14.10.2017).NASA Goddard Space Flight Center, Ocean Ecology Laboratory, Ocean Biology Processing Group. Chlorophyll a (chlor_a)/Algorithm Description, URL: https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/atbd/chlor_a/ (Date of access: 14.10.2017).NASA Goddard Space Flight Center, Ocean Ecology Laboratory, Ocean Biology Processing Group. Level 2 Ocean Color Flags; flags which will exclude data are listed under «L3 Mask Default». https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/atbd/ocl2flags/ (Date of access: 14.10.2017).NASA Goddard Space Flight Center, Ocean Ecology Laboratory, Ocean Biology Processing Group. Level 2 Ocean Color Flags; flags which will exclude data are listed under «L3 Mask Default». URL: https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/atbd/ocl2flags/ (Date of access: 14.10.2017).Suslin V. V., Gurov K. I. Impact of optically active layers in the Black Sea on the quality of retrieved ocean color products: modeling and satellite observations // Proc. SPIE 10466, 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 104663K (30 November 2017); doi: 10.1117/12.2287386; http://doi.org/10.1117/12.2287386.Suslin V. V., Gurov K. I. Impact of optically active layers in the Black Sea on the quality of retrieved ocean color products: modeling and satellite observations. Proc. SPIE 10466, 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 104663K (30 November 2017). doi: 10.1117/12.2287386.Калинская Д. В., Суслин В. В. Простой метод определения источников приземного аэрозоля на основе результатов анализа обратных траекторий // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2015. Т. 8, № 1. С. 59—67.Kalinskaya D. V., Suslin V. V. Simple Method of Determination of Ground-Based Aerosol Sources Using Back Trajectory Analysis Results. Fundamentalnaya i Prikladnaya Gidrofizika. 2015, 8, 1, 59—67 (in Russian).

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