hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.7868/S2073667320020021hydrophysics-97Research ArticleГИДРООПТИКАHYDROOPTICSМежгодовые изменения биооптических характеристик поверхностного слоя морей, окружающих западную часть России, по данным спутниковых сканеров цветаInterannual changes of the bio-optical characteristics in the surface layer of the seas surrounding the western part of Russia from data of satellite ocean color scannersКопелевичО. В.KopelevichO. V.

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

117997, Nahimovsky Prospekt, 36, Moscow

oleg@ocean.ruСалингИ. В.SahlingI. V.

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

117997, Nahimovsky Prospekt, 36, Moscow

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАНРоссияShirshov Institute of Oceanology RASRussian Federation2020011220211321624Copyright © Копелевич О.В., Салинг И.В., 20212021Копелевич О.В., Салинг И.В.Kopelevich O.V., Sahling I.V.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/97

Представлены результаты анализа межгодовых изменений среднемесячных значений биооптических характеристик поверхностного слоя вод Баренцева, Карского, Белого, Балтийского, Черного и Каспийского морей за период 1998–2018 годы, рассчитанных по данным спутниковых сканеров цвета.В качестве основных рассматриваются концентрация хлорофилла и показатель рассеяния назад взвешенными частицами, характеризующие изменчивость содержания фитопланктона и взвешенного вещества; привлекаются и другие характеристики, в частности, показатель поглощения окрашенного органического вещества как индикатор речного стока, также параметры, характеризующие цветения массовых видов фитопланктона, таких как кокколитофоридные цветения в Баренцевом и Черном морях, сине-зеленых водорослей в Балтийском. Большинство биооптических характеристик рассчитаны с помощью региональных алгоритмов, выведенных на основе данных натурных измерений, выполненных в исследуемых морях и учитывающих региональные особенности этих морей. В качестве параметра, характеризующего климатические изменения, приведены среднемесячные значения температуры поверхности моря по данным спутникового сканера MODIS-Aqua.Статья содержит два основных раздела: в первом представлены данные об изменениях, происшедших в вышеуказанных морях в 2016–2018 гг., в сравнении с наблюдавшимися экстремальными значениями биоптических характеристик; во втором разделе дана систематизация и анализ экстремальных изменений характеристик за весь период наблюдений. Выполненный анализ показал, что в последние годы происходят значительные изменения, связанные в большинстве случаев с цветениями фитопланктона. Рекордный размах межгодовых изменений зарегистрирован в южной части Каспийского моря в июле 2001 г. после вселения гребневика Mnemiopsis — концентрация хлорофилла выросла более чем на порядок. Другой фактор, обусловливающий рекордную изменчивость биооптических характеристик, — речной сток.Полученные результаты впервые дали количественные представления о происшедших изменениях биооптических характеристик в период 1998–2018 гг. в шести морях, различных по своим природным условиям, и создали основу для дальнейшего анализа, направленного на выявление процессов и факторов, обусловивших эти изменения.

The article presents the results of an analysis of inter-annual changes in the monthly means of bio-optical characteristics in the surface layer of the Barents, Kara, White, Baltic, Black and Caspian Seas for the period 1998–2018, calculated from data satellite color scanners. As the main parameters, the chlorophyll-a concentration, Chl and particle backscattering coefficient, bbp = bbp(555), characterizing the variability of phytoplankton and suspended matter, are discussed. The other characteristics, such as the absorption coefficient of colored organic substance ag = ag(440) as an indicator of river runoff, the parameters that characterize the phytoplankton bloom (coccolithophore blooms in the Barents and Black Seas, of blue-green algae in the Baltic Sea) are also considered. The monthly means of sea surface temperature, SST by MODIS-Aqua data are presented as a parameter characterizing climate change. Most of the bio-optical characteristics were calculated using regional algorithms, derived from field measurements carried out in the considered seas and reflecting their regional features.The presented data revealed significant changes in bio-optical characteristics that occurred in the considered seas in 2016–2018, in most cases they were associated with phytoplankton blooms. Systematization and analysis of extreme changes in bio-optical characteristics over the entire observation period found a record change in the southern part of the Caspian Sea in July 2001 after the invasion of the ctenophore Mnemiopsis — the chlorophyll concentration increased by more than an order. Another factor contributing to the record variability of bio-optical characteristics is river runoff.The obtained results provided quantitative data on changes in bio-optical characteristics in the period 1998–2018 for six seas, different in their natural conditions, and provided the basis for further analysis aimed at identifying the processes and factors that caused these changes.

биооптические характеристикимежгодовые измененияБаренцевоКарскоеБелоеБалтийскоеЧерноеКаспийское моряспутниковые данныеbio-optical characteristicsinter-annual changesBarentsKaraWhiteBalticBlackCaspian Seassatellite dataThis research was performed in the framework of the state assignment (theme No. 0149–2019–0003).ReferencesКопелевич О.В., Салинг И.В., Вазюля С.В., Глуховец Д.И., Шеберстов С.В., Буренков В.И., Каралли П.Г., Юшманова А.В. Биооптические характеристики морей, омывающих берега западной половины России, по данным спутниковых сканеров цвета 1998–2017 гг. М.: ООО «ВАШ ФОРМАТ», 2018. 140 с.Kopelevich O.V., Saling I.V., Vazyulya S.V., Gluxovec D.I., Sheberstov S.V., Burenkov V.I., Karalli P.G., Yushmanova A.V. Bio-optical characteristics of the seas, surrounding the western part of Russia, from data of the satellite ocean color scanners of 1998–2017. Moscow, OOO «VASh FORMAT», 2018, 140 p. (in Russian).Электронный атлас. URL: http://optics.ocean.ru / (дата обращения: 01.03.2020).Electronic Atlas. Bio-optical characteristics of the seas, surrounding the western part of Russia, from data of satellite ocean color scanners of 1998–2018. http://optics.ocean.ru (date of access: 01.03.2020).Ocean Color Browse. URL: https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/cgi/browse.pl (дата обращения: 17.04.2020).Ocean Color Browse. URL: https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/cgi/browse.pl (date of access: 17.04.2020).Копелевич О.В., Вазюля С.В., Салинг И.В., Шеберстов С.В., Буренков В.И. Электронный атлас «Биооптические характеристики морей России по данным спутниковых сканеров цвета 1998–2014 гг.» // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12, № 6. С. 99–110.Kopelevich O.V., Sheberstov S.V., Saling I.V., Vazyulya S.V., Burenkov V.I. Seasonal and Inter-Annual Changeability of Bio-Optical Characteristics in the Surface Layer of the Barents, White, Black and Caspian Seas from Satellite Data. Fundamentalnaya i Prikladnaya Gidrofizika. 2015, 8, 1, 7–16 (in Russian).Kопелевич О.В., Шеберстов С.В., Салинг И.В., Вазюля С.В., Буренков В.И. Сезонная и межгодовая изменчивость биооптических характеристик вод поверхностного слоя Баренцева, Белого, Черного и Каспийского морей по спутниковым данным // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2015. Т. 8, N 1. С. 7–16.Kopelevich O.V., Vazyulya S.V., Saling I.V., Sheberstov S.V., Burenkov V.I. Electronic atlas “Biooptical characteristics of the Russian Seas from satellite ocean color data of 1998–2014”. Sovremennye Problemy` Distancionnogo Zondirovaniya Zemli iz Kosmosa. 2015, 12, 6, 99–110 (in Russian).Копелевич О.В., Артемьев В.А. Сравнение биооптических характеристик Балтийского, Норвежского и Баренцева морей — лето 2016 г. (65-й рейс научно-исследовательского судна «Академик Мстислав Келдыш») // Океанология. 2017. Т. 57, № 2. С. 374–376.Kopelevich O.V., Artemiev V.A. Comparison of biooptical characteristics of the Baltic, Norwegian, and Barents Seas: summer 2016 (Cruise 65 of the R/V Akademik Mstislav Keldysh). Oceanology. Pleiades Publishing, Ltd., 2017, 57, 2, 340–342.Копелевич О.В., Вазюля С.В., Григорьев А.В., Храпко А.Н., Шеберстов С.В., Салинг И.В. Проникновение солнечной радиации видимого диапазона в воды Баренцева моря в зависимости от облачности и кокколитофоридных цветений // Океанология. 2017. Т. 57, № 3. С. 445–453. doi:10.7868/S0030157417020095Kopelevich O.V., Vazyulya S.V., Grigoriev A.V., Khrapko A.N., Sheberstov S.V., Sahling I.V. Penetration of visible solar radiation in waters of the Barents Sea depending on cloudiness and coccolithophore blooms. Oceanology. Pleiades Publishing, Ltd., 2017, 57, 3, 402–409.Копелевич О.В., Каралли П.Г., Лохов А.С., Салинг И.В., Шеберстов С.В. Перспективы улучшения точности оценки параметров кокколитофоридных цветений в Баренцевом море по спутниковым данным // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14, № 7. С. 267–279.Kopelevich O.V., Karalli P.G., Lohov A.S., Saling I.V., Sheberstov S.V. Prospects for improving the accuracy of estimates of the parameters of coccolithophoride blooms in the Barents Sea from satellite data. Sovremennye Problemy Distancionnogo Zondirovaniya Zemli iz Kosmosa. 2017, 14, 7, 267–279 (in Russian).Osadchiev A.A., Izhitskiy A.S., Zavialov P.O., Kremenetskiy V.V., Polukhin A.A., Pelevin V.V., Toktamysova Z.M. Structure of the buoyant plume formed by Ob and Yenisei river discharge in the southern part of the Kara Sea during summer and autumn // J. Geophys. Res. Oceans. 2017. V. 122, N 7. P. 5916–5935.Osadchiev A.A., Izhitskiy A.S., Zavialov P.O., Kremenetskiy V.V., Polukhin A.A., Pelevin V.V., Toktamysova Z.M. Structure of the buoyant plume formed by Ob and Yenisei river discharge in the southern part of the Kara Sea during summer and autumn. J. Geophys. Res. Oceans. 2017, 122, 7, 5916–5935.Vazyulya S., Khrapko A., Kopelevich O., Burenkov V., Eremina T., Isaev A. Regional algorithms for the estimation of chlorophyll and suspended matter concentration in the Gulf of Finland from MODIS-Aqua satellite data // Oceanologia. 2014. V. 56, N 4. P. 1–19.Vazyulya S., Khrapko A., Kopelevich O., Burenkov V., Eremina T., Isaev A. Regional algorithms for the estimation of chlorophyll and suspended matter concentration in the Gulf of Finland from MODIS-Aqua satellite data. Oceanologia. 2014, 56, 4, 1–19.Kopelevich O.V., Burenkov V.I., Sheberstov S.V., Vazulya S.V., Sahling I.V. Coccolithophore Blooms in the North-Eastern Black Sea // Proceedings of the Twelfth International Conference on the Mediterranean Coastal Environment, MEDCOAST 15, 06–10 October 2015, Varna, Bulgaria, MEDCOAST, Mediterranean Coastal Foundation, Dalyan, Mugla, Turkey, 2015. V. 1. P. 363–374.Kopelevich O.V., Burenkov V.I., Sheberstov S.V., Vazulya S.V., Sahling I.V. Coccolithophore Blooms in the North-Eastern Black Sea. Proceedings of the Twelfth International Conference on the Mediterranean Coastal Environment, MEDCOAST 15, 06–10 October 2015, Varna, Bulgaria, MEDCOAST, Mediterranean Coastal Foundation, Dalyan, Mugla, Turkey, 2015, 1, 363–374.Yushmanova A., Kopelevich O., Vazyulya S., and Sahling I. Inter-Annual Variability of the Seawater Light Absorption in Surface Layer of the Northeastern Black Sea in Connection with Hydrometeorological Factors // J. Mar. Sci. Eng. 2019. N 7. P. 326. doi:10.3390/jmse7090326Yushmanova A., Kopelevich O., Vazyulya S., and Sahling I. Inter-Annual Variability of the Seawater Light Absorption in Surface Layer of the Northeastern Black Sea in Connection with Hydrometeorological Factors. J. Mar. Sci. Eng. 2019, 7, 326. doi:10.3390/jmse7090326Kopelevich O.V., Burenkov V.I., Ershova S.V., Sheberstov S.V., Evdoshenko M.A. Application of SeaWiFS data for studying variability of bio-optical characteristics in the Barents, Black and Caspian Seas // Deep-Sea Research II 51. 2004. P. 1063–1091.Kopelevich O.V., Burenkov V.I., Ershova S.V., Sheberstov S.V., Evdoshenko M.A. Application of SeaWiFS data for studying variability of bio-optical characteristics in the Barents, Black and Caspian Seas. Deep-Sea Research II 51. 2004, 1063–1091.Kopelevich O.V., Burenkov V.I., Sheberstov S.V. Case Studies of Optical Remote Sensing in the Barents Sea, Black Sea, and Caspian Sea // Remote Sensing of the European Seas, Vittorio Barale, Martin Gade, (Eds.), Springer, 2008, P. 53–66.Kopelevich O.V., Burenkov V.I., Sheberstov S.V. Case Studies of Optical Remote Sensing in the Barents Sea, Black Sea, and Caspian Sea. Remote Sensing of the European Seas. Vittorio Barale, Martin Gade, (Eds.), Springer, 2008, 53–66.Shiganova T.A., Dumont H.J., Sokolsky A.T., Kamakin A.H., Tinenkova D., Kurasheva E. Population dynamics of Mnemiopsis leidyi in the Caspian Sea, and effects on the Caspian ecosystem // Aquatic Invasions in the Black, Caspian, and Mediterranean Seas: The Ctenophores Mnemiopsis leidyi and Beroe in the Ponto-Caspian and other Aquatic Invasions. Springer, Dordrecht. 2004. P. 71–111.Shiganova T.A., Dumont H.J., Sokolsky A.T., Kamakin A.H., Tinenkova D., Kurasheva E. Population dynamics of Mnemiopsis leidyi in the Caspian Sea, and effects on the Caspian ecosystem. Aquatic Invasions in the Black, Caspian, and Mediterranean Seas: The Ctenophores Mnemiopsis leidyi and Beroe in the Ponto-Caspian and other Aquatic Invasions. Springer, Dordrecht. 2004, 71–111.Kopelevich O.V., Sheberstov S.V. Assessment of Interannual Variability of Surface Chlophyll and Seawater Temperature in the Atlantic Ocean from Satellite Data // Proceedings of IV International Conference “Current Problems in Optics of Natural Waters (ONW’2007)”. Nizhny Novgorod. 2007. P. 161–165.Kopelevich O.V., Sheberstov S.V. Assessment of Interannual Variability of Surface Chlophyll and Seawater Temperature in the Atlantic Ocean from Satellite Data. Proceedings of IV International Conference “Current Problems in Optics of Natural Waters (ONW’2007)”. Nizhny Novgorod. 2007, 161–165.Шеберстов С.В., Копелевич О.В., Лукьянова Е.А. Анализ межгодовых трендов температуры поверхности и концентрации хлорофилла в Атлантическом океане по спутниковым данным // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8, № 4. С. 274–282.Sheberstov S.V., Kopelevich O.V., Luk’yanova E.A. Analysis of inter-annual trends of sea surface temperature and chlorophyll concentration in the Atlantic Ocean from satellite data. Sovremennye Problemy Distancionnogo Zondirovaniya Zemli iz Kosmosa. 2011, 8, 4, 274–282 (in Russian).Копелевич О.В., Шеберстов С.В. Оценка по спутниковым данным межгодовых и сезонных изменений температуры и концентрации хлорофилла в поверхностном слое в период 1998–2008 гг. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2010. Т. 7, № 1. С. 238–247.Kopelevich O.V., Sheberstov S.V. Assessment of inter-annual and seasonal changes in sea surface temperature and chlorophyll concentration in the Atlantic Ocean in 1998–2008 from satellite data. Sovremennye Problemy Distancionnogo Zondirovaniya Zemli iz Kosmosa. 2010, 7, 1, 238–247 (in Russian).Sathyendranath S., Brewin R.J.W., Brockmann C. et al. An Ocean-Colour Time Series for Use in Climate Studies: The Experience of the Ocean-Colour Climate Change Initiative (OC–CCI). Sensors 2019, 19, 4285; doi:10.3390/s19194285Sathyendranath S., Brewin R.J.W., Brockmann C. et al. An Ocean-Colour Time Series for Use in Climate Studies: The Experience of the Ocean-Colour Climate Change Initiative (OC–CCI). Sensors. 2019, 19, 4285. doi:10.3390/s19194285Kostianoy A.G. Satellite monitoring of climatic parameters of the ocean. Part 1 // Fundamental and Applied Climatology. 2017a. V. 2. P. 27–49.Kostianoy A.G. Satellite monitoring of climatic parameters of the ocean. Part 1. Fundamental and Applied Climatology. 2017a, 2, 27–49.Kostianoy A.G. Satellite monitoring of climatic parameters of the ocean. Part 2 // Fundamental and Applied Climatology. 2017b. V.3. P. 57–83Kostianoy A.G. Satellite monitoring of climatic parameters of the ocean. Part 2. Fundamental and Applied Climatology. 2017b, 3, 57–83.Kopelevich O.V., Kostianoy A.G. The use of bio-optical parameters of the ocean derived from satellite data as essential climate variables // Fundamental and Applied Climatology. 2018. V. 3. P. 8–29.Kopelevich O.V., Kostianoy A.G. The use of bio-optical parameters of the ocean derived from satellite data as essential climate variables. Fundamental and Applied Climatology. 2018, 3, 8–29.

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