Влияние параметров поверхностного слоя в Карском море на точность оценки концентрации хлорофилла-а биооптическими алгоритмами

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.

1. Лаврова 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.500340

6. Lewis 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:10.1029/2019JC015706

7. Зацепин 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.

8. Glukhovets 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.2020.04.002

9. Osadchiev 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.2023.1129331

10. Буренков 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.

11. Кравчишина 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/S0030157423030073

12. Погосян 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.

13. Глуховец 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.

14. Артемьев 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.

15. 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.

16. Mobley C.D. Light and water: radiative transfer in natural waters. San Diego: Academic Press, 1994. 592 p.

17. 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.1998.43.5.0847

18. Pope 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.36.008710

19. Röttgers 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.22.025093

20. Morel 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.41.006289

21. Demidov 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.2017.05.004

22. Werdell 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.52.002019

23. Bricaud 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:10.1029/98JC02712

24. Gordon 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.

25. 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.19.003428

26. Zaneveld 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.13.009052

27. Lipinskaya 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/rs15235600