Особенности работы эмпирических биооптических алгоритмов для оценки концентрации хлорофилла «а» из спутниковых данных по цвету моря в водах вокруг Антарктического полуострова

Проанализированы особенности работы эмпирических биооптических алгоритмов в водах вокруг Антарктического полуострова на основе сравнения калиброванных данных судового проточного измерительного комплекса и спутниковых данных спектрорадиометра OLCI со спутников Sentinel-3A и Sentinel-3B в период антарктического лета в январе-феврале 2020 и 2022 гг. Показано, что стандартный биооптический алгоритм OC4 существенно занижает спутниковые оценки концентрации хлорофилла-а (Хл-а) от ~1,5 до ~9 раз (в среднем в ~3,1 раза). Известный региональный алгоритм OC4-SO обеспечивает приемлемые ошибки оценки концентрации Хл-а и может быть использован для исследований, связанных с анализом концентрации Хл-а в водах вокруг Антарктического полуострова. Разработанный в данной работе новый региональный алгоритм OC4-AP имеет значительно меньшую ошибку по сравнению с известным стандартным и региональным алгоритмами. Он может быть использован в случае, если необходимо по лучить дистанционную оценку концентрации Хл-а, максимально приближенную к накопленному мировому опыту определения этой величины стандартными экстрактными спектрофотометрическим и флуориметрическим методами. Наблюдаемое занижение спутниковых оценок концентрации Хл-а по стандартному эмпирическому биооптическому алгоритму OC4 можно связать, как минимум, с тремя характерными для исследованной акватории причинами: малое относительное содержание ОРОВ, высокое содержание фикоэритрина и более сильный эффект упаковки пигментов в клетках фитопланктона по сравнению со средними значениями в Мировом океане.

1. Churilova T., Moiseeva N., Skorokhod E. et al. Parameterization of Light Absorption of Phytoplankton, Non-algal Particles and Coloured Dissolved Organic Matter in the Atlantic Region of the Southern Ocean (Austral Summer of 2020) // Remote Sensing. 2023. Vol. 15, N 3. Art. № 634. P. 1–24. doi:10.3390/rs15030634

2. Pereira E.S., Garcia C.A.E. Evaluation of Satellite-Derived MODIS Chlorophyll Algorithms in the Northern Antarctic Peninsula // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2018. Vol. 149. P. 124–137. doi:10.1016/j.dsr2.2017.12.018

3. Ferreira A., Brito A.C., Mendes C.R.B. et al. OC4-SO: A New Chlorophyll-a Algorithm for the Western Antarctic Peninsula Using Multi-Sensor Satellite Data // Remote Sensing. 2022. Vol. 14, N 5. Art. № 1052. P. 1–24. doi:10.3390/rs14051052

4. Zeng C., Xu H., Fischer A. Chlorophyll-a Estimation Around the Antarctica Peninsula Using Satellite Algorithms: Hints from Field Water Leaving Reflectance // Sensors. 2016. Vol. 16, N 12. Art. № 2075. P. 1–14. doi:10.3390/s16122075

5. Szeto M., Werdell P.J., Moore T.S., Campbell J.W. Are the World’s Oceans Optically Different? // Journal of Geophysi cal Research: Oceans. 2011. Vol. 116, N C7. Art. № C00H04. P. 1–14. doi:10.1029/2011JC007230

6. Moutier W., Thomalla S., Bernard S. et al. Evaluation of Chlorophyll-a and POC MODIS Aqua Products in the Southern Ocean // Remote Sensing. 2019. Vol. 11. № 15. Art. № 1793. P. 1–18. doi:10.3390/rs11151793

7. Jena B. The effect of phytoplankton pigment composition and packaging on the retrieval of chlorophyll-a concentration from satellite observation in the Southern Ocean // International Journal of Remote Sensing. 2017. Vol. 38. P. 3763 3784. doi:10.1080/01431161.2017.1308034

8. Uitz J., Roesler C., Organelli E. et al. Characterization of Bio‐Optical Anomalies in the Kerguelen Region, Southern Indian Ocean: A Study Based on Shipborne Sampling and BioGeoChemical‐Argo Profiling Floats // Journal of Geo physical Research: Oceans. 2023. Vol. 128, № 12. Art. № e2023JC019671. P. 1–33. doi:10.1029/2023JC019671

9. Reynolds R.A., Stramski D., Mitchell B.G. A Chlorophyll‐dependent Semianalytical Reflectance Model Derived from Field Measurements of Absorption and Backscattering Coefficients within the Southern Ocean // Journal of Geophysi cal Research: Oceans. 2001. Vol. 106, N C4. P. 7125–7138. doi:10.1029/1999JC000311

10. Dierssen H.M., Smith R.C. Bio‐optical properties and remote sensing ocean color algorithms for Antarctic Peninsula wa ters // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2000. Vol. 105, N C11. P. 26301–26312. doi:10.1029/1999JC000296

11. Salyuk P.A., Glukhovets D.I., Moiseeva N.A. et al. Phycoerythrin influence on the optical characteristics of seawa ter in the Atlantic sector of the Southern Ocean // Proceedings of SPIE. 2020. Vol. 11560. Art. № 1156056. P. 1–6. doi:10.1117/12.2575813

12. Glukhovets D.I., Salyuk P.A., Moiseeva N.A. Modeling the remote sensing reflectance spectra taking into account the ab sorption of phycoerythrin // Proceedings of SPIE. 2023. Vol. 12780. Art. № 127804H. P. 1–5. doi:10.1117/12.2692573

13. Морозов Е.Г., Флинт М.В., Спиридонов В.А., Тараканов Р.Ю. Программа комплексных экспедиционных иссле дований экосистемы атлантического сектора Южного океана (декабрь 2019 г. — март 2020 г.) // Океанология. 2019. Т. 59, № 6. С. 1086–1088. doi:10.31857/S0030-15745961086-1088

14. Морозов Е.Г., Флин М.В., Орлов А.М. и др. Гидрофизические и экосистемные исследования в атлантическом секторе Антарктики (87-й рейс научно-исследовательского судна “Академик Мстислав Келдыш”) // Океано логия. 2022. Т. 62, № 5. С. 825–827. doi:10.31857/S003015742205015X

15. Штрайхерт Е.А., Захарков С.П., Салюк П.А., Пономарев В.И., Артемьев В.А., Глуховец Д.И., Латушкин А.А. Распределение содержания хлорофилла-а в Атлантическом океане в декабре 2019 г — январе 2020 г. по данным судовых измерений при различных гидрометеорологических условиях // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2022. Т. 15, № 3. С. 97–113. doi:10.59887/fpg/9rxr-badt-2vde

16. Майор А.Ю., Павлов А.Н., Букин О.А. Лазерный флуориметр. Патент на полезную модель RU108844 U1, 27.09.2011. Заявка № 2011113077/28 от 05.04.2011.

17. UNESCO Protocols for the Joint Global Ocean Flux Study (JGOFS) Core Measurements; IOC Manuals and Guides; UNESCO.; UNESCO: Paris, France, 1994; 18. Holm-Hansen O., Riemann B. Chlorophyll a Determination: Improvements in Methodology // Oikos. 1978. Vol. 30, N 3. P. 438–447. doi:10.2307/3543338

18. Jeffrey S.W., Humphrey G.F. New spectrophotometric equations for determining chlorophylls a, b, c1 and c2 in higher plants, algae and natural phytoplankton // Biochemie und Physiologie der Pflanzen. 1975. Vol. 167, N 2. P. 191–194. doi:10.1016/S0015-3796(17)30778-3

19. 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: Oceans. 1998. Vol. 103, N C13. P. 31033–31044. doi:10.1029/98JC02712.

20. Глуховец Д.И., Шеберстов О.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.

21. Boss E., D’Sa E.J., Freeman S. et al. Inherent Optical Property Measurements and Protocols: Absorption Coefficient (v 1.0); / Neeley A.R., Mannino A., Eds. // Ocean Optics & Biogeochemistry Protocols for Satellite Ocean Colour Sen sor Validation. IOCCG: Dartmouth, Canada. 2018. Vol. 1. 86 p.

22. Mannino A., Novak M.G., Nelson N.B. et al. Measurement Protocol of Absorption by Chromophoric Dissolved Organic Matter (CDOM) and Other Dissolved Materials (DRAFT) / Mannino A., Novak M.G., Eds. // IOCCG Ocean Optics and Biogeochemistry Protocols for Satellite Ocean Colour Sensor Validation; IOCCG: Dartmouth, Canada. 2019. Vol. 5.

23. NASA Ocean Color. URL: https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/ (дата обращения: 15.09.2024)

24. NASA Earthdata. Algorithm Publication Tool. URL: https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/resources/atbd/chlor_a/ (дата обращения: 15.09.2024). doi:10.5067/JCQB8QALDOYD

25. O’Reilly J.E., Werdell P.J. Chlorophyll Algorithms for Ocean Color Sensors — OC4, OC5 & OC6 // Remote Sensing of Environment. 2019. Vol. 229. P. 32–47. doi:10.1016/j.rse.2019.04.021

26. Sosik H.M., Vernet M., Mitchell B.G. A Comparison of Particulate Absorption Properties between High and Mid-Lati tude Surface Waters // Antarctic Journal of the United States. 1992. Vol. 27, N 5. P. 162–164.

27. Sapozhnikov P.V., Kalinina O.Y., Morozova T.V. Phytopelagic Communities of the Powell Basin in the Summer of 2020 / In: Morozov, E.G., Flint, M.V., Spiridonov, V.A. (eds) // Antarctic Peninsula Region of the Southern Ocean. Advances in Polar Ecology. 2021. Vol. 6. Springer, Cham. doi:10.1007/978-3-030-78927-5_21

28. Gordon H.R., Brown O.B., Evans R.H. A semianalytic radiance model of ocean color // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 1988. Vol. 93, N D9. P. 10909–10924. doi:10.1029/JD093iD09p10909