Биооптические характеристики прибрежных вод Черного моря вблизи Севастополя: оценка точности спутниковых продуктов, восстановленных по данным MODIS и VIIRS

Е. Ю. Скороход1,✉, Т. Я. Чурилова1, Т. В. Ефимова1, Н. А. Моисеева1, В. В. Суслин2

1 Институт биологии южных морей имени А. О. Ковалевского РАН, Севастополь, Россия

2 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: elenaskorokhod@ibss-ras

Аннотация

Цель. Цель работы  оценить точность спутниковых продуктов для прибрежных вод Севастополя, восстановленных стандартными алгоритмами по данным спектрорадиометров MODIS, установленных на искусственных спутниках Земли Aqua и Terra, и VIIRS на спутнике Suomi NPP.

Методы и результаты. Отбор проб in situ проводился на станции, расположенной на расстоянии двух миль от бухты Севастопольской в точке с координатами 44° 37' 26" с. ш. и 33° 26' 05" в. д. Для определения концентрации хлорофилла а использовали спектрофотометрический метод. Спектральные показатели поглощения света оптически активными компонентами измеряли в соответствии с современным протоколом NASA. Использовались данные MODIS и VIIRS 2‑го уровня с пространственным разрешением 1 км вокруг станции. Обработку спутниковых данных проводили при помощи программного обеспечения SeaDAS 7.5.3, разработанного NASA. Исследование показало, что содержание оптически активных компонентов в прибрежных водах Севастополя по данным MODIS и VIIRS при использовании стандартных алгоритмов определяется некорректно: в сравнении с данными измерений in situ значения концентрации хлорофилла а в среднем весной меньше в 1,6 раза, а летом – больше в 1,4 раза; вклад пигментов фитопланктона в общее поглощение света на длине волны 443 нм в среднем меньше в 8,7 раза; поглощение света окрашенным растворенным органическим веществом в сумме с неживой взвесью в среднем больше в 2,2 раза.

Выводы. Стандартные алгоритмы NASA не применимы для расчета биооптических показателей вод (концентрация хлорофилла а, показатель поглощения света пигментами фитопланктона и показатель поглощения света окрашенным растворенным органическим веществом в сумме с неживой взвесью) в прибрежном районе Черного моря вблизи Севастополя. Чтобы использовать спутниковые данные для экологического мониторинга, необходимо развивать региональный алгоритм, учитывающий оптические особенности вод в этом районе, в частности в сложной прибрежной зоне.

Ключевые слова

хлорофилл а, фитопланктон, окрашенное растворенное органическое вещество, неживое взвешенное вещество, дистанционное зондирование, MODIS, VIIRS, Черное море

Благодарности

Работа выполнена по теме ГЗ № АААА‑А19-119061190081‑9 и при финан-совой поддержке проекта РФФИ № 18‑45‑920070. Авторы выражают глубокую признательность м. н. с. Е. Г. Сахоню и вед. инженеру Е. А. Землянской (ФИЦ ИнБЮМ, г. Севастополь) за помощь в отборе проб при регулярном биооптическом мониторинге в бухте Севастопольской. Также авторы благодарят Goddard Space Flight Center и Ocean Biology Processing Group (NASA) за предоставленные данные и их предварительную обработку.

Для цитирования

Биооптические характеристики прибрежных вод Черного моря вблизи Севастополя: оценка точности спутниковых продуктов, восстановленных по данным MODIS и VIIRS / Е. Ю. Скороход [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 2. С. 233–246. EDN DFYVQU. doi:10.22449/0233-7584-2021-2-233-246

Skorokhod, E.Yu., Churilova, T.Ya., Efimova, T.V., Moiseeva, N.A. and Suslin, V.V., 2021. Bio-Optical Characteristics of the Black Sea Coastal Waters near Sevastopol: Assessment of MODIS and VIIRS Products Accuracy. Physical Oceanography, 28(2), pp. 215-227. doi:10.22449/1573-160X-2021-2-215-227

DOI

10.22449/0233-7584-2021-2-233-246

Список литературы

  1. State of the Environment of the Black Sea (2001 – 2006/7) / T. Oguz (ed.). Istanbul, Turkey, 2008. 448 p. (Publications of the Commission on the Protection of the Black Sea Against Pollution (BSC) ; 2008-3).
  2. Surface chlorophyll in the Black Sea over 1978–1986 derived from satellite and in situ data / O. V. Kopelevich [et al.] // Journal of Marine Systems. 2002. Vol. 36, iss. 3–4. P. 145160. doi:10.1016/S0924-7963(02)00184-7
  3. Ерлов Н. Г. Оптика моря. Л. : Гидрометиздат, 1980. 248 с.
  4. Kirk J. T. O. Light and photosynthesis in aquatic ecosystems. 3d edition. Cambridge : Cambridge University Press, 2011. 662 p.
  5. Gordon H. R., Wang M. Retrieval of water-leaving radiance and aerosol optical thickness over the oceans with SeaWiFS: a preliminary algorithm // Applied Optics. 1994. Vol. 33, iss. 3. P. 443452. doi:10.1364/ao.33.000443
  6. Сравнение стандартных продуктов со спектрорадиометров MODIS Aqua/Terra и VIIRS с результатами биооптических измерений в прибрежных водах Севастополя / Е. Ю. Скороход [и др.] // Понт Эвксинский – 2019 : материалы XI Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых по проблемам водных экосистем, посвященной памяти д. б. н., проф. С. Б. Гулина, г. Севастополь, 23–27 сентября 2019 г. Севастополь, 2019. С. 134–135.
  7. 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 Physiology der Pflanzen. 1975. Vol. 167, iss. 2. P. 191–194.
  8. Roesler C. S. In Situ Bio-Optical Observations on NERACOOS Buoy A01 (2005–2017): multichannel calibrated chlorophyll fluorescence, turbidity, and multispectral incident irradiance and upwelling radiance. Boston : Massachusetts Water Resources Authority, 2018. 19 p.
  9. Twardowski M., Röttgers R., Stramski D. The absorption Coefficient, An Overview // IOCCG Ocean Optics and Biogeochemistry Protocols for Satellite Ocean Colour Sensor Validation. Dartmouth, NS, Canada, 2018. Vol. 1.0 : Inherent Optical Property Measurements and Protocols: Absorption Coefficient. Chapter 1. P. 1–17. http://dx.doi.org/10.25607/OBP-119
  10. Estimation of the spectral absorption coefficients of phytoplankton in the sea / M. Kishino [et al.] // Bulletin of Marine Science. 1985. Vol. 37, no. 2. P. 634–642.
  11. Tassan S., Ferrari G. M. An alternative approach to absorption measurements of aquatic particles retained on filters // Limnology and Oceanography. 1995. Vol. 40, iss. 8. P. 1358–1368. https://doi.org/10.4319/lo.1995.40.8.1358
  12. Ocean color chlorophyll algorithms for SeaWiFS / J. E. O’Reilly [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1998. Vol. 103, iss. C11. P. 24937–24953. https://doi.org/10.1029/98JC02160
  13. Hu C., Lee Z., Franz B. Chlorophyll a algorithms for oligotrophic oceans: A novel approach based on the three-band reflectance difference // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2012. Vol. 117, iss. C1. C01011. doi:10.1029/2011JC007395
  14. Retrieving marine inherent optical properties from satellites using temperature and salinity-dependent backscattering by seawater / P. J. Werdell [et al.] // Optics Express. 2013. Vol. 21, iss. 26. P. 32611–32622. doi:10.1364/OE.21.032611
  15. Generalized ocean color inversion model for retrieving marine inherent optical properties / P. J. Werdell [et al.] // Applied Optics. 2013. Vol. 52, iss. 10. P. 2019–2037. http://doi.org/10.1364/ao.52.002019
  16. Variability in the chlorophyll-specific absorption coefficients of natural phytoplankton: Analysis and parameterization / A. Bricaud [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1995. Vol. 100, iss. C7. P. 13321–13332. doi:10.1029/95JC00463
  17. Variations of light absorption by suspended particles with chlorophyll a concentration in oceanic (case 1) waters: Analysis and implications for bio-optical models / A. Bricaud [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1998. Vol. 103, iss. C13. P. 31033–31044.
  18. Cleveland J. S. Regional models for phytoplankton absorption as a function of chlorophyll a concentration // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1995. Vol. 100, iss. C7. P. 13333–13344. https://doi.org/10.1029/95JC00532
  19. Light absorption properties of southeastern Bering Sea waters: Analysis, parameterization and implications for remote sensing / P. Naik [et al.] // Remote Sensing of Environment. 2013. Vol. 134. P. 120–134. doi:10.1016/j.rse.2013.03.004
  20. Light Absorption by Phytoplankton in the Upper Mixed Layer of the Black Sea: Seasonality and Parametrization / T. Churilova [et al.] // Frontiers in Marine Science. 2017. Vol. 4. 90. doi:10.3389/fmars.2017.00090
  21. Dynamics in pigment concentration and light absorption by phytoplankton, non-algal particles and colored dissolved organic matter in the Black Sea coastal waters (near Sevastopol) / T. Efimova [et al.] // Proceedings of SPIE. 2018. Vol. 10833 : 24th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 108336C. doi:10.1117/12.2504657
  22. 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. Vol. 37, iss. 18. P. 4380–4400. doi:10.1080/01431161.2016.1211350
  23. Phytoplankton absorption predicts patterns in primary productivity in Australian coastal shelf waters / C. M. Robinson [et al.] // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2017. Vol. 192. P. 116. doi:10.1016/j.ecss.2017.04.12
  24. Annual variability in light absorption by particles and colored dissolved organic matter in the Crimean coastal waters (the Black Sea) / T. Churilova [et al.] // Proceedings of SPIE. 2017. Vol. 10466 : 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 104664B. doi:10.1117/12.2288339
  25. Optical characteristics of two contrasting Case 2 waters and their influence on remote sensing algorithms / M. Darecki [et al.] // Continental Shelf Research. 2003. Vol. 23, iss. 34. P. 237–250. doi:10.1016/s0278-4343(02)00222-4
  26. Light absorption properties and absorption budget of Southeast Pacific waters / A. Bricaud [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2010. Vol. 115, iss. C8. C08009. doi:10.1029/2009JC005517
  27. Comparison of algorithms for estimating ocean primary production from surface chlorophyll, temperature, and irradiance / J. Campbell [et al.] // Global Biogeochemical Cycles. 2002. Vol. 16, iss. 3. P. 9-1–9-15. doi:10.1029/2001GB001444
  28. Реанализ долговременных рядов изменения биомассы фитопланктона в открытой части Черного моря по результатам натурных и спутниковых наблюдений / О. В. Кривенко [и др.] // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : МГИ, 2012. Вып. 26, т. 2. С. 185–194.
  29. The Effect of Optical Properties on Secchi Depth and Implications for Eutrophication Management / E. T. Harvey [et al.] // Frontiers in Marine Science. 2019. Vol. 5. 496. doi:10.3389/fmars.2018.00496
  30. Markager S., Vincent W. F. Light absorption by phytoplankton: development of a matching parameter for algal photosynthesis under different spectral regimes // Journal of Plankton Research. 2001. Vol. 23, iss. 12. P. 1373–1384. https://doi.org/10.1093/plankt/23.12.1373
  31. Bracher A. U., Tilzer M. M. Underwater light field and phytoplankton absorbance in different surface water masses of the Atlantic sector of the Southern Ocean // Polar Biology. 2001. Vol. 24, iss. 9. P. 687–696. https://doi.org/10.1007/s003000100269
  32. «Цветение» фитопланктона и фотосинтетически активная радиация в прибрежных водах / Т. Я. Чурилова [и др.] // Журнал прикладной спектроскопии. 2019. Т. 86, № 6. С. 976985.
  33. Morel A., Prieur L. Analysis of variations in ocean color // Limnology and Oceanography. 1977. Vol. 22, iss. 4. P. 709722. https://doi.org/10.4319/lo.1977.22.4.0709
  34. Phytoplankton light absorption in the deep chlorophyll maximum layer of the Black Sea / T. Churilova [et al.] // European Journal of Remote Sensing. 2019. Vol. 52, iss. sup. 1. P. 123136. doi:10.1080/22797254.2018.1533389

Скачать статью в PDF-формате