Спектральный коэффициент яркости, цветовые характеристики и относительная прозрачность вод Черного моря весной 2019 и 2021 годов: сравнительная изменчивость и эмпирические связи

Е. Н. Корчемкина✉, Е. В. Маньковская

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: korchemkina@mhi-ras.ru

Аннотация

Цель. Цель работы – исследование пространственной изменчивости коэффициента яркости по натурным данным, а также получение эмпирических связей цветовых и биооптических характеристик и сравнение их с литературными данными.

Методы и результаты. Использованы данные измерений спектрального коэффициента яркости толщи вод и глубины видимости белого диска, полученные в ходе экспедиций НИС «Профессор Водяницкий» в северной и северо-восточной частях Черного моря 18 апреля – 13 мая 2019 г. и 22 апреля – 8 мая 2021 г. По спектрам коэффициента яркости рассчитаны цветовые характеристики: доминирующая длина волны, чистота цвета воды, угол цветности, а также первичные оптические характеристики (показатель поглощения растворенным органическим веществом и показатель рассеяния назад частицами взвешенного вещества). Проанализирована изменчивость коэффициента яркости и его цветовых характеристик за аналогичные весенние периоды 2019 и 2021 гг. Для совокупности данных за 2019 и 2021 гг. получены уравнения связи между глубиной видимости белого диска и коэффициентом яркости в максимуме, а также доминирующей длиной волны, проведено их сопоставление с литературными данными. Для расчета первичных оптических характеристик в водах Черного моря впервые получены эмпирические соотношения угла цветности с показателем поглощения растворенным органическим веществом и с показателем рассеяния назад частицами взвешенного вещества.

Выводы. В 2019 г. наблюдалось более типичное для второй половины весны распределение коэффициента яркости, тогда как в 2021 г. наблюдаемое распределение говорит, скорее, о продолжающемся зимне-весеннем развитии фитопланктонных сообществ, что характерно для глубоководной части Черного моря в годы с холодными зимами. Установлены значимые связи между цветовыми характеристиками и биооптическими параметрами. Полученные соотношения могут применяться в составе эмпирических и полуаналитических алгоритмов для комплексной оценки гидрооптических характеристик вод Черного моря, в том числе по данным дистанционного зондирования.

Ключевые слова

спектральный коэффициент яркости, глубина видимости белого диска, доминирующая длина волны, чистота цвета, угол цветности, диаграмма цветности, поглощение растворенным органическим веществом, показатель рассеяния назад взвесью, диск Секки, цвет моря

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания по темам № FNNN-20240016 и № FNNN-2024-0012, данные получены в 106-м и 116-м рейсах НИС «Профессор Водяницкий» (Центр коллективного пользования «НИС Профессор Водяницкий» Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Институт биологии южных морей имени А. О. Ковалевского РАН»).

Для цитирования

Корчемкина Е. Н., Маньковская Е. В. Спектральный коэффициент яркости, цветовые характеристики и относительная прозрачность вод Черного моря весной 2019 и 2021 годов: сравнительная изменчивость и эмпирические связи // Морской гидрофизический журнал. 2024. Т. 40, № 1. С. 5–20. EDN HMPHDG.

Korchemkina, E.N. and Mankovskaya, E.V., 2024. Spectral Reflectance Coefficient, Color Characteristics and Relative Transparency of the Black Sea Waters in Spring, 2019 and 2021: Comparative Variability and Empirical Relationships. Physical Oceanography, 31(1), pp. 3-17.

Список литературы

  1. Smith T., Guild J. The C.I.E. colorimetric standards and their use // Transactions of the Optical Society. 1931. Vol. 33, iss. 3. P. 73–134. doi:10.1088/1475-4878/33/3/301
  2. Van der Woerd H. J., Wernand M. R. True colour classification of natural waters with mediumspectral resolution satellites: SeaWiFS, MODIS, MERIS and OLCI // Sensors. 2015. Vol. 15, iss. 10. P. 25663–25680. doi:10.3390/s151025663
  3. Корчемкина Е. Н., Маньковская Е. В. Связь биооптических параметров вод Черного моря с характеристиками коэффициента яркости весной 2019 года // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2022. Т. 15, № 3. С. 53–64. EDN EWNWZM. doi:10.48612/fpg/47v18k56-g93n
  4. Classifying natural waters with the Forel-Ule colour index system: Results, applications, correlations and crowdsourcing / S. P. Garaba [et al.] // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2015. Vol. 12, iss. 12. P. 16096–16109. doi:10.3390/ijerph121215044
  5. Van der Woerd H. J., Wernand M. R. Hue-angle product for low to medium spatial resolution optical satellite sensors // Remote Sensing. 2018. Vol. 10, iss. 2. 180. doi:10.3390/rs10020180
  6. Определение концентрации примесей в морской воде по спектру яркости восходящего излучения / М. Е. Ли [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2015. № 6. С. 17–33. EDN VHEWVT.
  7. Morel A. Optical properties of pure water and pure sea water // Optical Aspects of Oceanography / Edited by N. G. Jerlov, E. S. Nielson. New York : Academic Press, 1974. P. 1–24.
  8. Smith R. C., Baker K. S. Optical properties of the clearest natural waters (200–800 nm) // Applied Optics. 1981. Vol. 20, iss. 2. P. 177–184. https://doi.org/10.1364/AO.20.000177
  9. 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
  10. Annual variability in light absorption by particles and colored dissolved organic matter in coastal waters of Crimea (the Black Sea) / T. Churilova [et al.] // Proceedings of SPIE. Irkutsk : SPIE, 2017. Vol. 10466 : 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 104664B. doi:10.1117/12.2288339
  11. Phenology and drivers of the winter–spring phytoplankton bloom in the open Black Sea: The application of Sverdrup’s hypothesis and its refinements / A. S. Mikaelyan [et al.] // Progress in Oceanography. 2017. Vol. 151. P. 163–176. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2016.12.006
  12. Финенко З. З., Мансурова И. М., Суслин В. В. Временная динамика биомассы фитопланктона в поверхностном слое Черного моря по данным спутниковых наблюдений // Океанология. 2022. Т. 62, № 3. С. 416–427. EDN NEKDHS. doi:10.31857/S0030157422030042
  13. Маньковский В. И. Цветовые характеристики вод и их корреляции с относительной прозрачностью // Океанология. 2017. Т. 57, № 5. С. 679–682. EDN ZMDPIL. doi:10.7868/S003015741705001X
  14. Маньковский В. И. Влияние состава взвеси на глубину видимости белого диска // Оптика атмосферы и океана. 2019. Т. 32, № 1. С. 24–28. EDN YTYPTV. doi:10.15372/AOO20190104
  15. Маньковский В. И., Гринченко Д. В. Взвешенное вещество и его состав по данным о рассеянии света на макрополигоне в северной части тропической зоны Атлантического океана // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 3. С. 254–266. EDN SJYVPR. doi:10.22449/0233-7584-2018-3-254-266
  16. Оптические характеристики прибрежных вод и атмосферы в районе Южного берега Крыма в конце летнего сезона 2008 года / В. И. Маньковский [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2010. № 3. С. 52–74. EDN TMJWNT.
  17. Woźniak S. B., Darecki M., Sagan S. Empirical formulas for estimating backscattering and absorption coefficients in complex waters from remote-sensing reflectance spectra and examples of their application // Sensors. 2019. Vol. 19, iss. 18. 4043. doi:10.3390/s19184043
  18. 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

Скачать статью в PDF-формате