Morskoj gidrofizičeskij žurnal Morskoj gidrofizičeskij žurnal Морской гидрофизический журнал 0233-7584 20240509 WUXIXB Satellite hydrophysics Спутниковая гидрофизика Research Article Влияние пылевого аэрозоля на спутниковые данные различных сканеров цвета The Effect of Dust Aerosol on Satellite Data from Different Color Scanners 1683-7685 57203015832 Papkova A. S. Папкова А. С.
Russian Federation

кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник, ФГБУН ФИЦ МГИ (Россия, 299011, г. Севастополь, ул. Капитанская, д. 2)

 hanna.papkova@gmail.com 9906-9983 6507075380 ABB-9097-2021 Shybanov E. B. Шибанов Е. Б.
Russian Federation

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, ФГБУН ФИЦ МГИ (Россия, 299011, г. Севастополь, ул. Капитанская, д. 2)

 e-shybanov@mail.ru 2622-1010 56380591500 Kalinskaya D. V. Калинская Д. В.
Russian Federation

младший научный сотрудник, ФГБУН ФИЦ МГИ (Россия, 299011, г. Севастополь, ул. Капитанская, д. 2)

 kalinskaya@mhi-ras.ru Marine Hydrophysical Institute, Russian Academy of Sciences Sevastopol Russia Морской гидрофизический институт РАН Севастополь Россия 31 10 2024 40 5 766 781 01 04 2024 09 04 2024 17 07 2024 Copyright ©; 2024, Папкова А.С., Шибанов Е.Б., Калинская Д.В. Copyright ©; 2024, Papkova A.S., Shybanov E.B., Kalinskaya D.V. 2024 Папкова А.С., Шибанов Е.Б., Калинская Д.В. Papkova A.S., Shybanov E.B., Kalinskaya D.V. https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/ https://xn--c1agq7a.xn--p1ai/repository/issues/2024/05/09/

Цель. Оценены величины ошибки атмосферной коррекции спутниковых данных MODIS-Aqua, MODIS-Terra, VIIRS-SNPP, VIIRS-JPSS, NASA HawkEye (SeaHawk) и OLCI-Sentinel-3A за период 28–29 июля 2021 г., когда был зарегистрирован перенос пыли над Черноморским регионом.

Методы и результаты. Для оценки масштабов и интенсивности исследуемого интенсивного пылевого переноса проведен анализ результатов натурных фотометрических измерений и спутниковых данных. Натурные данные измерений аэрозольной оптической толщины (АОТ) были получены на западных черноморских станциях Galata_Platform и Section_7 сети AERONET (AErosol RObotic NETwork). Для анализа изменчивости величин спектрального коэффициента яркости моря за исследуемый период использовались данные дополнения AERONET − Ocean Color (AERONET-OC). В качестве спутниковых данных были использованы измерения сканеров цвета, представленные в базе данных Ocean Color (MODIS Aqua/Terra, VIIRS SNPP/JPSS, HawkEye и OLCI).

Выводы. В результате аппроксимации ошибок атмосферной коррекции спутниковых данных за 28.07.2021 были получены степенные зависимости, близкие к λ−5. Это объясняется суммарным вкладом молекулярной составляющей (λ−4) и аэрозольного поглощения (λ−1). За 29.07.2021 наблюдается более ярко выраженная степенная зависимость функции, так как концентрация пылевого аэрозоля в этот день возрастает, а вклад аэрозольного поглощения становится близок к степенной зависимости λ−2. Также за 29.07.2021 над исследуемым регионом по спутниковым данным CALIPSO было показано присутствие не только пылевого, но и дымового аэрозоля. По данным моделирования обратных траекторий воздушных потоков HYSPLIT показано, что аэрозольные массы в этот день двигались в направлении Черного моря со стороны юго-запада (острова Крит), что дополнительно подтверждается высокими значениями АОТ над восточной частью акватории Средиземного моря за 29.07.2021. Предполагается, что комбинация двух поглощающих типов аэрозолей вызвала еще большие неточности определения спектрального коэффициента яркости моря за исследуемый период.

Purpose. The work is purposed at evaluating the errors in atmospheric correction of the satellite (MODIS Aqua, MODIS Terra, VIIRS SNPP, VIIRS JPSS, NASA HawkEye (SeaHawk) and OLCI (Sentinel-3A)) data for July 28–29, 2021 when a dust transport over the Black Sea region was recorded.

Methods and Results. To assess the scale and intensity of the studied dust transfer, the results of in situ photometric measurements and satellite data were analyzed. The in situ measurement data on aerosol optical depth (AOD) were obtained at the western Black Sea stations Galata_Platform and Section_7 of the AERONET network (AErosol RObotic NETwork). The variability of sea remote sensing reflectance values during the period under study was analyzed using the additional AERONET − Ocean Color (AERONET-OC) data. The color scanner (MODIS Aqua/Terra, VIIRS SNPP/JPSS, HawkEye and OLCI) measurements presented in the Ocean Color database were used as satellite data.

Conclusions. The approximation of errors in the atmospheric correction of satellite data for July 28–29, 2021 has resulted in obtaining the power-law dependencies close to λ-5. This is explained by the total contribution of molecular component (λ-4) and aerosol absorption (λ-1). On July 29, 2021, a better pronounced power function is observed since the dust aerosol concentration increases on this day, whereas the contribution of aerosol absorption becomes close to the power dependence λ-2. Also on the same day, the CALIPSO satellite data showed the presence of not only dust aerosol, but also the biomass burning over the region under study. Modeling the back trajectories of HYSPLIT air flows has shown that just on this day the aerosol masses moved towards the Black Sea from the southwest (Crete Island), that was additionally confirmed by high AOD values over the eastern Mediterranean Sea on July 29, 2021. The combination of two types of absorbing aerosols is assumed to induce even larger inaccuracies in determining the sea remote sensing reflectance for the period under study.

 MODIS VIIRS HawkEye Sentinel SPM AERONET CALIPSO обратные траектории HYSPLIT пылевой аэрозоль аэрозоль дыма спектральный коэффициент яркости моря аэрозольная оптическая толщина АОТ поглощение Черное море атмосферный аэрозоль спутниковый мониторинг наземный мониторинг оптические характеристики MODIS VIIRS HawkEye Sentinel SPM AERONET CALIPSO HYSPLIT back trajectories dust aerosol biomass burning sea remote sensing reflectance aerosol optical depth AOD absorption Black Sea atmospheric aerosol satellite monitoring ground monitoring optical characteristics Работа выполнена в рамках темы государственного задания ФГБУН ФИЦ МГИ FNNN-2024-0012 «Анализ, диагноз и оперативный прогноз состояния гидрофизических и гидрохимических полей морских акваторий на основе математического моделирования с использованием данных дистанционных и контактных методов измерений. Авторы благодарят Тома Кушера (Tom Kucsera), Брента Холбена (Brent Holben), Джузеппе Зиборди (Giuseppe Zibordi) и группу Жене Фельдмана (Gene Feldman) из NASA за предоставление данных АОТ, расчеты данных ВТА, обработку результатов измерений, полученных на севастопольской станции AERONET, и за возможность использования качественных данных фотометрических измерений. The study was carried out within the framework of state assignment of FSBSI FRC MHI FNNN-2024-0012 on theme "Analysis, hindcast and operational forecast of the state of hydrophysical and hydrochemical fields of marine water areas based on numerical modeling using the data of remote and contact measurement methods". The authors are thankful to Tom Kucsera, Brent Holben, Giuseppe Zibordi, as well as to the group of Gene Feldman from NASA for providing the AOD data, calculating the BTA data, processing the measurement results obtained at the Sevastopol AERONET station, and for the possibility of using high-quality photometric measurement data.

Текст статьи не включен.

Список литературы KorenI. The Bodele depression: a single spot in the Sahara that provides most of the mineral dust to the Amazon forest Environmental Research Letters 2006 1 1 014005 10.1088/1748-9326/1/1/014005 KubilayN. CokacarT. OguzT. Optical properties of mineral dust outbreaks over the northeastern Mediterranean Journal of Geophysical Research: Atmospheres 2003 108 D21 4666 10.1029/2003JD003798 СуслинВ. В. Оптические свойства черноморского аэрозоля и верхнего слоя морской воды по данным прямых и спутниковых измерений Морской гидрофизический журнал 2016 1 20 32 VTPCYX 10.22449/0233-7584-2016-1-20-32 СуслинВ. В. ЧуриловаТ. Я. Упрощенный метод расчета спектрального диффузного коэффициента ослабления света в верхнем слое Черного моря на основе спутниковых данных Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа 2010 22 47 60 WTBHRN ГлуховецД. И. Восстановление полного комплекса оптических характеристик для оценки теплосодержания в южной части Баренцева моря в июне 2021 г. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса 2021 18 5 214 225 PUJJHJ 10.21046/2070-7401-2021-18-5-214-225 КорчемкинаЕ. Н. ШибановЕ. Б. ЛиМ. Е. Усовершенствование методики атмосферной коррекции для дистанционных исследований прибрежных вод Черного моря Исследование Земли из космоса 2009 6 24 30 JVVGXQ КопелевичО. В. Биооптические характеристики морей, омывающих берега западной половины России, по данным спутниковых сканеров цвета 1998–2017 гг. Москва ООО «ВАШ ФОРМАТ» 2018 140 YOSZPV СуетинВ. С. Проявление особенностей оптических свойств атмосферного аэрозоля над Черным морем при интерпретации данных спутникового прибора SeaWiFS Морской гидрофизический журнал 2004 1 69 79 YXQYNV СуетинВ. С. КоролевС. Н. Использование спутниковых данных для определения характеристик поглощения света в водах Черного моря Морской гидрофизический журнал 2021 37 2 222 232 YDISMQ 10.22449/0233-7584-2021-2-222-232 KabashnikovV. Localization of aerosol sources in East-European region by back-trajectory statistics International Journal of Remote Sensing 2014 35 19 6993 7006 10.1080/01431161.2014.960621 ZibordiG. AERONET-OC: A network for the validation of Ocean Color primary products Journal of Atmospheric and Oceanic Technology 2009 26 8 1634 1651 10.1175/2009JTECHO654.1 КалинскаяД. В. СуслинВ. В. Простой метод определения источников приземного аэрозоля на основе результатов анализа обратных траекторий Фундаментальная и прикладная гидрофизика 2015 8 1 59 67 TPPRCB KalinskayaD. V. PapkovaA. S. Why is it important to consider dust aerosol in the Sevastopol and Black Sea Region during remote sensing tasks? A case study Remote Sensing 2022 14 8 1890 10.3390/rs14081890 WangM. SonS. HardingJr. L. W. Retrieval of diffuse attenuation coefficient in the Chesapeake Bay and turbid ocean regions for satellite ocean color applications Journal of Geophysical Research: Oceans 2009 114 C10 C10011 10.1029/2009JC005286 SchollaertS. E. Influence of dust and sulfate aerosols on ocean color spectra and chlorophyll a concentrations derived from SeaWiFS off the U.S. east coast Journal of Geophysical Research: Oceans 2003 108 C6 3191 10.1029/2000JC000555 СуетинВ. С. КоролевС. Н. КучерявыйА. А. Использование спутниковых наблюдений для определения спектральных зависимостей оптических характеристик вод Черного моря Морской гидрофизический журнал 2014 3 77 86 TEWSCT КалинскаяД. В. ПапковаА. С. Изменчивость коэффициента яркости в условиях пылевого переноса по данным спутника Sentinel-3 на примере Черного моря и Севастополя Морской гидрофизический журнал 2023 39 3 399 415 MJXKNT 10.29039/0233-7584-2023-3-399-415 ШибановЕ. Б. ПапковаА. С. Особенности работы алгоритмов атмосферной коррекции Ocean Color при расчете спектрального коэффициента яркости моря для различных состояний атмосферы Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса 2022 19 6 9 17 WWSIWZ 10.21046/2070-7401-2022-19-6-9-17 WeiX. Satellite remote sensing of aerosol optical depth: advances, challenges, and perspectives Critical Reviews in Environmental Science and Technology 2020 50 16 1640 1725 10.1080/10643389.2019.1665944 WangX. New methods for improving the remote sensing estimation of soil organic matter content (SOMC) in the Ebinur Lake Wetland National Nature Reserve (ELWNNR) in northwest China Remote Sensing of Environment 2018 218 104 118 10.1016/j.rse.2018.09.020 GordonH. R. Evolution of Ocean Color atmospheric correction: 1970–2005 Remote Sensing 2021 13 24 5051 10.3390/rs13245051 MoulinS. LaunayM. GuérifM. The crop growth monitoring at a regional scale based on the combination of remote sensing and process-based models Crop monitoring and prediction at regional scales Tsukuba, Japan 2001 187 195 KorchemkinaE. N. KalinskayaD. V. Algorithm of Additional correction of level 2 remote sensing reflectance data using modelling of the optical properties of the Black Sea waters Remote Sensing 2022 14 4 831 10.3390/rs14040831 КопелевичО. В. БуренковВ. И. ШеберстовС. В. Разработка и использование региональных алгоритмов для расчета биооптических характеристик морей России по данным спутниковых сканеров цвета Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса 2006 3 2 99 105 NDPPHL RemerL. A. KahnR. A. KorenI. Aerosol indirect effects from satellite: Skeptics vs. Optimists Geochimica et Cosmochimica Acta 2009 73 13 A1088 10.1016/j.gca.2009.05.014 СуслинВ. В. Оптические свойства черноморского аэрозоля и верхнего слоя морской воды по данным прямых и спутниковых измерений Geochimica et Cosmochimica Acta 2016 1 20 32 VTPCYX 10.22449/0233-7584-2016-1-20-32 GordonH. R. WangM. Influence of oceanic whitecaps on atmospheric correction of ocean-color sensors Applied Optics 1994 33 33 7754 7763 10.1364/AO.33.007754 GlantzP. Trends in MODIS and AERONET derived aerosol optical thickness over Northern Europe Tellus B: Chemical and Physical Meteorology 2019 71 1 1445379 10.1080/16000889.2018.1554414 ZibordiG. In situ autonomous optical radiometry measurements for satellite ocean color validation in the Western Black Sea Ocean Science 2015 11 2 275 286 10.5194/os-11-275-2015 ThuillierG. The solar spectral irradiance from 200 to 2400 nm as measured by the SOLSPEC spectrometer from the Atlas and Eureca missions Solar Physics 2003 214 1 22 10.1023/A:1024048429145 СуетинВ. С. Концентрация пигментов фитопланктона в северо-западной части Черного моря по данным измерений спутниковым цветовым сканером SZCZ Морской гидрофизический журнал 2000 2 74 82 OmarA. H. The CALIPSO automated aerosol classification and lidar ratio selection algorithm Journal of Atmospheric and Oceanic Technology 2009 26 10 1994 2014 10.1175/2009JTECHA1231.1 OmarA. H. TackettJ. Al-DousariA. CALIPSO observations of sand and dust storms and comparisons of source types near Kuwait City Atmosphere 2022 13 12 1946 10.3390/atmos13121946 SteinA. F. NOAA's HYSPLIT atmospheric transport and dispersion modeling system Bulletin of the American Meteorological Society 2015 96 12 2059 2077 10.1175/BAMS-D-14-00110.1 ЯковлеваД. В. Сезонная и межгодовая изменчивость оптических характеристик атмосферы над Черным морем в районе Севастополя в период 2006–2008 года Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа 2009 18 205 212 YMIJMT WerdellP. J. BaileyS. W. The SeaWiFS bio-optical archive and storage system (SeaBASS): current architecture and implementation Greenbelt, MD, USA Goddard Space Flight Center 2002 45 (NASA/TM 2002–211617)