О возможности создания регионального алгоритма для определения содержания естественных примесей в водах внутренних водоемов по дистанционным оптическим данным

Создание алгоритмов для дистанционного определения содержания естественных примесей в водах пресноводных водоемов является актуальным ввиду того, что в каждом внутреннем водоеме создается особый биооптический режим, обусловленный выносами минеральной взвеси и органических веществ, в частности, удобрений, промышленных и бытовых стоков. В результате совместного влияния указанных факторов формируются благоприятные условия для обильного цветения воды, что представляет как опасность для жизнедеятельности человека и животных, так и трудность при обработке данных дистанционного зондирования [1].
Авторами предлагается адаптировать для этих целей существующий аналитический алгоритм [2], предназначенный для обработки данных коэффициента яркости морской воды, и позволяющий рассчитывать концентрации оптически значимых примесей (хлорофилла, растворенного органического вещества и минеральной взвеси). Алгоритм успешно применялся для обработки спутниковых и контактных данных при исследовании вод Черного моря. При применении к спутниковым данным восходящей яркости биооптический алгоритм позволяет получить значения концентрации хлорофилла, которые лучше согласуются с данными непосредственных измерений, чем стандартные спутниковые продукты [3]. На данном этапе работы проводится адаптация оптических моделей поглощения неживой органикой и пигментами фитопланктона, используемых в нем, к биооптическим особенностям исследуемого водоема. Для этого используются данные натурных наблюдений и литературных источников, по ним определяются спектральные особенности поглощения и диапазоны спектра с доминирующими оптическими свойствами каждого компонента воды. Для разработки и апробации алгоритма использованы только контактные данные коэффициента яркости.
С целью сбора биооптических данных были проведены две совместные экспедиции МГИ РАН и ИПФ РАН на Горьковском водохранилище [4]. Время проведения – август 2016г. и июнь 2017г. – было выбрано так, чтобы, охватить больший диапазон биооптических свойств воды, начало и максимум цветения. В ходе исследования были отобраны пробы воды для определения концентрации хлорофилла и общего взвешенного вещества, а также выполнены измерения коэффициента яркости воды при помощи спектрофотометра, разработанного в отделе оптики моря МГИ РАН в диапазоне длин волн 390 – 700 нм [5]. Спектрофотометр измеряет восходящую яркость водоема под углом 30 – 45 градусов, нормированную на падающую облученность. Благодаря этому прибор не нуждается в абсолютной калибровке. Коэффициент яркости определяется с шагом 1 нм и с погрешностью в среднем по спектру 3%.
В работе проводится сравнение концентраций хлорофилла и взвеси, рассчитанных с применением предлагаемого алгоритма и полученных по измерениям в пробах. Показано, что значения коэффициента яркости претерпевают незначительные изменения на временных масштабах до 5 суток, что может служить обоснованием использования спутниковых данных с большим смещением по времени.

Работа выполнена при поддержке проекта РНФ № 17-77-10120 (выполнение серии подспутниковых измерений, адаптация модели коэффициента яркости водной толщи для Горьковского водохранилища на основе актуальных полевых данных о биооптических свойствах воды) и гранта РФФИ № 14-45-01049 (разработка биооптических алгоритмов).

1. Лаврова О.Ю., Соловьев Д.М., Строчков А.Я., Шендрик В.Д. Спутниковый мониторинг интенсивного цветения водорослей в Рыбинском водохранилище // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2014. Т. 11. № 3. С. 54–72
2. Ли М.Е., Шибанов Е.Б., Корчемкина Е.Н., Мартынов О.В. Определение концентрации примесей в морской воде по спектру яркости восходящего излучения // Морской гидрофизический журнал, 2015. № 6. C. 17 – 33.
3. Корчемкина Е.Н., Ли М.Е. Аномальные оптические характеристики прибрежных вод Черного моря в июле 2012 года и их связь с концентрацией минеральной взвеси в воде // Фундаментальная и прикладная гидрофизика, 2015. № 10-1. С. 39-43.
4. Мольков А.А., Калинская Д.В., Капустин И.А., Корчемкина Е.Н., Осокина В.А., Пелевин В.В. О перспективах дистанционной оценки гидробиооптических характеристик вод внутренних пресных водоемов по результатам экспедиций на Горьковском водохранилище в 2016 г. // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря, 2017. №2. С. 59-67.
5. Ли М.Е., Мартынов О.В. Измеритель коэффициентов яркости для подспутниковых измерений биооптических параметров вод // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь: МГИ НАН Украины, 2000. С. 163 – 173.