Оценка по спутниковым данным взаимосвязи между процессами, происходящими в Каспийском море

Цель работы – получение информации о процессах, обусловливающих изменчивость концентрации хлорофилла (Chl) и показателя рассеяния назад взвешенными частицами (bbp) в поверхностном слое вод Северного, Среднего и Южного Каспия, на основе статистических оценок связи между среднемесячными значениями вышеуказанных параметров, сделанных по данным спутниковых сканеров цвета. Для этого были рассчитаны корреляционные связи между разными параметрами как внутри каждого субрегиона, так и между разными субрегионами с учетом сдвига по фазе сезонных изменений различных параметров в разных субрегионах.
Доступные на сайте НАСА (http://oceancolor.gsfc.nasa.gov) ежедневные данные второго уровня сканеров цвета SeaWiFS (январь 1998–июнь 2002) и MODIS-Aqua (июль 2002-декабрь 2017 г.) использовались для расчета концентрации хлорофилла Chl и показателя рассеяния назад взвешенными частицами bbp посредством ранее разработанных региональных алгоритмов (http://optics.ocean.ru). Полученные значения затем усреднялись за каждый месяц на сетке 3 х 3 км. На этапе осреднения накладывались следующие ограничения: во-первых, число данных на каждую ячейку сетки должно быть больше трех; во-вторых, доля покрытия выбранного субрегиона должна быть не менее 70%.
Для анализа взаимосвязи внутри регионов и между ними были рассчитаны следующие параметры: значения коэффициентов корреляций (R), количество пар данных, по которым проводился расчет (N), и достигаемый уровень значимости (p). Статистически значимыми считались значения корреляции R> 0,7 (в редких случая R> 0,5) при уровне значимости p<0,05.
Исследования показали, что в Среднем Каспии средне-климатические значения концентрации хлорофилла и показателя bbp заметно ниже, чем в Северном и Южном субрегионах. Если в Северном Каспии средне-климатические значения bbp находятся в пределах 0.037-0.043 м-1, в Южном 0.009-0.012 м-1, то в Среднем они не превышают 0.0065 м-1; диапазоны значений концентрации хлорофилла, соответственно, 1.6-2.3, 0.5-1.3 и 0.45-1.2мг/м3. Указанное различие между регионами связано с тем, что в Среднем Каспии отсутствуют мощные источники поступления вещества, какие есть в Северном и Южном субрегионах.
В Северном Каспии главный источник поступления взвешенного и растворенного вещества, а также питательных (биогенных) элементов для создания первичной продукции фитопланктона – сток Волги, достигающий своего максимума в мае. Отметим, однако, что максимумы среднемесячных значений как хлорофилла, так и показателя bbp достигаются только в сентябре.
Трансформированные речные воды распространяются на юг вдоль западного берега к Апшеронскому полуострову, затем течение разделяется на два потока, один из которых продолжает двигаться на юг вдоль западного побережья, другой поворачивает на восток. Статистический анализ показал наличие значимой корреляционной связи между значениями bbp в Северном и Среднем Каспии со сдвигом на 1 месяц: майским в Северном и июньским bbp в Среднем Каспии – коэффициент корреляции равен 0.704, p 0.02. Отсутствие более тесной корреляции, возможно, объясняется тем, что область влияния распространяющихся с севера вод в Среднем Каспии слишком мала, чтобы проявиться в средних значениях для всего Среднего Каспия.
Значимая связь наблюдается между изменениями рассматриваемых параметров в Среднем и Южном субрегионах. Бросаются в глаза резкие изменения концентрации хлорофилла в июле-августе 2001 г. в Южном Каспии и соответствующие изменения в сентябре-октябре в Среднем Каспии. Эти изменения уже обсуждались ранее и объясняются вселением гребневика Mnemiopsis leidyi [1].
Между изменениями среднемесячных значений концентраций хлорофилла Chl в Южном и Среднем Каспии наблюдается двухмесячный сдвиг по фазе: в Южном Каспии максимум достигается в основном в августе, тогда как в Среднем – в октябре. Значения коэффициентов корреляции, рассчитанные за период 1998-2017 гг., между августом и сентябрем составляют 0.81, августом и октябрем - 0.83.
Между изменениями среднемесячных значений показателя bbp в Южном и Среднем Каспии сдвиг по фазе один месяц: в Южном Каспии максимум bbp достигается в основном в августе, тогда как в Среднем второй максимум (первый в июле) – в сентябре.
Значения bbp, как в Южном, так и Среднем Каспии, тесно коррелируют со значениями Chl. В Южном Каспии значения коэффициентов корреляции для всего периода май-октябрь не ниже 0.77, в июле – даже 0.96; между июньским Chl и июльским bbp – 0.94. В Среднем Каспии в июне-октябре значения коэффициентов корреляции ниже, но превышают 0.7, наибольшее значение, равное 0.88, регистрируется между июльскими значениями Chl и bbp; между июньским Chl и июльским bbp - 0.74.
Высокие значения коэффициентов корреляции между величинами Chl и bbp в Южном и Среднем Каспии дают основание предполагать, что в этих регионах изменчивость содержания взвешенных частиц (индицируемое величиной показателя bbp) связана с биогенными частицами (содержание которых характеризуется концентрацией хлорофилла). Связь между рассматриваемыми показателями в Среднем и Южном Каспии объясняется, по-видимому, близкими климатическими условиями в этих регионах, хотя и существует сдвиг по фазе – от Южного Каспия к Среднему.
В Южном Каспии действует еще один существенный фактор, осуществляющий поставку взвешенных частиц в этот регион, - эоловый вынос пыли из азиатских пустынь.
Воды Среднего Каспия очень неоднородны по оптическим свойствам. Концентрация хлорофилла в западной части Среднего Каспия больше, чем в восточной на 0,4 мг/м3, показатель рассеяния назад взвешенными частицами на 0,023 м-1, что, соответственно, составляет превышение в 2 и 4 раза.

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России (тема No 0149- 2019-0003).