Разработка спутникового биооптического алгоритма для шельфовых вод южной части полуострова Камчатка

Северо-западная часть Тихого океана и Охотское море являются высокопродуктивными районами мирового океана [1], что обусловлено интенсивным прибрежным и речным стоком, который обеспечивает поступление биогенных элементов, в основном связанных с вулканической деятельностью [2]. В прибрежных водах регулярно наблюдается цветение фитопланктона, которое в отдельные годы бывает вызвано развитием видов, вредоносных для морской фауны и человека [3]. Вместе с тем регулярные натурные измерения биооптических параметров в этом регионе не проводятся, а алгоритмы обработки дистанционных измерений дают неверные оценки вследствие доминирования окрашенного растворенного органического вещества в поглощении света [4].
В данной работе проведено моделирование спектров коэффициента яркости моря для сопоставления с данными дистанционного зондирования. Биооптические исследования проводились в ходе рейса № 23/4 НИС «Профессор Мультановский» с 17 августа по 11 сентября 2023 г. В результате было получено 56 подспутниковых измерений концентрации хлорофилла-а, а также показателей поглощения света фитопланктоном, растворенным (CDOM) и взвешенным (NAP) органическим веществом. Наблюдалась высокая изменчивость указанных параметров, так, концентрации хлорофилла-а менялись на порядок величины (0,67–13,6 мг/м3), что сопровождалось изменениями поглощения NAP и CDOM: 0,010–0,17 м-1 и 0,024–0,43 м-1 на длине волны 440 нм, соответственно. На порядок менялся вклад NAP в общее поглощение света органическим веществом: 0,06 – 0,6 на 440 нм. На основе этих данных, а также литературных сведений о показателях рассеяния назад были рассчитаны модельные спектры коэффициента яркости, которые затем сопоставлялись со спутниковыми данными сканера OLCI.
Модельные спектры коэффициента яркости показали хорошее соответствие (с точностью до постоянного множителя) данным дистанционного зондирования (OLCI, Sentinel 3A/B), полученными в течение ±3 часов от измерений in situ. Сравнивалась как форма спектров, так и рассчитанные по ним цветовые характеристики (в частности, угол цветности). Показано значимая корреляция между углами цветности, рассчитанными по модельным и спутниковым данным. Это дает выход на эмпирические алгоритмы, основанные на корреляции биооптических параметров с цветовыми характеристиками. Основное различие между спутниковыми и модельными спектрами заключается в том, что спутниковые данные не показывают локального минимума на 440 нм, которое в модельном спектре особенно заметно при высоком вкладе фитопланктона в общее поглощение. Он наблюдается только в случае высоких концентраций хлорофилла-а. В то же время минимум на 680 нм воспроизводится в спутниковых данных. Это говорит о том, что в коротковолновой части спутникового спектра присутствует некоторое искажение, вероятно, связанное с некорректным учетом вклада поглощающего аэрозоля в восходящее излучение атмосферы [5]. Этот эффект необходимо учитывать при использовании биооптических алгоритмов для обработки спутниковых данных. Адаптация полуаналитического алгоритма [6] для данной акватории, учитывающая описанные особенности, составляет предмет будущих исследований.

Отбор проб осуществлялся в рамках научно-образовательной программы «Плавучий университет» (договор № 075-01593-23-06), обработка и анализ качества биооптических данных – в рамках государственного задания Института биологии южных морей им. А.О. Ковалевского № 124030100106-2, адаптация биооптического алгоритма к условиям Камчатского региона – в рамках проекта Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № ФЗНС-2024-0037, биооптическое моделирование и анализ модельных данных в рамках государственного задания Российской академии наук ФННН-2024-0012 «Оперативная океанология» .