(руководитель П.А. Салюк).
11.1. Введение.
Экспедиции проведена в рамках выполнения тем научно-исследовательских работ ТОИ ДВО РАН «Развитие и применение спутниковых методов для исследования взаимодействия радиационно-активных компонентов атмосферы и фитопланктонных сообществ» (раздел 4 темы 3) и «Исследование оптических свойств морской воды в зависимости от содержания в ней органических и неорганических веществ» (Раздел 8 темы 6), президентского гранта МК-4483.2009.5, гос. контракта с Министерством образования и науки П1573 от 10.09.2009 «Оперативное оптическое зондирование динамики радиационно-активных компонентов атмосферы и состояния морских экосистем в Азиатско-Тихоокеанском Регионе», гос. контракта с Министерством образования и науки П1496 от 03.09.2009 «Разработка методов оперативной оценки состояния фитопланктонных сообществ и биопродуктивности в окраинных морях Дальнего Востока России».
11.2. Цели экспедиции.
Изучение процессов и механизмов, формирующих оптические характеристики верхнего слоя океана и нижних слоев атмосферы, развитие оптических методов исследования океана и атмосферы.
11.3. Задачи экспедиции.
1. Испытания и отработка методик измерения лазерного флуориметра с двучастотным возбуждением флуоресценции морской воды.
2. Экспериментальные исследования оптически активных компонентов морской воды и атмосферы на морских полигонах в различные сезоны при разных гидрометеоусловиях и стадиях развития фитопланктонных сообществ
3. Проведение подспутниковых измерений биооптических параметров морской воды, восходящего излучения моря, оптической толщины аэрозоля в атмосфере.
11.4. Методы измерений и обработки данных.
1. Измерения отражательной способности моря производились с помощью гиперспектрального спектрофотометра ASD Hand Held с борта судна по методике, основывающейся на протоколах НАСА.
2. Непрерывные измерения гидрологических и биооптических параметров морской воды осуществлялись с помощью системы прокачки морской воды с глубины 1 метр. Температура и соленость морской воды получены с помощью термосолинографа SeaBird SBE-45. Обработка данных проведена SBEDataProcessing-Win32 и MATLAB. Спектры флуоресценции морской воды измерялись лазерным флуориметром ЛАФ-3 с возбуждающим излучением на длине волны 355 и 532 нм. Обработка спектров и оценка интенсивности флуоресценции хлорофилла-а и РОВ осуществлена в MATLAB.
3. Измерение глубинных профилей in situ гидрологических и биооптических параметров морской воды проведено с помощью зонда SeaBird SBE-19 plus с установленными флуоресцентными датчиками концентрации хлорофилла-а и растворенного органического вещества (РОВ) WetLabs, и датчиком освещенности, доступной для фотосинтеза Licor. Первичная обработка данных осуществлена программой SBEDataProcessing-Win32 с последовательностью операций и параметрами, рекомендованными фирмой-производителем зонда.
11.5. Используемые технические средства и их краткая характеристика.
1. Ручной гиперспектральный спектрофотометр (пр-во ASD) со световодом, позволяющим проводить измерения под водой. Спектральный диапазон 325 – 1075 нм с разрешением 1 нм. В комплект входят надводные объективы для измерения яркости с углами обзора 10o и 2o , подводный объектив для измерения яркости с углом обзора 5 и подводный объектив для измерения освещенности.
2. Прокачиваемый лазерный двучастотный гиперспектральный флуориметр, разработанный ТОИ и ИАПУ ДВО РАН. Длина волны возбуждающего излучения 355 и 532 нм, спектральный диапазон регистрации сигнала 300 – 800 нм, спектральное разрешение 0.1 нм, время накопления сигнала от 20 секунд, частота возбуждающих импульсов 2 Гц, чувствительность от 0.1 мкг/л.
3. Профилограф SBE-19plus (пр-во SeaBird) с частотой измерений 4 Гц и возможностью погружения в морскую воду до глубины 350 метров. Профилограф включает: прокачиваемый датчик температуры морской воды, диапазон измерений -5оС +35оС, точность 0.005оС; прокачиваемый датчик удельной электропроводности морской воды, диапазон измерений 0-9 См/м, точность 0.0005 См/м; тензометрический датчик давления морской воды, диапазон измерений 0-600 метров, точность 0.6 метра, разрешение 0.012 метра; прокачиваемый флуоресцентный датчик концентрации хлорофилла-а с чувствительностью от 0.03 мкг/л, диапазон измерений 0.03 – 75 мкг/л (про-во WetLabs); прокачиваемый флуоресцентный датчик концентрации растворенного органического вещества с чувствительностью от 10-7 г/кг, диапазон измерений 0-10-3 г/кг, длина волны возбуждения флуоресценции 370 нм, длина волны регистрации флуоресценции 460 нм (пр-во WetLabs); сферический датчик суммарной освещенности, доступной для фотосинтеза, LI-193, чувствительность 7 мкА на каждые 1000 мкмоль/c/м2, точность абсолютной калибровки 5% (пр-во Licor);
4. Прокачиваемый термосолинограф SBE-45, диапазон измерений температуры морской воды -5оС +35оС с точностью 0.002оС, диапазон измерений удельной электропроводности 0-7 См/м с точностью 0.0003 См/м.
5. Надводный датчик нисходящей освещенности, доступной для фотосинтеза, LI-190, чувствительность 5 мкА на каждые 1000 мкмоль/c/м2, точность абсолютной калибровки 5% (пр-во Licor).
11.6. Объемы выполненных работ.
Таблица 8.2. Объемы выполненных работ в рейсах № 81 и 91 на НИС «Малахит».
|
Параметр |
Длина трека, км |
Кол-во измерений |
Время 1-го измерения,мин |
|
1. Спектры отражательной способности морской воды |
|
92 |
~ 15 |
|
2. Спектры флуоресценции морской воды |
390 |
9850 |
0.3 |
|
3. Трехмерные спектры флуоресценции морской воды |
65 |
25 |
~ 30 |
|
4. Глубинные профили гидрологических и биооптических параметров морской воды |
|
112 |
~ 10 |
|
5. Температура и соленость морской воды |
390 |
19200 |
0.16(6) |
|
6. Освещенность, доступная для фотосинтеза, над морской поверхностью |
390 |
3300 |
1 |
11.7. Предварительные научные результаты.
Зависимость региональных биооптических алгоритмов от соотношения между концентрацией хлорофилла-а и растворенного органического вещества.
На рис. 1 показана карта одновременных измерений цвета океана со спутника, и концентрации хлорофилла-а и РОВ, определенных с судна с помощью проточного флуориметра ЛАФ-3 и профилографа SBE-19plus. Данные получены в период с 2008 по 2010 года в Заливе Петра Великого. Все судовые измерения были оптически взвешены для корректного сопоставления со спутниковыми данными MODIS-Aqua второго уровня. Судовые точки сопоставлялись с ближайшим спутниковым пикселем так, чтобы расстояние между точками не превышало 2 км. Всего было получено 1801 синхронных измерений. Спутниковые данные были обработаны в Центре спутникового мониторинга ДВО РАН с помощью программы SeaDAS.
Рисунок 1 – Географическое положение синхронных измерений со спутника и с судна.
На рис. 2а представлена диаграмма рассеяния между концентрацией хлорофилла-а Cow и РОВ Dow, измеренных с судна. Цветом выделены значения их отношения k. Красные точки – это место, где влияние РОВ более сильное. В синих точках влияние слабее. На рис. 2б представлено сравнение отражательной способности воды, померенной со спутника, и десятичного логарифма концентрации хлорофилла-а. Линия 1 на рис. 2б – глобальный алгоритм OC3M, линия 2 – линейная регрессия, проведенная по всем точкам (может быть использована как региональный алгоритм). Красные и синие точки на рис. 2б распределились в соответствии с рис. 2а. В тех водах, где влияние РОВ сильнее, поглощение в синей области спектра также сильнее и значения Roc3m становятся завышенными по отношению к глобальному алгоритму. В водах с низким значением наклона, Roc3m, наоборот – завышен и точки сдвигаются вправо относительно кривой ос3m на рис. 2б. Величина сдвига обозначена dR.
На рис. 3 проведено сравнение коэффициента наклона k и сдвига dR. Наблюдается значимая линейная зависимость c коэффициентом корреляции 0.81.
Таким образом, для увеличения точности работы спутниковых алгоритмов необходимо проводить картирование исследуемого района по коэффициенту наклона и использовать полученное линейное соотношение рис. 3.
Рисунок 2 - а.) диаграмма рассеяния между концентрацией хлорофилла-а и РОВ, измеренных с судна; б.) сравнение отражательной способности воды, померенной со спутника, и десятичного логарифма концентрации хлорофилла-а. Цветом выделено значение отношения k между концентрацией хлорофилла-а и РОВ.
Рисунок 3 – Диаграмма рассеяния коэффициента k и сдвига dR.
Настройка полуаналитического биооптического алгоритма для залива Петра Великого
Данные спутникового зондирования цвета океана и судовые данные флуориметрических и оптических пассивных измерений коэффициента яркости моря, полученные в 2009 и 2010 годах, были использованы для разработки гиперспектрального полуаналитического биооптического алгоритма для Залива Петра Великого. Данный алгоритм позволит восстанавливать значения концентрации хлорофилла-а и коэффициента поглощения растворенных органических веществ из гиперспектральных спектров восходящего излучения моря, полученных с борта судна. В дальнейшем за счет настройки и упрощения алгоритма планируется его применение к данным спутникового зондирования цвета моря. Кроме этого алгоритм должен автоматически учесть изменения в соотношениях между концентрациями хлорофилла-а и РОВ.
В качестве модельного выражения коэффициента яркости моря через оптические характеристики среды использована формула (Lee Z.P. et al, 1996):
(1)
где X и Y – спектральные константы и a – полный коэффициент абсорбции морской воды, значение которого описывается суммой модельных значений коэффициентов абсорбции чистой воды aw, пигментов фитопланктона aph, детритов и РОВ ag; bbw – коэффициент обратного рассеяния морской воды и G = 0.176. Индекс “m” у 
означает модельный расчет коэффициента яркости моря.
Моделирование абсорбционных характеристик морской воды осуществлялось с помощью формулы для ag и табличных значений для aw (Smith R.C. et al, 1981):
(2)
Для описания коэффициента абсорбции пигментами фитопланктона использовалась модель (Bricaud A. et al, 1995):
(3)
где CChl – концентрация хлорофилла «а» и А(λ) и В(λ) были получены путем сплайновой интерполяции протабулированных в статье значений.
Описание рассеивающих свойств чистой морской воды выполнено в рамках модельной функции, задаваемой выражением:
(4)
Подстановка модельных функций в (1) позволяет увидеть, что коэффициент яркости моря является функцией пяти параметров: ag, S, X,Y и CChl.
Сходимость решения во многом зависит от правильного выбора начальных значений и диапазона поиска искомых параметров. При их оценке использовались различные регрессионные соотношения между ag, S, X, Y, CChl и Rrs(λ).
В качестве начального значения концентрации хлорофилла-а использовалось значение, полученное по региональному эмпирическому алгоритму (рис. 4):
(5)
(6)
Область изменчивости величины Y оценивалась с использованием регрессионных соотношений, предложенных (Lee Z.P. et al, 1996):
0.9[0.86+1.2ln(χ)] < Y < 1.1[0.86+1.2ln(χ)], (7)
где χ = Rrs(440)/ Rrs(490).
Для расчета области изменчивости ag использовалась эмпирическая зависимость между концентрацией хлорофилла «а» и ag (Tassan S. et al, 1984):
Log[ag(440)] = -1.20 + 0.47log(CChl) (8)
Рисунок 4 – диаграмма рассеяния параметра R, восстановленного из данных радиометра, и Cchl, полученная из контактных измерений концентрации хлорофилла-а
Подстановка в это уравнение предельных значений концентрации хлорофилла «а», найденных ранее, позволяет определить диапазон изменчивости ag. Величина S лежит в узких пределах 0.011-0.016, достигая в редких случаях величины 0.02. Для начальных значений величины X принято условие X > 0.
Каждый диапазон начальных значений был разбит на пять точек для каждого неизвестного параметра. Таким образом, было получено 55 = 3125 набора начальных условий. Далее параметры оценивались алгоритмом оптимизации Trust Region. Из полученных соответствующих 3125 решений выбирались только те, у которых параметр R2 был больше 0.99. Обычно таких решений набиралось около 60%. На рисунке 5 представлен пример исходного и модельного спектров.
Рисунок 5 – Реальный (черная линия) и модельный (зеленая линия) спектр отражательной способности морской воды.
Для того чтобы из всех «удачных» решений (у которых R2 > 0.99) выбрать «правильные» (совпадающие с подспутниковыми данными). Было проведено сравнение распределений концентрации хлорофилла-а, восстановленной из спектров отражательной способности, с реально померенными значениями концентрации хлорофилла-а, полученными из данных глубинного зондирования с помощью профилографа SBE19-plus.
Далее были выбраны такие диапазоны начальных условий, при которых получались реальные значения концентрации хлорофилла-а. На рисунке 6 представлены гистограммы «правильных» начальных условий. В таблице 2 показаны 1% и 99% квантили распределений «правильных» решений. Эти значения рекомендуется использовать в качестве ограничений для выбора начальных условий в водах Залива Петра Великого. Сами начальные условия должны быть выбраны как наиболее вероятное значение из полученных распределений.
Таблица 2 Границы «правильных» решений
|
параметр |
1 % квантиль |
99 % квантиль |
|
Cchl |
0.8534 |
5.1629 |
|
ag(440) |
3.6846 |
923.6440 |
|
Sg |
0.0097 |
0.0175 |
|
X |
0.0000 |
0.0073 |
|
Y |
-6.6616 |
3.2409 |
Рисунок 7 – Гистограммы полученных решений полуаналитического алгоритма. Зеленый цвет – «правильные» решения, красный цвет – все решения.
11.8. Выводы.
Разработаны региональные алгоритмы восстановления концентрации хлорофилла-а и растворенного органического вещества (РОВ) из спутниковых данных по цвету океана для вод залива Петра Великого. Впервые применен подход, позволяющий учесть изменения соотношений между концентрациями хлорофилла-а и РОВ. Результаты позволят повысить точность спутниковых оценок в водах с высоким содержанием РОВ и с большей точностью разделять вклады в сигнал восходящего излучения моря, определяемые содержанием фитопланктона или РОВ в морской воде, а также увеличат число параметров, восстанавливаемых со спутника, для описания состояния фитопланктонных сообществ.