Изучение распределения хлорофилла a в Азовском море по данным дистанционного зондирования Земли из космоса и результатам судовых измерений

Исследование пространственной изменчивости верхнего слоя океана в различных географических районах является актуальной задачей современной океанологии. Решение этой задачи имеет важное практическое значение для развития комплексного мониторинга океана и морей с помощью дистанционных методов.

В последние десятилетия спутниковые данные о цвете океана все шире используются для оценок биопродуктивности морских акваторий, контроля их экологического состояния. При этом основным показателем является концентрация хлорофилла" - главного фотосинтезирующего* пигмента содержащегося в каждом виде фитопланктона. Дляэтого широко используются эмпирические соотношения (связи) концентрации хлорофилла и спектральных характеристик восходящего из моря излучения.

Разработанные к настоящему времени универсальные алгоритмы оценки концентрации хлорофилла, а по данным дистанционного зондирования Земли из космоса нуждаются в существенной корректировке для высокопродуктивных и мутных прибрежных, внутренних вод и эстуариев, где фитопланктон является не единственным фактором, определяющимих оптические свойства (так называемых «вод II типа» (Morel, Prieur, 1977)).

Воды Азовского моря относятко II типу и применяемые в настоящее время алгоритмы оценки концентрации хлорофилла, а (хл-а) по данным спутниковых сканеров цвета для его акватории приводят к ошибочным, иногда более чем на порядок, результатам. Начиная с конца 1990;х годов на орбите Земли регулярно появляются новые, всё более совершенные сканеры цвета океана, способные измерять большее количество спектральных характеристик излучения, международным научным сообществом разрабатываются новые алгоритмы определения биогеохимичических параметров, в том числе концентрации хлорофилл, а (КХ).

В этой связи актуальной является проблема выбора и региональной адаптации по данным натурных наблюдений алгоритмов расчета концентрации хлорофилла, а в. рамках программ спутникового мониторинга.

Выбор в качестве объекта исследования экосистемы Азовского моря обусловлен тем, что этот водоем характеризуется высокой биологической продуктивностью вод, мелководностью, расположен в семиаридной зоне, в условиях сильного воздействия речного стока, абразионных процессов и эоловой нагрузки. Наблюдаемая здесь изменчивость концентрации хл-а в диапазоне 1−150 мг/м3 в условиях значительного градиента солености (0−17%о) и высокой мутности обеспечивает уникальные, оптически сложные, условия для апробации разрабатываемых методов (алгоритмов) оценки КХ в водах II типа по спутниковымснимкам. Предметом исследования является распределение концентрации хлорофилла, а в Азовском море в современный период.

Исторические данные по концентрации хлорофилла, а в экосистеме Азовского моря обрывочны, методически разнородны. Систематические исследования проводятся с 1992 г. З. В. Александровой, но результаты опубликованы в очень сжатом виде (Александрова, Баскакова, 2002).

С целью выявления пространственно-временной изменчивости КХ в природных водах в масштабах десятков метров (что на порядок меньше размера пиксела спутниковых сканеров цвета океана) используется метод контактных флуориметрических измерений, однако опыт его применения в продуктивных и мутных водах Азовского моря до настоящего исследования отсутствовал.

Для оценки КХ в высокопродуктивных и мутных водах предложен эффективный подход, основанный на использовании спектральных характеристик излучения в красной и ближней инфракрасной областях спектра (вке^оп е^ а1, 2003; Ба1Г01шо е* а!., 2003). Однако эти алгоритмы требуют калибровки и верификации по данным натурных измерений в водоеме в возможно более широком диапазоне изменчивости условий среды.

Цель данной работы — выявление особенностей сезонного и пространственного распределения концентрации хлорофилла, а в Азовском море по данным дистанционных спутниковых наблюдений и судовых спектр о фотометрических и флуориметрических измерений.

Для достижения цели исследованияфешались следующие задачи:

— изучение распределения концентрации хл-а в Азовском море по судовым наблюдениям? с применением экстрактного спектрофотометрического метода;

— проведение контактных непрерывных флуориметрических измерений: концентрациихл-а и растворенного органического вещества (РОВ), расчёт градуировочныхуравнений пересчёта интенсивности нативной флуоресценции хл-а в его концентрациювыявление пространственно-временнойизменчивости КХ в условиях повышенной мутности и высоких концентраций РОВ;

— верификация алгоритмов: оценки КХ использующих данные спутниковых' сканеров цвета океана по натурным измерениям в высокопродуктивных оптически сложных водах Азовского моря;

— применение регионально адаптированных алгоритмов оценки КХ по данным спектрометра МЕЯК для расчёта полей КХ по снимкам за 20 082 009 гг., построение среднемесячных картосхем распределения КХ, выявление на их основе особенностей сезонного и пространственного распределения КХ в Азовском море.

Научная новизна результатов исследования.

— Впервые для Азовского моря отработана методика непрерывного судового флуориметрического измерения концентрации хл-а в воде с дискретностью менее 30 м, учитывающая влияние РОВ:

— Определены ошибки спутниковых оценок концентрации хл-а для Азовского моря. Использованный для расчётов полей концентрации хл-а алгоритм позволил дать наиболее точную оценку концентрации хл-а в Азовском море.

— Определены масштабы пространственной изменчивости концентрации хл-а для корректировки спутниковых оценок концентрации хл-а. На основе откорректированных спутниковых данных за 2008;2009тг впервые получены картосхемы среднемесячных распределений концентрации хл-а в Азовском море.

Теоретическая значимость работы определяется выявленными особенностями: пространственной и временной изменчивости полей хлорофилла в^ Азовском море.

Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в возможности их использованияэкологическими и рыбохозяйствеиными организациями для оценки. биологической продуктивности Азовского моря и его промыслового потенциала, в частности, для мониторинга его экологического состояния, при планировании экспедиционныхисследований. В учебном процессе^ могут быть использованы как отработанные методики проведениядискретных и непрерывных измерений, так и методы расчёта концентрации хл-а по данным дистанционных и контактных измерений, результаты этих измерений.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Впервые: построеныкартосхемы распределения хлорофилла" Азовского моря для каждого месяца, усредненные по результатам съемки 2008;2009 гг. По данным спутниковых и судовых измерений в Азовском море выявлены особенности сезонного и пространственного распределения концентрации хлорофилла а.

2. Показано, что использованный в работе двухканальный алгоритм оценки концентрации хлорофилла а. по отражательной способности воды в красной и ближней инфракрасной областях спектра, в сравнении со стандартными алгоритмами даёт наиболее точную оценку для мутных вод Азовского моря.

3. Показано, что содержащиеся в рассчитанных по спутниковым данным полях концентрации хлорофилла, а аномально высокие значения могут быть откорректированы при помощи разработанной методики, учитывающей оцененные по данным непрерывных измерений масштабы пространственной изменчивости хлорофилла.

4. По результатам впервые проведённых на акватории Азовского моря непрерывных флуориметрических измерений концентрации хлорофилла, а с дискретностью менее 30 м и 6 с установлено, что в Таганрогском заливе наблюдается сильная временная и пространственная ее изменчивость весной, летом и осенью.

Автор считает необходимым поблагодарить Председателя ЮНЦ РАН академика Г. Г. Матишова и директора Института аридных зон ЮНЦ РАН чл.-корр. Д. Г. Матишова за предоставленную возможность работать над диссертацией и проводить регулярные судовые исследования, помощь, оказанную на всех этапах работы. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю C.B. Бердникову за неоценимую помощь, оказанную при проведении исследований и подготовке текста диссертации. Автор считает своим долгом выразить признательность A.A. Шавыкину, A.A. Гительсону, В. В. Поважному и В.Дж. Мозесу за теоретическую и практическую поддержку исследования, поблагодарить коллег из Южного научного центра РАН В. Г. Сойера, И. О. Московкину, Е. В. Ермолаеву, Ф. Ф. Гонсалеса, В. Л. Сёмина и команду НИС «Профессор Панов» за помощь в проведении экспедиционных и лабораторных исследований.