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

• Автор: Сапрыгин, Владислав Валерьевич
• Шифр специальности: 25.00.28
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Мурманск
• Количество страниц: 125 с. : ил.

Введение

Глава 1. Объект исследования, материалы и методы

1.1. Океанографическая характеристика Азовского моря

1.2 Контактные методы определения концентрации хлорофилла а (КХ)

1.2.1. Спектрофотометрические методы определения КХ к воде

1.2.2. Флуориметрические методы определения КХ в воде

1.3 Судовые экспедиционные исследования

1.3.1 Модель измерения ИНФХ

1.4 Методы расчёта концентрации хлорофилла л в продуктивных мутных водах по данным дистанционного зондирования (ДЦЗ)
Глава 2. Непрерывные измерения концентрации хлороч>илла а флуориметрическим методом в Таганрогском заливе

2.1. Определение параметров модели измерений

2.2. Расчёт градуировочного уравнения
2.2.1 Замечания по расчёту градуировочного уравнения
2.3 Учет влияния освещенности и попадающих в систему прокачки воды пузырьков воздуха на результаты измерений
Глава 3. Использование регионально адаптированных алгоритмов оценки КХ в продуктивных и мутных водах для построения полей распределения КХ
3.1. Использованные данные судовых наблюдений, спутниковые снимки, процедуры
АТМОСФЕРНОЙ КОРРЕКЦИИ И АЛГОРИТМЫ ОЦЕНКИ КХ
3.2. Калибровка алгоритмов
3.2.1 Калибровка алгоритмов с использованием атмосферной коррекции Bright pixel
3.2.2 Использование атмосферной коррекции Case 2 regional processing для калибровки алгоритмов
3.3. Верификация алгоритмов
3.4. Расчёт полей КХ по спутниковым снимкам, фильтрация выбросов
3.5. Сравнение с другими стандартными алгоритмами
3.5.1 Алгоритм ОС4
3.5.2 Алгоритм Gons'a
3.5.3 Алгоритм MERIS algal
3.5.4 Алгоритм MERIS Case
Глава 4. Закономерности пространственного распределения и сезонной динамики концентрации хлорофилла а фитопланктона в Азовском море
4.1 Вертикальная изменчивость КХ по данным судовых измерений
4.2 Мелкомасштабная изменчивость КХ в приповерхностном слое вод Таганрогского залива по данным непрерывных флуориметрических измерений
4.3 Временная изменчивость КХ в приповерхностном слое
4.4 Пространственное распределение и сезонная динамика КХ по спутниковым данным
4.5 Сравнение полученных результатов с историческими данными
Выводы и рекомендации
Приложение А
Приложение Б
Список использованных источников

Введение
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 хлорофиллам - главного фотосинтезирующего- пигмента содержащегося в каждом виде фитопланктона. Для. этого 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, определяющим- их оптические свойства (так называемых "вод II типа" (Morel, Prieur, 1977)).
Воды Азовского моря относят ко 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 спутниковым- снимкам. Предметом исследования является распределение концентрации хлорофилла а в Азовском море в современный период.
Исторические данные по концентрации хлорофиллам в экосистеме Азовского моря обрывочны, методически разнородны. Систематические исследования проводятся с 1992г. 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 ((тНсоп его/., 2003; БаИ’Ойпо ега/., 2003). Однако эти алгоритмы требуют калибровки и верификации по данным натурных измерений в водоеме в возможно более широком диапазоне изменчивости условий среды.

где ЛгДАі) - КСЯ около максимума поглощения хлорофилла а в красном диапазоне спектра на 675 нм, a RTS1(Я2) представляет собой пик КСЯ около 705 нм.
Хотя трёхканальная (1.8) и двухканальные модели (1.9); (1.10) потенциально подвержены воздействию естественной изменчивости обусловленного хлорофиллом а коэффициента поглощения фитопланктона и квантового выхода флуоресценции хлорофилла о, они были успешно-применены для дистанционной оценки КХ по данным полевых спектрометров (Gitelson etal., 2008; Gitelson etal., 2011; Yacobi et al., 2011), спутниковой съёмки (Moses etal., 2009, Изучение
В последние годы опубликованы две модификации модели (1.8), обе использовали для оценки КХ в продуктивных водах с очень высоким содержанием неорганических взвешенных веществ. Le etal. (2009)' предложили четырёхканальную модель с узкими спектральными каналами:
[Л_1(662) - /Г1 (693)]/[Л-1 (740) - R~' (705)]. С1 11)
Yang et al. (2010) представили модель в следующей форме:
[тг1 (Л) - (Л)] /[тг-'сл) (1л2)
где Ai, Л2иЛ3 — длины волн спектральных каналов MERIS с центрами на 665, 708 и 753 нм соответственно. Обе модели показали высокую точность оценки КХ в очень мутных продуктивных водах, омывающих Китай и Японию, но Zhang etal. (2011) показали на примере эстуария реки Жемчужная (Чжуцзян), что они не внесли улучшений в точность определения КХ.
Таким образом, для мутных вод Азовского моря наиболее подходящими и эффективными признаны модели (1.8) и (1.10). Сравнение этих моделей с другими широко используемыми алгоритмами расчёта КХ по ДДЗ приведено в разделе 3.5.