Методика определения оптических свойств воды Горьковского водохранилища с высоким пространственным разрешением и результаты ее практического применения

Исследование оптических свойств вод различных водоемов является классической и до сих пор трудно решаемой задачей гидрооптики. Наибольшие трудности у океанологов возникают при изучении внутренних пресноводных эвтрофных водоемов, характеризуемых высокой пространственно-временной изменчивостью. С развитием и внедрением новых оптических приборов дистанционного и контактного зондирования вод, таких как космические сканеры цвета высокого пространственного разрешения, флуоресцентные лидары, портативные спектрофотометры, а также погружные флуорометры, интерес к внутренним водоемам значительно возрос. Согласно литературным данным исследования по разработке алгоритмов для мониторинга внутренних водоемов с использованием их спутниковых изображений ведутся во множестве стран мира (например, [1-3]). Предлагаемые алгоритмы являются региональными ввиду уникальности гидрооптического режима каждого водоема. В их основе лежат результаты судовых подспутниковых измерений восходящей яркости и лабораторного анализа проб воды, отобранных в нескольких близкорасположенных точках водоема вблизи момента пролета спутника. В результате сбор данных для валидации спутниковых изображений ограничен временной привязкой к пролету спутника и обычно не позволяет зарегистрировать значительные вариации оптических свойств воды ввиду малого охвата площади подспутникового мониторинга.
В настоящей работе предложена к внедрению в практику лимнологического мониторинга оригинальная методика верификации спутниковых данных с помощью дистанционного подспутникового оперативного зондирования, призванная снять упомянутые ограничения.
Ее апробация на примере акватории Горьковского водохранилища была выполнена 21 сентября 2018 г. в период активного цветения на водоеме сине-зеленых водорослей в часовой интервал времени относительно пролета спутника Sentinel 2B. В основе методики лежали непрерывные синхронизованные судовые измерения восходящей яркости моря и концентрации хлорофилла а с помощью спектрометра Ocean Optics USB2000 и заранее откалиброванного по 10 пробам воды [4] (с коэффициентом детерминации R2=0,9) флуоресцентного лидара UFL-9 [5] соответственно. Оба прибора размещались на носу глиссирующего моторного катера, длина которого в 2-3 раза превосходила характерную длину волны развитого ветрового волнения, а скорость составляла около 8м/с. Это обеспечивало стабильность движения, отсутствие качки и брызг в носовой части. Измерения проводились вдоль 5 галсов, пересекающих акваторию вдоль и поперек. Частота измерений приборов составляла 2 Гц, что обеспечило получение данных более, чем в 7000 точках водохранилища с пространственным разрешением около 4м. Для каждой точки по методике [6] восстановлены судовые спектры яркости водной толщи, осуществлено их преобразование в “интегральные” спектры, соответствующие каналам космического сканера, проведено осреднение данных в пределах каждого пикселя спутникового кадра и выполнено их сопоставление со “спутниковыми” спектрами яркости. Установлено качественное совпадение между указанными характеристиками, но вместе с тем обнаружено значительное количественное различие, связанное с атмосферной коррекцией. Для восстановления концентрации хлорофилла а по спутниковым данным был выбран алгоритм [7], обеспечивающий наилучшее совпадение указанной характеристики с данными подспутниковых измерений при концентрациях хлорофилла а от 20 мкг/л и выше, а также совпадение с точностью 30-50% при концентрациях ниже 20 мкг/л. На основе обработки 900 точек для одного из галсов и 600 точек для другого галса, установлена корреляция между “лидарной” и восстановленной по спутнику концентрацией хлорофилла а с коэффициентами корреляции Пирсона 0.71 и 0.89 и среднеквадратичным отклонением (СКО) 4.2 мкг/л и 1.5 мкг/л соответственно. За счет использования большого массива данных полученные значения СКО оказались в 2-3 раза ниже, чем, например, в используемом алгоритме [7], построенном на основе нескольких десятков точек.
Полученные результаты показали перспективность работ по валидации спутниковых измерений по предложенной методике, а такжепродемонстрировали хорошую практическую применимость спутниковых данных для мониторинга качества вод внутренних водоемов на примере одного из них, а именно, Горьковского водохранилища,.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №17-77-10120 (в части разработки регионального алгоритма мониторинга оптических свойств воды Горьковского водохранилища) и соглашения Минобрнауки РФ №14.W03.31.0006 (организация лидарных измерений).