Валидация формул расчета показателя диффузного ослабления по спутниковым данным при наличии кокколитофоридного цветения

Солнечное излучение видимого диапазона – фотосинтетически активная радиация (ФАР) – способно проникать в водную толщу. Количественная оценка ФАР имеет большое значение для исследования утилизации солнечного излучения при создании первичной продукции фитопланктона, а также влияния объемного поглощения в водной толще на термическую структуру и теплосодержание поверхностного слоя. Обычно для расчета затухания солнечного излучения с глубиной используют экспоненциальный закон и показатель диффузного ослабления Kd. Величина Kd сильно зависит от длины волны и угловой структуры подводного светового поля.
Точность различных приближенных формул для оценки Kd при наличии кокколитофоридного цветения (Kopelevich et al., 2020) была проверена по результатам численного моделирования подводного светового поля методом дискретных ординат (Stamnes, Swanson, 1981; Stamnes et al., 1988). Параметры для моделирования выбирались на базе натурных и спутниковых измерений биооптических характеристик Баренцева и Черного морей. Было протестировано три формулы расчета Kd через первичные оптические характеристики морской воды: (1) простая формула Гордона (1989) для Kd прямо под поверхностью моря (z = 0); (2) полином третьей степени для среднего по фотическому слою Kd (Gordon, 1989); (3) простая формула для фотического слоя (Lee et al., 2005). Оказалось, что для определения Kd при отсутствии кокколитофоридного цветения (КЦ) можно использовать любую из формул (1)-(3). В случае КЦ, если поглощение не слишком мало, с хорошей точностью можно использовать формулу (3). В случае же сильного рассеяния и малого поглощения лучше использовать формулу (2), но для этого необходимо знать отношение показателя рассеяния назад к общему показателю рассеяния.
Также для валидации этих формул были использованы величины Kd, рассчитанные по данным натурных измерений подводной облученности с помощью Ramses ACC-VIS (TRIOS) в Геленджикском районе Черного моря в 2017-2018 гг. Причем в 2017 г. в районе исследований наблюдалось самое мощное КЦ за всю историю наших спутниковых наблюдений с 1998 г. (Копелевич и др., 2018), а в 2018 г. цветение практически отсутствовало. Для определения первичных оптических характеристик морской воды использовались спектры коэффициента яркости моря по данным сканера цвета MODIS (временной интервал между спутниковыми и натурными измерениями не превышал 24 часов, всего 37 спектров) и полуаналитическая модель с фиксированными значениями спектрального наклона поглощения желтым веществом и рассеяния назад взвесью. При этом использовались спектральные каналы 443-555 нм, где минимальны ошибки атмосферной коррекции. Валидация для Kd(490) показала, что формула (1) дает сильно заниженные оценки Kd для 2017 г. (почти в 2 раза), когда наблюдалось интенсивное КЦ. Величины Kd(490), вычисленные по формуле (3), очень хорошо соответствуют результатам натурных измерений: коэффициент детерминации 0.90, средняя относительная ошибка 15%. Оценки по формуле (2) лучше совпадают с данными измерений, чем оценки по формуле (1), но не так хорошо, как по формуле (3).
Таким образом, валидация как по результатам численного моделирования, так и по данным натурных измерений показала, что при наличии сильного КЦ (высоких значениях показателя рассеяния назад) для расчета показателя диффузного ослабления лучше всего использовать простую формулу (3) для фотического слоя (Lee et al., 2005).
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (проект №19-55-45024 ИНД_а).