Проверка и модификация спутниковых алгоритмов определения концентрации хлорофилла-а в Баренцевом море

Концентрация хлорофилла-а (Chl) – важнейший параметр оценки биомассы фитопланктона, позволяющий отслеживать состояние морских экосистем. Стандартный алгоритм OC3M для оценки Chl по данным спутникового сканера цвета MODIS является модификацией алгоритма, разработанного для SeaWiFS (O'Reilly et al., 1998). В OC3M кроме коэффициента яркости моря Rrs(547) используется Rrs(λ_blue) - максимальная величина Rrs для длин волн 443 и 488 нм, а формула для расчета Chl представляет собой полином четвертой степени. В Лаборатории оптики океана ИО РАН на основе судовых измерений в Баренцевом море (13 и 14 рейсы НИС «Академик Сергей Вавилов» (АСВ), август – сентябрь 1998 г.) был разработан и верифицирован региональный алгоритм Б98 оценки концентраций хлорофилла-а (Копелевич и др., 2018), в котором используются спектральные каналы 531 и 547 нм, так как для них ошибки атмосферной коррекции обычно существенно меньше, чем для коротковолновых каналов.
Были проанализированы судовые измерения, выполненные в восьми экспедициях в Баренцевом море: в 6 рейсах НИС «Академик Мстислав Келдыш» (АМК) в 2016 – 2021 гг.; и в 2 рейсах АСВ в 1998 г. Данные для всех станций, где были проведены одновременные измерения коэффициента яркости моря Rrs(λ) и величины Chl, были использованы для проверки различных спутниковых алгоритмов оценки концентрации хлорофилла-а. Спутниковые данные 2-го уровня, измеренные сканерами цвета MODIS-Aqua и MODIS-Terra, были получены с сайта NASA (http://oceancolor.gsfc.nasa.gov). В наших вычислениях использовались средние значения Rrs(λ) для доступных пикселей из девяти ближайших к точке судовых измерений; временной интервал между натурными измерениями и съёмкой спутникового сканера цвета ограничивался 24 часами. Всего было найдено 54 подходящих спутниковых измерений для 16 станций в 2016-2020 гг. Для 2021 г. использовались данные для ближайшего пикселя и было подобрано 41 спутниковое измерение для 13 станций.
Для модификации алгоритмов использовались данные только недавних рейсов 2016-2020 гг., при этом были исключены 5 станций рейса АМК-80, выполненные выше 80° с.ш. вне акватории Баренцева моря (Каралли, Вазюля, 2021). Оказалось, что региональный алгоритм Б98 (Копелевич и др., 2018), созданный в основном по данным для Печорского моря, не пригоден для открытой акватории Баренцева моря; стандартный алгоритм OC3M дает завышенные оценки Chl в малопродуктивных водах, что приводит к высоким значениям средней относительной ошибки (79-89%). По данным рейсов 2016-2020 гг. были выведены две новые формулы для оценки Chl, полученные с использованием отношения Rrs(531)/Rrs(547) и Rrs(λ_blue)/Rrs(547), которые позволяют с приемлемой точностью определять величину Chl как по данным прямых измерений (средняя относительная ошибка составляет 44-60%), так и по данным спутникового сканера цвета MODIS (48-51%). Формула с использованием Rrs(λ_blue)/Rrs(547) дает несколько меньшие ошибки и более высокий коэффициент детерминации, но для окончательного выбора необходима проверка по большему количеству подспутниковых измерений Chl.
Соответствие между величинами Chl, измеренными и рассчитанными тремя разными алгоритмами по данным натурных измерений Rrs в рейсах 2021 г., существенно лучше, чем в предыдущие годы: коэффициент детерминации 0.85-0.94, средняя ошибка 12-41%, n=9. При этом региональные алгоритмы дают заметно меньшие ошибки (12-24%). При проверке по спутниковым данным для 2021 г. был выделен отдельно массив точек match-up (n=8), не отмеченных флагами. Оказалось, что даже при отсутствии флагов средние относительные ошибки довольно высоки для всех тестируемых алгоритмов (48-62%), что связано с большими ошибками в малопродуктивных водах; абсолютные ошибки соответствуют полученным ранее оценкам точности во всех случаях кроме новой формулы с использованием Rrs(531)/Rrs(547) для всего массива данных (n=41), где для двух точек match-up были получены аномально высокие оценки Chl по спутниковым данным. Необходим алгоритм отбраковки некорректных спутниковых данных.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ (проект №21-77-10059). Авторы благодарят А.Б. Демидова, А.В. Лифанчук, Н.В. Политову и М.Д. Кравчишину за предоставленные результаты измерений концентрации хлорофилла-а; В.А. Артемьева, А.Н. Храпко, А.В. Григорьева, Д.И. Глуховца, П.А. Салюка за предоставленные результаты измерений спектров Rrs; И.В.Салинг за подбор спутниковых данных.