Региональный алгоритм оценки концентрации хлорофилла в Баренцевом море по данным спутникового сканера цвета MODIS

Концентрация хлорофилла а (Хл) является одним из индикаторов состояния экосистемы. Региональный алгоритм Б98 оценки Хл в Баренцевом море (Копелевич и др., 2018), созданный на основе судовых измерений в августе – сентябре 1998 г., использует индекс цвета для каналов 531 и 547 нм, так как для них ошибки атмосферной коррекции обычно существенно меньше, чем для коротковолновых каналов. В работе (Каралли, Вазюля, 2021) показано, что региональный алгоритм Б98 непригоден для открытой акватории Баренцева моря, так как был создан в основном по данным измерений в Печорском море (15 станций из 21), которое характеризуется повышенным содержанием ОРОВ. Поэтому был разработан модифицированный региональный алгоритм Б22, использующий тот же индекс цвета, но с другими коэффициентами (Glukhovets at al., 2022). Формула Б22 выведена на массиве подспутниковых измерений, выполненных в 2016 – 2020 гг., для сканеров цвета MODIS Aqua/Terra (26 пар, интервал времени между судовыми и спутниковыми измерениями менее 12 часов). Средняя относительная ошибка алгоритма Б22 на этом наборе данных равна 38%, коэффициент детерминации – 0.32 (p-value<0.001). Если увеличить допустимый интервал времени между спутниковыми и прямыми измерениями до 48 часов (121 пара), то относительная ошибка возрастает до 49%.
Для валидации алгоритма были использованы непрерывные распределения интенсивности флуоресценции Хл, полученные с помощью проточного комплекса (Glukhovets, Goldin, 2021) в рейсах 83-1 и 68 НИС «Академик Мстислав Келдыш» (АМК) в июне 2021 и августе 2017, соответственно, и калиброванные по данным прямых определений концентрации Хл на станциях. Данные рейса 83-1 интересны как наши первые измерения Хл в июне для Баренцева моря (предыдущие были проведены в июле-сентябре) и выполненные в условиях отсутствия цветения. В случае АМК 68 измерения проводились в области сильного кокколитофоридного цветения (по данным прямых определений концентрация кокколитофорид варьировала в диапазоне 1.4-6.3 млн кл./л), которое может влиять на точность спутниковых алгоритмов оценки Хл. Величина Хл при этом была заметно выше. По данным MODIS Aqua рассчитывались среднесуточные композиты с отбраковкой данных с флагом STRAYLIGHT, что позволяет исключить искажение спутниковых данных вблизи облаков.
Измерения в Баренцевом море во время перегонного рейса 83-1 были выполнены 13-15 июня 2021 г., а спутниковые данные доступны только для 12 и 14 июня. К сожалению 14 июня даже в суточном композите есть большие пропуски данных из-за облачности. Относительная и среднеквадратичная (RMSE) ошибки для спутниковых оценок Хл за 14 июня (23%, 0.15 мг/куб.м), более близких к времени проведения флуориметрических измерений немного ниже, чем за 12 июня (32%, 0.17 мг/куб.м). Сопоставление спутниковых и флуориметрических оценок величин Хл в случае кокколитофоридного цветения показало, что относительная ошибка получилась того же порядка (24%), а RMSE существенно выше (0.37 мг/куб.м), что может быть связано как с ошибками калибровки флуориметра в условиях кокколитофоридного цветения, так и с разницей во времени флуориметрических и спутниковых измерений (около суток).

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; Д.И. Глуховца за предоставленные результаты измерений проточного флуориметра.