Сравнение методов определения сроков весеннего «цветения» фитопланктона по концентрации хлорофилла-а на примере Берингова моря

В условиях современного климата прогнозируется смещение сроков весеннего «цветения» (ВЦ) фитопланктона в субполярных и арктических широтах Мирового океана на более ранние даты (Kahru et al., 2011), что может оказать значительное воздействие на все уровни пищевой цепи, в том числе на виды, используемые в российском рыбном промысле. Берингово море и прилегающие воды (50–75° с.ш., 150° в.д. – 170° з.д.) интересны в изучении данного вопроса, поскольку эта акватория является одним из основных продуктивных и промысловых районов Мирового океана (Датский, 2025), где отмечены существенные изменения климата за последние десятилетия (Baker et al., 2020; Ortiz et al., 2016). Целью данной работы являлась оценка методов определения сроков ВЦ фитопланктона в Беринговом море и прилегающих водах по спутниковым данным за 1998–2024 гг.
Параметры ВЦ фитопланктона рассчитаны по спутниковым данным концентрации хлорофилла-а (Хл-а, мг/м3) из базы Ocean Colour Climate Change Initiative (OC-CCI) версии 6 (https://www.oceancolour.org/). Исходные данные с временной дискретностью 1 сутки и с пространственным разрешением 4×4 км интерполированы на сетку 25×25 км в полярной стереографической системе координат аналогично работе (Kivva, Malysheva, Sumkina, 2026). Для заполнения пропусков в значения Хл-а (морской лёд, облачность) использован метод Data Interpolation Empirical Orthogonal Function (DINEOF) (Alvera-Azcárate et al., 2011; Zhao et al., 2024) с ограничением в 50 км радиуса поиска соседей для вычисления главных компонент. Интерполированные значения Хл-а выше 30 мг/м3 исключались из анализа. В каждой ячейке дополнительно проводилось сглаживание временного ряда Хл-а с помощью локальной полиномиальной регрессии (LOESS) со степенью сглаживания равной 0,1.
В качестве пика ВЦ выбирали максимальный из локальных экстремумов, наблюдавшихся до 1 августа для каждого года в каждой ячейке сетки. Дата начала ВЦ была определена двумя способами. Первый метод – пороговый метод, где в качестве порога использована медиана ряда Хл-а от начала года до пика «цветения». Второй – метод максимального расстояния до базовой линии: между началом годового ряда Хл-а и пиком строится линия и выбирается дата с максимальным перпендикулярным расстоянием от данной линии до точки сглаженного по методу LOESS ряда, причем выбирается значение ниже базовой линии.
На основе экспертного анализа случайно выбранных 300 временных рядов Хл-а (год и ячейка сетки) в 81% случаев дата начала ВЦ, определенная по второму методу, наиболее соответствует моменту минимума концентрации Хл-а, наблюдающемуся перед весенним пиком «цветения». При этом даты начала ВЦ по обоим методам имеют высокую корреляцию (r > 0,5 при p 0,8 при p < 0,05). На шельфе Берингова моря среднеквадратическое отклонение (RMSD) между датами, определенными по двум методам, составило 7–14 суток: первый метод выбирал более поздние даты. В глубоководной части моря разница была существенно выше (RMSD составила 21–28 суток): по первому методу даты начал ВЦ были определены сильно раньше соответствующих дат, полученных по второму методу. Такая существенная разница (в среднем примерно до месяца) в определении сроков ВЦ может давать некорректные результаты при анализе взаимосвязи параметров ВЦ с абиотическими факторами среды – несовпадение во времени причины и следствия.
Исследование выполнено в рамках гранта РНФ
№ 25-27-00385.