CC BY
23
DOI: 10.37614/2307-5252.2022.4.10.003 УДК 574.583 (268.45)
В.В. Водопьянова, О.П. Калинка
Мурманский морской биологический институт РАН, г. Мурманск, Россия
МОНИТОРИНГ КОНЦЕНТРАЦИЙ ХЛОРОФИЛЛА
В БАРЕНЦЕВОМ МОРЕ: СРАВНЕНИЕ МНОГОЛЕТНИХ IN SITU
И СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ
Аннотация
Фитопланктонные организмы являются основой трофической цепи и первичными продуцентами в пелагиали Баренцева моря. Изменение биомассы фитопланктона в течение вегетационного периода находится в тесной связи с изменением концентрации хлорофилла а. Собранные в ходе многолетних (2006, 2007, 2010, 2013, 2015-2019) экспедиционных исследований ММБИ данные по концентрации хлорофилла а in situ были сопоставлены с данными дистанционного спутникового зондирования. Проанализировано более чем 200 проб in situ и спутниковые данные в те же даты в квадрате 5х5 км, центрированном по точке отбора проб. Выявлено, что перманентная облачность над Баренцевым морем мешает проведению полноценного дистанционного мониторинга данной акватории. Малое количество совпадений концентраций in situ со спутниковыми данными не позволяет решать задачи глобального мониторинга. Проанализировав взаимосвязь температуры поверхности моря как ключевого фактора, влияющего на пространственно-временное распределение хлорофилла а, определена высокая степень корреляции (г = 0.89) между рассматриваемыми параметрами, что свидетельствует о достаточно высокой воспроизводимости данных натурных измерений спутниковыми инструментами.
Ключевые слова: хлорофилл а, фитопланктон, Баренцево море, спутниковые данные.
V.V. Vodopianova, ОР. Kalinka
Murmansk Marine Biological Institute RAS, Murmansk, Russia
MONITORING OF CHLOROPHYLL CONCENTRATIONS IN THE BARENTS SEA: COMPARISON OF LONG-TERM IN SITU
AND SATELLITE DATA
Abstract
Phytoplankton organisms are the basis of the trophic chain and primary producers in the pelagial of the Barents Sea. The variation in phytoplankton biomass during the growing season is closely related to the change in chlorophyll a concentration. The data on the concentration of chlorophyll a in situ collected during the long-term (2006, 2007, 2010, 2013, 2015-2019) MMBI expedition research were compared with remote satellite sensing data. More than 200 in situ samples and satellite data were analyzed on the same dates in a 5x5 km square centered on the sampling point. It was revealed that permanent cloud cover over the Barents Sea interferes with the complete remote monitoring of this water area. The small number of coincidences of concentrations in situ
with satellite data does not allow achieve global monitoring goals. Having analyzed the relationship of sea surface temperature as a key factor affecting the spatial and temporal distribution of chlorophyll a, a high degree of correlation (r = 0.89) between the parameters under consideration was determined, which indicates a sufficiently high reproducibility of the data of field measurements by satellite instruments.
Keywords: chlorophyll a, phytoplankton, Barents Sea, satellite data.
Введение. Фитопланктонные организмы являются первичными продуцентами и основой трофической цепи Баренцева моря. Хлорофилл а дает косвенное представление об изменениях численности и биомассы фитопланктона и может быть рассмотрен как показатель общего обилия и продуктивности фитопланктонного сообщества. Мониторинг концентраций хлорофилла а (в совокупности с другими параметрами фитопланктонных сообществ) позволяет судить о продукционном потенциале Баренцева моря. Существуют методы прямого (in situ) и дистанционного измерения концентраций хлорофилла а в поверхностном слое водоемов. Метод in situ имеет несомненное преимущество в виде высокого пространственного разрешения, однако существенно ограничен высокой стоимостью судовых работ и сложностью ледовой обстановки в Баренцевом море. Спутниковые инструменты в теории призваны охватить максимальную площадь акватории, однако на практике имеют существенные ограничения из-за облачности и ледового покрова, а также не учитывают возможные подледные цветения и подповерхностные максимумы хлорофилла.
Цель работы - сравнение многолетних натурных и спутниковых данных по концентрации хлорофилла а для акватории Баренцева моря и температуры поверхности моря как ключевого фактора, влияющего на его распределение; выявление воспроизводимости результатов in situ спутниковыми инструментами; определение условий препятствующих проведению полномасштабных работ на всей акватории Баренцева моря.
Материал и методы. Материал для определения концентрации хлорофилла а in situ был собран во время рейсов научно-исследовательского судна "Дальние Зеленцы" Мурманского морского биологического института в 2006, 2007, 2010, 2013, 2015-2019 гг. (Vodopianova et al., 2019; Features ..., 2021; Makarevich et al., 2022) (рис. 1).
Всего в поверхностном слое пелагиали была отобрана и обработана 221 проба (табл. 1).
Для определения концентрации хлорофилла а in situ (мг/м3) придерживались методических рекомендаций (Aminot, Rey, 2000), основанных на классическом методе определения ЮНЕСКО (Determination ..., 1966). Отклонения от метода не допускались. Концентрацию хлорофилла а в экстракте определяли спектрофотометрически на УФ-видимом спектрофотометре N icolet Evolution 500 (Spectronic Unicam, Великобритания).
Рис. 1. Схема расположения станций отбора проб in situ в экспедициях в 2006, 2007, 2010, 2013, 2015-2019 гг. в Баренцевом море
Fig. 1. Location of stations in situ the 2006, 2007, 2010, 2013, 2015-2019, Barents Sea
Для получения спутниковых данных по концентрации хлорофилла a использовали оперативную систему Copernicus Marine Environmenta l Monitoring Service - CMEMS, Служба мониторинга морской среды "Коперникус" (CMEMS MyOcean Viewer (copernicus.eu), которая предоставляет пользователям данные и детализированные прогнозы состояния морской среды как всего Мирового океана, так и морей Европы и Северного Ледовитого океана. В данной системе мы использовали продукт 0CEANC0L0UR_ARC_CHL_L3_REP_0BSERVATI0NS_009_069, представляющий собой репроцессинг полей концентрации хлорофилла в морской воде на основе использования данных сканеров SeaWiFS, MODISAqua и MERIS с применением региональных алгоритмов. Пользователям "Коперникус" доступны осредненные за день поля хлорофилла 1x1 км (1 пиксель = 1 км2). В связи с ограниченным объемом исходного материала в настоящем исследовании для каждой станции отбирались спутниковые данные в квадрате 5х5 км, в который попадала точка отбора проб in situ.
Т а б л и ц а 1
Количество проб, взятых для определения концентрации хлорофилла а in situ
T a b l e 1
The number of samples to determine the concentration of chlorophyll a in situ
Год
Период
Количество проб
2006 2007 2010 2013
2015
2016
2017
2018 2019
17 сентября-4 октября 4 августа-6 октября
19-28 августа 10-21 ноября
23 июня-11 июля 12-14 мая 17-18 июля 27-29 ноября
20-27 апреля 19-24 мая 10-15 апреля
18 24 34 8 43 28 5 4 19 15 23
Сведения о температуре поверхности моря (SST) были получены с помощью датчиков MODIS (спектрорадиометр изображений с умеренным разрешением), установленных на платформах NASA Terra и Aqua. Эти продукты SST основаны на каналах MODIS в среднем инфракрасном (ИК) и тепловом ИК-диапазоне и доступны в различных пространственных и временных разрешениях (https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/atbd/sst/).
Результаты и обсуждение. По причине сильной облачности сопоставление данных по концентрации хлорофилла а in situ, полученных в экспедиционных условиях, и спутниковых данных за те же даты в квадрате 5х5 км, дали всего 11 пар совпадений для сравнения и корреляции (рис. 2).
Причина столь малого количества совпадений между данными in situ и спутниковыми - практически постоянная облачность над акваторией Баренцева моря. Пример тотальной облачности представлен на рис. 3.
Проводить полноценный анализ данных по столь малой выборке не представляется достоверным. В меньшей степени облачность влияет на получение спутниковых данных по температуре поверхности моря. На сканеры объединяются инфракрасные данные SST от датчиков спектрометра изображений с умеренным разрешением (MODIS) и микроволновые данные SST от ряда других датчиков. Микроволновые данные позволяют плавно заполнять отсутствующие ряды в инфракрасных данных, создавая продукт без пробелов (Quality ..., 2021). Температура поверхности моря, по мнению ряда исследователей (Voipio, 1981; Александров, Кудрявцева, 2012), - ключевой фактор, определяющий сезонную и многолетнюю изменчивость концентрации хлорофилла а. Предыдущие исследования свидетельствуют о положительной корреляции между показателями, полученными при помощи спутников и данными in situ (Буканова, 2014; Евтушенко, Шеберстов, 2016).
0.05 0.10 0.20 0.60 1.00 2.00 Б.ОО
Концентращи хлорофилла а (спутниковые данные), мг/м?
Рис. 2. Сравнение концентраций хлорофилла а in situ и спутниковых данных (CHEMS)
Fig. 2. Comparison of chlorophyll a concentrations in situ and satellite (CHEMS)
Рис. 3. Облачность над акваторией и концентрация хлорофилла а 25.04.2018 г. в Баренцевом море (https://worldview.earthdata.nasa.gov/)
Fig. 3. Cloud cover over the water area and values of chlorophyll a concentration for 25.04.2018, Barents Sea (https://worldview.earthdata.nasa.gov/)
Для установления связи между изменением концентрации хлорофилла а и температурой поверхности моря были проанализированы данные для тех станций (рис. 4), где имелись совпадения спутниковых данных по температуре поверхности моря (SST) и in situ концентраций хлорофилла а в квадрате 5х5 км. Из 221 пробы in situ совпадение с данными спутникового дистанционного зондирования наблюдалось только в 41 случае (рис. 5).
Рис. 4. Концентрация хлорофилла а in situ и спутниковые данные температуры поверхности моря (SST)
Fig. 4. Comparison of chlorophyll a concentrations in situ and satellite data of sea surface temperature (SST)
Рис. 5. Расположение станций in situ, для которых доступны данные дистанционного зондирования температуры поверхности моря на дату отбора проб хлорофилла (в квадрате 5x5 км) в Баренцевом море. Желтые точки -станции, где были обнаружены аномалии концентрации хлорофилла а
Fig. 5. Location of in situ stations where remote sensing sea surface temperature data are available on the date of chlorophyll sampling (in a 5x5 km square), Barents Sea. Yellow dots - stations where anomalies of chlorophyll a concentration were detected
Из сравнения были исключены 4 образца in situ, которые соответствовали параметрам аномалий хлорофилла. Значения спутников были извлечены для элемента размером 3x3 пикселя, центрированного в точке in situ. Следуя стандартным методам (Bailey, Werdell, 2006), коэффициент вариации был вычислен для каждого пиксельного блока. Для обеспечения однородности и хорошего качества совпадения включались только в том случае, если коэффициент вариации по рамке был менее 0.15 и более 50 % пикселей в рамке были действительными. Медиана девяти пикселей рассматривалась в качестве спутниковой оценки для дальнейшего анализа (Quality ..., 2021).
Результаты сопоставления остальных значений показывают высокую степень корреляции. Коэффициент корреляции для 37 образцов составил 0.89 (рис. 4), что является показателем высокой степени достоверности и подтверждает тесную связь изменения концентрации хлорофилла а с температурой поверхности Баренцева моря. Полученные результаты могут быть использованы для разработки прогностической модели концентраций хлорофилла а для поверхностного слоя Баренцева моря.
Заключение. Анализ данных дистанционного спутникового мониторинга и данных in situ по концентрации хлорофилла а показал, что перманентная облачность над акваторией Баренцева моря препятствует проведению полномасштабного мониторинга с использованием спутниковых инструментов. Малое количество совпадений между натурными данными и спутниковыми не позволяет в полной мере использовать статистический анализ и судить о степени их достоверности. Сравнение спутниковых (квадрат 5х5 км) и in situ концентраций хлорофилла а не представляется возможным из-за малого объема выборки. При анализе взаимосвязи температуры поверхности моря (как ключевого фактора влияющего на пространственно-временное распределение хлорофилла) и концентрации хлорофилла выявлена высокая степень корреляции ( r = 0.89), что свидетельствует о достаточно высокой воспроизводимости данных натурных измерений спутниковыми инструментами. Полученные результаты могут быть использованы для разработки прогностической модели концентраций хлорофилла а для поверхностного слоя Баренцева моря.
Авторы благодарят сотрудников Мурманского морского биологического института РАН за отбор проб в экспедиционных условиях.
Работа выполнена по теме "Планктонные сообщества арктических морей в условиях современных климатических изменений и антропогенного воздействия" (№ госрегистрации 121091600105-4) в рамках государственного задания ММБИ РАН.
Литература
Александров С.В., Кудрявцева Е.А. Хлорофилл а и первичная продукция фитопланктона // Нефть и окружающая среда Калининградской области. Калининград: Терра Балтика, 2012. Т. II. С. 358-372.
Буканова Т.В. Тенденции эвтрофирования юго-восточной части Балтийского моря по спутниковым данным: Дис. ... канд. геогр. наук (25.00.28). Калининград, 2014. 142 с.
Евтушенко Н.В., Шеберстов С.В. Использование данных спутникового сканера MODIS-AQUA для исследования циклов цветения фитопланктона в Балтийском море // Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса. 2016. Т. 13, № 3. С. 114-124.
Aminot A., Rey F. Standard procedure for the determination of chlorophyll a by spectroscopic methods. Denmark, Copenhagen: Int. Coun. Explor. Sea, 2000. 18 p.
Bailey S.W., Werdell P.J. A multi-sensor approach for the on-orbit validation of ocean color satellite data products // Remote Sensing Environment. 2006. Vol. 102. P. 12-23. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.rse.2006.01.015
Determination of photosynthetic pigments in sea-water. Monographs on Oceanographic Methodology. Paris: UNESCO, 1966. 69 p. URL: https://unesdoc. unesco.org/ark:/48223/pf0000071612
Features of the distribution of chlorophyll-a concentration along the western coast of the Novaya Zemlya Archipelago in spring / P.R. Makarevich, V.V. Vodopianova,
A.S. Bulavina, P.S. Vashchenko, T.G. Ishkulova // Water. 2021. Vol. 13, № 24. Article № 3648. URL: https://doi.org/10.3390/w13243648
Makarevich P.R., Vodopianova V.V., Bulavina A.S. Dynamics of the spatial chlorophyll-a distribution at the polar front in the marginal ice zone of the Barents Sea during spring // Water. 2022. Vol. 14, № 1. Article № 101. URL: https://doi.org/10. 3390/w14010101
Quality information document. Ocean colour production centre. For the atlantic and arctic observation products / S. Pardo, T. Jackson, B. Taylor, J. Netting, B. Calton,
B. Howey. 2021. Iss. 2.2. 33 p.
Vodopianova V.V., Vaschenko P.S., Bulavina A.S. Monitoring of chlorophyll-a concentration in the ice edge zone of the Barents Sea in 2017-2018 // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 263, Article № 012005. URL: https://doi.org/10.1088/1755-1315/263/1Z012005
Voipio A. The Baltic Sea. Amsterdam: Elsevier, 1981. 418 p.
DOI: 10.37614/2307-5252.2022.4.10.004 УДК 574.583 + 556.047 (268.45)
В.В. Водопьянова, А.С. Булавина, П.Р. Макаревич
Мурманский морской биологический институт РАН, г. Мурманск, Россия
ТЕРМОХАЛИННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ХЛОРОФИЛЛА НА СТАНДАРТНОМ РАЗРЕЗЕ "КОЛЬСКИЙ МЕРИДИАН" В АПРЕЛЕ 2021 ГОДА
Аннотация
В Баренцевом море основная часть годовой первичной продукции пелагиали формируется во время весеннего сукцессионного цикла. Цветение фитопланктона
