Спектральная модель подводной облученности в Черном море

Создана полуэмпирическая спектральная модель проникающей облученности, учитывающая биооптические характеристики Черного моря. Оценка вклада основных оптически активных компонентов в общее поглощение света в море показала, что в коротковолновой части (400 – 500 нм) свет в основном поглощается раствор...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автори:	Чурилова, Т.Я., Суслин, В.В., Сосик, Х.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Морський гідрофізичний інститут НАН України 2009
Назва видання:	Морской гидрофизический журнал
Теми:	Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/105090
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Спектральная модель подводной облученности в Черном море / Т.Я. Чурилова, В.В. Суслин, Х.М. Сосик // Морской гидрофизический журнал. — 2009. — № 6. — С. 33-46. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-105090
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1050902016-08-07T03:02:41Z Спектральная модель подводной облученности в Черном море Чурилова, Т.Я. Суслин, В.В. Сосик, Х.М. Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана Создана полуэмпирическая спектральная модель проникающей облученности, учитывающая биооптические характеристики Черного моря. Оценка вклада основных оптически активных компонентов в общее поглощение света в море показала, что в коротковолновой части (400 – 500 нм) свет в основном поглощается растворенным органическим веществом (41 – 77 %). Вклад фитопланктона в общее поглощение достигает максимальных величин (26 – 37 %) в глубоководной части моря во время весеннего цветения диатомовых водорослей. В прибрежных водах летом неживая взвесь поглощает примерно в два раза больше света (20 – 30 %), чем в открытых водах (8 – 13 %). Анализ чувствительности модели показал, что поглощение света растворенным органическим веществом является более значимым при оценке фотосинтетически активной радиации в Черном море, чем концентрация пигментов и обратное рассеяние света частицами взвеси. Сопоставление модельных расчетов с результатами измерения подводной облученности показало высокую точность модели. Semi-empirical spectral model of underwater irradiance in the Black Sea is developed. The model takes into account bio-optical characteristics of the Black Sea. Estimation of contribution of all optically active components to total light absorption in the sea shows that the irradiance in a short-wave domain 400 – 500 nm is absorbed mainly by colored dissolved organic matter (41 – 77 %). The contribution of phytoplankton to total light absorption achieves its maximum (26 – 37 %) in the deep-water regions during spring bloom of large diatoms. In the coastal waters in summer non-algae particles light absorption is about twice higher (20 – 30 %) than in the deep-water regions (8 – 13 %). Analysis of the model sensitivity shows that light absorption by colored dissolved organic matter is more important in estimating photosynthetic available irradiance (PAR) in the Black Sea than pigment concentration and particles light backscattering. Comparison of the modeled PAR results with the measured values of underwater irradiance shows high accuracy of the model. 2009 Article Спектральная модель подводной облученности в Черном море / Т.Я. Чурилова, В.В. Суслин, Х.М. Сосик // Морской гидрофизический журнал. — 2009. — № 6. — С. 33-46. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 0233-7584 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/105090 581.132.1:551.46.08:519.876.5(262.5) ru Морской гидрофизический журнал Морський гідрофізичний інститут НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана
spellingShingle	Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана Чурилова, Т.Я. Суслин, В.В. Сосик, Х.М. Спектральная модель подводной облученности в Черном море Морской гидрофизический журнал
description	Создана полуэмпирическая спектральная модель проникающей облученности, учитывающая биооптические характеристики Черного моря. Оценка вклада основных оптически активных компонентов в общее поглощение света в море показала, что в коротковолновой части (400 – 500 нм) свет в основном поглощается растворенным органическим веществом (41 – 77 %). Вклад фитопланктона в общее поглощение достигает максимальных величин (26 – 37 %) в глубоководной части моря во время весеннего цветения диатомовых водорослей. В прибрежных водах летом неживая взвесь поглощает примерно в два раза больше света (20 – 30 %), чем в открытых водах (8 – 13 %). Анализ чувствительности модели показал, что поглощение света растворенным органическим веществом является более значимым при оценке фотосинтетически активной радиации в Черном море, чем концентрация пигментов и обратное рассеяние света частицами взвеси. Сопоставление модельных расчетов с результатами измерения подводной облученности показало высокую точность модели.
format	Article
author	Чурилова, Т.Я. Суслин, В.В. Сосик, Х.М.
author_facet	Чурилова, Т.Я. Суслин, В.В. Сосик, Х.М.
author_sort	Чурилова, Т.Я.
title	Спектральная модель подводной облученности в Черном море
title_short	Спектральная модель подводной облученности в Черном море
title_full	Спектральная модель подводной облученности в Черном море
title_fullStr	Спектральная модель подводной облученности в Черном море
title_full_unstemmed	Спектральная модель подводной облученности в Черном море
title_sort	спектральная модель подводной облученности в черном море
publisher	Морський гідрофізичний інститут НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/105090
citation_txt	Спектральная модель подводной облученности в Черном море / Т.Я. Чурилова, В.В. Суслин, Х.М. Сосик // Морской гидрофизический журнал. — 2009. — № 6. — С. 33-46. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.
series	Морской гидрофизический журнал
work_keys_str_mv	AT čurilovatâ spektralʹnaâmodelʹpodvodnojoblučennostivčernommore AT suslinvv spektralʹnaâmodelʹpodvodnojoblučennostivčernommore AT sosikhm spektralʹnaâmodelʹpodvodnojoblučennostivčernommore
first_indexed	2025-07-07T16:18:35Z
last_indexed	2025-07-07T16:18:35Z
_version_	1837005659429666816
fulltext	ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 6 33 © Т.Я. Чурилова, В.В. Суслин, Х.М. Сосик, 2009 УДК 581.132.1:551.46.08:519.876.5(262.5) Т.Я. Чурилова, В.В. Суслин, Х.М. Сосик Спектральная модель подводной облученности в Черном море Создана полуэмпирическая спектральная модель проникающей облученности, учиты- вающая биооптические характеристики Черного моря. Оценка вклада основных оптически активных компонентов в общее поглощение света в море показала, что в коротковолновой части (400 – 500 нм) свет в основном поглощается растворенным органическим веществом (41 – 77 %). Вклад фитопланктона в общее поглощение достигает максимальных величин (26 – 37 %) в глубоководной части моря во время весеннего цветения диатомовых водорос- лей. В прибрежных водах летом неживая взвесь поглощает примерно в два раза больше све- та (20 – 30 %), чем в открытых водах (8 – 13 %). Анализ чувствительности модели показал, что поглощение света растворенным органическим веществом является более значимым при оценке фотосинтетически активной радиации в Черном море, чем концентрация пигментов и обратное рассеяние света частицами взвеси. Сопоставление модельных расчетов с результа- тами измерения подводной облученности показало высокую точность модели. Введение Световые условия в море определяются потоком солнечной энергии, па- дающей на поверхность, и оптическими свойствами морской среды, а именно поглощением и рассеянием света [1]. На долю фотосинтетически активной радиации – ФАР (в диапазоне длин волн 400 – 700 нм) приходится около по- ловины всей солнечной энергии. В поглощении и рассеянии проникающей в водную толщу солнечной энергии участвуют вода и содержимое в ней веще- ство (взвешенное и растворенное). Коэффициенты поглощения и рассеяния света зависят от концентрации фитопланктона и его пигментного состава, от содержания растворенного органического вещества, органического детрита и неорганической взвеси. До недавнего времени были известны только единич- ные измерения спектральных коэффициентов поглощения света взвешенным веществом в Черном море [2]. Наиболее распространенным методом оценки прозрачности воды было определение глубины видимости белого диска [3]. В последнее десятилетие в Черном море проведены многочисленные измерения поглощения света фитопланктоном, взвешенным и растворенным веществом [4 – 7], которые позволили выполнить параметризацию поглощения света ос- новными оптически активными компонентами с высоким спектральным раз- решением и выявить сезонные и региональные особенности биооптических характеристик в Черном море [8]. Еще ранее была найдена возможность кор- ректной оценки рассеяния света по спутниковым данным [9]. Целью настоящей работы является создание региональной полуэмпири- ческой спектральной модели ФАР, учитывающей биооптические характери- стики Черного моря. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 6 34 Методы В модели задаются несколько входных параметров: 1) падающая на по- верхность моря фотосинтетически активная радиация ФАР0 [10]; 2) поверх- ностная температура моря SST [11]; 3) нормализованные яркости излучения на длинах волн 490, 510, 555 нм соответственно nlw(490), nlw(510), nlw(555) [10], которые используются для расчета поверхностной концентрации хлоро- филла а в сумме с феопигментами Са по региональному алгоритму [12]. Для учета сезонных особенностей вертикального распределения пигмен- тов были выделены два периода года: холодный (ноябрь – апрель) и теплый (май – октябрь). Для холодного времени года типично однородное распреде- ление пигментов по слою, а для теплого – неоднородное с глубинным макси- мумом около нижней границы зоны фотосинтеза. Изменение с глубиной кон- центрации пигментов в теплый период года описывается распределением Га- усса с параметрами, полученными в результате параметризации вертикально- го распределения хлорофилла а по многолетним данным [13]. При расчетах для теплого периода использовали двухслойную модель, состоящую из верх- него квазиоднородного слоя (ВКС), глубина которого в среднем составляла 17 м [7], и слоя под ВКС. Слои были гомогенными по температуре: в ВКС температура соответствовала поверхностной температуре моря SST, а под ВКС составляла 8 °С. В основу регионального подхода при спектральном моделировании под- водной облученности Ed (z,  ) положена Бедфордская модель [14]. Для учета биооптических особенностей Черного моря эта модель была модифицирована на основании результатов параметризации поглощения света основными оп- тически активными компонентами в Черном море [8]. Интегральную величи- ну ФАР, падающей на поверхность моря [10], трансформировали в спек- тральное распределение солнечной энергии в соответствии с данными из ра- боты [15]. Потери за счет отражения при прохождении солнечного излучения через поверхность моря принимали равными 6 % [16]. Проникающая солнеч- ная радиация Ed (z,  ) состоит из прямого E d d (z,  ) и перераспределенного атмосферой E s d (z,  ) диффузного солнечного излучения: Ed (z, ) = E d d (z – ∆ z,  ) e – zzkd d ),(  + E s d ( z – ∆ z,  ) e – zzk s d ),(  , (1) где ),( zk d d и ),( zk s d – коэффициенты вертикального ослабления для пря- мого и диффузного света соответственно. Коэффициент ),( zk d d рассчиты- вали по формуле ),( zkd d = [a(z,  ) + bb(z,  ) ] / cos θd , (2) где a(z,  ) – коэффициент поглощения света, bb(z, ) – коэффициент обратного рассеяния света, θd – угол распространения световой энергии в водной толще. Коэффициент ),( zk s d определяли следующим образом: ),( zk s d = [a(z,  ) + bb(z,  )] / 0,83. (3) ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 6 35 Коэффициент поглощения света a(z,  ) состоит из коэффициентов по- глощения света чистой водой aw, взвешенными частицами ap и окрашенным растворенным органическим веществом aCDOM: a(z,  ) = aw( ) +ap(z,  ) + aCDOM( ). (4) Для оценки спектра коэффициента поглощения света чистой водой aw( ) использовали данные из работы [17]. Коэффициент ap(z,  ) зависит от отно- сительного поглощения света неживой взвесью, концентрации пигментов, видового состава фитопланктона, размеров клеток и внутриклеточной кон- центрации пигментов. Параметризация связи между ap(  ) и Са , выполненная для разных районов моря, теплого и холодного периодов, для глубин выше и ниже сезонного термоклина, отражает влияние абиотических и биотических факторов среды на зависимость ap(z,  ) от Са [8]. Спектральное распределе- ние коэффициента aCDOM описывается экспоненциальной функцией aCDOM(  ) = aCDOM( 0) exp[– SCDOM(  –  0)], (5) где SCDOM – коэффициент, характеризующий изменение aCDOM ( ) по спек- тру, нм -1 ;  0 = 440 нм. В настоящей работе были использованы средние зна- чения параметров, характерные для прибрежных (aCDOM (440) = 0,0812 ± ± 0,039 м -1 , SCDOM = 0,020 нм -1 ) и глубоководных (aCDOM (440) = 0,100 ± ± 0,029 м -1 , SCDOM = 0,018 нм -1 ) районов моря [8]. Коэффициент обратного рассеяния bb(z,  ) состоит из коэффициентов рассеяния света чистой морской водой bbw и частицами bbp: bb(z,  ) = bbw(  ) + bbp(z,  ). (6) Известно, что рассеяние света чистой водой в обратном направлении со- ставляет 50 % от общего рассеяния света чистой водой bw( ) [18]: bbw(  ) = 0,5 bw( ). (7) Коэффициент обратного рассеяния частицами в поверхностном слое мо- ря на длине волны 555 нм bbp(555) определяли, используя подход В.С. Суети- на с соавторами [9]: bbp(555) = {6,76 nlw(555) + 0,03[nlw (555)] 3 + 3,40 nlw(555) I510 3,8 } 0,001, м -1 , (8) где nlw(555) – нормализованная яркость излучения на длине волны 555 нм, мВт · см -2 · мкм -1 · ср -1 ; I510 – отношение между nlw(555) и nlw(510) (I510 = = nlw(555)/nlw(510)). Для расчетов по слою 0 – 50 м было сделано допущение, что вертикальное распределение bbp(555) происходит пропорционально кон- центрации хлорофилла а. Спектральное распределение bbp восстанавливали по величине коэффи- циента на длине волны 555 нм [16]: bbp( ) = bbp(555) ( /555) -n , (9) где n = 0,8 – степенной коэффициент, который зависит от размеров частиц взвеси и изменяется от 0,3 при цветении крупных диатомовых водорослей до 1,5, когда в фитопланктоне преобладают кокколитофориды, сбрасывающие в воду огромное количество кокколит. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 6 36 Результаты и обсуждение Вклад различных компонентов в суммарное поглощение света. Свет в море поглощается самой водой, окрашенным растворенным органическим веществом (CDOM) и взвешенным в воде веществом, а именно фитопланкто- ном и неживой взвесью (NAP). Каждая из составляющих имеет свои специ- фические спектральные свойства. Поглощение CDOM и NAP характеризуется высокими величинами в коротковолновой области и снижением по экспонен- те с увеличением длины волны. Чистая вода, напротив, сильно поглощает энергию света в длинноволновой части спектра. Фитопланктон имеет слож- ный спектр поглощения с двумя максимумами на длинах волн ~ 678 и ~ 440 нм, что обусловлено составом пигментов [19]. Спектральное распреде- ление коэффициента суммарного поглощения света atot в красной области оп- ределяется поглощением чистой водой, в синей – растворенным органиче- ским веществом (рис. 1). Необходимо отметить, что на спектре суммарного поглощения практически не проявляются максимумы в поглощении света пигментами фитопланктона, т. е. поглощение фитопланктоном, в силу отно- сительно малого вклада, маскируется другими поглощающими свет компо- нентами: в красной области спектра – водой, а в синей – растворенным орга- ническим веществом и неживой взвесью. Оценки вклада различных компо- нентов в общее поглощение света рассмотрим для глубоководной и при- брежной частей моря. В летний период в глубоководной части моря, когда поверхностная концентрация Са составляет 0,2 мг · м -3 , поглощение в синей части спектра (400 – 500 нм) на 77 % определяется CDOM (рис. 1, б), и по- этому абсолютные величины общего поглощения света в этом спектральном диапазоне практически не чувствительны к трехкратному повышению со- держания пигментов в поверхностном слое до 0,6 мг · м -3 (рис. 1, а). Напро- тив, уменьшение коэффициента aCDOM(440) в два раза приводит к значитель- ному (почти двукратному) уменьшению общего поглощения в диапазоне от 400 до 500 нм (рис. 1, а). Для холодного периода года в глубоководной части моря рассмотрим случаи в пределах типичной для этого времени вариабель- ности поверхностной концентрации 0,6 и 2 мг · м -3 [5]. Наибольшие величины Са (~ 2 мг · м -3 ) наблюдаются, как правило, в марте в период цветения диато- мовых, а наименьшие – осенью в начальный момент разрушения сезонного термоклина. Следует отметить, что в пределах видимого диапазона солнеч- ной радиации наибольший вклад фитопланктона в общее поглощение света наблюдается на длине волны около 500 нм (рис. 1 – 3). В случае высоких зимних значений Са (2 мг · м -3 ) поглощение света фитопланктоном на этой длине волны (35 %) практически достигает величин, отмеченных для CDOM (41 %) (рис. 2, в). Однако на меньших длинах волн (<500 нм) растворенное органическое вещество является основным поглощающим свет компонентом, на долю ко- торого в диапазоне длин волн 400 – 500 нм приходится в два раза больше по- глощенной энергии (58 %) в сравнении с фитопланктоном (26 %) (рис. 2, в). В результате этого изменение концентрации Са более чем в три раза (от 0,6 до ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 6 37 2 мг · м -3 ) практически не отразилось на суммарном поглощении (рис. 2, а). И напротив, снижение величины aCDOM(440) в два раза привело к заметному (на ~ 30 % на длине волны 400 нм) уменьшению суммарного поглощения света (рис. 2, а). 0 0.5 1 a to t, м -1 а 0 50 100 a i, % aw aCDOM aph aNAP 8 8 77 Са = 0,2 мг.м-3 aCDOM(440) = 0,1 м-1 б 0 50 100 a i, % aw aCDOM aph aNAP 11 17 66 Са = 0,6 мг.м-3 aCDOM(440) = 0,1 м-1 в 400 500 600 700 , нм 0 50 100 a i, % aw aCDOM aph aNAP 63 13 13 Са = 0,2 мг.м-3 aCDOM(440) = 0,05 м-1 г Р и с. 1. Спектральное распределение коэффициента суммарного поглощения света atot в глу- боководном районе моря в теплый период года (а) (Са = 0,2 мг · м-3 и aCDOM(440) = 0,1 м-1 – сплошная линия; Са = 0,6 мг · м-3 и aCDOM(440) = 0,1 м-1 – штриховая; Са = 0,2 мг · м-3 и aCDOM(440) = 0,05 м-1 – штрихпунктирная), а также соответствующие каждому из графиков вклады (%) чистой воды aw, фитопланктона aph, неживой взвеси aNAP и окрашенного раство- ренного органического вещества aCDOM в общее поглощение света (б, в, г) (числа соответству- ют средней величине вклада в диапазоне 400 – 500 нм) ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 6 38 0 0.5 1 a to t, м -1 а 0 50 100 a i, % aw aCDOM aph aNAP Са = 0,6 мг.м-3 aCDOM(440) = 0,1 м-1 20 12 63 б 0 50 100 a i, % aw aCDOM aph Са = 2 мг.м-3 aCDOM(440) = 0,1 м-1 aNAP 26 10 58 в 400 500 600 700 , нм 0 50 100 a i, % aw aCDOM aph aNAP Са = 2 мг.м-3 aCDOM(440) = 0,05 м-1 15 37 41 г Р и с. 2. Спектральное распределение коэффициента суммарного поглощения света atot в глу- боководном районе моря в холодный период года (а) (Са = 0,6 мг · м-3 и aCDOM(440) = 0,1 м-1 – сплошная линия; Са = 2 мг · м-3 и aCDOM(440) = 0,1 м-1 – штриховая; Са = 2 мг · м-3 и aCDOM(440) = 0,05 м-1 – штрихпунктирная), а также соответствующие каждому из графиков вклады (%) чистой воды aw, фитопланктона aph, неживой взвеси aNAP и окрашенного раство- ренного органического вещества aCDOM в общее поглощение света (б, в, г) (числа соответству- ют средней величине вклада в диапазоне 400 – 500 нм) ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 6 39 0 0.5 1 a to t, м -1 а 0 50 100 a i, % aw aCDOM aph aNAP Са = 0,2 мг.м-3 aCDOM(440) = 0,1 м-1 11 20 64 б 0 50 100 a i, % aw aCDOM aph aNAP Са = 1 мг.м-3 aCDOM(440) = 0,1 м-1 26 22 49 в 400 500 600 700 , нм 0 50 100 a i, % aw aCDOM aph aNAP Са = 0,2 мг.м-3 aCDOM(440) = 0,05 м-1 16 30 47 г Р и с. 3. Спектральное распределение коэффициента суммарного поглощения света atot в при- брежных водах в теплый период года (а) (Са = 0,2 мг · м-3 и aCDOM(440) = 0,1 м-1 – сплошная линия; Са = 1 мг · м-3 и aCDOM(440) = 0,1 м-1 – штриховая; Са = 0,2 мг · м-3 и aCDOM(440) = 0,05 м- 1 – штрихпунктирная), а также соответствующие каждому из графиков вклады (%) чистой во- ды aw, фитопланктона aph, неживой взвеси aNAP и окрашенного растворенного органического вещества aCDOM в общее поглощение света (б, в, г) (числа соответствуют средней величине вклада в диапазоне 400 – 500 нм) ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 6 40 Для прибрежных вод рассмотрим изменение в летнее время поверхност- ной концентрации Са от 0,2 до 1 мг · м -3 . Первый случай наблюдается при длительном отсутствии ветровых волнений [20], а второй – при интенсивном штормовом перемешивании вод [6]. Прибрежные воды отличаются от откры- тых районов моря в два раза большим вкладом неживой взвеси (20 – 30 %) в общее поглощение света в диапазоне 400 – 500 нм (рис. 3). Пятикратное изме- нение концентрации Са и двукратное уменьшение aСDOM(440) имели соизмеримое влияние на коэффициент суммарного поглощения света (рис. 3, а), что указывает на преобладающее влияние растворенного органического вещества. Следовательно, в глубоководных и прибрежных районах моря суммарное поглощение в коротковолновой части спектра более всего зависит от изменчи- вости поглощения света растворенным органическим веществом. То, что CDOM – основной компонент, поглощающий коротковолновое излучение в море, связано с экспоненциальной формой спектрального распределения aCDOM и высокими значениями этого коэффициента в области максимального погло- щения света фитопланктоном (на длине волны ~ 440 нм). Модель ФАР: чувствительность к изменчивости входящих параметров. Модельная оценка спектрального распределения проникающей солнечной радиации была сделана для глубоководного района моря в летнее время, ко- гда концентрация хлорофилла а в поверхностном слое составляет 0,2 мг · м -3 (рис. 4). В это время года величины коэффициентов обратного рассеяния час- тицами в поверхностном слое изменяются от 0,002 до 0,01 м -1 в зависимости от размеров частиц взвеси [9]. Максимальные величины bbp(555) типичны для периода цветения кокколитофорид, когда обилие мелких (~1 мкм в диаметре) кокколит в море усиливает рассеяние света. Полученное для этого случая спектральное распределение ФАР на отдельных глубинах в 50-метровом слое показано на рис. 4, а. Очевидно, что максимум пропускания света находится в диапазоне от 510 до 550 нм. Зона фотосинтеза, если за нижнюю границу принимать глубину с облученностью в 1% от падающей на поверхность ФАР0, составляла 34 м. Для летнего фитопланктонного сообщества, в котором преобладают ди- нофлагелляты, типичны в пять раз меньшие величины bbp(555), чем в случае доминирования кокколитофорид [9]. Увеличение коэффициента обратного рассеяния частиц в пределах естественной вариабельности в летнее время при переходе от цветения динофлагеллят к кокколитофоридам приводит к увеличению на 13 % коэффициента вертикального ослабления света в диапа- зоне 500 – 550 нм в верхнем 10-метровом слое (рис. 5). Наиболее заметное изменение коэффициента обратного рассеяния, а следовательно и kd (где kd = = d dk + s dk ), происходит в слое максимума концентрации хлорофилла (на глу- бине около 30 м), где больше концентрация взвешенного вещества. В сред- нем по слою 0 – 50 м kd увеличивается на 16 – 17 %. Поскольку спектральный диапазон 500 – 550 нм, где проявилось основное изменение коэффициента ослабления света, соответствует максимальному проникновению света, то изменение ФАР отмечалось именно в этом спектральном диапазоне (рис. 4, б). В результате зона фотосинтеза уменьшилась на ~ 15 % (с 41 до 34 м). ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 6 41 1E-006 1E-005 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 E d ( ), м к E . м -2 . с -1 1 м 10 м 20 м 30 м 40 м50 м 1% ФАР на 34 м а 1E-006 1E-005 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 E d ( ), м к E . м -2 . с -1 1 м 10 м 20 м 30 м 40 м 50 м 1% ФАР на 41 м б 400 500 600 700 , нм 1E-006 1E-005 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 E d ( ), м к E . м -2 . с -1 1 м 10 м 20 м 30 м 40 м50 м 1% ФАР на 40 м в Р и с. 4. Спектральное распределение проникающей солнечной радиации Ed( ) в глубоко- водном районе моря в теплый период года при Са = 0,2 мг · м-3 и SST = 20 °C: а – поглощение растворенным органическим веществом aCDOM(440) = 0,1 м-1 и обратное рассеяние света час- тицами bbp(555) = 0,01 м-1; б – aCDOM(440) = 0,1 м-1 и bbp(555) = 0,002 м-1; в – aCDOM(440) = = 0,05 м-1 и bbp(555) = 0,01 м-1 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 6 42 0.5 1 1.5 2 2.5 (E d 1 - E d 2 )/ E d 1 30 м 40 м 50 м 20 м 10 м 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 (k d 2 - k d 1 )/ k d 2 1-10 м 40-50 м а б 400 500 600 700 , нм 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 (E d 1 - E d 2 )/ E d 1 30 м 40 м 50 м 10м 1 м 400 500 600 700 , нм 0.1 0.2 0.3 0.4 (k d 2 - k d 1 )/ k d 2 1-10 м 40-50 м в г Р и с. 5. Относительное изменение проникающей солнечной радиации (Ed1 – Ed2)/Ed1 и коэф- фициента вертикального ослабления света (kd2 – kd1)/kd2, вызванное увеличением коэффициента обратного рассеяния света (а, б: индекс 1 – bbp(555) = 0,002 м-1, индекс 2 – bbp(555) = 0,01 м-1) и увеличением коэффициента поглощения света растворенным органическим веществом (в, г: индекс 1 – aCDOM(440) = 0,05 м-1 , индекс 2 – aCDOM (440) = 0,1 м-1) Для оценки чувствительности модели ФАР к изменению поглощения света растворенной органикой aCDOM(440) увеличили в два раза (от 0,05 до 0,1 м -1 ), что привело к росту kd (рис. 5, г). Относительное изменение kd со- ставляет 35 – 40 % на длине волны 400 нм и резко снижается с увеличением длины волны. В результате наибольшее изменение ФАР наблюдается именно в коротковолновой части спектра (рис. 4, б, в). Определяющим для изменения зоны фотосинтеза является диапазон наибольшего пропускания света (500 – 550 нм), где kd увеличился на 5 – 15 %. В результате зона фотосинтеза стала меньше на ~ 15 % (с 40 до 34 м). Тестирование чувствительности модели к содержанию пигментов показа- ло, что в три раза большие значения поверхностной концентрации Са (с про- порциональным увеличением поглощения NAP) приводят к сужению зоны фотосинтеза на 8 %. Следовательно, модель ФАР более чувствительна к из- менению поглощения света растворенным органическим веществом, чем к изменениям концентрации пигментов или коэффициента обратного рассея- ния света частицами взвеси. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 6 43 Сравнение модельных оценок с измерениями подводной облученности. Для сравнения были взяты данные измерений подводной облученности, вы- полненных в открытых водах западной части Черного моря в международной экспедиции на НИС «Трепанг» в июне 1996 г. Значение поверхностной кон- центрации пигментов на выбранной станции было абсолютно идентично на- шему модельному варианту (Са = 0,2 мг · м -3 ). Абсолютные величины па- дающей на поверхность моря солнечной радиации различались, поэтому сравнивали спектральный ход ФАР в относительных единицах Ed ( )/Ed,max для одинаковых оптических глубин – 25; 7 и 2 % ФАР0 (рис. 6, а, б, в). 0 0.4 0.8 1.2 E d ( )/ E d , m ax 25 % ФАР а 0 0.4 0.8 1.2 E d ( )/ E d , m ax 7 % ФАР б 400 500 600 700 , нм 0 0.4 0.8 1.2 E d ( )/ E d , m ax 2 % ФАР в Р и с. 6. Сравнение спектрального распределения проникающей солнечной радиации Ed ( ) в глубоководном районе моря в теплый период года при Са = 0,2 мг · м-3, полученного по мо- дельным расчетам (сплошная линия) и данным измерений (кружки) для глубин с 25-, 7- и 2%- ным уровнем облученности (ФАР) ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 6 44 Модельные спектры проникающей радиации Ed ( ) по форме практически совпадают с результатами измерений. Рассчитанная величина среднего по слою 0 – 50 м коэффициента вертикального ослабления облученности в види- мом диапазоне (0,131 м -1 ) соответствует измеренному значению (0,128 м -1 ). Модельные расчеты достаточно хорошо согласуются с данными измерений, что позволяет сделать вывод об адекватности региональной спектральной модели подводной облученности. Представленный выше анализ чувстви- тельности модели свидетельствует о том, что форма спектрального распреде- ления Ed ( ), в особенности ее коротковолновая часть, будет зависеть в ос- новном от корректной оценки коэффициента поглощения света растворен- ным органическим веществом. Следовательно, средняя величина aCDOM ( ) [8], которая была использована для этого варианта расчетов, оказалась близка к реальной величине. Однако следует отметить, что в случае применения этой модели для оценки светового поля в Черном море в разных пространственных и временных масштабах необходимо учитывать временную и пространствен- ную вариабельность aCDOM ( ). Для решения этой задачи может быть исполь- зована оценка коэффициента поглощения света растворенным веществом по спутниковым данным о нормализованном восходящем излучении на длинах волн 490, 510 и 555 нм [12]. Выводы Впервые для Черного моря создана полуэмпирическая спектральная мо- дель проникающей фотосинтетически активной радиации. Корректная оценка светового поля открывает возможности для более точной оценки фотосинтеза и продукции глубинного фитопланктона и, следовательно, для создания спек- тральной модели первичного синтеза органического вещества. Региональная модель ФАР может найти применение и при решении различных гидрофизи- ческих задач. Работа выполнена при финансовой поддержке проектов НАН Украины «Оперативная океанография» и «Оценка первичной продукции Чeрного моря по спутниковым наблюдениям»; проекта NATO «Collaborative Linkage Grant LST.CLG.977521»; проекта CNЕS «COBRA» (Color OBservations for validation of Remote sensing Algorithms in the Black Sea); проекта GEF/UNDP «Black Sea Ecosystem Recovery Project, 2005»; проекта ЕС «SESAME FP6» (Southern Eu- ropean Seas: Assessing and Modelling Ecosystem changes). Авторы выражают благодарность группе обработки спутниковой инфор- мации NASA GSFC (http://oceancolor.gsfc.nasa.gov) за предоставленную воз- можность использования эмпирических материалов. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 6 45 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Ерлов Н.Г. Оптика моря. – Л.: Гидрометеоиздат, 1980. – 246 с. 2. Коновалов Б.В. Некоторые особенности спектрального поглощения взвеси морской воды // Оптические методы изучения океанов и внутренних водоемов. – Новосибирск: Наука, 1979. – С. 58 – 65. 3. Маньковский В.И., Владимиров В.Л., Афонин Е.А. и др. Многолетняя изменчивость про- зрачности воды в Черном море и факторы, обусловившие ее сильное снижение в конце 80-х – начале 90-х годов. – Севастополь, 1996. – 32 с. – (Препринт / НАН Украины. МГИ. ИнБЮМ). 4. Чурилова Т.Я. Поглощение света фитопланктоном и детритом в Черном море в весенний период // Океанология. – 2001. – 41, № 5. – С. 719 – 727. 5. Чурилова Т.Я., Берсенева Г.П., Георгиева Л.В. Изменчивость биооптических характери- стик фитопланктона в Черном море // Там же. – 2004. – 44, № 1. – С.11 – 27. 6. Чурилова Т.Я., Берсенева Г.П. Поглощение света фитопланктоном, детритом и раство- ренным органическим веществом в прибрежном районе Черного моря (июль – август 2002) // Морской гидрофизический журнал. – 2004. – № 4. – С.39 – 50. 7. Churilova T., Finenko Z., Tugrul S. Light absorption and quantum yield of photosynthesis dur- ing autumn phytoplankton bloom in the western Black Sea // Морской экологический журнал. – 2008. – 7, № 3. – С. 75 – 86 (in English). 8. Чурилова Т.Я., Суслин В.В., Рылькова О.А. Параметризация поглощения света основными оптически активными компонентами в Черном море // Экологическая безопасность при- брежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. – Севасто- поль: МГИ НАН Украины, 2008. – Вып.16. – С. 190 – 201. 9. Суетин В.С., Суслин В.В., Королев С.Н. и др. Оценка изменчивости оптических свойств воды в Черном море летом 1998 года по данным спутникового прибора SeaWiFS // Мор- ской гидрофизический журнал. – 2002. – № 6. – С. 44 – 54. 10. Данные SeaWiFS, http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/cgi/level3.pl. 11. Данные MODIS-Aqua, http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/cgi/level3.pl. 12. Суслин В.В., Чурилова Т.Я., Сосик Х.М. Региональный алгоритм расчета концентрации хлорофилла а в Черном море по спутниковым данным SeaWiFS // Морской экологиче- ский журнал. – 2008. – № 2. – С. 24 – 42. 13. Finenko Z., Churilova T., Lee R. Dynamics of the vertical distributions of chlorophyll and phy- toplankton biomass in the Black Sea // Oceanol. – 2005. – 45, Suppl. 1. – S112 – S126. 14. Platt T., Caverhill C., Sathyendranath S. Basin scale estimates of ocean primary production by remote sensing: The North Atlantic // J. Geophys. Res. – 1991. – 96, № C8. – P. 15147 – 15159. 15. Шифрин К.С. Оптика океана // Физика океана. Т.1. Гидрофизика океана. – М.: Наука, 1978. – С.340 – 380. 16. Маньковский В.И. Основы оптики океана.– Севастополь: МГИ НАН Украины, 1996. – 119 с. 17. Pope R. M., Fry E.S. Absorption spectrum (380 – 700 nm) of pure water. II. Integrating cavity measurements // Appl. Opt. – 1997. – 36. – P. 8710 – 8723. 18. Smith R.C., Baker K.S. Optical properties of the clearest natural waters (200 – 800 nm) // Ibid. – 1981. – 20. – P. 177 – 184. http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/cgi/level3.pl http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/cgi/level3.pl ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 6 46 19. Чурилова Т.Я., Финенко З.З., Акимов А.И. Пигменты микроводорослей // Микроводоросли Черного моря: проблемы сохранения биоразнообразия и биотехнологического использо- вания. – Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2008. – С. 301 – 319. 20. Берсенева Г.П., Чурилова Т.Я. Хлорофилл и оптические характеристики фитопланктона в шельфовых водах у побережья Крыма // Морской гидрофизический журнал. – 2001.– № 2.– C. 44 – 57. Институт биологии южных морей НАН Украины Материал поступил им. А.А. Ковалевского, в редакцию 14.08.08 Севастополь После доработки 24.09.08 Морской гидрофизический институт НАН Украины, Севастополь Вудсхольский океанографический институт, Вудсхол, США ABSTRACT Semi-empirical spectral model of underwater irradiance in the Black Sea is developed. The model takes into account bio-optical characteristics of the Black Sea. Estimation of contribution of all optically active components to total light absorption in the sea shows that the irradiance in a short-wave domain 400 – 500 nm is absorbed mainly by colored dissolved organic matter (41 – 77 %). The contribution of phytoplankton to total light absorption achieves its maximum (26 – 37 %) in the deep-water regions during spring bloom of large diatoms. In the coastal waters in summer non- algae particles light absorption is about twice higher (20 – 30 %) than in the deep-water regions (8 – 13 %). Analysis of the model sensitivity shows that light absorption by colored dissolved organic matter is more important in estimating photosynthetic available irradiance (PAR) in the Black Sea than pigment concentration and particles light backscattering. Comparison of the modeled PAR re- sults with the measured values of underwater irradiance shows high accuracy of the model.

Спектральная модель подводной облученности в Черном море

Репозитарії

Схожі ресурси