Океанология, 2023, T. 63, № 4, стр. 628-633

ВВЕДЕНИЕ

Для целого ряда работ как прикладного, так и научного характера в период экспедиционных исследований, проводимых гидрооптиками, гидробиологами, экологами и другими специалистами, необходима оперативная оценка толщины фотического слоя (Z_eu) для конкретной станции [2–4, 8, 18, 19, 22, 24]. Если это делать, опираясь на измерения профилей фотосинтетически активной радиации (ФАР) как функции глубины, или проводить оценку на основе измерений глубины белого диска, то такие измерения связаны с рядом объективных трудностей [1, 7, 9, 16]. Например, измерения ФАР и глубины белого диска бессмысленно проводить в вечерние и ночные часы из-за низкой естественной освещенности, качество измерений в дневное время зависит от изменчивости состояния облачного покрова в процессе измерений на конкретной станции, состояния взволнованной поверхности, влияния положения судна относительно солнца, качки судна, метеоусловий и др. В этом отношении измерения показателя ослабления направленного света (ПОС) более надежны и свободны от перечисленных выше недостатков.

В водах первого оптического типа, где оптические свойства вод можно представить в виде функции, которая зависит от одного параметра – концентрации хлорофилла “а” [23], вместо измерений ПОС можно использовать in situ измерения концентрации хлорофилла “а”. Однако в практике морских исследований для оценки последних используются флуоресцентные измерения, которые подвержены тушению флуоресценции при высоких уровнях ФАР [5], а также могут зависеть от видового состава и состояния фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона [17]. C этой точки зрения измерения ПОС направленного света также являются более надежными и могут быть измерены с хорошей точностью при использовании лазерных источников света. Поэтому нахождение связи между профилем ПОС и Z_eu, там, где это возможно, о чем речь пойдет ниже, является актуальной и востребованной задачей.

Таким образом, постановка задачи этой работы заключалась в следующем:

1) развить методику построения регионального алгоритма нахождения Z_eu на основе in situ измерений профиля ПОС для конкретного района, чтобы впоследствии можно было ее распространить на другие регионы;

2) построить региональный алгоритм расчета толщины фотического слоя на основе синхронных измерений ПОС и ФАР для северо-западной части моря Уэдделла.

Северо-западная часть моря Уэдделла является удаленным регионом, сложным для проведения морских экспедиционных исследований. Здесь частая облачность, перемещение битого льда, низкие углы Солнца над горизонтом, штормовые условия и выпадения осадков затрудняют применение прямых методов определения Z_eu. Поэтому для повышения эффективности дорогостоящих рейсов научно-исследовательских судов необходимы методика и региональный алгоритм, которые позволят оперативно оценивать Z_eu практически при любых условиях окружающей среды. Кроме этого, данная методика и соответствующие алгоритмы могут быть использованы на автономных погружаемых аппаратах, таких, например, как сеть буев bio-Argo, что также повысит эффективность морских исследований.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В рамках программы экспедиционных исследований 87 рейса НИС “Академик Мстислав Келдыш” в январе–феврале 2022 г. [6] выполнены натурные синхронные измерения профилей ПОС на 660 нм (ПОС₆₆₀) и ФАР, в основном, в северо-западной части моря Уэдделла (шельфовая часть, бассейн Пауэлла и районы около Южных Оркнейских островов) и частично в прилегающих районах (проливы Брансфилда и Антарктика) (рис. 1). Также на рис. 1 цветом обозначена глубина Z_eu, рассчитанная по данным прямых in situ измерений ФАР.

Натурные измерения профилей ПОС₆₆₀ и ФАР, как функции глубины морской толщи z (ПОС₆₆₀(z) и ФАР(z)), выполнялись на дрейфовых станциях с использованием зондирующего измерителя Кондор [10, 11]. Калибровка канала ПОС₆₆₀ осуществлялась в лабораторных условиях перед экспедицией по результатам измерений в растворах суспензии формазина с заданной концентрацией (единицы FTU). Калибровочные коэффициенты для датчика ФАР комплекса Кондор были получены по результатам синхронных измерений с датчиком ФАР фирмы LI-COR LI-192 [21], выполненные непосредственно в рейсе.

Нижеописанная методика построена на том, что в рассматриваемом районе исследований оптические свойства воды принадлежат к водам первого типа (CASE 1) [13, 15], т.е. существует однопараметрическая связь между всеми первичными гидрооптическими характеристиками в фотическом слое моря. Это связано с тем, что в основном в данном районе отсутствуют существенные источники поступления окрашенных растворенных органических веществ (ОРОВ) и взвешенных веществ, не связанных с функционированием фитопланктонных сообществ. При этом исключением являются морские воды, значимо подверженные влиянию таяния ледников вследствие чего понижается соленость и повышается коэффициент обратного рассеяния света морской воды за счет поступления минеральных взвешенных веществ, что было зафиксировано в водах около Антарктического полуострова в работе [12]. Тем не менее, такие процессы носят локальный характер, и основная часть вод относится к водам CASE 1. Однако несмотря на это глобальные биооптические алгоритмы в данном районе все равно не применимы, т.к. район характеризуется особыми региональными гидрооптическими характеристиками, которые приводят к тому, что спутниковые оценки концентрации хлорофилла “а” существенно занижены [14, 28]. Это говорит о том, что и алгоритм для оценки толщины фотического слоя также будет иметь отличительные региональные особенности.

Методика настройки регионального алгоритма расчета толщины фотического слоя с использованием данных вертикального зондирования ПОС состоит из трех этапов.

(1) На первом этапе осуществляется расчет Z_eu по измеренному профилю ФАР(z), т.е. находится горизонт, для которого отношение ФАР(Z₀)/ ФАР(0^–) равно 0.01. Тогда Z₀ равно искомому значению Z_eu.

(2) На втором этапе выполняется расчет интеграла профиля ПОС₆₆₀(z) от верхнего слоя до глубины Z_eu, вычисленной по синхронному профилю ФАР(z), с весовой функцией z^α:

где α принимает значения в интервале α = –3÷0.5 с шагом 0.1. Такая процедура из двух шагов выполняется для всех синхронных измерений профилей ПОС₆₆₀(z) и ФАР(z) для рассматриваемого района. В результате получается двумерная матрица от α и номера станции s. Использование предложенной весовой функции позволяет рассмотреть такие крайние случаи, как использование ПОС₆₆₀(z) в основном с поверхности при α = = –3 или равномерный учет ПОС₆₆₀(z) во всем диапазоне глубин при α = 0, либо вариант увеличения веса ПОС₆₆₀(z) с глубиной при α > 0.

(3) На третьем этапе определяется минимум функции $\frac{{{\text{СКО}}{{{\left( {A\left( \alpha \right)} \right)}}_{s}}}}{{{{{\left\langle {A\left( \alpha \right)} \right\rangle }}_{s}}}}$ по всем станциям для фиксированного α, где СКО(…) – среднеквадратичное отклонение, а символ 〈…〉 – среднее значение. Пусть $\min \left( {\frac{{{\text{СКО}}{{{\left( {A\left( \alpha \right)} \right)}}_{s}}}}{{{{{\left\langle {A\left( \alpha \right)} \right\rangle }}_{s}}}}} \right)$ по α достигается для α₀, тогда для α₀ рассчитывается константа ${{\left\langle {A\left( {{{\alpha }_{0}}} \right)} \right\rangle }_{s}}$:

которая в дальнейшем используется нами для расчета модельного значения $Z_{{eu}}^{*}$, используя только профиль ПОС(z). Далее считаем, что ${{\left\langle {A({{\alpha }_{0}})} \right\rangle }_{s}} \equiv A({{\alpha }_{0}})$.

Таким образом, как только интеграл $\int_1^Z {{\text{ПОС(}}z{\text{)}}} {\kern 1pt} {\kern 1pt} \times $ × ${{z}^{{{{\alpha }_{0}}}}}dz$ для какой-то станции достигнет величины $A({{\alpha }_{0}})$, то эта глубина Z и будет соответствовать модельной оценке нижней границы фотического слоя $Z_{{eu}}^{*}$ для данного района/сезона.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Расчет для всех станций значения $\frac{{{\text{СКО}}{{{\left( {A\left( \alpha \right)} \right)}}_{s}}}}{{{{{\left\langle {A\left( \alpha \right)} \right\rangle }}_{s}}}}$ как функции α показан на рис. 2. Минимальное значение функции достигается для ${{\alpha }_{0}}$ = –0.8. При этом $A({{\alpha }_{0}})$ = 2.57. Из весовой функции, представленной на рис. 2б видно, что наиболее значимые глубинные горизонты с вкладом более 0.5% находятся в диапазоне 0–40 метров.

На рис. 3 показан результат сравнения модельного расчета $Z_{{eu}}^{*}$ и измеренного in situ Z_eu для всех синхронных измерений профилей ФАР и ПОС в районе исследований. Наблюдается высокая корреляционная связь (R² = 0.90, N = 21, средняя относительная ошибка – 18%) между измеренной и модельной оценками толщины фотического слоя.

Расположение наиболее значимых глубинных горизонтов для расчета вклада ПОС при оценке $Z_{{eu}}^{*}$ в диапазоне 0–40 м соответствует тому факту, что в районе исследований основное количество оптически-активных компонентов (исключая чистую воду) находится примерно в этом же диапазоне глубин [20].

В данной работе качество оценки $Z_{{eu}}^{*}$ выше (R² = 0.90), чем наилучший результат оценки $Z_{{eu}}^{*}$ из контактных измерений приведенный в работе [25], где R ² = 0.83 при использовании поверхностных измерений ПОС на длине волны 532 нм, полученных в 79 рейсе НИС “Академик Мстислав Келдыш” (АМК79) в январе–феврале 2020 г. Конечно, нельзя сравнивать эти результаты напрямую, поскольку измерения проведены в разных рейсах в разные года, хотя и в один и тот же сезон. И кроме этого, в рейсе АМК79 использовались только поверхностные измерения на горизонте около 5 м. Но это показывает, что в обоих случаях получены высокие значения R ² при использовании измерений ПОС. В работе [25] использование in situ измерений интенсивности флуоресценции хлорофилла “а” привело к большей погрешности оценки толщины фотического слоя.

Отдельным вопросом для обсуждения является длина волны, на которой измеряется ПОС. В данной работе – это 660 нм, и ПОС на ней в основном зависит от поглощения света клетками фитопланктона, а также от рассеяния на живых и неживых взвешенных частицах. Вкладом ОРОВ в поглощение света при этом можно пренебречь. Это допустимо, если мы говорим о разработке модели для вод первого типа. Если же нужна модификация методики для применения в водах второго типа с большим вкладом ОРОВ, то необходимо добавлять второй канал измерения на длине волны в диапазоне 350–450 нм. Кроме этого, в районе исследований могут присутствовать локальные области с высоким содержанием фикоэритрина в составе криптофитовых водорослей [26]. Фикоэритрин поглощает свет в диапазоне 490–500 и 550–560 нм [27] и для его учета необходимо добавлять еще один канал измерений в диапазоне 490–560 нм, где поглощение будет также значимым.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Описана методика восстановления Z_eu по измеренным профилям ПОС по формуле.

2. Для северо-западной части моря Уэдделла опробовано применение данной методики, получено уравнение для оценки $Z_{{eu}}^{*}$: $\int_1^{Z_{{eu}}^{*}} {{\text{ПОС(}}z{\text{)}}{{z}^{{ - 0.8}}}dz} $ = = 2.57. Относительная ошибка восстановления $Z_{{eu}}^{*}$ составила 18%.

Источники финансирования. Экспедиционные исследования выполнены в рамках государственных заданий: МГИ РАН по теме № FNNN-2022-0001 “Экспериментальные исследования изменчивости гидрофизических, гидрохимических и биооптических полей на разных пространственно-временных масштабах для выявления особенностей климатических изменений океанографических условий в Атлантической части Антарктики” и теме № FNNN-2021-0003 “Развитие методов оперативной океанологии на основе междисциплинарных исследований процессов формирования и эволюции морской среды и математического моделирования с привлечением данных дистанционных и контактных измерений”; ТОИ ДВО РАН по теме № 0211-2021-0007 “Технологии дистанционного зондирования Земли и наземных измерительных систем в комплексных исследованиях динамических явлений в океане и атмосфере” и теме № FWMM-2022-0033 “Комплексные исследования окружающей среды и климата Южного океана”. Биооптические характеристики проанализированы в рамках проекта РНФ № 21-77-10 059.