Поиск
Найти:
Подписка/отписка
на рассылку новостей
ISSN 2070-7401 (Print), ISSN 2411-0280 (Online)
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса
физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений
и объектов

  

Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 4. С. 59-74

Верификация алгоритма расчёта первичной продукции для юго-восточной части Балтийского моря по судовым и спутниковым данным

Е.А. Кудрявцева 1 , Т.В. Буканова 1 , С.В. Александров 2 
1 Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, Россия
2 Атлантический филиал Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии, Калининград, Россия
Одобрена к печати: 25.07.2022
DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-4-59-74
Для российского сектора юго-восточной части Балтийского моря предложен алгоритм расчёта первичной продукции (РР), полученный по данными ежемесячных измерений РР in situ на буйковой станции в 2008–2009 гг. Алгоритм включает три составляющие: вертикальный профиль хлорофилла а (Chl а), параметр оценки распределения подводной фотосинтетически активной радиации и фотосинтетический параметр. Для восстановления вертикальных профилей Chl а по его концентрации в поверхностном слое использовано эмпирическое уравнение, разработанное ранее для Балтийского моря польскими океанологами. Толщина эвфотического слоя определена по концентрации Chl а в поверхностном слое по эмпирическому уравнению, полученному для района наблюдений. Фотосинтетический параметр вычислен из уравнения множественной регрессии, переменные в котором — температура воды и концентрация Chl а. Верификация алгоритма выполнена по материалам экспедиционных исследований, которые проводились в изучаемом районе между 2003 и 2020 гг., а также по спутниковым данным, осреднённым для двухнедельных периодов, совпадающих со сроками экспедиций. Представленный алгоритм имеет сходную эффективность с другими моделями РР, которые верифицировались для Балтийского моря. В отличие от них вычисленные по алгоритму значения РР в тёплый период года не занижаются, что имеет большое значение для изучения и предсказания динамики экосистемы изучаемого района. Несмотря на ограничения, полученные уравнения могут быть использованы для расчёта РР по спутниковым данным и помогут восполнить пробелы в натурных наблюдениях.
Ключевые слова: первичная продукция, хлорофилл  а, вертикальное распределение, измерения in situ, алгоритм расчёта первичной продукции, спутниковые данные, Балтийское море
Полный текст

Список литературы:

  1. Буканова Т. В., Вазюля С. В., Копелевич О. В., Буренков В. И., Григорьев А. В., Храпко А. Н., Шебер­стов С. В., Александров С. В. Региональные алгоритмы оценки концентрации хлорофилла и взвеси в юго-восточной Балтике по данным спутниковых сканеров цвета // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 2. С. 64–73.
  2. Гидрометеорология и гидрохимия морей. Балтийское море. Гидрохимические условия и океанологические основы формирования биологической продуктивности. СПб.: Гидрометеоиздат, 1994. Т. 3. Вып. 2. 450 с.
  3. Кобленц-Мишке О. И., Ведерников В. И. Первичная продукция // Биология океана. М.: Наука, 1977. Т. 2. С. 183–208.
  4. Краюшкин Е. В., Лаврова О. Ю., Назирова К. Р., Алферьева Я. О., Соловьев Д. М. Формирование и распространение вихревого диполя за мысом Таран в Юго-Восточной Балтике // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 4. С. 214–221. DOI: 10.21046/2070-7401-2018-15-4-214-221.
  5. Кудрявцева Е. А., Александров С. В. Оценка толщины фотического слоя и ослабления видимого света в водах юго-восточной части Балтийского моря с использованием данных диска Секки // Естественные и технические науки. 2017. № 12. С. 178–181.
  6. Кудрявцева Е. А., Александров С. В. Гидролого-гидрохимические основы первичной продуктивности и районирование российского сектора Гданьского бассейна Балтийского моря // Океанология. 2019. Т. 59. № 1. С. 56–71. https://doi.org/10.31857/S0030-157459156-71.
  7. Лобанова П. В., Звалинский В. И., Тищенко П. Я. Первичная продукция фитопланктона и концентрация хлорофилла-а в западной части Японского моря по спутниковым и натурным данным // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 2. С. 135–147. DOI: 10.21046/2070-7401-2017-14-2-135-147.
  8. Усвоение солнечной энергии в процессе фотосинтеза черноморского и балтийского фитопланктона. М.: Ин-т океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР, 1985. 336 с.
  9. Behrenfeld M. J., Falkowski P. G. (1997a) A consumer’s guide to phytoplankton primary productivity models // Limnology and Oceanography. 1997. V. 42. P. 1479–1491.
  10. Behrenfeld M. J., Falkowski P. G. (1997b) Photosynthetic rates derived from satellite-based chlorophyll concentration // Limnology and Oceanography. 1997. V. 42. No. 1. P. 1–20. DOI: 10.4319/lo.1997.42.1.0001.
  11. Bouman H. A., Platt T., Doblin M., Figueiras F. G., Gudmundsson K., Gudfinnsson H. G., Huang B., Hickman A., Hiscock M., Jackson T., Lutz V. A., Mélin F., Rey F., Pepin P., Segura V., Tilstone G., van Dongen-Vogels V., Sathyendranath S. Photosynthesis-irradiance parameters of marine phytoplankton: Synthesis of a global data set // Earth System Science Data. 2018. V. 10. P. 251–266. https://doi.org/10.5194/essd-10-251-2018.
  12. Bukanova T., Kopelevich O., Vazyulya S., Bubnova E., Sahling I. Suspended matter distribution in the south-eastern Baltic Sea from satellite and in situ data // Intern. J. Remote Sensing. 2018. V. 39. P. 9317–9338. https://doi.org/10.1080/01431161.2018.1519290.
  13. Daneri G., Dellarossa V., Quinones R., Jacob B., Montero P., Ulloa O. Primary production and community respiration in the Humboldt Current System off Chile and associated oceanic areas // Marine Ecology Progress Series. 2000. V. 197. No. 8. P. 41–49. DOI: 10.3354/meps197041.
  14. Darecki M., Ficek D., Krężel A., Ostrowska M., Majchrowski R., Woźniak S. B., Bradtke K., Dera J., Woźniak B. Algorithms for the remote sensing of the Baltic ecosystem (DESAMBEM). Part 2: Empirical validation // Oceanologia. 2008. V. 50(4). P. 509–538.
  15. Dogliotti A. I., Lutz V. A., Segura V. Estimation of primary production in the southern Argentine continental shelf and shelf-break regions using field and remote sensing data // Remote Sensing of Environment. 2014. No. 140. P. 497–508. https://doi.org/10.1016/j.rse.2013.09.021.
  16. Forget M. H., Sathyendranath S., Platt T., Pommier J., Vis C., Kyewalyaga M. S., Hudon C. Extraction of photosynthesis-irradiance parameters from phytoplankton production data: demonstration in various aquatic systems // J. Plankton Research. 2007. V. 29. P. 249–262. https://doi.org/10.1093/plankt/fbm012.
  17. Gurova E., Chubarenko B. Remote-sensing observations of coastal sub-mesoscale eddies in the south-eastern Baltic // Oceanologia. 2012. V. 54(4). P. 631–654. https://doi.org/10.5697/oc.54-4.631.
  18. Kaczmarek S., Koblentz-Mishke O. J., Ochocki S., Nakonieczny J., Renk H. Primary production in the eastern and southern Baltic Sea // Oceanologia. 1997. V. 39(2). P. 117–135.
  19. Kratzer S., Kyryliuk D., Brockmann C. Inorganic suspended matter as an indicator of terrestrial influence in Baltic Sea coastal areas — Algorithm development and validation, and ecological relevance // Remote Sensing of Environment. 2020. V. 237. Art. No. 11609. 17 p. https://doi.org/10.1016/j.rse.2019.111609.
  20. Kudryavtseva E., Aleksandrov S., Bukanova T., Dmitrieva O., Rusanov I. (2019a) Relationship between seasonal variations of primary production, abiotic factors and phytoplankton composition in the coastal zone of the south-eastern part of the Baltic Sea // Regional Studies in Marine Science. 2019. V. 32. Art. No. 100862. 15 p. https://doi.org/10.1016/j.rsma.2019.100862.
  21. Kudryavtseva E., Bukanova T., Bubnova E. (2019b) Primary productivity estimates based on the remote sea surface temperature data in the Baltic Sea // Proc. 2018 IEEE/OES Baltic Intern. Symp. (BALTIC). Klaipeda, 2019. 4 p. DOI: 10.1109/BALTIC.2018.8634855.
  22. Kulk G., Platt T., Dingle G., Jackson T., Jönsson B., Bouman H., Babim M., Brewin R., Doblin M., Estrada M., Figueiras F. G., Furuya K., González-Benítez N., Gudfinnsson H. G., Gudmundsson K., Huang B., Isada T., Kovač Ž., Lut V. A., Marañón E., Raman M., Richardson K., Rozema P. D., van de Poll W. H., Segura V., Tilstone G. H., Uitz J., van Dongen-Vogels V., Yoshikawa T., Sathyendranath Sh. Primary Production, an Index of Climate Change in the Ocean: Satellite-Based Estimates over Two Decades // Remote Sensing. 2020. V. 12. Iss. 5. Art. No. 826. 26 p. https://doi.org/10.3390/rs12050826.
  23. Lobanova P., Tilstone G. H., Bashmachnikov I., Brotas V. Accuracy assessment of primary production models with and without photoinhibition using ocean-colour Climate Change Initiative data in the North East Atlantic Ocean // Remote Sensing. 2018. V. 10. Iss. 7. Art. No. 1116. 24 p. https://doi.org/10.3390/rs10071116.
  24. Longhurst A. Ecological geography of the sea. San Diego: Academic Press, 1998. 398 p.
  25. Łysiak-Pastuszak E., Carstens M., Leppänen J.-M., Leujak W., Nausch G., Murray C., Andersen J. H. Eutrophication status of the Baltic Sea 2007–2011: A concise thematic assessment / eds. Pyhälä M., Fleming-Lehtinen V., Laamanen M.; Baltic Sea Environment Proc. No. 143. Helsinki, Finland: HELCOM, 2014. 41 p.
  26. Matciak M. Estimation of the attenuation of visible light in waters of the Gulf of Gdansk with the use of Secchi transparency // Oceanological and Hydrobiological Studies. 1997. V. XXVI4. P. 35–40.
  27. Matrai P., Olson E., Suttles S., Hill V. J., Codispoti L. A., Light B., Steele M. Synthesis of primary production in the Arctic Ocean: I. Surface waters, 1954–2007 // Progress in Oceanography. 2013. V. 110. P. 93–106. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2012.11.004.
  28. Moore J. K., Doney S. C., Kleypas J. C., Glover D. M., Fung I. Y. An intermediate complexity marine ecosystem model for the global domain // Deep Sea Research. Pt. II. 2002. V. 49. P. 403–462. https://doi.org/10.1016/S0967-0645(01)00108-4.
  29. Murray C. J., Muller-Karulis B., Carstensen J., Conley D. J., Gustaffson B. G., Andersen J. H. Past, present and future eutrophication status of the Baltic Sea // Frontiers in Marine Science. 2019. V. 6. No. 2. P. 1–12. https://doi.org/10.3389/fmars.2019.00002.
  30. Neumann T., Schernewski G. Eutrophication in the Baltic Sea and shifts in nitrogen fixation analyzed with a 3D ecosystem model // J. Marine Systems. 2008. V. 74. No. 1–2. P. 592–602. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2008.05.003.
  31. Ołdakowski B., Kowalewski M., Jędrasik J., Szymelfenig M. Ecohydrody-namic model of the Baltic Sea. Pt. 1. Description of the ProDeMo model // Oceanologia. 2005. V. 47. No. 4. P. 477–516.
  32. Omstedt A., Elken J., Lehmann A., Leppäranta M., Meier H. E. M., Myrberg K., Rutgersson A. Progress in physical oceanography of the Baltic Sea during the 2003–2014 period // Progress in Oceanography. 2014. V. 128. P. 139–171. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2014.08.010.
  33. Ostrowska M., Majchrowski R., Stoń-Egiert J., Woźniak B., Ficek D., Dera J. Remote sensing of vertical phytoplankton pigment distributions in the Baltic: new mathematical expressions. Part 1: Total chlorophyll a distribution // Oceanologia. 2007. V. 49. No. 4. P. 471–489.
  34. Platt T., Gallegos C. L., Harrison W. G. Photoinhibition of photosynthesis in natural assemblages of marine phytoplankton // J. Marine Research. 1980. V. 38. No. 4. P. 687–701.
  35. Sathyendranath S., Brewin R. J. W., Brockmann C., Brotas V., Calton B., Chuprin A., Cipollini P., Couto A. B., Dingle J., Doerffer R., Donlon C., Dowell M., Farman A., Grant M., Groom S., Horseman A., Jackson Th., Krasemann H., Lavender S., Martinez-Vicente V., Mazeran C., Mélin F., Moore T. S., Müller D., Regner P., Roy Sh., Steele Ch. J., Steinmetz F., Swinton J., Taberner M., Thompson A., Valente A., Zühlke M., Brando V. E., Feng H., Feldman G., Franz B. A., Frouin R., Gould R. W. Jr., Hooker S. B., Kahru M., Kratzer S., Greg M. B., Muller-Karger F. E., Sosik H. M., Voss K. J., Werdell J., Platt T. An ocean-colour time series for use in climate studies: The experience of the Ocean-Colour Climate Change Initiative (OC-CCI) // Sensors. 2019. V. 19. Art. No. 4285. 31 p. https://doi.org/10.3390/s19194285.
  36. Siswanto E., Ishizaka J., Yokouchi K. Estimating chlorophyll-a vertical profiles from satellite data and the implication for primary production in Kuroshio front of the ECS // J. Oceanography. 2005. V. 61. Iss. 3. P. 575–589. DOI: 10.1007/s10872-005-0066-7.
  37. Steele J. H. Environmental control of photosynthesis in the sea // Limnology and Oceanography. 1962. V. 7. P. 137–149.
  38. Steemann-Nielsen E. The use of radioactive carbon (14C) for measuring organic production in the sea // J. Conseil / Conseil Permanent International pour l’Exploration de la Mer. 1952. V. 18. P. 117–140.
  39. Stont Z. I., Bukanova T. V. General features of air temperature over coastal waters of the south-eastern Baltic Sea for 2004–2017 // Russian J. Earth Sciences. 2019. V. 19. No. 3. Art. No. ES3001. 9 p. DOI: 10.2205/2019ES000657.
  40. Stramska M., Zuzewicz A. Comparison of primary productivity estimates in the Baltic Sea based on the DESAMBEM algorithm with estimates based on other similar algorithms // Oceanologia. 2013. V. 55. No. 1. P. 77–100. https://doi.org/10.5697/oc.55-1.077.
  41. Vant W. N., Budd R. G. Phytoplankton photosynthesis and growth in contrasting regions of Manukau Harbour, New Zealand // New Zealand J. Marine and Freshwater Research. 1993. V. 27. No. 3. P. 295–307.
  42. Wasmund N., Nauch G., Matthäus W. Phytoplankton spring blooms in the southern Baltic Sea — spatio-temporal development and long-term trends // J. Plankton Research. 1998. No. 20. P. 1099–1117.
  43. Woźniak B., Hapter R., Dera J. Light curves of marine plankton photosynthesis in the Baltic // Oceanologia. 1989. V. 27. P. 61–78.
  44. Woźniak B., Bradtke K., Darecki M., Dera J., Dudzińska-Nowak J., Dzierzbicka-Glowacka L., Ficek D., Furmańczyk K., Kowalewski M., Krężel A., Majchrowski R., Ostrowska M., Paszkuta M., Stoń-Egiert J., Stramska M., Zapadka T. SatBaltyk — a Baltic environmental satellite remote sensing system — an ongoing project in Poland. Pt. 1: assumptions, scope and operating range // Oceanologia. 2011. V. 53. Iss. 4. P. 897–924. https://doi.org/10.5697/oc.53-4.897.
  45. Zdun A., Stoń-Egiert J., Ficek D., Ostrowska M. Seasonal and Spatial Changes of Primary Production in the Baltic Sea (Europe) Based on in situ Measurements in the Period of 1993–2018 // Frontiers in Marine Science. 2021. V. 7. Art. No. 604532. 14 p. https://doi.org/10.3389/fmars.2020.604532.
  46. Zheng Y., Shen R., Wang Y., Li X., Liu S., Liang S., Chen J. M., Ju W., Zhang L., Yuan W. Improved estimate of global gross primary production for reproducing its long-term variation 1982–2017 // Earth System Science Data. 2020. V. 12. P. 2725–2746. https://doi.org/10.5194/essd-12-2725-2020.