Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2025. Т. 22. № 2. С. 9-27
Валидация спутниковых продуктов Sentinel-3/OLCI L2 вдоль юго-западного и юго-восточного побережья Камчатского полуострова
Е.Ю. Скороход
1, 2 , Т.Я. Чурилова
1, 2 , Н.А. Моисеева
1 , П.А. Салюк
3 , Т.В. Ефимова
1, 2 1 Институт биологии южных морей имени А.О. Ковалевского РАН, Sevastopol, Россия
2 Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия
3 Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток, Россия
Одобрена к печати: 16.01.2025
DOI: 10.21046/2070-7401-2025-22-2-9-27
Настоящее исследование направлено на оценку точности восстановления значений спутниковых продуктов для возможности дальнейшей реализации комплексного мониторинга прибрежных морских экосистем Камчатки. Выполнена валидация восстановленных значений спутниковых продуктов Sentinel-3A/3B OLCI L2 на основе результатов измерений соответствующих показателей в рамках научно-исследовательского рейса 23/4 вдоль юго-западного и юго-восточного побережья Камчатского полуострова и на подспутниковом разрезе из Охотского в Японское море через пролив Лаперуза на пассажирском судне «Профессор Мультановский» в августе – сентябре 2023 г. Выявлена систематическая недооценка по спутниковым данным показателя поглощения света пигментами фитопланктона на длине волны 443 нм, показателя поглощения света окрашенным неживым веществом на длине волны 443 нм и показателя диффузного ослабления света на длине волны 490 нм и завышение концентрации хлорофилла а в сумме с феопигментами. При этом существует проблема высокого разброса спутниковых данных в узком диапазоне значений in situ. Показано, что на точность восстановления параметров по спутниковым данным влияет содержание неживого взвешенного и растворённого органического вещества в верхнем слое вод. Статистически обоснованная низкая точность восстановления значений доступных спутниковых продуктов Sentinel-3A/3B OLCI L2 (концентрация хлорофилла а в сумме с феопигментами, показатель поглощения света пигментами фитопланктона на длине волны 443 нм, показатель поглощения света окрашенным неживым веществом на длине волны 443 нм и показатель диффузного ослабления света на длине волны 490 нм) ограничивает их использование для мониторинга морских экосистем Камчатки. Необходимо развитие регионального подхода, который учитывает закономерности изменчивости спектральных показателей поглощения света основными оптически активными компонентами в конкретной акватории.
Ключевые слова: хлорофилл, поглощение света, фитопланктон, NAP, CDOM, дистанционное зондирование, OLCI, Камчатка, Охотское море
Полный текстСписок литературы:
- Букин О. А., Пермяков М. С., Зенкин О. Л., Хованец В. А., Пузанков К. А., Буров, Д. В., Салюк П. А. Сравнительный анализ результатов измерения концентраций хлорофилла-а, полученных с использованием данных сканера цвета морской поверхности SeaWiFS и методом лазерной индуцированной флюоресценции в Охотском море // Исслед. Земли из космоса. 2003. № 4. С. 84–91.
- Куренков И. И. Красный прилив в Авачинской бухте // Рыбное хоз-во. 1974. Вып. 4. С. 20–21.
- Определение относительной прозрачности морской воды // Руководство по гидрологическим работам в океанах и морях. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Росгидромет, 2016. С. 339–340.
- Орлова Т. Ю. Красные приливы и токсические микроводоросли в дальневосточных морях России // Вестн. Дальневосточного отд-ния Российской акад. наук. 2005. № 1. С. 27–31.
- Пермяков М. С., Букин О. А., Акмайкин Д. А., Салюк П. А., Подопригора Е. Л. О региональных алгоритмах восстановления концентрации хлорофилла А по данным сканера SeaWiFS для Охотского моря // Исследовано в России. 2004. Т. 7. С. 972–981.
- Скороход Е. Ю., Чурилова Т. Я., Ефимова Т. В. и др. Биооптические характеристики прибрежных вод Черного моря вблизи Севастополя: оценка точности спутниковых продуктов, восстановленных по данным MODIS и VIIRS // Морской гидрофиз. журн. 2021. Вып. 37. № 2 (218). С. 233–246. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-2-233-246.
- Цхай Ж. Р., Хен Г. В. Сравнение спутниковых и судовых данных о концентрации хлорофилла-а в Охотском море и прилегающей акватории // Исслед. Земли из космоса. 2016. № 1–2. С. 187–198. https://doi.org/10.7868/S0205961415060093.
- Чалов С. Р., Цыпленков А. С., Школьный Д. И. и др. К оценке возможного влияния материкового стока на гибель гидробионтов в Авачинском заливе Тихого океана (Камчатка) // Изв. Русского геогр. об-ва. 2022. Вып. 154. № 4. С. 69–84. https://doi.org/10.31857/S0869607122040048.
- Bondur V., Zamshin V., Chvertkova O. et al. Detection and analysis of the causes of intensive harmful Algal bloom in Kamchatka based on satellite data // J. Marine Science and Engineering. 2021. V. 9. No. 10. Article 1092. https://doi.org/10.3390/jmse9101092.
- Bricaud A., Babin M., Morel A., Claustre H. Variability in the chlorophyll‐specific absorption coefficients of natural phytoplankton: Analysis and parameterization // J. Geophysical Research: Oceans. 1995. V. 100. No. C7. P. 13321–13332. https://doi.org/10.1029/95JC00463.
- Churilova T., Skorokhod E., Suslin V. et al. Assessment of the accuracy of Sentinel-3 OLCI L2 products retrieved by standard and regional algorithms for ecological monitoring of the Black Sea coastal and shelf waters // Regional Studies in Marine Science. 2024. V. 79. Article 103847. https://doi.org/10.1016/j.rsma.2024.103847.
- Darecki M., Stramski D. An evaluation of MODIS and SeaWiFS bio-optical algorithms in the Baltic Sea // Remote Sensing of Environment. 2004. V. 89. No. 3. P. 326–350. https://doi.org/doi:10.1016/j.rse.2003.10.012.
- Efimova T., Churilova T., Moiseeva N. et al. Dynamics in pigment concentration and light absorption by phytoplankton, non-algal particles and colored dissolved organic matter in the Black Sea coastal waters (near Sevastopol) // Proc. SPIE: 24th Intern. Symp. Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 2018. V. 10833. Article 108336C. https://doi.org/10.1117/12.2504657.
- Giannini F., Hunt B. P., Jacoby D., Costa M. Performance of OLCI Sentinel-3A satellite in the Northeast Pacific coastal waters // Remote Sensing of Environment, 2021. V. 256. Article 112317. https://doi.org/10.1016/j.rse.2021.112317.
- Gilerson A., Malinowski M., Agagliate J. et al. Development of VIIRS-OLCI chlorophyll-a product for the coastal estuaries // Frontiers in Marine Science. 2024. V. 11. Article 1476425. https://doi.org/10.3389/fmars.2024.1476425.
- Hallegraeff G. M. Harmful algal blooms: a global overview // Manual on Harmful Marine Microalgae / eds. G. M. Hallegraeff et al. V. 2. Paris, France: UNESCO, 2004. P. 25–49.
- Holm-Hansen O., Riemann B. Chlorophyll a determination: Improvements in methodology // Oikos. 1978. V. 30. No. 3. P. 438–447. https://doi.org/10.2307/3543338.
- Hu C., Feng L., Lee Z. et al. Improving satellite global chlorophyll a data products through algorithm refinement and data recovery // J. Geophysical Research: Oceans. 2019. V. 124. No. 3. P. 1524–1543. https://doi.org/10.1029/2019JC014941.
- Inherent optical property measurements and protocols: Absorption coefficient // IOCCG Ocean Optics and Biogeochemistry Protocols for Satellite Ocean Colour Sensor Validation / eds. Neeley A. R., Mannino A. V. 1.0. IOCCG, Dartmouth, NS, Canada, 2018. 78 p. https://dx.doi.org/10.25607/OBP-119.
- Isada T., Hooker S. B., Taniuchi Y., Suzuki K. Evaluation of retrieving chlorophyll a concentration and colored dissolved organic matter absorption from satellite ocean color remote sensing in the coastal waters of Hokkaido, Japan // J. Oceanography. 2022. V. 78. No. 4. P. 263–276. https://doi.org/10.1007/s10872-022-00633-w.
- Iwamura T., Nagai H., Ichimura S.-E. Improved methods for determining contents of chlorophyll, protein, ribonucleic acid, and deoxyribonucleic acid in planktonic populations // Internationale Revue der gesamten Hydrobiologie und Hydrographie. 1970. V. 55. No. 1. P. 131–147. https://doi.org/10.1002/iroh.19700550106.
- Jeffrey S. W., Humphrey G. F. New spectrophotometric equations for determining chlorophylls a, b, c1 and c2 in higher plants, algae and natural phytoplankton // Biochemie und Physiologie der Pflanzen. 1975. V. 167. No. 2. P. 191–194. https://doi.org/10.1016/S0015-3796(17)30778-3.
- Kirk J. T. O. Light and photosynthesis in aquatic ecosystems. 3rd ed. Cambridge: Cambridge University Press, 2011. 665 p. https://doi.org/10.1017/CBO9781139168212.
- Lobanov V. B., Sergeev A. F., Semkin P. Y. et al. Study of abiotic factors controlling marine ecosystem dynamics and formation of anomalous conditions in coastal waters of the Far East in the 80th cruise of the R/V Professor Gagarinskiy // Oceanology. 2023. V. 63. No. 6. P. 931–933. https://doi.org/10.1134/S0001437023060085.
- Lorenzen C. J. Determination of chlorophyll and pheo-pigments: spectrophotometric equations // Limnology and oceanography. 1967. V. 12. P. 343–346. http://dx.doi.org/10.4319/lo.1967.12.2.0343.
- Mannino A., Novak M. G., Nelson N. B., Belz M., Berthon J.-F., Blough N. V., Boss E., Bricaud A., Chaves J., Del Castillo C., Del Vecchio R., D’Sa E. J., Freeman S., Matsuoka A., Miller R. L., Neeley A. R., Röttgers R., Tzortziou M., Werdell P. J. Measurement protocol of absorption by Chromophoric Dissolved Organic Matter (CDOM) and other dissolved materials // IOCCG Ocean Optics and Biogeochemistry Protocols for Satellite Ocean Colour Sensor Validation / eds. Mannino A., Novak M. G. V. 5.0. IOCCG, Dartmouth, NS, Canada, 2019. 77 p.
- Mobley C. D. The oceanic optics book. International Ocean Colour Coordinating Group (IOCCG), Dartmouth, NS, Canada, 2022. 924 p. http://dx.doi.org/10.25607/OBP-1710.
- Orlova T. Y., Konovalova G. V., Stonik I. V., Morozova T. V., Shevchenko O. G. Harmful algal blooms on the eastern coast of Russia // PICES Scientific Report No. 23 2002. Harmful algal blooms in the PICES region of the North Pacific / eds. F. J. R. “Max” Taylor, V. L. Trainer. Sidney, B. C., Canada: North Pacific Marine Science Organization (PICES), 2002. P. 47–73.
- Orlova T. Y., Aleksanin A. I., Lepskaya E. V. et al. A massive bloom of Karenia species (Dinophyceae) off the Kamchatka coast, Russia, in the fall of 2020 // Harmful Algae. 2022. V. 120. Article 102337. https://doi.org/10.1016/j.hal.2022.102337.
- Recommendations for Sentinel-3 OLCI Ocean Colour product validations in comparison with in situ measurements — Matchup Protocols. EUM/SEN3/DOC/19/1092968. Iss. v5B. EUMETSAT, Darmstadt, Germany, 2019. 10 p.
- Salyuk P. A., Stepochkin I. E., Sokolova E. B. et al. Developing and using empirical bio-optical algorithms in the western part of the Bering Sea in the late summer season // Remote Sensing. 2022. V. 14. No. 22. Article 5797. https://doi.org/10.3390/rs14225797.
- Seegers B. N., Stumpf R. P., Schaeffer B. A. et al. Performance metrics for the assessment of satellite data products: an ocean color case study // Optic Express. 2018. V. 26. No. 6. P. 7404–7422. https://doi.org/10.1364/OE.26.007404.
- Stramski D., Kiefer D. A. Light scattering by microorganisms in the open ocean // Progress in Oceanography. 1991. V. 28. No. 4. P. 343–383. https://doi.org/10.1016/0079-6611(91)90032-H.
- Werdell P. J., Bailey S. W. An improved in-situ bio-optical data set for ocean color algorithm development and satellite data product validation // Remote Sensing of Environment. 2005. V. 98. P. 122–140. https://doi.org/10.1016/j.rse.2005.07.001.
- Zibordi G., Kwiatkowska E., Mélin F. et al. Assessment of OLCI-A and OLCI-B radiometric data products across European seas // Remote Sensing of Environment. 2022. V. 272. Article 112911. https://doi.org/10.1016/j.rse.2022.112911.