Морской гидрофизический журнал. 2024; 40: 5-20
Спектральный коэффициент яркости, цветовые характеристики и относительная прозрачность вод Черного моря весной 2019 и 2021 годов: сравнительная изменчивость и эмпирические связи
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2024-1-5-20Аннотация
Цель. Цель работы – исследование пространственной изменчивости коэффициента яркости по натурным данным, а также получение эмпирических связей цветовых и биооптических характеристик и сравнение их с литературными данными.
Методы и результаты. Использованы данные измерений спектрального коэффициента яркости толщи вод и глубины видимости белого диска, полученные в ходе экспедиций НИС «Профессор Водяницкий» в северной и северо-восточной частях Черного моря 18 апреля – 13 мая 2019 г. и 22 апреля – 8 мая 2021 г. По спектрам коэффициента яркости рассчитаны цветовые характеристики: доминирующая длина волны, чистота цвета воды, угол цветности, а также первичные оптические характеристики (показатель поглощения растворенным органическим веществом и показатель рассеяния назад частицами взвешенного вещества). Проанализирована изменчивость коэффициента яркости и его цветовых характеристик за аналогичные весенние периоды 2019 и 2021 гг. Для совокупности данных за 2019 и 2021 гг. получены уравнения связи между глубиной видимости белого диска и коэффициентом яркости в максимуме, а также доминирующей длиной волны, проведено их сопоставление с литературными данными. Для расчета первичных оптических характеристик в водах Черного моря впервые получены эмпирические соотношения угла цветности с показателем поглощения растворенным органическим веществом и с показателем рассеяния назад частицами взвешенного вещества.
Выводы. В 2019 г. наблюдалось более типичное для второй половины весны распределение коэффициента яркости, тогда как в 2021 г. наблюдаемое распределение говорит, скорее, о продолжающемся зимне-весеннем развитии фитопланктонных сообществ, что характерно для глубоководной части Черного моря в годы с холодными зимами. Установлены значимые связи между цветовыми характеристиками и биооптическими параметрами. Полученные соотношения могут применяться в составе эмпирических и полуаналитических алгоритмов для комплексной оценки гидрооптических характеристик вод Черного моря, в том числе по данным дистанционного зондирования.
Список литературы
1. Smith T., Guild J. The C.I.E. colorimetric standards and their use // Transactions of the Optical Society. 1931. Vol. 33, iss. 3. P. 73–134. doi: 10.1088/1475-4878/33/3/301
2. Van der Woerd H. J., Wernand M. R. True colour classification of natural waters with medium-spectral resolution satellites: SeaWiFS, MODIS, MERIS and OLCI // Sensors. 2015. Vol. 15, iss. 10. P. 25663–25680. doi: 10.3390/s151025663
3. Корчемкина Е. Н., Маньковская Е. В. Связь биооптических параметров вод Черного моря с характеристиками коэффициента яркости весной 2019 года // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2022. Т. 15, № 3. С. 53–64. EDN EWNWZM. doi: 10.48612/fpg/47v1-8k56-g93n
4. Classifying natural waters with the Forel-Ule colour index system: Results, applications, correlations and crowdsourcing / S. P. Garaba [et al.] // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2015. Vol. 12, iss. 12. P. 16096–16109. doi: 10.3390/ijerph121215044
5. Van der Woerd H. J., Wernand M. R. Hue-angle product for low to medium spatial resolution optical satellite sensors // Remote Sensing. 2018. Vol. 10, iss. 2. 180. doi: 10.3390/rs10020180
6. Определение концентрации примесей в морской воде по спектру яркости восходящего излучения / М. Е. Ли [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2015. № 6. С. 17–33. EDN VHEWVT.
7. Morel A. Optical properties of pure water and pure sea water // Optical Aspects of Oceanography / Edited by N. G. Jerlov, E. S. Nielson. New York : Academic Press, 1974. P. 1–24.
8. Smith R. C., Baker K. S. Optical properties of the clearest natural waters (200–800 nm) // Applied Optics. 1981. Vol. 20, iss. 2. P. 177–184. doi: 10.1364/AO.20.000177
9. Light absorption by phytoplankton in the upper mixed layer of the Black Sea: Seasonality and parametrization / T. Churilova [et al.] // Frontiers in Marine Science. 2017. Vol. 4. 90. doi: 10.3389/fmars.2017.00090
10. Annual variability in light absorption by particles and colored dissolved organic matter in coastal waters of Crimea (the Black Sea) / T. Churilova [et al.] // Proceedings of SPIE. Irkutsk : SPIE, 2017. Vol. 10466 : 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 104664B. doi: 10.1117/12.2288339
11. Phenology and drivers of the winter–spring phytoplankton bloom in the open Black Sea: The application of Sverdrup’s hypothesis and its refinements / A. S. Mikaelyan [et al.] // Progress in Oceanography. 2017. Vol. 151. P. 163–176. doi: 10.1016/j.pocean.2016.12.006
12. Финенко З. З., Мансурова И. М., Суслин В. В. Временная динамика биомассы фитопланктона в поверхностном слое Черного моря по данным спутниковых наблюдений // Океанология. 2022. Т. 62, № 3. С. 416–427. EDN NEKDHS. URL: https://sci-info.marine-research.ru/biblios/2715
13. Маньковский В. И. Цветовые характеристики вод и их корреляции с относительной прозрачностью // Океанология. 2017. Т. 57, № 5. С. 679–682. EDN ZMDPIL. doi: 10.7868/S003015741705001X
14. Маньковский В. И. Влияние состава взвеси на глубину видимости белого диска // Оптика атмосферы и океана. 2019. Т. 32, № 1. С. 24–28. EDN YTYPTV. doi: 10.15372/AOO20190104
15. Маньковский В. И., Гринченко Д. В. Взвешенное вещество и его состав по данным о рассеянии света на макрополигоне в северной части тропической зоны Атлантического океана // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 3. С. 254–266. EDN SJYVPR. doi: 10.22449/0233-7584-2018-3-254-266
16. Оптические характеристики прибрежных вод и атмосферы в районе Южного берега Крыма в конце летнего сезона 2008 года / В. И. Маньковский [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2010. № 3. С. 52–74. EDN TMJWNT.
17. Woźniak S. B., Darecki M., Sagan S. Empirical formulas for estimating backscattering and absorption coefficients in complex waters from remote-sensing reflectance spectra and examples of their application // Sensors. 2019. Vol. 19, iss. 18. 4043. doi: 10.3390/s19184043
18. Morel A., Prieur L. Analysis of variations in ocean color // Limnology and Oceanography. 1977. Vol. 22, iss. 4. P. 709–722. doi: 10.4319/lo.1977.22.4.0709
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2024; 40: 5-20
Spectral Reflectance Coefficient, Color Characteristics and Relative Transparency of the Black Sea Waters in Spring, 2019 and 2021: Comparative Variability and Empirical Relationships
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2024-1-5-20Abstract
Purpose. The work is purposed at studying spatial variability of the sea reflectance coefficient using the field data, as well as at obtaining empirical relationships between the colorimetric and bio-optical characteristics and their comparing with the already published data.
Methods and Results. The measurement data on spectral reflectance coefficient of the water column and the Secchi disk depth obtained in the expeditions of the R/V Professor Vodyanitsky in the northern and northeastern parts of the Black Sea in April 18 – May 13, 2019 and April 22 – May 8, 2021 were used. Based on the reflectance spectra, the following color characteristics were calculated: dominant wavelength, water color purity, hue angle, and the inherent optical characteristics (absorption by dissolved organic matter and backscattering by suspended particles). Variability of the sea reflectance coefficient and its color characteristics was analyzed for similar periods in spring, 2019 and 2021. For the combined data for 2019 and 2021, the relationships between the Secchi disk depth and the reflectance coefficient at maximum, as well as the dominant wavelength were obtained and compared to the known data. To calculate the inherent optical characteristics of the Black Sea waters, for the first time the empirical relationships connecting the hue angle with the dissolved organic matter absorption and the backscattering by suspended particles were obtained.
Conclusions. The observed in 2019 distribution of reflectance coefficient is more typical of late spring, whereas the analogous distribution observed in 2021 rather indicates the continuing winter-spring development of phytoplankton communities, that is typical of the deep part of the Black Sea waters in the years with cold winters. Significant correlations between the colorimetric and bio-optical parameters of seawater were established. They can be used as a part of the empirical and semi-analytical algorithms for comprehensive assessing (including application of remote sensing data) the hydrooptical characteristics of the Black Sea waters.
References
1. Smith T., Guild J. The C.I.E. colorimetric standards and their use // Transactions of the Optical Society. 1931. Vol. 33, iss. 3. P. 73–134. doi: 10.1088/1475-4878/33/3/301
2. Van der Woerd H. J., Wernand M. R. True colour classification of natural waters with medium-spectral resolution satellites: SeaWiFS, MODIS, MERIS and OLCI // Sensors. 2015. Vol. 15, iss. 10. P. 25663–25680. doi: 10.3390/s151025663
3. Korchemkina E. N., Man'kovskaya E. V. Svyaz' bioopticheskikh parametrov vod Chernogo morya s kharakteristikami koeffitsienta yarkosti vesnoi 2019 goda // Fundamental'naya i prikladnaya gidrofizika. 2022. T. 15, № 3. S. 53–64. EDN EWNWZM. doi: 10.48612/fpg/47v1-8k56-g93n
4. Classifying natural waters with the Forel-Ule colour index system: Results, applications, correlations and crowdsourcing / S. P. Garaba [et al.] // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2015. Vol. 12, iss. 12. P. 16096–16109. doi: 10.3390/ijerph121215044
5. Van der Woerd H. J., Wernand M. R. Hue-angle product for low to medium spatial resolution optical satellite sensors // Remote Sensing. 2018. Vol. 10, iss. 2. 180. doi: 10.3390/rs10020180
6. Opredelenie kontsentratsii primesei v morskoi vode po spektru yarkosti voskhodyashchego izlucheniya / M. E. Li [i dr.] // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2015. № 6. S. 17–33. EDN VHEWVT.
7. Morel A. Optical properties of pure water and pure sea water // Optical Aspects of Oceanography / Edited by N. G. Jerlov, E. S. Nielson. New York : Academic Press, 1974. P. 1–24.
8. Smith R. C., Baker K. S. Optical properties of the clearest natural waters (200–800 nm) // Applied Optics. 1981. Vol. 20, iss. 2. P. 177–184. doi: 10.1364/AO.20.000177
9. Light absorption by phytoplankton in the upper mixed layer of the Black Sea: Seasonality and parametrization / T. Churilova [et al.] // Frontiers in Marine Science. 2017. Vol. 4. 90. doi: 10.3389/fmars.2017.00090
10. Annual variability in light absorption by particles and colored dissolved organic matter in coastal waters of Crimea (the Black Sea) / T. Churilova [et al.] // Proceedings of SPIE. Irkutsk : SPIE, 2017. Vol. 10466 : 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 104664B. doi: 10.1117/12.2288339
11. Phenology and drivers of the winter–spring phytoplankton bloom in the open Black Sea: The application of Sverdrup’s hypothesis and its refinements / A. S. Mikaelyan [et al.] // Progress in Oceanography. 2017. Vol. 151. P. 163–176. doi: 10.1016/j.pocean.2016.12.006
12. Finenko Z. Z., Mansurova I. M., Suslin V. V. Vremennaya dinamika biomassy fitoplanktona v poverkhnostnom sloe Chernogo morya po dannym sputnikovykh nablyudenii // Okeanologiya. 2022. T. 62, № 3. S. 416–427. EDN NEKDHS. URL: https://sci-info.marine-research.ru/biblios/2715
13. Man'kovskii V. I. Tsvetovye kharakteristiki vod i ikh korrelyatsii s otnositel'noi prozrachnost'yu // Okeanologiya. 2017. T. 57, № 5. S. 679–682. EDN ZMDPIL. doi: 10.7868/S003015741705001X
14. Man'kovskii V. I. Vliyanie sostava vzvesi na glubinu vidimosti belogo diska // Optika atmosfery i okeana. 2019. T. 32, № 1. S. 24–28. EDN YTYPTV. doi: 10.15372/AOO20190104
15. Man'kovskii V. I., Grinchenko D. V. Vzveshennoe veshchestvo i ego sostav po dannym o rasseyanii sveta na makropoligone v severnoi chasti tropicheskoi zony Atlanticheskogo okeana // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2018. T. 34, № 3. S. 254–266. EDN SJYVPR. doi: 10.22449/0233-7584-2018-3-254-266
16. Opticheskie kharakteristiki pribrezhnykh vod i atmosfery v raione Yuzhnogo berega Kryma v kontse letnego sezona 2008 goda / V. I. Man'kovskii [i dr.] // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2010. № 3. S. 52–74. EDN TMJWNT.
17. Woźniak S. B., Darecki M., Sagan S. Empirical formulas for estimating backscattering and absorption coefficients in complex waters from remote-sensing reflectance spectra and examples of their application // Sensors. 2019. Vol. 19, iss. 18. 4043. doi: 10.3390/s19184043
18. Morel A., Prieur L. Analysis of variations in ocean color // Limnology and Oceanography. 1977. Vol. 22, iss. 4. P. 709–722. doi: 10.4319/lo.1977.22.4.0709
