Морской гидрофизический журнал. 2023; 39: 399-415
Изменчивость коэффициента яркости в условиях пылевого переноса по данным спутника Sentinel-3 на примере Черного моря и Севастополя
https://doi.org/10.29039/0233-7584-2023-3-399-415Аннотация
Цель. В ноябре 2021 г. в результате сложившейся метеорологической ситуации были созданы условия для интенсивного переноса пылевого аэрозоля в Черноморский регион. Интенсивные осадки способствовали последующему осаждению частиц пыли на поверхностный слой Черного моря и его береговую зону. Цель работы – провести комплексное исследование случая аномально интенсивного выпадения осадков в г. Севастополе при штормовом ветре скоростью до 27 м/с за период 29–30 ноября 2021 г. с использованием средств спутникового и наземного мониторинга для оценки влияния пылевого аэрозоля на оптические характеристики моря и атмосферы для исследуемого региона.
Методы и результаты. За 29 и 30 ноября 2021 г. измерены счетные концентрации частиц РМ10 и РМ2.5 пылемером Атмас в атмосфере над Севастополем. Для определения источника переноса аэрозоля посредством циклона проанализированы результаты расчета обратных траекторий переноса воздушных масс. Траектории были получены с помощью программного комплекса модели HYSPLIT и AERONET для Севастополя. В результате комплексного анализа спутниковых и натурных данных зарегистрирован пылевой перенос атмосферного аэрозоля. Сравнительный анализ данных о концентрации частиц РМ10, РМ2.5 и пыли по модели SILAM и натурных данных подтвердил перенос пылевого аэрозоля со стороны Африки в Черноморский регион. По данным моделирования WRF (Weather and Research Forecasting) для события переноса 29.11.2021, в западной части Черного моря концентрация пылевых частиц достигала 2000 μgm−3 (до пылевого переноса в той же части моря концентрация пыли не превышала 50 μgm−3). Пылевой шлейф сдвинулся 30.11.2021 в восточную область. Для оценки вклада поглощения в коэффициент яркости поверхностного слоя моря проанализированы данные оптических характеристик пылевого переноса (21.11.2021) и чистой атмосферы (02.12.2021). Проанализированы основные оптические и микрофизические характеристики атмосферного аэрозоля по данным портативных солнечных фотометров сети AERONET за исследуемый период. Основная информация о переносе аэрозоля и его типе получена по данным со спутниковых платформ MODIS-Aqua, VIIRS, Sentinel и CALIPSO. Для подтверждения переноса пыли со стороны Африки представлены результаты моделирования обратных траекторий перемещения воздушных потоков, выполненного с помощью программного комплекса HYSPLIT и AERONET для черноморских станций Section_7 (Румыния), Galata_Рlatform (Болгария) и Sevastopol (Россия).
Выводы. Исследование коэффициентов яркости по данным спутниковых и наземных измерений на длине волны 443 нм показало, что в присутствии поглощающего аэрозоля вклад яркости моря в общий сигнал становится меньше по сравнению с коэффициентами яркости для фонового дня и дня с чистой атмосферой (минимальным содержанием аэрозольных частиц). Процентное отношение яркости моря к общей яркости в день с чистой атмосферой составляет 5 %, в фоновый день – 2 %, в день с наличием в атмосфере поглощающего аэрозоля вклад яркости моря составляет 1 %.
Список литературы
1. Савиных В. П., Цветков В. Я. Геоинформационный анализ данных дистанционного зондирования. Москва : Картгеоцентр – Геодезиздат, 2001. 228 с.
2. Чандра А. М., Гош С. К. Дистанционное зондирование и географические информационные системы. Москва : Техносфера, 2008. 307 с.
3. Wilson R. Advanced remote sensing: terrestrial information extraction and applications, by Shunlin Liang, Xiaowen Li and Jindi Wang // International Journal of Remote Sensing. 2013. Vol. 34, iss. 14. P. 5262–5263.
4. Электронный атлас «Биооптические характеристики морей России по данным спутниковых сканеров цвета 1998-2014 гг.» / О. В. Копелевич [и др.] // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12, № 6. С. 99–110.
5. Gordon H. R. Can the Lambert‐Beer law be applied to the diffuse attenuation coefficient of ocean water? // Limnology and Oceanography. 1989. Vol. 34, iss. 8. P. 1389.
6. Копелевич О. В., Шеберстов С. В., Вазюля С. В. Подводное световое поле в поверхностном слое Баренцева моря и спектральный коэффициент яркости водной толщи при различных океанологических условиях // Материалы 18-й Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Москва, 2020. С. 216. EDN SEBHMT. doi:10.21046/18DZZconf-2020a
7. Kalinskaya D. V., Papkova A. S. Why is it important to consider dust aerosol in the Sevastopol and Black Sea Region during remote sensing tasks? A case study // Remote Sensing. 2022. Т. 14, iss. 8. 1890. https://doi.org/10.3390/rs14081890
8. Solar Irradiance Reference Spectra for Two Solar Active Levels / G. Thuillier [et al.] // Advances in Space Research. 2004. Vol. 34, iss. 2. P. 256–261. https://doi.org/10.1016/j.asr.2002.12.004
9. The Weather Research and Forecasting Model: Overview, system efforts, and future directions / J. G. Powers [et al.] // Bulletin of the American Meteorological Society. 2017. Vol. 98, iss. 8. P. 1717–1737. https://doi.org/10.1175/BAMS-D-15-00308.1
10. NOAA’s HYSPLIT atmospheric transport and dispersion modeling system / A. F. Stein [et al.] // Bulletin of the American Meteorological Society.2015. Vol. 96, iss. 12. P. 2059−2077. https://doi.org/10.1175/BAMS-D-14-00110.1
11. Kalinskaya D. V., Kudinov O. B. Methodology of ground aerosol sources determination based on AERONET and HYSPLIT models data results // Proceedings of SPIE. SPIE, 2017. Vol. 10466 : 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 104663R. doi:10.1117/12.2287744
12. Varenik A. V. The characteristics of PM2.5 and PM10 and elemental carbon air pollution in Sevastopol, Crimean Peninsula // Applied Sciences. 2022. Т. 12, iss. 15. 7758. https://doi.org/10.3390/app12157758
13. Калинская Д. В. Исследование особенностей оптических характеристик пылевого аэрозоля над Черным морем // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь, 2012. Вып. 26, т. 2. С. 151–162. EDN VWSEGX.
14. Устранение аэрозольных искажений при анализе данных наблюдений Черного моря цветовым сканером CZCS со спутника Nimbus-7 / В. С. Суетин [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 1997. № 4. С. 71–79.
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2023; 39: 399-415
Variability of the Water-Leaving Radiance under the Conditions of Dust Transport by the Satellite Sentinel-3 Data on the Example of the Black Sea and Sevastopol
https://doi.org/10.29039/0233-7584-2023-3-399-415Abstract
Purpose. The meteorological situation in November 2021has resulted in forming the conditions for intensive dust aerosol transfer to the Black Sea region. Intensive precipitation has contributed to the subsequent deposition of dust particles on the Black Sea surface layer and in its coastal zone. The work is purposed at comprehensive studying the case of abnormally intense precipitation in Sevastopol with a storm wind speed up to 27 m/s for November 29–30, 2021 using the satellite and ground-based monitoring means for assessing the aerosol impact on the sea and atmosphere optical characteristics in the region under study.
Methods and Results. For November 29 and 30, 2021, the calculated concentrations of PM10 and PM2.5 particles were measured in the atmosphere over Sevastopol by the Atmas dust meter. To determine the source of aerosol transport by means of a cyclone, the results of calculating the back trajectories of air mass transfer were analyzed. The trajectories were obtained using the HYSPLIT and AERONET models software package for Sevastopol. Comprehensive analysis of satellite and field data has resulted in recording the atmospheric aerosol transfer by dust. A comparative analysis of the data on concentrations of the PM10, PM2.5 particles and dust based on the SILAM model and field data, confirmed the dust aerosol transfer from Africa to the Black Sea region. The data of the WRF (Weather and Research Forecasting) modeling of the transfer event on 29.11.2021 testify to the fact that in the western part of the Black Sea, the concentration of dust particles was up to 2000 μg/m-3 (in the same part of the sea, before the dust transfer, the dust concentration did not exceed 50 μg/m-3). On 30.11.2021, the dust plume shifted to the eastern region. To assess the absorption contribution to the value of waterleaving radiance of the sea surface layer, the data on the optical characteristics for the cases of dust transport (21.11.2021) and clear atmosphere (02.12.2021) were analyzed. The main optical and microphysical characteristics of the atmospheric aerosol during the period under study were analyzed using the data of portable solar photometers of the AERONET network. Basic information on the aerosol transfer and its type was obtained due to the data of the MODIS-Aqua, VIIRS, Sentinel and CALIPSO satellite platforms. To confirm the dust transfer from Africa, presented were the results of modeling the reverse trajectories of air flow movement performed using the HYSPLIT and AERONET software package for the Black Sea stations Section_7 (Romania), Galata_Platform (Bulgaria) and Sevastopol (Russia).
Conclusions. Study of the water-leaving radiance values based on the satellite and ground-based measurements performed at the wavelength 443 nm shows that in the presence of an absorbing aerosol, the contribution of sea brightness to the total signal becomes smaller as compared to the brightness coefficients for a background day and for a day with clear atmosphere (content of the aerosol particles is minimal). The sea water-leaving radiance constitutes 5% of the total radiance for a day with clear atmosphere, 2% – for a background day, and 1% – for a day with an absorbing aerosol in the atmosphere.
References
1. Savinykh V. P., Tsvetkov V. Ya. Geoinformatsionnyi analiz dannykh distantsionnogo zondirovaniya. Moskva : Kartgeotsentr – Geodezizdat, 2001. 228 s.
2. Chandra A. M., Gosh S. K. Distantsionnoe zondirovanie i geograficheskie informatsionnye sistemy. Moskva : Tekhnosfera, 2008. 307 s.
3. Wilson R. Advanced remote sensing: terrestrial information extraction and applications, by Shunlin Liang, Xiaowen Li and Jindi Wang // International Journal of Remote Sensing. 2013. Vol. 34, iss. 14. P. 5262–5263.
4. Elektronnyi atlas «Bioopticheskie kharakteristiki morei Rossii po dannym sputnikovykh skanerov tsveta 1998-2014 gg.» / O. V. Kopelevich [i dr.] // Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2015. T. 12, № 6. S. 99–110.
5. Gordon H. R. Can the Lambert‐Beer law be applied to the diffuse attenuation coefficient of ocean water? // Limnology and Oceanography. 1989. Vol. 34, iss. 8. P. 1389.
6. Kopelevich O. V., Sheberstov S. V., Vazyulya S. V. Podvodnoe svetovoe pole v poverkhnostnom sloe Barentseva morya i spektral'nyi koeffitsient yarkosti vodnoi tolshchi pri razlichnykh okeanologicheskikh usloviyakh // Materialy 18-i Vserossiiskoi otkrytoi konferentsii «Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa». Moskva, 2020. S. 216. EDN SEBHMT. doi:10.21046/18DZZconf-2020a
7. Kalinskaya D. V., Papkova A. S. Why is it important to consider dust aerosol in the Sevastopol and Black Sea Region during remote sensing tasks? A case study // Remote Sensing. 2022. T. 14, iss. 8. 1890. https://doi.org/10.3390/rs14081890
8. Solar Irradiance Reference Spectra for Two Solar Active Levels / G. Thuillier [et al.] // Advances in Space Research. 2004. Vol. 34, iss. 2. P. 256–261. https://doi.org/10.1016/j.asr.2002.12.004
9. The Weather Research and Forecasting Model: Overview, system efforts, and future directions / J. G. Powers [et al.] // Bulletin of the American Meteorological Society. 2017. Vol. 98, iss. 8. P. 1717–1737. https://doi.org/10.1175/BAMS-D-15-00308.1
10. NOAA’s HYSPLIT atmospheric transport and dispersion modeling system / A. F. Stein [et al.] // Bulletin of the American Meteorological Society.2015. Vol. 96, iss. 12. P. 2059−2077. https://doi.org/10.1175/BAMS-D-14-00110.1
11. Kalinskaya D. V., Kudinov O. B. Methodology of ground aerosol sources determination based on AERONET and HYSPLIT models data results // Proceedings of SPIE. SPIE, 2017. Vol. 10466 : 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 104663R. doi:10.1117/12.2287744
12. Varenik A. V. The characteristics of PM2.5 and PM10 and elemental carbon air pollution in Sevastopol, Crimean Peninsula // Applied Sciences. 2022. T. 12, iss. 15. 7758. https://doi.org/10.3390/app12157758
13. Kalinskaya D. V. Issledovanie osobennostei opticheskikh kharakteristik pylevogo aerozolya nad Chernym morem // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa. Sevastopol', 2012. Vyp. 26, t. 2. S. 151–162. EDN VWSEGX.
14. Ustranenie aerozol'nykh iskazhenii pri analize dannykh nablyudenii Chernogo morya tsvetovym skanerom CZCS so sputnika Nimbus-7 / V. S. Suetin [i dr.] // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 1997. № 4. S. 71–79.
