Корчёмкина Е. Н.
Морской гидрофизический институт НАН Украины, отдел оптики моря, аспирант
Научный руководитель – заведующий отделом оптики моря МГИ, д. ф.-м. н. М. Е. Ли
ВОССТАНОВЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ПРИМЕСЕЙ МОРСКОЙ ВОДЫ по коэффициенту яркости моря
Целью дистанционного зондирования является определение концентраций примесей морской воды по данным измерений восходящего излучения моря. Анализ данных спутниковых сканеров цвета моря предполагает учет вклада атмосферы в восходящую яркость, поскольку доля сигнала моря в общем сигнале мала. Стандартные методы атмосферной коррекции предполагают равенство нулю яркости моря в инфракрасной части спектра. Последующая модельная экстраполяция значения атмосферной дымки в видимую область может приводить к большим ошибкам в последующем определении коэффициента яркости в коротковолновой области. Данные восходящего излучения на 412 и 443 нм, измеренные со спутника, обычно не анализируются вследствие роста ошибок с уменьшением длины волны. Наличие даже приблизительной оценки особенностей отражения света морем на границе диапазона измерений в синей области позволило бы значительно повысить точность атмосферной коррекции в других спектральных каналах. При этом величина коэффициента яркости в синей области не имеет существенного значения, так как она мала по сравнению с общим сигналом. В качестве параметризации предлагается использовать условие постоянства коэффициента яркости на длине волны 412 нм. Выполнение данного условия возможно, если величина показателя обратного рассеяния линейно связана с поглощением на длине волны 412 нм. Это предположение статистически выполняется, по крайней мере, для летнего периода в открытой части Черного моря, что было подтверждено данными Международного подспутникового эксперимента [1]. Наличие статистической связи поглощения и обратного рассеяния может быть вызвано влиянием детрита как на рассеивающие, так и на поглощающие свойства морской воды.
Задачей данной работы является исследование влияния условия постоянства на результаты восстановления концентраций примесей по данным с уровня поверхности. Используемый аналитический метод решения обратных задач имеет большую информативность, поскольку позволяет восстанавливать не только концентрации оптически активных примесей морской воды, но и особенности их спектров поглощения, а также величину обратного рассеяния взвеси для зеленой области спектра.
Коррекция. Используемая коррекция спектров заключалась в приведении значений коэффициента яркости на концах диапазона измерений к постоянным значениям ρ*(400)=с1=0,77%, ρ*(700)=с2=0,03%, которые определялись как средние по всем имеющимся измерениям. Для этого вводилось поправочное слагаемое С(λ), имеющее спектральный ход, соответствующий спектральному поведению света неба:  , (1) где  . (2) Коэффициенты a и b вычислялись для каждого полученного спектра по формулам  ,  , (3) где  ,  . Алгоритм. Для решения обратной задачи восстановления оптических свойств морской воды используется модель коэффициента яркости моря, подробно описанная в [2]:  , (4) где a w(λ) – поглощение чистой морской водой [3] и a* ph(λ) – удельное поглощение пигментов [4] – известные функции длины волны; общая концентрация пигментов фитопланктона С chl, поглощение неживой органикой C ddm и рассеяние взвесью b bp(λ0) – параметры модели. Значение спектрального наклона поглощения неживой органики α принималось равным 0,02 нм-1 по данным [5]. По данным индикатрис рассеяния [1] методом [6] был рассчитан коэффициент k=0,15.
Определение параметров модели производилось путем минимизации выражения как функции каждого параметра. Для концентрации каждой примеси вычисления проводились на том спектральном участке, где ее поглощение проявляется наиболее существенно по сравнению с влиянием других компонентов. Поглощение желтого вещества определяется в синей области спектра (λ1=390 нм, λ2=395 нм), а поглощение пигментов фитопланктона – в области максимума их удельного поглощения (λ1=420 нм, λ2=460 нм). Обратное рассеяние взвесью рассчитывается в диапазоне 460 – 650 нм. Это дает возможность различить спектры поглощения, основываясь на известных общих закономерностях их поведения.
В первом приближении определяется рассеяние взвесью при условии, что остальные параметры модели равны нулю. Далее по найденному значению b bp(λ 0) определяются последовательно концентрация пигментов и поглощение неживой органикой. На их основе определяется новое значение b bp(λ 0). Таким образом, получаем итерационный алгоритм, позволяющий рассчитывать параметры Cddm, b bp(λ 0) и С chl. Для достижения условия остановки  требуется около 10 итераций. Для исследования влияния коррекции на результаты восстановления восстановление концентраций примесей морской воды проводилось как по экспериментальным, так и по скорректированным спектрам коэффициента яркости.
Результаты. Сравнение результатов восстановления при применении коррекции и без нее показано на рис. 1. Влияние коррекции на результаты вос-становления проявляется таким образом, что модельные значения концентраций численно лучше соответствуют биологическим данным, разброс данных относительно линии регрессии становится меньше. Кроме того, снижается чувствительность модели к погрешностям измерений и к изменению входных параметров модели.
На рис. 2 представлены результаты сравнения измеренных спектров коэф-фициента яркости с расчетными, при выполнении коррекции и без нее. Мо-дельные спектры хорошо аппроксимируют экспериментальные данные.
Восстановленные спектры поглощения пигментов фитопланктона (рис. 3) имеют форму, характерную для поглощения хлорофилла. Кроме того, на них присутствуют локальные максимумы на длинах волн 570 нм и 412 нм. Они могут быть объяснены наличием специфических веществ в клетках или в морской воде, так как излучение неба не имеет локальных особенностей на данных участках спектра.
Выводы. Получен алгоритм, позволяющий восстанавливать концентрации пигментов фитопланктона. Восстановленные величины концентраций хорошо коррелируют с экспериментальными данными. Алгоритм устойчив к случайным ошибкам и слабо подвержен влиянию погрешностей модели.
Предлагаемая коррекция экспериментальных данных позволяет повысить устойчивость решения обратной задачи и уменьшить влияние погрешностей измерения на результаты восстановления концентраций примесей морской воды. Применение такого преобразования к спутниковым данным позволит более точно определять вклад моря в измеряемую восходящую яркость системы океан-атмосфера.
Рассчитываемые спектры поглощения пигментов получены при модельных допущениях, и не могут считаться абсолютно достоверными, однако они содержат дополнительную информацию о поглощении морской воды in situ, которую затруднительно получить стандартными методами вследствие малости поглощения.
Информационные источники:
1. Chami M., Shybanov E.B., Khomenko G.A. et al. Spectral variation of the volume scattering function measured over the full range of scattering angles in a coastal environment // Appl. Optics, 2006. – 45, № 15 – Р. 3605 – 3619.
2. Корчемкина Е.Н., Шибанов Е.Б. Метод определения спектрального показателя поглощения фитопланктона по коэффициенту яркости моря // Системы контроля окружающей среды. – Севастополь, МГИ НАН Украины, 2005. – С. 90 – 94.
3. Smith R.C., Baker K.S. Optical properties of clearest natural waters (200 – 800 nm) // Appl. Optics, 1981. – 20, № 2. – Р. 177 – 184.
4. Bricaud A., Babin M., Morel A. et al. Variability in the chlorophyll-specific absorption coefficients of natural phytoplankton: Analysis and parameterization // J. Geophys. Res., 1995. – 100. – P. 13321–13332.
5. Чурилова Т.Я., Берсенева Г.П. Поглощение света фитопланктоном, детритом и растворенным органическим веществом в прибрежном районе Черного моря (июль – август 2002 г.) // Морской гидрофизический журнал, 2004. – №4. – С. 39 – 50.
6. Шибанов Е.Б. Численный метод решения уравнения переноса. Коэффициенты отражения и пропускания оптически тонкого плоскопараллельного слоя // Морской гидрофизический журнал, 2005. – №3. – C 62 – 71. |
