=Paper=
{{Paper
|id=Vol-2033/38_paper
|storemode=property
|title=Исследование динамики параметров качества воды в Обской губе и прилежащем Карском шельфе на основе многолетних спутниковых наблюдений
(Investigation of Water Quality Parameters Dynamics in the Gulf of Ob and the Adjacent Kara Sea Shelf on the Basis of Multi-year Satellite Observations)
|pdfUrl=https://ceur-ws.org/Vol-2033/38_paper.pdf
|volume=Vol-2033
|authors=Nelly M. Kovalevskaya,Vladimir V. Kirillov,Vladimir E. Pavlov,Sergey Myshlyakov,Aleksandra S. Skachkova,Lubov A. Khvorova,Nadezhda A. Kolisnichenko
}}
==Исследование динамики параметров качества воды в Обской губе и прилежащем Карском шельфе на основе многолетних спутниковых наблюдений
(Investigation of Water Quality Parameters Dynamics in the Gulf of Ob and the Adjacent Kara Sea Shelf on the Basis of Multi-year Satellite Observations)==
https://ceur-ws.org/Vol-2033/38_paper.pdf
INVESTIGATION OF WATER QUALITY PARAMETERS DYNAMICS
IN THE GULF OF OB AND THE ADJACENT KARA SEA SHELF
ON THE BASIS OF MULTI-YEAR SATELLITE OBSERVATIONS
Nelly M. Kovalevskaya1, Vladimir V. Kirillov1, Vladimir E. Pavlov1, Sergey G.
Myshlyakov2, Aleksandra S. Skachkova2, Lubov A. Khvorova3, Nadezhda A.
Kolisnichenko3
1
Institute for Water and Environmental Problems SB RAS, Barnaul, Russia
2
Sovzond Company Ltd., Moscow, Russia
3
Altai State University, Barnaul, Russia
Abstract
Fuzzy cluster analysis of water reflectance was applied for MERIS/ENVISAT data (2003-2011).
On this basis, classes of optically complex surface waters of the study area were obtained. By the help of
neural network modeling, the dynamics of concentrations of optically active constituents is presented for
almost a decade. Characteristics of the relative stability of processes associated with chlorophyll,
suspended matter and dissolved organic matter as well as spatial details of the estuary front zone were
found.
Keywords: optically complex waters, satellite data, fuzzy clustering, modeling of water quality
parameters
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ВОДЫ В ОБСКОЙ
ГУБЕ И ПРИЛЕЖАЩЕМ КАРСКОМ ШЕЛЬФЕ НА ОСНОВЕ МНОГОЛЕТНИХ
СПУТНИКОВЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
Ковалевская Н.М.(1), Кириллов В.В.(1), Павлов В.Е.(1), Мышляков С.Г.(2), Скачкова А.С.(2),
Хворова Л.А.(3), Колисниченко Н.А.(3)
1
Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул
2
СОВЗОНД, Москва
3
Алтайский государственный университет, Барнаул
В применении к регулярным временным данным спутника MERIS/ENVISAT (2003-2011) был
использован нечеткий кластерный анализ излучений водных объектов. На этой основе получены
классы оптически сложных поверхностных вод исследуемой акватории. С помощью нейросетевого
моделирования представлена динамика концентраций оптически активных веществ за почти десяти-
летний период. Получены характеристики относительной устойчивости процессов, связанных с хло-
рофиллом, взвешенным веществом и растворенной органикой, а также пространственные детали эсту-
арной фронтальной зоны.
Ключевые слова: оптически сложные воды, спутниковые данные, нечеткая кластеризация, мо-
делирование параметров качества воды.
Введение. Процессы, происходящие в полярных регионах Земли, в настоящее время
привлекают самое пристальное внимание исследователей. Это определяется тем, что полярная
среда и высокоширотные экосистемы особенно чувствительны к действию климатических и
антропогенных факторов, и изменение полярных экосистем может оказывать обратное воз-
действие на климат Земли в целом. Поэтому мировое научное сообщество уделяет особо при-
стальное внимание исследованию полярных регионов.
Оптическое дистанционное зондирование имеет высокий потенциал для получения
крупномасштабных оценок гидрооптических характеристик в арктических регионах. Осо-
бенно важными являются оценка динамики происходящих изменений в структуре и функци-
онировании прибрежных экосистем, наблюдение положения и изменчивости фронтальных
зон и распространения речных стоков.
Наличие спутниковых данных и результатов стандартных алгоритмов их обработки за
продолжительный период времени делает динамические оценки состояния водных экосистем
весьма привлекательными. Некоторые исследования отмечают необычайно высокий рост пер-
вичной продукции в Карском море и море Лаптевых, полученный на основе использования
данных MODIS/Aqua [1]. Однако использование методов дистанционного оптического зонди-
рования для арктических вод связано с определенными трудностями, поскольку воды аркти-
ческих шельфов являются оптически сложными из-за влияния пресных вод речного стока [2].
Речной сток непосредственно влияет на оптические свойства морской воды, поэтому стандарт-
ные NASA-алгоритмы, используемые в сканерах MODIS и SeaWiFS для получения биоопти-
ческих параметров морских вод, оказываются непригодными для арктических вод. В частно-
сти, повышенное поглощения светового потока растворенной органикой в море Бофорта при-
водит к увеличению значений величин коэффициентов поглощения, соответствующих уровню
олиготрофного водоема [3]. В мутных арктических водах поглощение оказывается существен-
ным не из-за высокой концентрации ХЛ, а по причине наличия большого количества ВВ и
растворенной органики. Поэтому стандартные биооптические алгоритмы неэффективны для
арктических шельфов и морей, в том числе для Карского моря и моря Лаптевых [4, 5, 6].
Карское море находится под влиянием самого мощного в Арктике пресноводного стока,
в том числе биогенных элементов [7]. Особенностью исследуемой акватории является также
уникальность Обской губы, объединяющей особенности реки и моря, что обуславливает слож-
ный комплекс гидробиологических процессов.
196
В биоптических исследованиях, выполненных ранее в Карском море, использовались эв-
ристические модели (региональные алгоритмы) для оценки параметров качества воды на ос-
нове спектральных распределений первичных гидрооптических характеристик [4, 5]. К сожа-
лению, количество судовых спектрометрических измерений оказывается крайне малым [5],
поэтому очевидна необходимость развития полуаналитических методов для арктических тер-
риторий. Другие важные ограничения эффективного использования стандартных подходов к
обработке спутниковых данных для арктических вод связаны с облачностью, существенно ли-
митирующей количество доступной спутниковой информации, и низким положением Солнца,
затрудняющим расчет биооптических характеристик. Поэтому Карское море и море Лаптевых
были включены в программу проекта CoastColor/ESA, в которой получили развитие методы
оптического дистанционного зондирования арктических прибрежных вод на основе использо-
вания специальных алгоритмов, учитывающих оптические характеристики арктической океа-
нической атмосферы и повышенный вклад ВВ и РОВ в формирование прибрежной оптической
среды [8].
Целью настоящей работы является исследование пространственно-временных характе-
ристик оптически активных веществ – хлорофилла «а» (ХЛ), взвешенного вещества (ВВ) и
растворенного органического вещества (РОВ) – в Обской губе и на прилежащем мелководном
Карском шельфе, а также обнаружение той устойчивой информации о состоянии исследуемой
акватории, которую предоставляют результаты обработки спутниковых данных за многолет-
ний период.
Несмотря трудности получения качественной спутниковой информации в Арктическом
регионе, были получены регулярные временные ряды MERIS-данных (2003 – 2011), которые
были обработаны в открытой программной среде BEAM-VISAT/ESA на основе метода нечет-
кой кластеризации в яркостном пространстве признаков для получения распределения основ-
ных оптических классов [9] и на основе нейросетевых (НС) алгоритмов для оптически слож-
ных поверхностных вод [8]. Проведенные исследования и обработанная к настоящему вре-
мени часть материалов позволяют говорить о первых результатах:
1. Получены оптические классы вод и представлена динамика изменений модельных зна-
чений оптически активных веществ, а также первичных гидропатических характеристик
за почти десятилетний период.
2. Получены дополнения к схеме летней циркуляции вод в Обском эстуарии и прилежащем
шельфе, которые представляют пространственные детали и уточнения для опубликован-
ные ранее данных.
3. Представлены пространственные детали структуры эстуарной фронтальной зоны в об-
ласти смешения морских и речных вод в Обской губе. Эта зона связана с выклиниванием
пресной воды к поверхности и проникновением соленой воды вглубь Обской губы в при-
донных слоях, а также является границей в распределении высоких «речных» концен-
траций биогенных элементов [4, 5, 7].
4. Выявлены детали межгодовой изменчивости ХЛ, ВВ и РОВ в отдельных частях Обской
губы – устье, средней части, эстуарии и прилежащем шельфе – и Гыданской губе.
Оптическая классификация на основе нечеткой кластеризации. Важным инструмен-
том предварительного анализа снимков оптически сложных вод является классификация яр-
костного пространства признаков на основе нечеткого кластерного анализа излучений водных
объектов [9, 10]. Каждому кластеру соответствует некоторая характеристическая кривая в яр-
костном признаковом пространстве. При этом один и тот же элемент растра i (i=1,N) может
принадлежать нескольким (или всем) кластерам j (j=1, C). Такая нечеткость кластеризации
формализуется через матрицу принадлежности U=(uij), состоящую из уровней принадлежно-
сти uij::
С
uij 1, i 1,..., N .
j 1
197
Рис. 1. Оптические классы (1-9), мутность (FNU), первая оптическая глубина (м): 15.07.2011.
На рис. 1 представлен результат оптической классификации, когда для каждого элемента
выбран один класс (кластер), соответствующий максимальному уровню принадлежности. На
рисунке, практически, отсутствуют классы (1–5) с доминирующим преобладанием фито-
планктона. Высокая мутность большей части исследуемой акватории соответствует 6, 7 и 8-
му классам оптической классификации.
Прозрачность воды относится к числу факторов, определяющих или лимитирующих
продукционную активность фитопланктона. Низкая прозрачность является основной причи-
ной относительно невысокого уровня поверхностной первичной продукции в богатых хлоро-
филлом и биогенными элементами водах Обской губы. При этом основная часть Карского
моря отличается низкой биопродуктивностью, поэтому в районах, не подверженных непосред-
ственному влиянию материкового стока, воды оказываются весьма прозрачными.
Повышение мутности вод в прибрежных зонах, обусловленное эоловым переносом взве-
сей и взмучиванием донных осадков, связано с выносом взвесей речным стоком. Общей ха-
рактерной чертой оптических характеристик этих вод является влияние распространения реч-
ных вод, биологических процессов и гравитационного осаждения взвеси. Однако, большие
градиенты ВВ и РОВ в исследуемой акватории приводят к значительным контрастам прозрач-
ности, связанным с уровнем мутности в устьях Обской, Тазовской и Гыданской губ. В резуль-
тате выноса большого количества ВВ и РОВ с речными водами наблюдаются большие кон-
трасты первой оптической глубины (0.1–11м) и мутности (0.4–89.4 FNU).
Пространственно-временная изменчивость концентраций ХЛ. Концентрация ХЛ –
важнейший параметр для характеристики биомассы фитопланктона и расчета первичной про-
дуктивности океанов и морей, чувствительный индикатор изменений, происходящих с мор-
скими экосистемами. Для изучения продукционных характеристик в Карском море и отдель-
ных его заливах было проведено несколько экспедиций (1981, 1993, 2007, 2010, 2015), которые
помогли получить точечные данные на нескольких доступных разрезах, преимущественно в
осенний период. Оказалось, что Обская губа отличается биологической продуктивностью, яв-
ляющейся самой высокой во всем Карском регионе [4,5].
Результаты НС-моделирования за 2003–2011, часть из которых представлена на рис. 2:
подтвердили предполагаемую зональность распределения концентраций ХЛ, очевидно
связанную с градиентом солености и концентраций биогенных элементов [7], констати-
руя наличие опресненной и фронтальная зон, а также зоны мелководного шельфа;
предоставили устойчивые структуры полей распределения концентраций ХЛ в летний
период;
показали некоторый рост концентраций ХЛ в Обском эстуарии и прилежащем Карском
шельфе (рис. 3).
198
мг/м3 г/м3 1/м
Рис. 2. Концентрации ХЛ (12.07.2005), ВВ (30.07.2010) и коэффициент поглощения РОВ (12.07.2005).
20 60
Концентрация ХЛ, мг/м3
Концентрация ВВ, гр/м3
50
15 y = 2,3x + 21,3
40
10 y = 0,46x + 12,8 30
5 20
10
0
2003
2008
2004
2005
2006
2007
2009
2010
2011
0
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
Эстуарий и прилежащий
Карский шельф Средняя часть Обской губы
Рис. 3. Средние значения концентрации ХЛ и ВВ в Обской губе и шельфе.
Опресненная зона характеризуется самым высоким содержанием ХЛ, что может быть
связано с массовым выносом фитопланктона с речными водами и высокой мутностью. Мак-
симальные модельные концентрации ХЛ в опресненной зоне соответствуют области слияния
вод Обской губы и вод Тазовской губы, которая получает преобладающую часть загрязняю-
щих веществ в связи с развитием на ее водосборе нефтегазового комплекса. Содержание ХЛ
во фронтальной зоне значительно ниже, чем в речной области. Но структура полей концентра-
ций ХЛ в этой зоне может характеризоваться крайней сложностью при динамическом измене-
нии размеров самой фронтальной зоны.
Пространственно-временная изменчивость концентраций ВВ и коэффициентов по-
глощения РОВ. Исследование ВВ разнообразного происхождения представляет существен-
ный интерес для изучения процессов современного осадконакопления. Основные характери-
стики взвеси формируются в результате жизнедеятельности морских организмов и поступле-
ния минерального вещества [11].
Максимальные значения модельных концентраций ВВ наблюдаются в устье Обской, Та-
зовской и Гыданской губ. Для каждого из этих заливов существует свой рубеж, или фронталь-
ная зона (рис. 2), где скорость потока речных вод замедляется, и основная масса взвешенных
199
частиц, особенно ее крупные фракции, выпадает на дно [11]. За пределами этих фронтальных
зон поля концентрации взвеси принимают существенно более низкие значения.
Значения коэффициента поглощения РОВ по всей акватории распределены достаточно
неравномерно, что соответствует результатам проводимых ранее исследований [12]. Макси-
мальные значения коэффициента поглощения РОВ соответствуют участкам вод основного по-
тока поступающей речной воды с Обского, Тазовского и Гыданского водосборов. При этом,
основные особенности сосредоточены в районе смешения обских и Тазовских вод. Район впа-
дения Тазовских вод характеризуется наиболее низкими значениями коэффициента поглоще-
ния. Эти величины РОВ в зоне перемешивания у западного берега представлены на рис. 2.
Они простираются в северном направлении на несколько километров. При этом более холод-
ные и более плотные воды Тазовской губы вдоль правого берега врезаются в относительно
теплый обской поток, создавая область возмущения.
Исследование динамики модельных значений (2003–2011) показало, что концентрации
ВВ (рис. 3) и коэффициенты поглощения РОВ имеют одинаковую тенденцию к некоторому
возрастанию в устье и средней части Обской губы, а также в Гыданской губе.
Выводы. Продемонстрированы возможности развития биооптических методов дистан-
ционного зондирования в арктической акватории за почти десятилетний период времени.
Дополнительного исследования требует тот факт, что распределения концентраций ХЛ
и ВВ аппроксимируются логонормальной функцией, а функции распределения РОВ носят би-
модальный характер. Но, несмотря на большую изменчивость процессов в изучаемом регионе,
получены характеристики их относительной устойчивости, связанные с оптически активными
веществами. Можно предполагать, что в соответствующий период эта акватория справлялась
с антропогенным и климатическим воздействием.
Следует отметить, что исследуемой территории грозит активное воздействие: с пресно-
водным стоком на Карский шельф выносится более 150 млн.т аллохтонного вещества, вклю-
чая широкий спектр загрязнений; в регионе в сильной степени выражена характерная для Арк-
тики в последние десятилетия деградация летнего ледового покрова; на шельфе и в прибреж-
ной зоне моря разведаны огромные запасы газоконденсата и нефти. Крупнейшие радиоактив-
ные могильники в заливах восточного берега Новой Земли и Новоземельской впадине делают
Карское море сосредоточением колоссальных накопленных экологических рисков.
Все вышесказанное подчеркивает крайнюю важность регулярных спутниковых наблю-
дений и развития представленных методов с целью осуществление эффективного контроля
качества вод в арктических акваториях.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 16-45-890664).
ЛИТЕРАТУРА
[1] Frey K.E., Comiso J.C., Cooper L.W., Gradinger R.R., Grebmeier J.M., Saitoh S.I. & Tremblay
J.É. (2014). Arctic Ocean Primary Productivity, Arctic Report Card 2014. http://www.arc-
tic.noaa.gov/reportcard.
[2] Remote Sensing of Ocean Colour in Coastal, and Other Optically-Complex, Waters. IOCCG
Report Number 3, 2000. www.ioccg.org/reports/report3.pdf.
[3] Antoine D., Hooker S.B., B´elanger S., Matsuoka A., Babin M. Apparent optical properties of
the Canadian Beaufort Sea: Part 1: Observational overview and water column relationships.
Biogeosciences, European Geosciences Union. 2013. №10 (7). P.4493-4509.
[4] Буренков В.И., Гольдин Ю.А., Артемьев В.А., Шеберстов С.В. Оптические характери-
стики вод Карского моря по судовым и спутниковым наблюдениям // Океанология. 2010.
Т. 50. № 5. С. 716-729.
[5] Кузнецова О.А., Копелевич О.В., Шеберстов С.В., Буренков В.И., Мошаров С.А, Деми-
дов А.Б. Оценка концентрации хлорофилла в Карском море по данным спутникового
сканера MODIS-Aqua // Исследование Земли из космоса. 2013. № 5. С. 21-31.
200
[6] Heim, B., Abramova, E., Doerffer, R., Günther, F., Hölemann, J., Kraberg, A., Lantuit, H.,
Loginova, A., Martynov, F., Overduin, P.P., and Wegner, C.: Ocean colour remote sensing in
the southern Laptev Sea: evaluation and applications, Biogeosciences. 2014. №11. P. 4191-
4210, doi:10.5194/bg-11-4191-2014.
[7] Суханова И.Н. и др. Структура сообществ фитопланктона и первичная продукция в об-
ском эстуарии и на прилежащем карском шельфе // Океанология. 2010. Т. 50, № 5.
С. 785-800.
[8] Ruddick et al. The Coast Colour project regional algorithm round robin exercise.
http://www.coastcolour.org/publications/7858-6.pdf.
[9] Ерлов Н.Г. Оптика моря. Л.: Гидрометиздат. 1980. 248 с.
[10] Moore T.S, Dowell M.D, Bradt S., Verdu A.R. An optical water type framework for selecting
and blending retrievals from bio-optical algorithms in lakes and coastal waters // Remote sens-
ing of environment. 2014. 143:97-111. doi:10.1016/j.rse.2013.11.021.
[11] Буренков В.И, Гольдин Ю.А, Кравчишина М.Д. Распределение концентрации взвеси в
Карском море в сентябре 2007 г. по судовым и спутниковым данным // Океанология.
2010. Т. 50. № 5. С. 842-849.
[12] Агатова А.И, Лапина Н.М., Торгунова Н.И. Пространственно-временная изменчивость
органического вещества и скоростей его трансформации в Обской губе // Океанология.
2013. Т. 53. № 2. С. 175-191.
201