Spectral Reflectance Coefficient, Color Characteristics and Relative Transparency of the Black Sea Waters in Spring, 2019 and 2021: Comparative Variability and Empirical Relationships

全文:

Введение

В Морском гидрофизическом институте РАН накоплен и постоянно по-полняется массив данных измерений оптических параметров вод моря, таких как спектральный коэффициент яркости толщи вод, показатель ослабления направленного света, глубина видимости белого диска (относительная про-зрачность) и др. Анализ этих данных дает хорошую возможность для иссле-дования изменчивости прежде всего спектрального коэффициента яркости – основного параметра, измеряемого как контактными методами, так и дистан-ционно, а также цветовых характеристик воды и связей с другими биооп-тическими параметрами.

Разные районы Мирового океана различаются видимым цветом вод, который может меняться от насыщенно синего до почти коричневого. Изме-нение цвета обусловлено содержанием в воде примесей различного происхож-дения. Спектр коэффициента яркости и его форма несут в себе информацию о цветовых характеристиках вод.

Первой океанологической характеристикой цвета воды была шкала Форе-ля – Уле ¹ с номерами пробирок различного цвета. Результат использования этой цветовой шкалы может быть в некоторой степени субъективным, так как цвет определяется визуально. Для объективной оценки цвета воды исполь-зуются параметры, в математической форме представляющие цвет на основе трехкомпонентной теории цветового зрения человека: цветовые координаты и угол цветности, доминирующая длина волны и чистота цвета ² [1, 2].

В настоящей работе представлены данные измерений спектрального коэф-фициента яркости (КЯ) толщи вод и глубины видимости белого диска, полу-ченные в 2019 и 2021 гг. в экспедициях по северной и северо-восточной частям Черного моря. Целью работы является анализ пространственной изменчивости коэффициента яркости по натурным данным, а также получение эмпирических связей цветовых и биооптических характеристик и сравнение их с литератур-ными данными. Работа является в некоторой степени продолжением статьи [3] авторов, поскольку в 2021 г. были получены новые данные контактных опти-ческих измерений в том же районе моря и в тот же период года. Это позволило провести сравнительный анализ изменчивости коэффициента яркости и цвето-вых характеристик вод Черного моря, а также установить новые эмпирические зависимости и уточнить полученные ранее.

Использование эмпирических формул связи между изучаемыми парамет-рами является простым способом моделирования в случае, когда физический характер связи не важен. Эмпирические связи между гидрооптическими харак-теристиками обладают региональным и сезонным характером и при правиль-ном выборе условий и диапазонов изменчивости исследуемых параметров дают удовлетворительный результат. Поскольку цветовые характеристики морской воды просты в определении, связи между ними и биооптическими параметрами применяются давно ³. Они применяются в составе эмпирических и полуаналитических алгоритмов [4] для комплексной оценки гидрооптичес-ких характеристик морской воды. С учетом определенных поправок [5] цвето-вые характеристики могут вычисляться по спутниковым измерениям, что рас-ширяет их область применения.

 

Материалы и методы

В настоящей работе рассматриваются данные измерений спектрального коэффициента яркости (КЯ) толщи вод и глубины видимости белого диска, полученные в ходе экспедиций НИС «Профессор Водяницкий» весной 2019 и 2021 гг. по Черному морю. Съемка выполнена в северной и северо-восточной частях Черного моря (42,5° – 45,8° с. ш.; 31,5° – 39,8° в. д.) 18.04.2019–13.05.2019 (106-й рейс) и 22.04.2021–08.05.2021 (116-й рейс). Измерения спектрального коэффициента яркости проводились с борта судна спектрофо-тометром, разработанным в отделе оптики и биофизики моря Морского гидро-физического института РАН [6]. Глубина видимости белого диска (относи-тельная прозрачность) определялась по стандартной методике ⁴.

По измеренным спектрам коэффициента яркости рассчитаны следующие цветовые характеристики: доминирующая длина волны в спектре излучения моря, чистота цвета воды, угол цветности.

Количественной оценкой цвета воды является доминирующая длина волны λ_dom в спектре излучения моря ². Она основана на колориметрической системе X, Y, Z (рис. 1), в которой координаты цветности x, y, z рассчитываются по формулам

$X={\int }_{400}^{700}{R}_{\text{rs}}\left(\text{λ}\right)\overline{x}\left(\text{λ}\right)d\text{λ}; x=X/\left(X+Y+Z\right);$

$Y={\int }_{400}^{700}{R}_{\text{rs}}\left(\text{λ}\right)\overline{y}\left(\text{λ}\right)d\text{λ}; y=Y/\left(X+Y+Z\right);$

$Z={\int }_{400}^{700}{R}_{\text{rs}}\left(\text{λ}\right)\overline{z}\left(\text{λ}\right)d\text{λ}; z=Z/\left(X+Y+Z\right);$

где $\overline{x}\left(\text{λ}\right)$, $\overline{y}\left(\text{λ}\right)$, $\overline{z}\left(\text{λ}\right)$– функции спектральной чувствительности человеческого глаза. Величина λ_dom равна длине волны монохроматического излучения (его называют доминирующим), которое надо смешать в определенной пропорции с белым излучением, чтобы получить видимый цвет моря (рис. 1).

Чистота цвета воды Р представляет собой пропорцию (в процентах), в которой необходимо смешать монохроматическое излучение (доминирующая длина волны) с белым излучением, чтобы получить видимый цвет моря. Чистота цвета воды связана с ее прозрачностью: высокопрозрачные воды характеризуются высокой чистотой цвета, в мутных водах чистота цвета низкая [3]. Величина Р определяется отношением двух коллинеарных расстояний Р = Eλ_d/EА (рис. 1, снизу).

 

Рис.1. Функции спектральной чувствительности для стандартного наблюдателя согласно CIE 1931 [1] (сверху); цветовой треугольник в координатах x, y 6 (снизу): точка E – белый цвет; точки А и В – некоторые произвольные цвета; λd – положение доминирующей длины волны

Fig.1. Spectral sensitivity functions for a standard observer according to CIE 1931 ⁵ [1] (top); color triangle in x, y coordinates ⁶ (bottom): point E is the white color; points A and B are some arbitrary colors; λ_d is the position of dominant wavelength

 

Для любой заданной точки (x, y) на диаграмме цветности значение угла цветности a определяется как значение угла (в градусах) между отрезком, соединяющим «белую точку» с заданной точкой (x, y), и осью X [2]. То есть угол цветности a (в градусах) определяется выражением

$\alpha =\left(180/\pi \right)(\text{arctg}\left(\left(y–y_{\text{w}}\right)/\left(x–x_{\text{w}}\right)\right)\text{mod \hspace{0.17em}}2\pi ,$

где  $x_{\text{w}}=y_{\text{w}}=1/3$– координаты точки белого цвета на диаграмме цветности (рис. 1, снизу). Сине-зеленому и синему цвету соответствуют углы цветности, превышающие 180°. Со смещением доминирующей длины волны в длинно-волновую область угол цветности уменьшается (рис. 2).

 

Рис.2. Диаграмма цветности, показывающая соответствие угла оттенка цвета α точке белого цвета (xw, yw) шкалы цветов FU (Фореля – Уле). Доминирующая длина волны конкретного сегмента указана в нанометрах [2, c. 25667]

Fig.2. Chromaticity diagram showing the correspondence of colour hue angle α to the white point (x_w, y_w) of the FU scale of colours. The dominant wavelength of the specific segment is indicated in nm [2, p. 25667]

 

В работе рассчитываются показатели поглощения растворенным органи-ческим веществом и рассеяния назад частицами взвешенного вещества с использованием полуаналитического алгоритма [6], в котором спектр коэф-фициента яркости имеет вид

$R_{rs}\left(\lambda \right)=k\frac{b_{bw}\left(\lambda \right)+b_{bp}\left(550\right){\left(550/\lambda \right)}^{\nu }}{a_w\left(\lambda \right)+C_{ph}{a}_{ph}^{*}\left(\lambda \right)+a_{org}\left(440\right){\mathrm{e}}^{-S(\lambda -440)}}$,

где $k=\mathrm{0,15}$; $b_{bw}\left(\text{λ}\right)$ – показатель рассеяния назад чистой водой [7];  $a_w\left(\text{λ}\right)$– показатель поглощения чистой водой [8];  $a_{ph}^{*}\left(\text{λ}\right)$– спектр удельного поглощения пигментами фитопланктона (нормированный на концентрацию хлорофилла а) [9]; ν = 1 – спектральный наклон рассеяния назад, зависящий от размера частиц ⁷; S = 0,018 – спектральный наклон показателя поглощения света растворенным органическим веществом [10];  $b_{bp}\left(550\right)$– показатель рассеяния назад частицами взвеси на длине волны 550 нм;  $C_{ph}$– концентрация пигментов фитопланктона и  $a_{org}\left(440\right)$– показатель поглощения растворенным органическим веществом на длине волны 440 нм.

Сравнительная изменчивость коэффициента яркости и цветовых характеристик

Оптические экспедиционные измерения выполнены за аналогичные ве-сенние периоды 2019 и 2021 гг., что позволяет провести анализ изменчивости коэффициента яркости и цветовых характеристик вод моря.

 

Рис.3. Распределение спектральных максимумов коэффициента яркости: а – в 2019 г.; b – в 2021 г. Черными точками показаны станции измерения спектров коэффициента яркости

Fig.3. Distribution of the reflectance coefficient spectral maxima: a – in 2019; b – in 2021. Black dots show the stations where reflectance measurements were made

 

В 2019 г. спектры коэффициента яркости водной толщи были получены на 89 станциях, в 2021 г. – на 68. Распределение максимумов коэффициента яркости вод по данным экспедиций показано на рис. 3. Для дальнейшего анализа в исследуемой области было выделено четыре района:

1) северо-западный шельф (только в 2019 г.),

2) прибрежная зона Крыма с глубинами до 200 м,

3) прибрежная зона Кавказа с глубинами до 1000 м,

4) центральная глубоководная часть.

Следует отметить, что разделение на районы выполнено иначе, чем в статье [3]. У Кавказского побережья шельфовая зона с глубинами до 200 м простирается на 5–6 км от берега, причем речные плюмы распространяются дальше ее. Поэтому как границу прибрежной зоны выбрали изобату 1000 м, располагающуюся в среднем на расстоянии 15 км от берега. В предыдущей статье выделялась «восточная часть» (область восточнее 37° в. д.). В настоя-щей работе часть этой области вошла в «центральную глубоководную часть».

Средние спектры коэффициента яркости для выделенных районов представлены на рис. 4. Осредненные по набору станций соответствующего района измеренные и расчетные оптические характеристики вод моря приведены в таблице.

 

Рис.4. Средние по районам спектры КЯ и их среднеквадратическое отклонение (показано штриховкой) по данным измерений в 2019 и 2021 гг.

Fig.4. Rrs spectra averaged over the regions and their standard deviation (shown by shading) based on the measurement data obtained in 2019 and 2021

 

Глубина видимости белого диска (Z_d, м), КЯ и его характеристики

Secchi disk depth (Z_d, m), Rrs and its characteristics

Район / Region	Zd, м / Zd, m	ρmax	λmax, нм / λmax, nm	λdom, нм / λdom, nm	P, %	α, °
2019
Северо-западный шельф / Northwestern shelf	12 ± 3	0,012 ± 0,004	485 ± 9	489 ± 2	38 ± 3	192 ± 7
Прибрежная зона Крыма / Coastal zone of Crimea	8 ± 3	0,021 ± 0,009	491 ± 6	491 ± 4	35 ± 7	192 ± 16
Центральная глубоководная часть / Central deep-sea part	13 ± 4	0,014 ± 0,004	482 ± 7	485 ± 2	45 ± 6	203 ± 9
Прибрежная зона Кавказа / Coastal zone of the Caucasus	6 ± 2	0,039 ± 0,009	486 ± 6	489 ± 3	35 ± 7	185 ± 10
2021
Прибрежная зона Крыма / Coastal zone of Crimea	8 ± 2	0,032 ± 0,008	492 ± 5	490 ± 2	36 ± 6	187 ± 7
Центральная глубоководная часть / Central deep-sea part	7 ± 1	0,032 ± 0,005	491 ± 6	490 ± 2	36 ± 4	187 ± 8
Прибрежная зона Кавказа / Coastal zone of the Caucasus	4 ± 1	0,040 ± 0,005	503 ± 12	495 ± 6	26 ± 7	155 ± 20

Примечания: ρ_max – спектральный максимум КЯ; λ_max – соответствующая ему длина волны (нм); λ_dom – доминирующая длины волн (нм); P – чистота цвета (%); α – угол цветности (°). Приведены средние по районам значения ± среднеквадратические отклонения по всему ансамблю измерений.

Note: ρ_max is the Rrs spectral maximum; λ_max is the corresponding wavelength (nm); λ_dom is the dominant wavelength (nm); P is color purity (%); α is the hue angle (°). The region-averaged values are given, ± standard deviations over the whole ensemble of measurements.

 

КЯ в 2019 г. изменяется значительно: от 0,005…0,01 (в спектральном максимуме) в районе северо-западного шельфа и в центральной глубоководной части до 0,03…0,05 в прибрежных зонах Крыма и Кавказа (рис. 4). Форма всех спектров КЯ является характерной для вод Черного моря. Небольшие различия наблюдаются в расположении максимума КЯ. Он находится в окрестности 480 нм в центральной глубоководной части и на северо-западном шельфе и в окрестности 490 нм в прибрежной зоне Крыма. Форма спектра КЯ отличается для вод в районе Сочи, где был зафиксирован плюм из-за стока реки Мзымты. Здесь максимум спектра КЯ смещен в сторону длинных волн до 497 нм.

В 2021 г. значения КЯ изменялись незначительно во всей области исследования. Различие между глубоководной и прибрежными частями как по форме спектров, так и по величинам КЯ практически отсутствовало. Исключение составили значения КЯ в районе Феодосийского залива. Разброс максимальных значений наблюдался от 0,05 в заливе до 0,02 на шельфе за пределами залива. Вдоль Кавказского побережья также зафиксированы наибольшие значения КЯ, обусловленные речным стоком – известным источником поступления взвешенных веществ. В целом значения КЯ в 2021 г. были выше, чем в 2019 г.

Наблюдения за глубиной видимости белого диска Z_d выполнены для 69 станций в 2019 г. и для 48 станций в 2021 г. В 2019 г. наблюдающийся разброс значений составил от 4 м в плюме возле Кавказского побережья до 23 м в глубоководной части Черного моря. В 2021 г. разброс составил от 5 до 12 м как в глубоководной части моря, так и в прибрежной зоне Крыма, что соответствует наблюдающейся низкой изменчивости КЯ.

По данным всех измерений спектров коэффициента яркости, диапазон изменчивости значений доминирующей длины волны в 2019 г. составил 482–496 нм. Согласно диаграмме цветности (см. рис. 2), в диапазоне длин волн 480–490 нм цвет характеризуется как голубой, в диапазоне 490–500 нм – голубовато-зеленый. Смещение цвета в сторону длинных волн оценочно соответствует повышению содержания органических веществ в воде.

Расчетные значения чистоты цвета в 2019 г. изменялись от 24 до 56 %. Низкие значения, т. е. более мутные воды, наблюдались в плюме возле Сочи, в районе Ялты и Феодосии, а также в области 33° в. д., 44° с. ш. На данных станциях, по визуальным оценкам, воды имели более зеленоватый оттенок, чем воды остальной части полигона. Высокие значения чистоты цвета получены для восточной части глубоководной области.

В 2021 г. диапазон изменчивости значений доминирующей длины волны составил 486–509 нм. Воды с зеленоватым оттенком наблюдались в прибрежной зоне у Кавказского побережья, в которой также зарегистрированы низкие значения чистоты цвета (Р = 13 %). Высокие значения (до 47 %), как и в 2019 г., отмечены в глубоководной части.

Анализ метеорологических данных показал, что погодные условия в 2019 г. были более теплые (температура воздуха в среднем выше на ~ 2 °С и более 0 °С в январе – марте) и отличались меньшим количеством осадков, чем в 2021 г. Различие в климатических условиях отразилось на особенностях формирования полей гидрооптических характеристик. Несмотря на одинаковые календарные периоды проведения оптических измерений, картина распределения КЯ различается. В 2019 г. наблюдалось более типичное для весеннего периода распределение КЯ, тогда как в 2021 г. наблюдаемое распределение было более характерно для местной климатической зимы. Данная ситуация подтверждается распределениями концентрации хлорофилла а и общего взвешенного вещества, полученными в результате экспедиционных измерений. По данным биологических определений, концентрация хлорофилла а была в среднем в 2–4 раза выше в 2021 г., что говорит о продолжающемся зимне-весеннем развитии фитопланктонных сообществ. Такая особенность сезонной динамики фитопланктона присуща открытым водам Черного моря и наблюдается обычно с января по март [11, 12]. При этом в годы с холодными зимами, величина биомассы и продолжительность развития фитопланктона выше, чем в годы с теплыми зимами [11].

Эмпирические связи цветовых характеристик коэффициента яркости

Ранее в нашей работе [3] были получены эмпирические соотношения для глубины видимости белого диска, спектрального максимума КЯ и доминирующей длины волны. Полученные в 2021 г. новые натурные данные позволяют уточнить указанные взаимосвязи, поскольку измерения выполнены тем же прибором по той же методике в аналогичных районах и в одинаковые периоды года.

Для всей совокупности данных за 2019 и 2021 гг. уравнения связи между глубиной видимости белого диска Z_d и значениями коэффициента яркости в максимуме ρ_max и доминирующей длиной волны λ_dom имеют вид (рис. 5)

${\text{lnρ}}_{\text{max}}=-\mathrm{1,08}\text{ln}{Z}_d-\mathrm{1,59};R=\mathrm{0,82}$,

${\text{lnλ}}_{\text{dom}}=-\mathrm{0,014}\text{ln}{Z}_d+\mathrm{6,22};R=\mathrm{0,73}$.

 

Рис.5. Связь глубины видимости белого диска со спектральным максимумом коэффициента яркости (слева) и доминирующей длиной волны (справа). Сплошная линия – по данным кон-тактных измерений 2019 и 2021 гг., штриховая линия – по формуле связи из работы [13]

Fig.5. Relationship between the Secchi disk depth and the reflectance coefficient spectral maximum (left) as well as the dominant wavelength (right). Solid line is the approximation of contact measurements in 2019 and 2021, dashed line is the relation equation from [13]

 

В работе [13] по измерениям в водах Тропической Атлантики получена формула связи λ_dom = f(Z_d) для значений Z_d в диапазоне 10–41 м:

${\text{lnλ}}_{\text{dom}}=-\mathrm{0,032}\text{ln}{Z}_d+\mathrm{6,27};R=\mathrm{0,99}$.

Соответствующая связь показана штриховой линией на рис. 5, справа. Эту формулу в работе [13] рекомендовано использовать при оценке λ_dom в различных водах для значений Z_d в пределах 5–41 м. Однако, по рассматриваемым данным контактных измерений 2019 и 2021 гг., существует различие между эмпирическими соотношениями, предлагаемыми в [13] и полученными нами. Расхождение кривых объясняется разной концентрацией во взвеси мелких частиц (радиусы менее 1 мкм) в Черном море и в тропических водах Атлантического океана. Согласно работе [14], чем выше концентрация мелкой взвеси, тем, при равных условиях освещения моря и показателя ослабления света водой, меньше глубина видимости белого диска. По данным справочника ³ и работы [15], концентрация мелких частиц в Черном море в 5–6 раз выше, чем в тропических водах Атлантического океана, соответственно значения Z_d ниже.

Пересечение кривых λ_dom = f(Z_d) при Z_d = 20 м (рис. 5, справа) можно объяснить следующим образом. Концентрация мелкой взвеси в море уменьшается от прибрежных районов, где она максимальна, к центральным районам вследствие постепенного выпадения мелкой взвеси в осадок. В районах с Z_d = 20 м концентрация мелкой взвеси была такой же, как и в водах Тропической Атлантики.

Между значениями глубины видимости белого диска Z_d и чистотой цвета Р наблюдается прямая корреляционная зависимость (рис. 6, слева):

$\text{ln}P=\mathrm{0,42}\text{ln}{Z}_{\text{d}}-\mathrm{1,89};R=\mathrm{0,79}$.

 

Рис.6. Связь чистоты цвета с глубиной видимости белого диска (слева) и доминирующей длиной волны (справа). Сплошная линия – по данным контактных измерений 2019 и 2021 гг., штриховая линия – по формуле связи из работы [13]

Fig.6. Relationship between the color purity and the Secchi disk depth (left) as well as the dominant wavelength (right). Solid line is the approximation of contact measurements in 2019 and 2021, dashed line is the relation equation from [13]

 

Обратная зависимость наблюдается между чистотой цвета Р и доминирующей длиной волны λ_dom (рис. 6, справа). Соответствующее уравнение связи:

$\text{ln}P=\mathrm{0,04}-\mathrm{26,02}\ln \left(\frac{{\text{λ}}_{\text{d}}}{531}\right);R=\mathrm{0,91.}$

В работе [13] cвязь чистоты цвета воды с относительной прозрачностью Р = f(Z_d), по измерениям спектров яркости вод в Тропической Атлантике (Z_d = = 10…41 м) и в Черном море (Z_d = 3…16 м), выражается формулой

$\text{ln}P=\mathrm{0,82}\text{ln}{Z}_{\text{d}}+\mathrm{1,34};R=\mathrm{0,98}$,

а связь чистоты цвета с доминирующей длиной волны формулой

$\text{ln}P=\mathrm{1,34}-\mathrm{25,63}\text{ln}\left({\text{λ}}_{\text{d}}/531\right).$

Для вод Атлантического океана при значениях глубины видимости белого диска Z_d, превышающих 10 м, соответствующая часть линии взаимосвязи Р = f(Z_d) из [13], показанной штриховой линией (рис. 6, слева), приближается к зависимости, полученной в нашем исследовании. В диапазоне значений глубины видимости белого диска Z_d 3–23 м, наблюдающихся по данным измерений в 2019 и 2021 гг., линия связи из работы [13] лежит ниже полученной нами. Различие обусловлено тем, что формула связи в [13] получена в основном по данным измерений КЯ в Атлантическом океане, а для вод Черного моря использовано менее десяти значений из работы [16, с. 66]. Это объясняется также разным соотношением содержания в воде взвешенных крупных органических частиц и мелких частиц в основном минерального происхождения. Так, при одинаковой глубине видимости белого диска Z_d значения чистоты цвета могут различаться, и наоборот. Например, в нашем исследовании чистота цвета воды изменялась от Р = 13 % при Z_d = 3 м до Р = 50 % при Z_d = 23 м. Наблюдались ситуации, когда значения чистоты цвета были немного выше (55 %), но при этом относительная прозрачность была меньше (Z_d = 10…13 м).

На графике рис. 6, слева хорошо видно различие между расположением наборов точек для двух экспедиций. В 2021 г. (красные точки) концентрация органических частиц взвеси выше, чем в 2019 г. (синие точки), из-за продолжающегося зимне-весеннего развития фитопланктона, что отражается в значениях чистоты цвета – они ниже. При наличии данных о составе и численности фитопланктонного сообщества данный вид связи Р = f(Z_d), предположительно, можно использовать для оценки биооптического состояния вод Черного моря.

В Черном море цвет морской воды определяется главным образом растворенным и взвешенным органическим веществом, увеличение поглощения света органикой в коротковолновом участке спектра приводит к смещению максимума КЯ и, вследствие этого, доминирующей длины волны в сторону длинных волн. Угол цветности является некоторой функцией доминирующей длины волны и, следовательно, связан с поглощением органическим веществом.

В работе [17] получена зависимость между показателем поглощения растворенным органическим веществом a_org и углом цветности a. Она представляет собой полином 3-й степени:

$\log \left({\text{α}}_{\text{org}}\left(440\right)\right)=-\mathrm{7,406}·{10}^{-7}{\text{α}}^3+\mathrm{2,999}·{10}^{-4}{\text{α}}^2-\mathrm{0,04493}\text{α}+\mathrm{1,984};R=\mathrm{0,96.}$

Уравнение получено для различных вод Мирового океана для широкого диапазона изменчивости угла цветности от 50° до 225°. Оно может использоваться и для вод типа 2 (в соответствии с классификацией А. Мореля и Л. Приера [18]) с большим содержанием растворенных органических веществ и взвешенных веществ. Значение угла цветности определяется по дистанционно измеренному коэффициенту яркости моря Rrs.

Натурные данные в нашем исследовании имеют гораздо меньший разброс значений угла цветности от 150° до 215° (исключение – одна точка, где угол цветности равен 127°). Поэтому корреляция величин a_org и a менее значима, а аппроксимация их зависимости полиномом, как в работе [18], не существенно отличается от линейной (рис. 7, слева) и имеет вид

${\text{α}}_{\text{org}}\left(440\right)=-\mathrm{0,001}\text{α}+\mathrm{0,243};R=\mathrm{0,70.}$

 

Рис.7. Связь угла цветности с показателями поглощения растворенным органическим веще-ством (слева) и рассеяния назад частицами взвешенного вещества (справа)

Fig.7. Relationship between the chromaticity angle and the absorption by dissolved organic matter (left) as well as the suspended particles backscattering (right)

 

Между рассеянием назад частицами взвешенного вещества и углом цветности также наблюдается корреляция. Ее можно объяснить несколькими причинами. Во-первых, взвешенное органическое вещество не только поглощает, но и рассеивает свет, то есть воды, богатые органикой, будут иметь бóльший показатель рассеяния назад взвесью. Кроме того, прибрежные воды могут содержать повышенное количество растворенного органического вещества и минеральной взвеси, что обусловлено стоками с суши.

Аппроксимация связи рассеяния назад частицами взвешенного вещества b_bp и угла цветности a в водах Черного моря также представляется в виде линейной зависимости (рис. 7, справа)

$b_{\text{bp}}\left(550\right)=-\mathrm{2,8}·{10}^{-4}\text{α}+\mathrm{0,062};R=\mathrm{0,77.}$

Данные эмпирические соотношения могут быть использованы для расчета первичных оптических величин в водах Черного моря: показателя поглощения растворенным органическим веществом и показателя рассеяния назад частицами взвешенного вещества. Значения угла цветности, в свою очередь, могут быть рассчитаны по оптическим данным дистанционного зондирования моря, если отсутствуют данные контактных измерений спектрального коэффициента яркости.

 

Заключение

Рассмотрены данные измерений спектрального коэффициента яркости толщи вод и глубины видимости белого диска, полученные в ходе экспедиций в северной и северо-восточной частях Черного моря 18.04.2019–13.05.2019 и 22.04.2021–08.05.2021. Анализ изменчивости коэффициента яркости и его цветовых характеристик за аналогичные весенние периоды 2019 и 2021 гг. показал следующее. Все спектры КЯ имеют сходную, характерную для вод Черного моря форму. В 2019 г. наблюдается высокая изменчивость КЯ. Самые низкие значения зафиксированы на северо-западном шельфе и в центральной глубоководной части полигона. Повышенные значения наблюдались в прибрежных зонах Крыма и Кавказа. В 2021 г. в исследуемой области изменчивость КЯ сравнительно низкая. Различие между глубоководной и прибрежной частями по значениям практически отсутствовало. В целом значения КЯ и его цветовых характеристик в 2021 г. выше, чем в 2019 г. Значения цветовых характеристик вод моря соответствуют в основном голубовато-зеленому цвету на диаграмме цветности.

Предшествующие погодные условия в 2019 г. были более теплыми и отличались меньшим количеством осадков, чем в 2021 г. В 2019 г. наблюдалось более типичное для второй половины весны распределение КЯ, 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 эмпирические зависимости между глубиной видимости белого диска и спектральным максимумом коэффициента яркости, доминирующей длиной волны и чистотой цвета. Тесная корреляция наблюдается между чистотой цвета и доминирующей длиной волны. Полученные эмпирические связи позволяют классифицировать спектры КЯ и упростить такие подходы, как, например, кластерный анализ.

Для расчета первичных оптических величин в водах Черного моря впервые получены эмпирические соотношения угла цветности с показателем поглощения растворенным органическим веществом и с показателем рассеяния назад частицами взвешенного вещества. Значения угла цветности могут быть рассчитаны по данным дистанционного зондирования коэффициента яркости моря, если отсутствуют данные его контактных измерений. В дальнейшем планируется выполнить расчеты угла цветности по спутниковым данным с использованием регионального алгоритма атмосферной коррекции для Черного моря и провести сопоставление со значениями угла цветности, полученными в этой работе по данным контактных измерений спектрального КЯ.

 

¹ Ерлов Н. Г. Оптика моря. Ленинград : Гидрометеоиздат, 1980. С. 181–191.

² Шифрин К. С. Глубина видимости белого диска и цвет моря // Введение в оптику океана. Ленинград : Гидрометеоиздат, 1983. C. 23–30.

³ Маньковский В. И., Соловьев М. В., Маньковская Е. В. Гидрооптические характеристики Черного моря. Справочник. Севастополь : МГИ НАН Украины, 2009. С. 40–41.

⁴ Определение относительной прозрачности и цвета морской воды // Руководство по гидрологическим работам в океанах и морях. Ленинград : Гидрометеоиздат, 1977. C. 299–303.

⁵ URL: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/87/CIE1931_XYZCMF.png (дата обращения: 23.01.2023).

⁶ Ларионова Е. В. Физические основы цвета. СПб., 2013. С. 113.

⁷ Оптика океана : [В 2-х т.] / [Отв. ред. А. С. Монин]. Москва : Наука, 1983.

作者简介

Elena Korchemkina

Marine Hydrophysical Institute, Russian Academy of Sciences

Email: korchemkina@mhi-ras.ru
ORCID iD: 0000-0003-0526-4083
SPIN 代码: 9973-4657
Scopus 作者 ID: 23004799100
Researcher ID: I‑1595–2015

старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук 

俄罗斯联邦, Sevastopol

Catherine Mankovskaya

Marine Hydrophysical Institute, Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: emankovskaya@mhi-ras.ru
ORCID iD: 0000-0002-4086-1687
SPIN 代码: 2453-9943
Scopus 作者 ID: 57192647961
Researcher ID: AAB-5303-2019

старший научный сотрудник, кандидат технических наук

俄罗斯联邦, Sevastopol

参考

补充文件