Спутниковые оценки первичной продукции в Японском море и их сравнение с судовыми данными
|
Введение 3
Глава 1. Общие представления о районе и объекте исследования 5
1.1. Физико-географическая характеристика Японского моря 5
1.2. Первичная продукция 7
1.3. Материалы и методы 9
Глава 2. Результаты 15
2.1. Сравнительный анализ величин первичной продукции в Японском море 15
2.2. Сравнение концентрации хлорофилла-а 22
2.3. Сравнение температуры и удельной оптимальной скорости фотосинтеза 28
Глава 3. Обсуждение 31
3.1. Сравнение концентрации хлорофилла-а с результатами других авторов 31
3.2. Сравнение оценок первичной продукции фитопланктона в Японском море с
результатами других авторов 33
Заключение 36
Список литературы 38
Приложение №1 40
Глава 1. Общие представления о районе и объекте исследования 5
1.1. Физико-географическая характеристика Японского моря 5
1.2. Первичная продукция 7
1.3. Материалы и методы 9
Глава 2. Результаты 15
2.1. Сравнительный анализ величин первичной продукции в Японском море 15
2.2. Сравнение концентрации хлорофилла-а 22
2.3. Сравнение температуры и удельной оптимальной скорости фотосинтеза 28
Глава 3. Обсуждение 31
3.1. Сравнение концентрации хлорофилла-а с результатами других авторов 31
3.2. Сравнение оценок первичной продукции фитопланктона в Японском море с
результатами других авторов 33
Заключение 36
Список литературы 38
Приложение №1 40
Дистанционное зондирование земной поверхности с помощью искусственных спутников Земли является важной частью современных научных исследований. На спутниках устанавливается специальное оборудование, с помощью которого можно дистанционно получать своевременную и точную информацию в режиме реального времени. Во многих океанологических исследованиях и научных трудах используются данные, полученные с помощью спутниковых наблюдений, так как данный тип наблюдения позволяет исследовать межсезонную или межгодовую изменчивость за счет длительных серий наблюдений в одном и том же месте Мирового океана. Но при использовании данного типа данных нельзя не учитывать высокую временную дискретность и большое пространственное осреднение. Данные, полученные с помощью спутниковых наблюдений могут быть сильно искажены из-за неверно выбранного метода пересчета сигнала или излучения в искомую характеристику водных масс. Также с помощью дистанционного зондирования нельзя получить информацию о процессах, протекающих ниже верхнего поверхностного слоя вод Мирового океана. Из-за вышеперечисленных факторов судовые измерения по-прежнему остаются актуальны.
Одним из самых распространённых типов оборудований, используемых для океанологических исследований цвета океана, является спектрорадиометр. С его помощью можно получить информацию о концентрации хлорофилла-а. и др. Роль хлорофилла-а состоит в поглощении световой энергии и дальнейшая ее передача для процесса фотосинтеза. Данный пигмент содержится в хлоропластах фитопланктона. Он является энергетической основой первичной продукции фитопланктона (Лобанова, 2017).
Моделирование различных процессов и явлений получило большое распространение в океанологии. Важно понимать, что любая модель отражает главные свойства исследуемого процесса или явления только с точки зрения той цели, которая была поставлена при создании данной модели. Одним из свойств модели является упрощение процесса или явления с той или иной точностью. Поскольку наука постоянно развивается, модели следуют постоянно проверять на практике: проводить верификацию. Например, это можно сделать с помощью сравнения данных полученных in situи методом спутниковых наблюдений.
Первичная продукция фитопланктона - скорость синтеза органического вещества, приведенная к единице объема. Оценка ее величины является неотъемлемым этапом оценки биопродуктивности вод, поскольку фитопланктон является началом трофической цепи сообществ, обитающих в Мировом океане. Модели первичной продукции представляют собой различные способы восстановления первичной продукции с использованием судовых или спутниковых данных. Чаще всего, модели первичной продукции представляют собой функциональную зависимость фотосинтеза от подводной освещенности.
В данной работе используется модель первичной продукции ТОИ (Тихоокеанского океанологического института), которая представляет собой функцию от концентрации хлорофилла-а в слое фотосинтеза. Модель является аналитической, в её основе лежат биохимические циклические реакции включения света и углекислоты как субстратов фотосинтеза и процесса диффузии углекислоты из внешней среды в растительную клетку. Преимущества данной модели - ясный биологический смысл биохимических циклический реакций и максимальная упрощенность в виде трехциклического процесса: цикл включения субстрата, цикл переработки и цикл получения конечного продукта. (Звалинский, 2006, Звалинский; Тищенко, 2016)
Целью данной работы является восстановление первичной продукции фитопланктона с помощью модели ТОИ по спутниковым и судовым данным и сравнение их между собой. Для этого были поставлены следующие задачи:
1. Сформировать массивы спутниковой информации, соответствующие in situ данным;
2. Рассчитать параметры модели (удельную оптимальную скорость фотосинтеза, концентрацию хлорофилла-а во всем слое фотосинтеза), используя различные алгоритмы, по данным спутникового зондирования;
3. Провести восстановление первичной продукции по модели ТОИ, используя спутниковые и судовые данные;
4. Сравнить результаты восстановления первичной продукции по спутниковым и судовым данным между собой и определить причину их различий.
Тема выпускной квалификационной работы была предложена ФГБУН Тихоокеанским океанологических институтом им. В.И. Ильичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук, научным консультантом выступала ассистент Кафедры океанологии к.г.н., П.В. Лобанова.
Одним из самых распространённых типов оборудований, используемых для океанологических исследований цвета океана, является спектрорадиометр. С его помощью можно получить информацию о концентрации хлорофилла-а. и др. Роль хлорофилла-а состоит в поглощении световой энергии и дальнейшая ее передача для процесса фотосинтеза. Данный пигмент содержится в хлоропластах фитопланктона. Он является энергетической основой первичной продукции фитопланктона (Лобанова, 2017).
Моделирование различных процессов и явлений получило большое распространение в океанологии. Важно понимать, что любая модель отражает главные свойства исследуемого процесса или явления только с точки зрения той цели, которая была поставлена при создании данной модели. Одним из свойств модели является упрощение процесса или явления с той или иной точностью. Поскольку наука постоянно развивается, модели следуют постоянно проверять на практике: проводить верификацию. Например, это можно сделать с помощью сравнения данных полученных in situи методом спутниковых наблюдений.
Первичная продукция фитопланктона - скорость синтеза органического вещества, приведенная к единице объема. Оценка ее величины является неотъемлемым этапом оценки биопродуктивности вод, поскольку фитопланктон является началом трофической цепи сообществ, обитающих в Мировом океане. Модели первичной продукции представляют собой различные способы восстановления первичной продукции с использованием судовых или спутниковых данных. Чаще всего, модели первичной продукции представляют собой функциональную зависимость фотосинтеза от подводной освещенности.
В данной работе используется модель первичной продукции ТОИ (Тихоокеанского океанологического института), которая представляет собой функцию от концентрации хлорофилла-а в слое фотосинтеза. Модель является аналитической, в её основе лежат биохимические циклические реакции включения света и углекислоты как субстратов фотосинтеза и процесса диффузии углекислоты из внешней среды в растительную клетку. Преимущества данной модели - ясный биологический смысл биохимических циклический реакций и максимальная упрощенность в виде трехциклического процесса: цикл включения субстрата, цикл переработки и цикл получения конечного продукта. (Звалинский, 2006, Звалинский; Тищенко, 2016)
Целью данной работы является восстановление первичной продукции фитопланктона с помощью модели ТОИ по спутниковым и судовым данным и сравнение их между собой. Для этого были поставлены следующие задачи:
1. Сформировать массивы спутниковой информации, соответствующие in situ данным;
2. Рассчитать параметры модели (удельную оптимальную скорость фотосинтеза, концентрацию хлорофилла-а во всем слое фотосинтеза), используя различные алгоритмы, по данным спутникового зондирования;
3. Провести восстановление первичной продукции по модели ТОИ, используя спутниковые и судовые данные;
4. Сравнить результаты восстановления первичной продукции по спутниковым и судовым данным между собой и определить причину их различий.
Тема выпускной квалификационной работы была предложена ФГБУН Тихоокеанским океанологических институтом им. В.И. Ильичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук, научным консультантом выступала ассистент Кафедры океанологии к.г.н., П.В. Лобанова.
Результаты восстановления первичной продукции показали, что величина первичной продукции, рассчитанная с использованием спутниковых данных, оказалась ниже оценок, полученных с использованием судовых данных, в среднем в 2,5 раза, за исключением одного рейса La38, где оценки первичной продукции, рассчитанные по судовым данным, оказались в среднем в 1,5 ниже оценок, полученных по спутниковым данным. Коэффициент корреляции оказался низким как между оценками первичной продукции, рассчитанной с использованием судовых и спутниковых данных, так и концентрациями хлорофилла-а в слое фотосинтеза, полученными по судовым и спутниковым данным, но высокие значения данного параметра были получены при сопоставлении поверхностных концентраций хлорофилла-а. Средняя абсолютная ошибка и относительная процентная ошибка оказались максимальными при сравнении поверхностных концентраций хлорофилла-а в рейсе La38, где спутниковые оценки оказались выше. Однако, при анализе концентрации хлорофилла-а в слое фотосинтеза значения вышеупомянутых статистических параметров в рейсе La38 были наоборот минимальны. В остальных рейсах, где судовые оценки первичной продукции выше, относительная процентная ошибка концентрации хлорофилла-а в слое фотосинтеза составила от -24% до -66%, а средняя абсолютная ошибка - от -8,97 до 48,60 мг/м2 при средних значениях от 26,15 до 68,08 мг/м2. Сравнения концентрации хлорофилла-а в поверхностном и в слое фотосинтеза показали, что коэффициент корреляции между судовыми и спутниковыми данными уменьшается в два раза и в некоторых рейсах теряет значимость при переходе от поверхностного слоя к слою фотосинтеза.
Сравнение температур поверхности моря по судовым и спутниковым данным также показало сильную положительную связь с минимальными значениями средней абсолютной ошибки (около 1 °C), однако относительная процентная ошибка оказалась высокой из-за значений температуры близким к нулю и большого разброса температур в рейсе La38.
С помощью диаграмм рассеяния было показано, что концентрация хлорофилла-а по спутниковым данным недооценивается (рейсы Lav35, La33, La58) либо переоценивается (рейс La38). Для того, чтобы определить причину данных отличий в разных рейсах, были построены осредненные профили концентраций хлорофилла-а по горизонтам с использованием только судовых данных. После определения средней оптической глубины для каждого из четырех рейсов, стало ясно, что в трех рейсах, где спутниковая концентрация оказалась ниже судовой, максимум концентрации хлорофилла-а лежит ниже данной глубины, вследствие чего концентрация хлорофилла-а в слое фотосинтеза занижается. В рейсе La38, где произошла переоценка концентрации хлорофилла-а с использованием спутниковых данных, максимум концентрации хлорофилла-а находится на поверхности, из-за чего концентрация хлорофилла-а в слое фотосинтеза завышается.
Таким образом, было показано, что вероятным источником ошибки в оценках, использующих спутниковые данные, стала концентрация хлорофилла-а в слое фотосинтеза, поскольку и температура, и поверхностная концентрация хлорофилла-а имеют высокие значимые коэффициенты корреляции: от 0,81 до 0,97 для температуры и от 0,50 до 0,92 для поверхностной концентрации хлорофилла-а. В то время, как коэффициенты корреляции для концентрации хлорофилла-а в слое фотосинтеза оказались в промежутке от 0,02 до 0,54; при этом часть из них оказалась не значимой. А поскольку концентрация хлорофилла-а в слое фотосинтеза, оцениваемая с помощью спутниковых наблюдений, рассчитывалась путем интегрирования поверхностной концентрации хлорофилла-а, полученной из спутниковых баз данных, по глубине, то именно этот алгоритм послужил причиной ошибки.
В обсуждении показано, что оценки первичной продукции, получившиеся в данной работе согласуются с результатами других авторов. Значения на станциях, расположенных недалеко друг от друга получились близкими. Кроме того, оценки концентрации хлорофилла-а в слое фотосинтеза и в поверхностном слое, получившиеся в данной работе по судовым и спутниковым данным, отражают годовой ход концентрации хлорофилла-а, описанный в статьях.
В заключение можно сказать, что по результатам данной работы видно, насколько может изменяться первичная продукция фитопланктона с использованием судовых и спутниковых данных по модели ТОИ в различных ситуациях. Если максимальное значение концентрации хлорофилла-а лежит в поверхностном слое, то получаются завышенные спутниковые оценки и, наоборот, если максимальное значение лежит ниже первой оптической глубины, то спутниковые оценки оказываются заниженными. Также видно, что в Японском море наблюдается максимум концентрации хлорофилла-а весной (в марте), а к лету она начинает падать. Осенний же максимум концентрации хлорофилла- а (в ноябре) выражен не так явно и его значение может сильно изменяться в разные года. Кроме того, показано, что несмотря на большое пространственное осреднение, спутниковые данные можно использовать для восстановления первичной продукции в Японском море по модели ТОИ с некоторыми ограничениями.
Сравнение температур поверхности моря по судовым и спутниковым данным также показало сильную положительную связь с минимальными значениями средней абсолютной ошибки (около 1 °C), однако относительная процентная ошибка оказалась высокой из-за значений температуры близким к нулю и большого разброса температур в рейсе La38.
С помощью диаграмм рассеяния было показано, что концентрация хлорофилла-а по спутниковым данным недооценивается (рейсы Lav35, La33, La58) либо переоценивается (рейс La38). Для того, чтобы определить причину данных отличий в разных рейсах, были построены осредненные профили концентраций хлорофилла-а по горизонтам с использованием только судовых данных. После определения средней оптической глубины для каждого из четырех рейсов, стало ясно, что в трех рейсах, где спутниковая концентрация оказалась ниже судовой, максимум концентрации хлорофилла-а лежит ниже данной глубины, вследствие чего концентрация хлорофилла-а в слое фотосинтеза занижается. В рейсе La38, где произошла переоценка концентрации хлорофилла-а с использованием спутниковых данных, максимум концентрации хлорофилла-а находится на поверхности, из-за чего концентрация хлорофилла-а в слое фотосинтеза завышается.
Таким образом, было показано, что вероятным источником ошибки в оценках, использующих спутниковые данные, стала концентрация хлорофилла-а в слое фотосинтеза, поскольку и температура, и поверхностная концентрация хлорофилла-а имеют высокие значимые коэффициенты корреляции: от 0,81 до 0,97 для температуры и от 0,50 до 0,92 для поверхностной концентрации хлорофилла-а. В то время, как коэффициенты корреляции для концентрации хлорофилла-а в слое фотосинтеза оказались в промежутке от 0,02 до 0,54; при этом часть из них оказалась не значимой. А поскольку концентрация хлорофилла-а в слое фотосинтеза, оцениваемая с помощью спутниковых наблюдений, рассчитывалась путем интегрирования поверхностной концентрации хлорофилла-а, полученной из спутниковых баз данных, по глубине, то именно этот алгоритм послужил причиной ошибки.
В обсуждении показано, что оценки первичной продукции, получившиеся в данной работе согласуются с результатами других авторов. Значения на станциях, расположенных недалеко друг от друга получились близкими. Кроме того, оценки концентрации хлорофилла-а в слое фотосинтеза и в поверхностном слое, получившиеся в данной работе по судовым и спутниковым данным, отражают годовой ход концентрации хлорофилла-а, описанный в статьях.
В заключение можно сказать, что по результатам данной работы видно, насколько может изменяться первичная продукция фитопланктона с использованием судовых и спутниковых данных по модели ТОИ в различных ситуациях. Если максимальное значение концентрации хлорофилла-а лежит в поверхностном слое, то получаются завышенные спутниковые оценки и, наоборот, если максимальное значение лежит ниже первой оптической глубины, то спутниковые оценки оказываются заниженными. Также видно, что в Японском море наблюдается максимум концентрации хлорофилла-а весной (в марте), а к лету она начинает падать. Осенний же максимум концентрации хлорофилла- а (в ноябре) выражен не так явно и его значение может сильно изменяться в разные года. Кроме того, показано, что несмотря на большое пространственное осреднение, спутниковые данные можно использовать для восстановления первичной продукции в Японском море по модели ТОИ с некоторыми ограничениями.