Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проект посвящен усовершенствованию спутниковых алгоритмов определения параметров биопродуктивности вод полярных акваторий. Заявленный в проекте план научного исследования полностью выполнен. Неотъемлемой частью совершенствования спутниковых алгоритмов являются подспутниковые судовые измерения, для выполнения которых используется специальная аппаратура. Разработан макет модернизированного плавающего спектрорадиометра. Спектрорадиометр предназначен для измерений спектральной плотности яркости восходящего излучения из водной среды под поверхностью и спектральной плотности облученности на поверхности. Проведена спектральная калибровка каналов по белому аттестованному экрану и эталонной лампе, отклонение в середине спектрального диапазона (550 нм) составило менее 1 %. Собран и подготовлен для анализа массив данных натурных измерений биооптических характеристик морской воды в Баренцевом море (2016-2020 гг.), Карском море (2013-2020 гг.) и море Уэдделла (2020 г.). Массив включает в себя: спектры яркости выходящего из воды излучения; спектры показателя поглощения морской воды, взвешенных частиц и растворенного органического вещества; спектры флуоресценции морской воды; вертикальные профили показателя ослабления света морской воды и характеристик световых полей; пространственные распределения интенсивностей флуоресценции хлорофилла а (Хл) и окрашенного растворенного органического вещества (ОРОВ) и показателя ослабления, полученные в поверхностном слое вдоль маршрута судна; а также данные прямых определений концентрации хлорофилла, взвешенного вещества, количественного и видового состава фитопланктона. Собраны и подготовлены для анализа соответствующие времени экспедиционных работ массивы данных спутниковых наблюдений сканеров цвета MODIS, OLCI и VIIRS, а также буев Био-Арго (более 31000 профилей за 2010-2021 гг.). Построены спутниковые карты концентрации хлорофилла, взвешенного вещества, кокколитофорид и показателя поглощения ОРОВ для акваторий исследуемых морей. В морях Баренцевом и Карском использованы как стандартные, так и разработанные ранее в Лаборатории оптики океана ИО РАН региональные алгоритмы. Валидация спутниковых алгоритмов, выполненная по данным измерений проточного флуориметра в Баренцевом море во время первого этапа 83-го рейса НИС «Академик Мстислав Келдыш» (13-15 июня 2021 г.), показала, что погрешности стандартного и регионального алгоритмов практически совпадают по абсолютной величине, но если стандартный чаще завышает оценки концентрации Хл, то региональный занижает их. Существенную роль при этом играет разница во времени между проведением спутниковых и натурных измерений. Наилучшее согласие с данными натурных измерений (среднеквадратичная ошибка < 0.1 мг/куб.м, средняя относительная ошибка 15-23%) получено в случае, когда для сравнения использовались только данные проточного флуориметра максимально соответствующие времени получения спутниковых данных. Валидация алгоритмов по данным 68-го рейса НИС «Академик Мстислав Келдыш» в области сильного кокколитофоридного цветения показала, что наличие цветения незначительно влияет на точность спутниковых алгоритмов. Выполнена оценка ошибок регионального и стандартного алгоритмов расчета концентрации Хл по спутниковым данным в Карском море на основе прямых измерений концентрации Хл, полученных в 72 и 76 рейсах НИС «Академик Мстислав Келдыш» в 2018 и 2019 гг. Стандартный алгоритм дает существенно завышенные оценки концентрации Хл: средняя относительная ошибка равна 770%, а среднеквадратичная ошибка - 6,4 мг/куб.м. При использовании регионального алгоритма соответствие с данными натурных измерений значительно лучше: среднеквадратичная ошибка 1,4 мг/куб.м, средняя относительная 150%. Анализ зависимости ошибок оценки концентрации Хл по спутниковым данным от содержания ОРОВ показал, что в водах с влиянием речного стока для обоих алгоритмов среднеквадратичная ошибка значительно выше, чем в чистых водах Карского моря. Показано, что на северо-западном шельфе моря Уэдделла в конце января 2022 г. концентрация хлорофилла а, оцениваемая из спутниковых измерений, занижена в 3-7 раз, что связано в основном с пониженным вкладом ОРОВ в суммарное поглощение света в приповерхностном слое моря. В районе слияния морей Уэдделла и Скотия появление дополнительного содержания фикоэритрина за счет развития криптофитовых водорослей в январе-феврале 2020 и 2022 гг. существенно не повлияло на оценку концентрации Хл по спутниковым данным. Исполнителями проекта получены новые данные экспедиционных исследований в Арктике и Южном океане: 83-й (Баренцево и Карское моря, июнь-июль 2021 г.), 84-й (Баренцево море, июль-август 2021 г.) и 87-й (море Уэдделла, декабрь 2021 г. – апрель 2022 г.) рейсы НИС «Академик Мстислав Келдыш». По результатам исследований, проведенных за первый год выполнения проекта, опубликовано 2 статьи, 4 принято в печать.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Во второй год выполнения проекта продолжены исследования, посвященные усовершенствованию спутниковых региональных алгоритмов определения параметров биопродуктивности вод полярных акваторий. В этот период была получена возможность использования признанной в мире программы для моделирования параметров световых полей Hydrolight. Проведенное с использованием этой программы гидрооптическое моделирование основано на данных судовых измерений, выполненных в исследуемых акваториях участниками проекта. Такой подход позволил более эффективно решить задачи, связанные с вариацией значений и параметров вертикальных распределений различных биооптических характеристик, а также исследованием влияния различных факторов на точность оценки концентрации хлорофилла по данным спутниковых сканеров цвета. Для выполнения поставленных задач только по данным контактных измерений объем их массива зачастую недостаточен для получения достоверных результатов. Наиболее остро этот недостаток ощущается в Южном океане несмотря на то, что в ходе выполнения проекта его исполнители приняли участие в двух антарктических экспедициях. Данных прямых измерений недостаточно также для исследования влияния вертикальных профилей биооптических характеристик, что связано с многообразием значений варьируемых параметров. При выполнении проекта получены следующие результаты: • разработан и испытан палубный спектрорадиометр, обеспечивающий возможность проведения оперативных измерений коэффициента яркости моря на ходу судна, в том числе в условиях переменной облачности и во фронтальных зонах; • пополнены массивы данных судовых измерений, выполненных в трех экспедициях ИО РАН; • расширены массивы спутниковых данных и данных буев Био-Арго; • в Атлас биооптических характеристик Лаборатории оптики океана ИО РАН (https://optics.ocean.ru/) добавлен новый продукт – показатель поглощения окрашенного растворенного органического вещества в Баренцевом море; • показано, что стандартные продукты спутниковых сканеров цвета занижают значения концентрации хлорофилла по сравнению как с буями Био-Арго, так и с данными проточного измерительного комплекса; • получен ряд результатов, связанный с анализом влияния различных факторов на точность оценки концентрации хлорофилла по данным сканеров цвета в трех исследуемых морях – Баренцевом, Карском и Уэдделла; • особое внимание уделено Атлантическому сектору Южного океана, в частности, показано, что наличие в морской воде фитопланктона, содержащего пигмент фикоэритрин, может приводить к двухкратному занижению концентрации хлорофилла, что необходимо учитывать при оценках первичной продукции и радиационного баланса, проводимых в этом регионе; • исследован случай девятикратного занижения спутниковых оценок концентрации хлорофилла при интенсивном цветении фитопланктона в северно-западной части моря Уэдделла в январе 2022 г. Такое значительное отличие складывается из влияния эффекта «упаковки» пигментов фитопланктона, ошибок атмосферной коррекции данных спутниковых сканеров цвета и уменьшенным содержанием окрашенного растворенного органического вещества по сравнению с другими районами Мирового океана. В рамках проекта разработан ряд региональных алгоритмов: для расчета концентрации Хл в Баренцевом море, концентрации кокколитофорид в Черном, а также для расчета толщины эвфотического слоя из вертикального профиля показателя ослабления света морской водой для северо-западной части моря Уэдделла. Методика настройки биооптической модели для вод второго типа в условиях высоких концентраций взвеси, разработанная для вод Чёрного моря, отличающегося от полярных акваторий существенно более высоким качеством спутниковых данных, используется и для вод полярных акваторий. Заявленный в проекте план научного исследования полностью выполнен. Кроме того, ряд результатов получен сверх первоначального плана. По результатам исследований, проведенных за второй год выполнения проекта, опубликовано 6 статей (4 из них в журналах первого квартиля), 2 принято в печать. Участники проекта сделали 21 доклад на конференциях и симпозиумах.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В третий год выполнения проекта продолжены исследования, посвященные усовершенствованию спутниковых региональных алгоритмов определения параметров биопродуктивности вод полярных акваторий. При выполнении проекта получены следующие результаты: • Пополнены массивы данных судовых измерений, выполненных в трех экспедициях ИО РАН. На основе полученных в период выполнения проекта данных судовых измерений создан образец современной базы данных на основе PostgreSQL. • Проведена модернизация палубного спектрорадиометра, включающая разработку и создание более надежного герметичного корпуса и малогабаритного регистрирующего инклинометра, использование которого необходимо для корректировки результатов измерений с учетом реальных углов визирования. • По данным буев Био-Арго показано, что в более продуктивных районах Антарктики амплитуды сезонного хода концентрации хлорофилла в два раза выше, чем в «бедных» областях. • Разработаны сезонные (летний и осенний) региональные биооптические алгоритмы для расчета концентрации хлорофилла в Карском море по данным спутниковых сканеров цвета, что позволило повысить точность оценки концентрации хлорофилла. • Разработанный в рамках выполнения проекта региональный алгоритм OLCI-AP для вод моря Уэдделла имеет значимо меньшие ошибки (среднеквадратичное отклонение 0.29 мг/м3) по сравнению с известными стандартными и зарубежными региональными алгоритмами. • На основе данных судовых измерений, выполненных в море Уэдделла, с использованием алгоритмов HydroLight и GIOP представлен пример универсального биооптического алгоритма для оценки концентрации хлорофилла, способного учитывать влияние растворенного органического вещества, фикобилинов и кокколитофоридных цветений. • С использованием уточненных в период выполнения проекта региональных биооптических алгоритмов обновлен и дополнен Атлас биооптических характеристик Лаборатории оптики океана ИО РАН (https://optics.ocean.ru), временные ряды продлены до 2023 г. включительно. • Точность разработанного море в период выполнения проекта для акватории Баренцева моря регионального алгоритма оценки концентрации хлорофилла близка к точности прямых определений этой величины экстракционными методами (около 30 %). • Региональный алгоритм Лаборатории оптики океана ИО РАН для Карского моря позволяет получать оценки концентрации хлорофилла с относительной ошибкой менее 50% для вод с концентрацией хлорофилла, превышающей 0,5 мг/м3, независимо от количества окрашенного растворенного органического вещества. • В море Уэдделла к ошибкам дистанционной оценки концентрации хлорофилла приводит малое относительное содержание окрашенного растворенного органического вещества, высокое содержание фикоэритрина и более сильный эффект упаковки пигментов в клетках фитопланктона по сравнению со средними значениями в Мировом океане. Влияние этих факторов может приводить к занижению оцениваемых по спутниковым данным значений концентрации хлорофилла в 1.25-6 раз (в среднем в 3.1 раза). Заявленный в проекте план научного исследования полностью выполнен. По результатам исследований, проведенных в третий год выполнения проекта, опубликовано 12 работ. Несколько статей, содержащих полученные в рамках выполнения проекта результаты, отправлены в печать и находятся на стадии рецензирования, они будут опубликованы после завершения проекта. Участники проекта сделали 27 докладов на конференциях и симпозиумах.