Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Все запланированные на второй этап работы выполнены в полном объеме, а ожидаемые результаты - достигнуты. В частности: 1) Согласно календарному плану на 2024 год, проведены две экспедиции на Волгоградском водохранилище: с 29 мая по 07 июня и с 15 по 23 августа. Район работ охватывал участок протяженностью 100 км от с. Оленье до с. Нижняя Добринка в центральной части водохранилища, включая притоки. В ходе экспедиции были получены с высоким пространственным разрешением (1-10 м, в зависимости от скорости судна) спектральный коэффициент яркости воды и синхронизованные с ним данные о содержании растворенных и взвешенных веществ, определяющих цвет воды (хлорофилл “а”, ОРОВ, взвесь), а также сопутствующие данные о температуре воды, электропроводности, солености, содержании растворенного кислорода, скоростях и направлениях течения и ветра. Дополняют массив ин ситу данных серия спутниковых изображений со спутников Sentinel-2, 3A, 3B; Landsat 8,9. 2) Выполнен анализ пространственно-временной изменчивости гидрофизических, гидро- и биооптических характеристик вод, а также характеристик атмосферы над водоемом, в частности: - составлено общее описание течения, а также даны качественные и количественные оценки его изменчивости на разном удалении от ГЭС на ряде водохранилищ исследуемого участка Волги, включая сезонные особенности; - установлены диапазоны вариаций характеристик вдоль водохранилища и в течение сезона, рассчитаны контрасты вблизи притоков на фоне волжской воды и выполнено предварительное районирование акватории, включая влияние притоков и жилой застройки; - ввиду разнообразия оптических свойств воды выполнена кластеризация спектров яркости воды по 5 типам - (Clear (C), Moderate (M), Turbid (T), Very Turbid (V), Brown (B)) с целью оптимизации процессов создания биооптических алгоритмов; - на основе данных натурных измерений, спутниковых данных MODIS (Aqua/Terra) и VIIRS, а также данных моделирования перемещения воздушных потоков HYSPLIT исследованы вариации оптических характеристик атмосферы над водохранилищами на внутри- и межсуточных масштабах. Показано, что изменчивость характеристик в интервале нескольких часов от момента спутниковой съемки в большинстве случаев пренебрежимо мала. Это позволяет использовать полученные значения характеристик для атмосферной коррекции всех спутниковых данных за этот день. Проведено сравнение периодов, когда были получены высокие значения АОТ и установлены случаи переноса пылевого аэрозоля и распространения дыма от пожаров. 3) Предложены предварительные биооптические алгоритмы для Куйбышевского (как продолжение работ 2023) и Волгоградского водохранилищ. Для Куйбышевского водохранилища были предложены биооптические модели для оценки концентраций хлорофилла «a», показателя поглощения а440 нм и минеральной взвеси на основе данных Sentinel-2/MSI. В июле при вариациях концентраций хлорофилла «а» от 1.29 до 115 мкг/л, показателя поглощения a(440) от 0.78 до 2.09 1/м, и минеральной взвеси от 2.64 до 11.55 мг/л, удалось достичь хороших корреляции (R² не ниже 0.55). В сентябре диапазоны концентраций хлорофилла «а» составляли от 2.11 до 248 мкг/л, a(440) — от 0.85 до 2.34 1/м и сильно варьировались ото дня ко дню в зависимости от метеоусловий. Наблюдались сильно взмученные районы в условиях интенсивного волнения и маты водорослей уже на следующий день в условиях штиля. В этих условиях предложенные биооптические модели характеризовались более низкими метриками, в частности R² не превосходил 0.62. В отличие от Куйбышевского, на Волгоградском водохранилище обнаружилось регулярное проявление солнечного блика практически на всей протяженности водохранилища, связанное с особенностями его визирования по отношению к Солнцу. Проблема имела место для Sentinel-2/MSI и одного из спутников Sentinel-3. Для второго сенсора OLCI проблем с бликами не было в силу иной траектории полета и другой геометрии наблюдения. Данные этого прибора показали достаточно высокую точность и корреляцию с натурными измерениями 0.7-0.8. На этом основании пять из шести снимков Sentinel-3/OLCI, когда осуществлялись судовые измерения, были использованы для калибровки двух алгоритмов восстановления концентрации хлорофилла «a»: OC4 и двухканального алгоритма 2B: Rrs(709)/Rrs(665). Наиболее точным для условий Волгоградского водохранилища оказался двухканальный алгоритм 2В с коэффициентом детерминации 0.84. Алгоритм ОС4 оказался непригоден для высокопродуктивных вод. Несмотря на то, что данные относительно неплохо описывались полиномом четвертной степени (коэффициент детерминации 0.67), получившаяся зависимость имела сложную кривизну. Это делает оценки концентрации хлорофилла «a» неоднозначными. 4) Дополнен интернет-ресурс, посвященный проекту https://disk.yandex.ru/d/JCWRlDiqUtGVLw. В него вошли экспедиционные материалы и публикации за 2024 год.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Все запланированные на третий этап работы выполнены в полном объеме, а ожидаемые результаты достигнуты. В рамках третьего годы выполнения проекта завершено гидрооптическое описание волжских водохранилищ, необходимое для корректной интерпретации данных спутникового зондирования. Все данные закружены на облачный сервис Яндекс с открытым доступом (https://disk.yandex.ru/d/JCWRlDiqUtGVLw) и включают: коэффициенты яркости воды (Rrs), биооптические характеристики воды и оптические характеристики атмосферы, пространственные распределения (карты) измеренных и восстановленных характеристик, а также дополнительные материалы, обеспечивающие воспроизводимость и последующее использование данных. В отчётном году гидрооптическая база данных была существенно расширена за счёт включения недостающих сведений об окрашенном растворённом органическом веществе (ОРОВ), ранее практически не изученном для Волги. Проведена комплексная обработка 227 проб воды, включающая формирование матриц возбуждение-эмиссия, расчёт спектров поглощения ОРОВ и выделение флуоресцентных компонент методом PARAFAC, что впервые позволило количественно описать трансформацию ОРОВ вдоль каскада водохранилищ. Показано закономерное снижение показателя поглощения ОРОВ, a(440), по течению (с 3.5 1/м до 1.4 1/м) и рост доли автохтонной органики в южных акваториях (в 1.5–2 раза летом), а также установлено значимое влияние крупных притоков, вносящих оптически более прозрачные по содержанию ОРОВ воды. Высокие коэффициенты корреляции (R² до 0.98) между a(440) и интегральной флуоресценцией PARAFAC-компонент подтверждают согласованность оптических методов и возможность использования данных флуоресценции (полученных, например, с помощью погружных флуориметров) для косвенной оценки содержания ОРОВ, при условии надлежащей калибровки. Вместе с тем анализ показал, что стандартные спутниковые алгоритмы восстановления CDOM в условиях Волги характеризуются ограниченной точностью из-за сильного спектрального вклада взвеси и хлорофилла-a в формирование Rrs и повышенной чувствительности к ошибкам атмосферной коррекции в синей области. Это обосновывает необходимость разработки регионально адаптированных моделей на базе гидрооптического софта Hydrolight и гибких инверсионных подходов типа GIOP. Предварительный анализ данных предыдущего этапа показал существенные вариации как спутниковых, так и судовых значений Rrs, не объяснимые одной лишь инструментальной погрешностью. Поэтому в отчётный период ключевым направлением стало повышение достоверности данных: углублённая проверка исходных измерений, усиление процедур контроля качества и уточнение методик восстановления Rrs, что критически важно для надёжной спутниковой инверсии параметров воды. Судовые Rrs были обработаны в строгом соответствии с международными протоколами NASA/IOCCG с применением комплексного контроля качества по метрикам QWIP. Для повышения точности восстановления спутниковых Rrs в отчётный период была выполнена углублённая обработка и интеграция ранее полученных фотометрических измерений аэрозольной оптической толщины (AOТ) в процедуры атмосферной коррекции данных Sentinel-3/OLCI, включая режим с фиксированной AOТ. Это обеспечило заметное повышение точности восстановления Rrs (коэффициенты корреляции 0.90–0.99). Основываясь на корректных спектрах Rrs, были разработаны и валидированы биооптические алгоритмы восстановления концентраций трех ключевых маркеров цвета вод - хлорофилла а, взвешенных веществ и окрашенной растворенной органики (ОРОВ), по данным Sentinel-3/OLCI. Для хлорофилла а сформированы две модели — для начала летнего сезона и для фазы интенсивного цветения цианобактерий, которые продемонстрировали хорошую точность (R² = 0.7–0.8), превосходя результаты стандартного алгоритма OC4 для чистых вод с малыми концентрациями хлорофилла а. Биооптические алгоритмы были разработаны для трёх водохранилищ, на которых выполнялись натурные измерения (Горьковского, Куйбышевского и Волгоградского). Далее анализ гидрооптических свойств позволил определить близкие по гидрооптическим характеристикам акватории: Чебоксарское водохранилище — к Горьковскому, Саратовское — к Волгоградскому. Это обеспечило предварительное распространение соответствующих алгоритмов на эти два водохранилища, где полевые измерения не проводились. Используя разработанные биооптические алгоритмы и все доступные снимки Sentintel-3/OLCI за 2019-2025 годы (подходящих для этой задачи снимков Sentintel-2/MSI оказалось недостаточно), были построены карты биооптических параметров и индексных характеристик (NDCI, индексы мутности, плавучих водорослей, трофического состояния). Установлено, что все водохранилища демонстрируют выраженный сезонный цикл: в летний период содержание фитопланктона возрастает в 2–3 раза, что приводит к переходу большинства акваторий в состояние гиперэвтрофии (TSI > 70), особенно в Горьковском и Чебоксарском водохранилищах, где развиваются обширные скопления цианобактерий. Межгодовой анализ выявил статистически значимое увеличение концентрации хлорофилла a и связанных индексов для Горьковского водохранилища, тогда как для других объектов устойчивых трендов при имеющейся длине временного ряда не обнаружено. Сопоставление среднесезонных характеристик за семилетний период позволило выделить пары водоёмов с близкими биооптическими свойствами, что важно для переноса алгоритмов в условиях отсутствия полевых измерений: Чебоксарское водохранилище близко по оптической структуре к Горьковскому, а Саратовское — к Волгоградскому. В качестве заключения, можно отметить, что все запланированные задачи решены, а результаты и целевые показатели достигнуты. Опубликовано необходимое количество статей (с превышением). И наконец, поставлены новые задачи, направленные на увеличение физической обоснованности спутниковых оценок, развитие валидационной инфраструктуры и интеграцию с современными и перспективными средствами дистанционного зондированиям (в том числе, отечественными).