Озеро Байкал расположено в Байкальской рифтовой зоне в южной части Восточной Сибири в России вблизи от российско-монгольской границы. Байкал был объявлен объектом Всемирного наследия ЮНЕСКО в 1996 г.. Озеро Байкал с объемом в 23 615 км³ и площадью поверхности в 31 722 км² является крупнейшим по объему и старейшим из существующих пресноводных озер в мире [1].
Озеро Байкал обладает существенными размерами, поэтому весьма затруднительно изучать данный внутренний водоем, как цельный объект, располагая только материалами точечных станционных и судовых наблюдений. Эта проблема может быть решена с внедрением средств и методов дистанционного спутникового зондирования Земли, которое дает возможность получать ряды пространственно-временной информации о протекающих в озере процессах и явлениях и контролировать состояние всего озера.
В условиях меняющегося климата и усиления антропогенной нагрузки на оз. Байкал, в том числе за счет туристической деятельности, возникает необходимость в дистанционном контроле экологически значимых параметров данного водоема.
Актуальной задачей региональных лимнологических и экологических исследований является оценка гидрооптических характеристик внутренних водоемов [2]. Прозрачность воды, в качестве меры которой может выступать глубина погружения диска Секки до полного исчезновения из вида, или условная прозрачность, является одним из ключевых физических показателей качества воды и экологического состояния водоемов.
Это обусловлено тем, что прозрачность зависит от количества оптически активных взвешенных и растворенных в воде веществ неорганического и органического происхождения. «Цветение» воды часто оказывает доминирующее влияние на снижение прозрачности воды в озере [3]. Таким образом, прозрачность, с одной стороны, отражает трофическое состояние водоема и влияние изменения климата на озерную экосистему, с другой, изменение прозрачности может само оказывать влияние на количество солнечной радиации, поглощаемой поверхностными водами, и на термическую стратификацию озера, а также вести к изменениям в продуктивности и биоразнообразии озерных экосистем [3]. Отмеченные выше факторы делают прозрачность воды важным индикатором для обнаружения и мониторинга реакции водной экосистемы на естественные и антропогенные изменения окружающей среды.
В связи со сказанным выше, целью исследования является разработка региональных алгоритмов оценки условной прозрачности в поверхностном слое воды в оз. Байкал по материалам спутниковых наблюдений.
Материалы и методы исследования
Для оценки прозрачности использованы материалы, полученные приборами AVHRR в 1998–2018 гг. Приборы AVHRR функционируют на борту метеорологических спутников серий NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) и MetOp (Meteorological Operational satellite), работающих на околополярных солнечно-синхронных орбитах. Прибор AVHRR – это сканер, который обеспечивает зондирование в видимой, ближней инфракрасной, коротковолновой инфракрасной и тепловой инфракрасной полосах электромагнитного спектра с пространственным разрешением 1,1 км в надире.
На альбедо водной поверхности в видимой области спектра существенное влияние оказывает состав, концентрация и размер оптически активных органических и неорганических веществ, растворенных и взвешенных в воде, которые также обусловливают и величину прозрачности воды. На рис. 1 приведены кривые спектрального альбедо чистой и мутной воды, положение которых значительно различается в видимом диапазоне спектра.
Рис. 1. Кривые спектрального альбедо чистой и мутной воды согласно [4]
В спектральной полосе 0,59–0,69 мкм 1 канала радиометра AVHRR альбедо чистой воды принимает низкие значения (рис. 1). При снижении прозрачности за счет повышения содержания в воде взвешенных наносов и/или хлорофилла происходит увеличение величины альбедо 1 канала AVHRR (рис. 1). В рамках исследования автором разработаны региональные алгоритмы для оценки величины условной прозрачности в поверхностном слое воды оз. Байкал по материалам, полученным прибором AVHRR. Для этого сопоставлены массивы спутниковых и судовых данных, включающие по 138 точек квазисинхронных наблюдений, имеющих разницу во времени соответствующих судовых и спутниковых измерений не более 200 мин.
Чтобы нивелировать существенное влияние высоты солнца над горизонтом на величину отражения, при сопоставлении с судовыми замерами условной прозрачности в работе применялись значения нормализованного альбедо 1 канала AVHRR. Снижение влияния облачности и волнения достигалось в работе посредством выбора спутниковых снимков с низким содержанием облачности, а также процедурами фильтрации облачности и посредством вычисления минимальных значений нормализованного альбедо 1 канала AVHRR по всем спутниковым изображениям, попадающим в 200-минутный промежуток времени между судовыми и спутниковыми измерениями. Кроме этого, при волнении изменяется не только величина спектрального альбедо поверхности, но и значение условной прозрачности [5], что уменьшает влияние этого фактора на точность оценки прозрачности по значению альбедо.
В итоге совместного анализа спутниковой и судовой информации установлены связи между условной прозрачностью Ds, м, и нормализованным альбедо 1 канала AVHRR A1, % (рис. 2).
Рис. 2. Связи значений условной прозрачности и нормализованного альбедо 1 канала AVHRR
Разработан линейный алгоритм с величиной коэффициента детерминации 0,82 и средней квадратической ошибки (СКО) в 1,9 м для временного интервала с начала июня до середины июля и с середины сентября по конец октября:
(1)
Для временного интервала с середины июля по середину сентября предложен нелинейный алгоритм, имеющий коэффициентом детерминации 0,66 и СКО порядка 0,9 м:
(2)
где as, bs, cs, ds, fs и k – региональные регрессионные коэффициенты.
Результаты исследования и их обсуждение
В результате исследования на основе разработанных автором алгоритмов составлены карты распределения условной прозрачности в поверхностном слое оз. Байкал в безледный период 1998–2018 гг. Примеры карт для отдельных лет показаны на рис. 3.
Рис. 3. Спутниковые карты условной прозрачности в поверхностном слое оз. Байкал по материалам AVHRR в 2012 г.: а – 13.06; б – 01.07; в – 28.07; г – 01.09; д – 06.10 и 2013 г.: е – 10.06; ж – 26.06; з – 26.07; и – 31.08; к – 14.10
По результатам спутниковых наблюдений прозрачность в поверхностном слое оз. Байкал имеет заметную изменчивость как во времени, так и в пространстве. В безледный период выраженный максимум прозрачности воды наблюдается в глубоководных районах озера с июня по начало июля. Существует мнение, что это может объясняться интенсивным вертикальным перемешиванием в период весенней гомотермии [6].
Наименьшие значения прозрачности по материалам спутниковых наблюдений регистрируются с конца июля по начало сентября и ассоциируется с «цветением» воды в это время. За период с июня по октябрь в 1998–2018 гг. зарегистрированные значения условной прозрачности в поверхностном слое воды оз. Байкал варьировали от 27,5 м – в глубоководных районах озера, до 0,1 м и менее – вблизи от дельты реки Селенги, в заливах Посольский сор и Провал.
По спутниковым наблюдениям наибольшая амплитуда колебаний условной прозрачности в безледный период зарегистрирована в глубоководных районах озера и составила более 19 м. На мелководных участках акватории, глубина который не превосходит 20 м (например, в заливах Посольский сор, Провал и Чивыркуйском), зарегистрирована намного меньшая амплитуда колебаний величины прозрачности воды за безледный период, которая в отдельных местах имеет значение менее 3,5 м.
Сезонная изменчивость прозрачности в разных лимнических районах существенно различается из-за особенностей их подводного рельефа, термодинамических условий, притока речных вод и т.д. В работе изучены сезонные колебания значений условной прозрачности, осредненных в пределах акваторий некоторых лимнических районов, в ряде лет в безледный период (рис. 4). В проливе Малое Море, в Чивыркуйском и в Баргузинском заливах регистрируется ярко выраженная сезонная изменчивость прозрачности: с наибольшим значением в июне – начале июля и наименьшим – в конце июля – начале сентября, как у озера в целом. В некоторых мелководных заливах (например, в заливах Провал и Посольский сор) в сезонных колебаниях прозрачности воды отмечается сдвиг наименьшего значения на сентябрь-октябрь, что может быть ассоциировано с добавочным перемешиванием воды в результате действия штормовых ветров.
Рис. 4. Изменчивость значений условной прозрачности в поверхностном слое, осредненных по акватории пролива Малое Море (1), Чивыркуйского залива (2), Баргузинского залива (3), залива Провал (4)
Межгодовые колебания прозрачности воды наиболее заметны с конца июня по июль и связаны со сдвигом сроков прогрева озера в разные годы и, соответственно, сдвигом в межгодовом разрезе начала «цветения» воды.
Вода в поверхностном слое оз. Байкал с июня по октябрь в 1998–2018 гг. по соотношению условной прозрачности со степенью загрязнения [7] в целом является очень чистой. Вместе с этим в таких мелководных заливах, как Провал и Посольский сор, в сентябре и октябре в ряде лет по величине условной прозрачности вода относится к умеренно загрязненной, загрязненной, а иногда даже к грязной.
По спутниковым материалам о распределении температуры поверхности воды в озере [8] и распределении прозрачности для открытой части озера выявлено существование тесной степенной связи между прозрачностью и температурой воды в безледный период с коэффициентом детерминации 0,55 (рис. 5).
Рис. 5. Связь температуры поверхности воды и условной прозрачности в открытой части оз. Байкал в безледный период
Выявление подобной степенной связи с отрицательным показателем степени объясняется закономерным уменьшением прозрачности в результате роста фитопланктона при увеличении температуры поверхности и имеет исключительно важное значение в условиях современных климатических изменений и понимания широкого диапазона их последствий.
Заключение
Автором на основании совместного анализа массивов квазисинхронных спутниковых и судовых материалов предложены региональные алгоритмы для восстановления условной прозрачности в поверхностном слое воды оз. Байкал по спутниковым снимкам прибора AVHRR. Разработанные алгоритмы имеют приемлемую для большинства лимнологических исследований точность. Данные о прозрачности воды в озере, полученные с применением региональных алгоритмов, не противоречит материалам контактных измерений указанной величины с применением диска Секки [6]. Кроме того, спутниковые данные дают возможность исследовать межгодовые и сезонные колебания прозрачности воды, а также уточнять и дополнять имеющуюся точечную судовую и станционную информацию об этой характеристики. Также спутниковая информация о прозрачности в озере является в своем роде уникальным и незаменимым источником для восстановления пространственной структуры распределения условной прозрачности в водоеме, так как пространственная интерполяция точечных судовых изменений прозрачности часто не дает удовлетворительного результата ввиду сложности паттерна данной характеристики в Байкале [9]. Поэтому внедрение таких методов, как дистанционное зондирование, помогает улучшить детализацию при восстановлении полей прозрачности воды в оз. Байкал и выявлять негативные изменения в экологически значимых факторах окружающей среды, которые могут угрожать многочисленным эндемичным обитателям экосистем озера.
Работа выполнена при частичной поддержке грантов РФФИ № 17-29-05045, № 12-05-31100.