Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Тенденции эвтрофирования юго-восточной части Балтийского моря по спутниковым данным

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Тенденции эвтрофирования юго-восточной части Балтийского моря по спутниковым данным"

005554565

На правах рукописи

Буканова Татьяна Васильевна

ТЕНДЕНЦИИ ЭВТРОФИРОВАНИЯ ЮГО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ ПО СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ

Специальность 25.00.28 — Океанология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

6 НОЯ 2014

Калининград - 2014

005554565

Работа выполнена в Атлантическом отделении Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук

Научный Сивков Вадим Валерьевич, кандидат геолого-

руководитель: минералогических наук, заведующий лабораторией геоэкологии

Официальные Шилин Михаил Борисович, доктор географических оппоненты: наук, профессор, Федеральное государственное бюджет-

ное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный гидрометеорологический университет», заведующий кафедрой экологии (г. Санкт-Петербург)

Лаврова Ольга Юрьевна, кандидат физико-математических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований РАН, заведующая лабораторией аэрокосмической радиолокации (г. Москва)

Ведущая Федеральное государственное бюджетное образователь-

организация: ное учреждение высшего профессионального образова-

ния «Санкт-Петербургский государственный университет»

Защита состоится «19» декабря 2014 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.084.02 при Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта» по адресу: 236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14, ауд. 202; e-mail: ecogeography@rambler.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Балтийского федерального университета им. И. Канта (ул. Университетская, 2) и на сайте http://www.kantiana.ru/postgraduate/dis-list/142466/

Автореферат разослан «//^»"октября 2014

г.

Ученый секретарь

диссертационного совета „ — у Г.М. Баринова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Одной из важнейших экологических проблем Балтийского моря является эвтрофикация - процесс повышения биологической продуктивности и ухудшения качества вод, вызванный избыточным поступление биогенных элементов, прежде всего азота и фосфора, под воздействием антропогенных и естественных факторов (Россолимо, 1975; Larsson et al., 1985; Elmgren, 1989; Rosenberg, 1990; Nehring, 1992; Rönnberg, Bonsdorff, 2004; Schiewer, 2008; HELCOM, 2014).

К числу наиболее эвтрофированных районов Балтийского моря относится юго-восточная часть. Исследования последних лет показывают, что концентрация хлорофилла «а» и биомасса цианобактерий достигают здесь максимальных значений (Lindgren, Hakanson, 2007; Hakanson, Bryhn, 2008; HELCOM, 2014). За 2003-2007 гг. вклад потенциально токсичных сине-зеленых водорослей (цианобактерий) в общую биомассу фитопланктона в летний период составляет до 70 % по численности и до 90 % по биомассе, а их максимальные значения характерны для прибрежных зон (Александров и др., 2012).

Сложившаяся ситуация в различных районах Балтийского моря привела к необходимости мониторинга важнейших показателей экологического состояния морской среды. Общепризнанный метод оценки биомассы и развития фитопланктона, а также продуктивности водоемов — определение концентрации хлорофилла «а», основного пигмента фитопланктона, играющего важнейшую роль в процессе фотосинтеза. Информация о его пространственно-временной изменчивости служит важнейшим индикатором степени эвтрофирования и качества вод (Carlson, 1977; Орадовский и др., 1992; Бульон, 1993; Baban, 1996; Directive 2000; Thiemann, Kaufmann, 2002; Wasmund, Ulig, 2003; HELCOM, 2006).

Концентрация хлорофилла «а» - оптически активный компонент морской среды и единственная характеристика, изменчивость которой может быть изучена в широком диапазоне пространственных и временных масштабов с помощью спутниковой информации (Doerffer, Fiseher, 1994).

Стандартные алгоритмы расчета концентрации хлорофилла «а» были разработаны для открытых океанических вод I типа (Morel, Prieur, 1977; Gordon, Morel, 1983). Они непригодны и нуждаются в существенной коррекции для вод II типа - высокопродуктивных, мутных прибрежных, внутренних вод и вод эстуариев, где оптические свойства определяются наличием не только хлорофилла «а», но и взвешенного неорганического и растворенного органического вещества, оказывающих влияние на спектральную яркость излучения во всем видимом диапазоне спектра. Воды Балтийского моря относят именно ко II типу оптически сложных вод (Darecki, Stramski, 2004; Kutser, 2009; Morel, Prieur, 1977; IOCCG Report, 2000). Применяемые стандартные алгоритмы оценки концентрации хлорофилла «а» по данным спутниковых спектрорадиометров для акватории Балтийского моря показывают существенное завышение значе-

ний по сравнению с натурными данными (Оагес1а е1 а1., 2008). В юго-восточной части Балтийского моря особенное влияние на оптические свойства акватории оказывает значительный сток с суши, в том числе сток крупных равнинных рек - Вислы и Немана, приносящих ежегодно огромное количество взвешенного вещества (Ко\уа1сгик, 1999).

Таким образом, целесообразна коррекция стандартных алгоритмов расчета концентрации хлорофилла «а» по спутниковым данным на основе данных натурных наблюдений и разработка региональных алгоритмов.

Цель работы - оценка уровня эвтрофирования и тенденций его изменения в юго-восточной части Балтийского моря по спутниковым данным оптического диапазона.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Верифицировать существующие спутниковые алгоритмы расчета концентрации хлорофилла «а» по данным судовых измерений.

2. Разработать региональный алгоритм расчета концентрации хлорофилла

«а».

3. Провести анализ сезонной и межгодовой изменчивости концентрации хлорофилла «а» по разработанному алгоритму.

4. Оценить уровень эвтрофирования и качество вод на основе спутниковых данных по концентрации хлорофилла «а».

5. Выявить тенденции развития эвтрофикации за 2003-2012 гг.

Научная новизна:

- предложен модифицированный региональный алгоритм расчета концентрации хлорофилла «а» по спутниковым данным МСЮ18, позволяющий дать более точную оценку данного параметра в юго-восточной части Балтийского моря;

- данные по концентрации хлорофилла «а» в районе исследования уточнены и существенно дополнены благодаря региональному алгоритму;

- установлена положительная тенденция роста концентрации хлорофилла «а» в поверхностном горизонте Юго-Восточной Балтики за 2003-2012 гг.;

- выявлен рост уровня эвтрофирования и ухудшение качества вод в районе исследования (за 2003-2012 гг.), что может привести к изменению структуры экосистемы.

Защищаемые положения:

1. Предложенный автором региональный алгоритм обработки спутниковых данных МООГБ позволяет рассчитать концентрацию хлорофилла «а» в поверхностном слое юго-восточной части Балтийского моря с большей точностью по сравнению с существующими алгоритмами (стандартное отклонение - 1,2 мг/м , относительная ошибка - 34 %).

2. Положительная тенденция роста концентрации хлорофилла «а» в поверхностном горизонте юго-восточной части Балтийского моря составляет 0,9 ± 0,4 мг/м3 за декаду (2003-2012 гг.).

3. За 2003-2012 гг. средняя многолетняя площадь эвтрофных вод в Юго-Восточной Балтике составляет 29 %, мезотрофных - 71 %. Увеличение площади эвтрофных вод составляет 1,5 % в год.

Практическая значимость. Разработанный автором метод расчета одного из основных показателей качества морской среды — концентрации хлорофилла «а» имеет важное практическое значение для экологического мониторинга, оценки биологической продуктивности и промыслового потенциала Балтийского моря. Появилась возможность оперативно и своевременно определять концентрацию хлорофилла «а» моря, как в широких пространственных масштабах, так и в определенных локальных участках. Результаты исследования могут быть использованы рыбохозяйственными организациями с целью проведения мониторинга продуктивности, биомассы фитопланктона, уровня эвтро-фирования и качества вод Юго-Восточной Балтики, в частности, ее российского сектора, а также оценки тенденций изменения этих показателей.

Личный вклад. Автором осуществлен сбор и обработка спутниковых данных оптического диапазона спектрорадиометров MODIS-Terra, MODIS-Aqua, MERIS-Envisat, SeaWIFS-Seastar, созданы массивы спутниковых данных по концентрации хлорофилла «а» и температуры поверхности моря для Балтийского моря. Автор принимала непосредственное участие в четырех подспутниковых экспериментах в Юго-Восточной Балтике, получении и последующей обработке натурных данных плавающего спектрорадиометра, а также в создании региональных алгоритмов расчета концентрации хлорофилла «а» на основе подхода, разработанного в лаборатории оптики океана Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (г. Москва). Автором произведен пересчет массива спутниковых данных за 2003-2012 гг. по новому региональному алгоритму расчета концентрации хлорофилла «а», проанализированы пространственное распределение и временная изменчивость концентрации хлорофилла «а», выявлена тенденция изменения данного параметра, оценен уровень эвтрофирования и качество вод юго-восточной части Балтийского моря.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на многих конференциях: «Комплексное управление, индикаторы развития, пространственное планирование и мониторинг прибрежных регионов юго-восточной Балтики» (Калининград, 2008), 7-й, 8-й, 9-й Балтийский научный конгресс (Эстония, 2009; Россия, 2011; Литва, 2013), 8-я, 9-я Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2010, 2011), 6-я международная конференция «Современные проблемы оптики естественных вод» (Санкт-Петербург, 2011), 15-я конференция по промысловой океанологии (Калининград, 2011), международная конференция IEEE/OES Baltic Symposium (Литва, 2012; Эстония, 2014), конференция Европейского космического агентства (Италия, 2012).

Работа проходила экспертную оценку и поддерживалась грантами РФФИ (№ 10-05-90718-моб_ст, № 11-05-90760-моб_ст, № 12-05-90814-мол_рф_нр), а также POGO-SCOR Visiting fellowship (2012 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 2 статьи в периодическом издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, содержит 142 страницы машинописного текста, 57 рисунков и 23 таблицы. Список литературы включает 210 наименований, в том числе 63 отечественных и 147 - на иностранных языках.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю кг-мн В.В. Сивкову за постановку задачи и помощь в выполнении исследования, дф-мн О.В. Копелевичу и сотрудникам лаборатории оптики океана ИОРАН C.B. Вазюле, В.И. Буренкову, C.B. Шеберстову, А.В. Григорьеву, А.Н. Храпко и В.А. Артемьеву за содействие в разработке региональных алгоритмов расчета биооптических параметров, кбн C.B. Александрову за предоставленные данные по концентрации хлорофилла «а», ценные рекомендации и консультации, а также Е.В. Булычевой и Ж.И. Стонт. Особенно благодарна ООО «Морское венчурное бюро» и В.И. Буканову, а также ООО «ЛУКОИЛ-Калининградморнефть» за материалы и организацию экспедиций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Проблема эвтрофикации Балтийского моря: особенности юго-восточной части

В открытой части Балтийского моря отмечена тенденция весьма слабого снижения концентрации хлорофилла «а» за 1974-2006 гг. (Hakanson, Bryhn, 2008). В целом средняя концентрация хлорофилла «а» в поверхностном слое открытой части Балтики составляет 2 мг/м3, что по ряду основных классификаций (Wasmund et al., 2001; Coasts and Seas, 2002; Vuoristo, 1998) соответствует низкой степени эвтрофирования или пограничному состоянию между оли-готрофным и мезотрофным уровнем. Однако, концентрация хлорофилла «а» неодинакова в различных районах моря в зависимости от условий среды, в особенности от температуры и наличия биогенных элементов (Kononen, 1992; Wasmund et al., 2001; Wasmund et al., 2011).

В течение 1990-2005 гг. наиболее низкие концентрации хлорофилла «а» (менее 2 мг/м3) встречались только в северных районах моря - Ботнический залив и отдельные участки Ботнического моря, воды этого района соответствуют олиготрофным условиям. Здесь отмечаются минимальные значения биомассы сине-зеленых водорослей, в том числе токсичных видов, в летний период (Jaanus et al., 2007; Wasmund et al., 2013), а также минимальные значения концентрации хлорофилла «а» (Lindgren, Hakanson, 2007; HELCOM, 2014).

Наиболее высокий уровень эвтрофирования характерен для восточной части Финского залива, южной и центральной части Рижского залива, юга Ар-конского бассейна, а также юго-восточной части моря. Здесь концентрации хлорофилла «а» и значения биомассы сине-зеленых водорослей максимальны

(Jaanus et al., 2007; Lindgren, Hakanson, 2007; Wasmund et al., 2013). В период с 2003 по 2007 гг. в российском секторе Юго-Восточной Балтики отмечался как очень низкий (I класс, концентрация хлорофилла «а» < 1,5 мг/м3), так и очень высокий уровень эвтрофирования вод (V класс, концентрация хлорофилла «а» > 5,0 мг/м ) по классификации Coasts and Seas, 2002. Качество вод (по классификации Vuoristo, 1998) в данный период соответствовало первым трем классам: в открытой части акватории наблюдалось наилучшее качество воды (концентрация хлорофилла «а» была ниже 4 мг/м3 -1 и II классы), в береговой зоне оно снижалась до III класса (концентрация хлорофилла «а» > 4,0 мг/м3) (Александров и Кудрявцева, 2012).

Таким образом, Юго-Восточная Балтика - один из наиболее эвтрофиро-ванных районов моря и требует особого внимания с точки зрения проверки тенденций изменения основных показателей эвтрофикации, прежде всего биомассы фитопланктона и концентрации хлорофилла «а».

В условиях дефицита и нерегулярности судовых наблюдений концентрации хлорофилла «а» в Юго-Восточной Балтике, наиболее эффективным методом оценки становится дистанционное зондирование в оптическом диапазоне спутниковыми спектрорадиометрами. Однако в водах Балтийского моря стандартные алгоритмы расчета концентрации хлорофилла «а» по спутниковым данным дают завышенные значения. Относительные ошибки составляют: систематические - 177 % для SeaWiFS и 236 % для MODIS; случайные - 159 % для SeaWiFS и 209 % для MODIS (Wozniak et al., 2008; Darecki et al., 2008). Главная причина больших ошибок стандартных алгоритмов для Балтийского моря - высокая концентрация взвешенного и окрашенного органического вещества (Darecki, Stramski, 2004). Первостепенная задача заключается в коррекции стандартных методик расчета концентрации хлорофилла «а» по спутниковым данным на основе данных натурных наблюдений.

Глава 2. Разработка региональных алгоритмов расчета концентрации хлорофилла «а» в юго-восточной части Балтийского моря по спутниковым данным

Район исследований расположен в пределах Гданьского бассейна в юго-восточной части Балтийского моря (Рисунок 1). Для разработки региональных алгоритмов расчета концентрации хлорофилла «а» использовались следующие данные:

- натурные измерения концентрации хлорофилла «а», проведенные в рамках комплексного экологического мониторинга по программе ООО «ЛУКОЙЛ — Калининградморнефть» в российском секторе Юго-Восточной Балтики в 2003-2009 гг. (Нефть и окружающая среда, 2012). Концентрация хлорофилла «а» определялась спектрофотометрическим методом специалистами Ат-лантНИРО (Методическое руководство, 2006; ГОСТ, 1990);

- спутниковые данные оптического диапазона трех спектрорадиометров: MERIS на спутнике ENVISAT (пространственное разрешение 1,2 км) и MODIS на спутниках Terra и Aqua (пространственное разрешение 1 км) за период с 2003 года по 2012 гг., а также SeaWiFS на спутнике SeaStar (пространственное разрешение 1,1 км) за 2010 г. Спутниковые данные обрабатывались с помощью программных комплексов SeaDAS Virtual Appliance (версия 6.4) и BEAM® (версия 4.10.3);

- натурные измерения спектральных коэффициентов яркости излучения, вышедшего из-под поверхности моря, выполненные в четырех подспутниковых экспериментах (Рисунок 1) плавающим спектрорадиомет-ром - прибором, разработанным в лаборатории оптики океана ИО РАН. Спектральный диапазон 390-700 нм; спектральное разрешение -2,5 нм; точность измерений - 5 % (Артемьев и др., 2000).

Концентрация хлорофилла «а» рассчитывалась по спутниковым данным четырьмя алгоритмами: для данных MODIS использовался стандартный алгоритм ОСЗМ (O'Reilly et al., 2000), а также алгоритм DESAMBEM, разработанный в Институте океанологии Польской академии наук для южной части Балтийского моря (Wozniak et al., 2008; Darecki et al., 2008); для данных MERIS использовался стандартный регрессионный алгоритм Algal Pigment Index I (Morel, Antoine, 1999) и стандартный алгоритм с использованием метода нейронных сетей Algal Pigment Index П (Doerffer, Schiller, 1997). Верификация и последующая коррекция существующих алгоритмов расчета концентрации хлорофилла «а» проводилась на основе сопоставления значений данного параметра, полученных по данным натурных измерений 20032009 гг., и по результатам обработки спутниковых данных MERIS-Envisât и MODIS-Terra/Aqua вышеуказанными алгоритмами. Массивы спутниковых данных по концентрации хлорофилла «а» для каждой станции были экспортированы с помощью программного комплекса SeaDAS Virtual Appliance 6.4. Для сопоставления натурных и спутниковых данных по концентрации хлорофилла «а» отбирались пары измерений, для которых разница во времени между станцией и пролетом спутника не превышала 3 часов.

т-

1К°Е

\

8

.О®1

2

10

□

Л 3? /|Л8 /

¥ Р-'

&А

X

Калининград

2

□

О■апрель

- ИЮНЬ

□ - июль Д - октябрь

19°Е 21>°Е 21°Е

Рисунок 1 - Схема расположения станций 2010 г.

Верификация стандартных алгоритмов обработки спутниковых данных для расчета концентрации хлорофилла «а». Сопоставление данных по концентрации хлорофилла «а», полученных по данным натурных измерений 2003-2009 гг. и по результатам обработки спутниковых данных MERIS стандартным регрессионным алгоритмом Algal Pigment Index I, показало его непригодность для вод Юго-Восточной Балтики (квадрат коэффициента корреляции г = 0,05, число пар измерений п = 69, статистический уровень значимости а > 0,05). Лучший результат для данных MERIS показал стандартный алгоритм Algal Pigment Index II. Наблюдается заметная корреляция между данными спутниковых и натурных измерений: г2 = 0,59, п = 87, стандартное отклонение а = 2,9 мг/м3, относительная ошибка V = 56 %, а < 0,05. Спутниковые данные дают завышенные значения по сравнению с данным in situ. Для устранения систематической ошибки использована корреляционная зависимость между спутниковыми и натурными данными:

Хл = 0,60* Хл_ Algal Pigment Index II +0,93, (1)

где Хл - искомая концентрация хлорофилла «а», Хд_ Algal Pigment Index II -концентрация хлорофилла «а», рассчитанная по данным MERIS алгоритмом Algal Pigment Index II. После коррекции стандартное отклонение и относительная ошибка сокращены а = 1,7 мг/м3, V = 42 % (Рисунок 2а).

Сопоставление натурных данных по концентрации хлорофилла «а» и значений, полученных в результате обработки спутниковых данных MODIS стандартным алгоритмом ОСЗМ, показало практически полное отсутствие корреляции (г2 = 0,08, п = 91, а = 5,26 мг/м3, а < 0,05) и непригодность данного алгоритма для Юго-Восточной Балтики.

В результате обработки данных MODIS алгоритмом DESAMBEM наблюдается заметная корреляция между данными спутниковых и натурных измерений: г = 0,33, п = 109, а = 1,9 мг/м3, V = 52 %, а < 0,05. Спутниковые данные дают в целом завышенные значения, что устраняется путем коррекции с использованием уравнения регрессии:

Хл = 0,64 * Xn_DESAMBEM + 0,42, (2)

где Хл - искомая концентрация хлорофилла «а», Xn_DESAMBEM - концентрация хлорофилла «а», рассчитанная по данным MODIS алгоритмом DESAMBEM. Стандартное отклонение и относительная ошибка после коррекции сокращены: о = 1,2 мг/м3, V = 34 % (Рисунок 26).

Выполненная коррекция существующих алгоритмов позволила создать региональные алгоритмы для расчета концентрации хлорофилла «а» для юго-восточной части Балтийского моря (уравнения 1, 2). Полученные региональные алгоритмы обеспечивают наибольшую точность расчета концентрации хлорофилла «а» в поверхностном горизонте юго-восточной части Балтийского моря (Буканова и др., 2011).

Й В

О

s а

и II

I ! 1 1 1 I 1 ' 1 ч

10 15 20

Концентрация хлорофилла "а"

—1-1-1-1-т-1-J-1-1-I—

5 10

Концентрация хлорофилла "a" in situ

а б

Рисунок 2 - Сопоставление данных по концентрации хлорофилла, полученных по данным натурных и спутниковых измерений: а - по данным MERIS, рассчитанным

алгоритмом Algal Pigment Index II с коррекций по уравнению (1); б - по данным MODIS, рассчитанным алгоритмом DESAMBEM, корректированным по уравнению (2). Сплошные линии - линейная корреляция между полученными данными, пунктир -линия идеального соотношения 1:1 (Буканова и др., 2011)

Несмотря на невысокие коэффициенты корреляции, ошибки расчета по разработанным региональным алгоритмам ниже, чем у существующих: региональный алгоритм для данных MERIS (уравнение 1) имеет погрешность измерения концентрации хлорофилла «а» 42 %, а стандартный алгоритм Algal Pigment Index II - 56 %; погрешность регионального алгоритма для данных MODIS (уравнение 2) - 34 %, а алгоритма DESAMBEM - 52 %.

Региональный алгоритм атмосферной коррекции. На основе натурных измерений спектральных коэффициентов яркости восходящего излучения плавающим спектрорадиометром разработан региональный алгоритм атмосферной коррекции данных спутниковых сканеров цвета MODIS-Aqua и MERIS, который основан на использовании системы базисных функций, позволяющей восстанавливать значения спектрального коэффициента яркости моря во всем видимом диапазоне по спутниковым данным (Копелевич и др., 2009). Система базисных функций построена на основе разложения по собственным векторам ковариационной матрицы спектральных значений коэффициента яркости водной толщи. Разложение, используемое для расчета спектрального коэффициента яркости моря р(?ц), имеет вид (Буканова и др., 2012):

= <p(Xi)> + + c2¥2(U

где <р(?ц)> - средние значения коэффициента яркости моряна длине волны 1Р|(л.,) и У2(?ч) - собственные вектора, С| и С2 - коэффициенты разложения.

Система базисных функции (<р(>.,)>, и vP2(^i)) рассчитывалась по 26

измеренным in situ спектрам коэффициента яркости моря во всем видимом диапазоне 400-700 нм. Неизвестные коэффициенты С) и Со рассчитывались методом наименьших квадратов по величинам коэффициента яркости моря, полученным стандартными алгоритмами атмосферной коррекции для спектральных каналов с длиной волны больше 500 нм, где ошибки стандартных алгоритмов обычно минимальны (Буканова и др., 2011).

Выполненная региональная коррекция спутниковых коэффициентов яркости моря показала лучшие результаты в коротковолновой области спектра по сравнению со стандартными спутниковыми алгоритмами (Рисунок 3). К сожалению, для осуществления более точной региональной атмосферной коррекции пока слишком мало подспутниковых измерений коэффициента яркости моря.

22.06.2010, станция № 5 10.10.2010, станция № 4

Рисунок 3 - Результаты атмосферной коррекции данных MODIS-Aqua (Буканова и др., 2012). Сплошная линия - измерения in situ, пунктирная - стандартный алгоритм MODIS, штрихпунктирная - региональный алгоритм

Поскольку спутник Envisat с установленным на его борту прибором MERIS прекратил свою миссию в апреле 2012 г., в дальнейшем исследовании закономерностей распределения и тенденций изменения концентрации хлорофилла «а» использованы данные спектрорадиометра MODIS.

Глава 3. Пространственно-временная изменчивость концентрации хлорофилла «а» и тенденции развития эвтрофикации в юго-восточной части Балтийского моря

Для анализа сезонной, межгодовой изменчивости и пространственного распределения концентрации хлорофилла «а» в поверхностном слое юго-восточной части Балтийского моря принято и обработано 1027 спутниковых

снимков спектрорадиометра MODIS за период с 2003 по 2012 года. Пространственное разрешение снимков - 1 км. Для расчета концентрации хлорофилла «а» в поверхностном слое моря использовался модифицированный автором региональный алгоритм (уравнение 2). Массивы данных по концентрации хлорофилла «а» получены с использованием программного обеспечения для обработки спутниковых данных BEAM® для 66 экспериментальных станций в Юго-Восточной Балтике (Рисунок 4).

,» О

J*

3$ • гг. л-

t * #

i * Ч. * :

34 /А? i

* М/Р

• ;::\«2-S * '

1$

Сжлш&ешй 40 33 шлу ОСТрО»

^Кзлиииигрйй

Рисунок 4 - Расположение экспериментальных спутниковых станций.

Пунктирная линия - граница российского экономического сектора

Район исследования ограничен с юга побережьем Польши, Вислинской косы и Самбийского полуострова, с востока - берегами Куршской косы и Литвы, с севера ограничен 56 градусом с.ш., с запада - 18 градусом в.д., и практически полностью совпадает с положением 26-ого подрайона согласно промысловому районированию Балтийского моря Международным советом по исследованию моря (ИКЕС), за исключением северной границы - 26-ой подрайон с севера ограничен 56,5 градусов с.ш.

Значение концентрации хлорофилла «а» для каждой станции определялось в окне 1x1 пиксель. Выборка данных за 2003-2012 гг. составила 46856 значений. Карты распределения концентрации хлорофилла «а» получены путем интерполяции точечных данных с использованием метода кригинга.

Сезонная изменчивость. Изменчивость концентрации хлорофилла «а» в юго-восточной части Балтийского моря носит ярко выраженный сезонный характер (рассматриваются биологические сезоны, предложенные \Vasmund, ЦМцщ, 2003). В среднем за 2003-2012 гг. концентрация хлорофилла «а» зимой (январь-февраль) составляет 1,4 ± 0,3 мг/м3, весной (март-май) — 3,2 ± 0,6 мг/м3, летом (июнь-сентябрь) равна 3,8 ± 0,4 мг/м3, осенью (октябрь-декабрь) - 1,9 ± 0,4 мг/м3. Средние значения концентрации хлорофилла «а» в весенний и летний периоды в 2 раза выше наблюдаемых осенью и зимой.

Сезонное распределение концентрации хлорофилла «а» имеет три отчетливых максимума (Рисунок 5): весенний в апреле (концентрация хлорофилла «а» равна 3,7 ± 0,9 мг/м3), летний в июле (концентрация хлорофилла «а» достигает 4,8 ± 0,8 мг/м3) и третий годовой пик в сентябре (концентрация хлорофилла «а» составляет 3,2 ± 0,3 мг/м3). Такой трехвершинный тип сезонной сукцессии фитопланктона характерен для мезотрофных водоемов умеренной зоны.

Рисунок 5 - Распределение среднемесячных значений концентрации хлорофилла «а» и температуры поверхности моря за 2003-2012 гг.

Годовой ход концентрации хлорофилла «а», полученный по спутниковым данным М(ШГ8, полностью согласуется с классической картиной сезонной динамики биомассы фитопланктона в Балтийском море и отражает стадии годовой сукцессии видового состава водорослей: первый, весенний максимум в развитии фитопланктона, наблюдается в апреле и связан с «цветением» диатомовых водорослей; второй, летний максимум в июле, обусловлен массовым развитием сине-зеленых водорослей; третий годовой максимум в сентябре формируется обильной вегетацией диатомовых водорослей.

Межгодовая изменчивость. В распределении среднегодовых значений концентрации хлорофилла «а» выделяются два года с максимальными значениями - 2008 и 2010 гг. (Рисунок 6).

Концентрация хлорофилла «а» ♦ Температура поверхности моря

Рисунок 6 - Среднегодовые значения концентрации хлорофилла «а» и температуры поверхности моря в 2003-2012 гг.

Межгодовой максимум концентрации хлорофилла «а» 2008 года определялся ранним прогревом поверхности воды весной и сгоном высокоэвтрофных вод с Восточного Готландского бассейна, а максимум 2010 года обусловлен наибольшими среднедекадными значениями температуры поверхности моря.

Пространственное распределение. В пространственном распределении концентрации хлорофилла «а» в поверхностном слое юго-восточной части Балтийского моря выявлен циркумконтинентальный тип зональности. Средние многолетние значения концентрации хлорофилла «а» за период 2003-2012 гг. имеют максимум (6 мг/м3) в 2 км от побережья до глубин 20 м, уменьшаются по мере удаления от берега, достигая минимума на расстоянии более 100 км от берега на глубинах более 75 м, где концентрации хлорофилла «а» в 1,5-2 раза ниже прибрежных значений и в среднем составляют 2,3 мг/м3 (Рисунок 7).

Повышенные концентрации хлорофилла «а» (> 4 мг/м3) как в отдельные сезоны, так и в среднем за 10 лет, наблюдаются в прибрежной зоне вдоль северного побережья Самбийского полуострова, Куршской косы, особенно в северной части косы, где источниками вод с высокими концентрациями хлорофилла «а» являются реки Неман и Дейма, впадающие в гиперэвтрофный Курш-ский залив, затем через Клайпедский канал попадающие в открытую часть моря. Максимальные концентрации хлорофилла «а» также отмечаются в Гданьском заливе, куда впадает самая крупная река Юго-Восточной Балтики - Висла, и поступают воды из высокопродуктивного Калининградского (Вислинского) залива через Балтийский пролив (Рисунок 7).

Тенденции развития эвтрофикации. За десятилетний период наблюдений (2003-2012 гг.) по спутниковым данным МО 018 отмечена положительная тенденция роста концентрации хлорофилла «а» в поверхностном горизонте юго-восточной части Балтийского моря. В среднем по станциям ежегодно концентрация хлорофилла «а» увеличивается на 0,09 ± 0,04 мг/м3. Прирост за десятилетний период наблюдений составил 0,9 ± 0,4 мг/м3 (Рисунок 8).

В сезонном аспекте (рассматриваются биологические сезоны по \Vasmund, ЦЪНг^, 2003) отмечено относительно равномерное увеличение концентрации хлорофилла «а» во все периоды. Осенью значение тренда максимально и составляет 1,0 ± 0,6 мг/м3/10 лет, весной 0,8 ± 0,5 мг/м3/10 лет, зимой 0,6 ± 0,5 мг/м /10 лет. Наименьшее значение линейного тренда характерно для летнего периода (0,4 ± 0,6 мг/м3/10 лет).

Равномерное увеличение концентрации хлорофилла «а» во все сезоны года дает основание прогнозировать дальнейшее развитие процесса эвтрофикации в Юго-Восточной Балтике.

В пространственном отношении помимо прибрежной зоны с наиболее высокими средними многолетними значениями концентрации хлорофилла «а» выявлена тенденция роста данного параметра в открытых удаленных от берега водах Юго-Восточной Балтики, для которых характерны минимальные концентрации хлорофилла «а» (станции 3,11, 45, 51, 57).

Рисунок 7 - Пространственное распределение средних многолетних значений концентрации хлорофилла «а» за 2003-2012 гг.

мг/м3 6.5

полуостров

- устье р. Вислы

2 - мыс Таран

3 - Вислинский залив

4 - Куршский залив

5 - Клайпедский канал

6 - Балтийский пролив

"18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 19.8 20 20 2 20 4 206 208 21 2

18 18 6 19 19 5 20 20 5 21

Рисунок 8 - Пространственное распределение значений линейных трендов концентрации хлорофилла «а» по спутниковым данным МСЮТЭ за 2003-2012 гг.

54 4-

Самбийский полуостров

Калининград

МГ/Мэ/10 лет

1 8 1 7 1 6 1 5 1 4

I 3 1 2

II 1

0 9 0 8 0 7 0 б 0 5 0 4

Результаты сопоставления средних многолетних значений концентрации хлорофилла «а» и температуры поверхности моря показывают высокую степень корреляции: квадрат коэффициента корреляции R2 = 0,8, что подтверждает тесную связь изменения концентрации хлорофилла «а» и температуры поверхности моря в регионе. В сезонном аспекте прослеживается соответствие тенденций роста концентрации хлорофилла «а» и температуры поверхности моря, при которых максимальный рост приходится на весну и осень, а минимальный наблюдается летом.

Уровень эвтрофирования и качество вод. Оценка уровня эвтрофирова-ния Юго-Восточной Балтики выполнена на основе классификации вод, принятой учеными стран Балтийского моря (Wasmund et al., 2001). Качество вод района исследования определено согласно классификации Vuoristo, 1998. Данные классификации являются обобщенными, утверждены и используются странами HELCOM для мониторинга экологического состояния Балтийского моря, основаны на данных по среднегодовой концентрации хлорофилла «а». Районирование акватории Юго-Восточной Балтики проведено на основе среднегодовых значений концентрации хлорофилла «а», рассчитанных региональным алгоритмом (уравнение 2) по спутниковым данным MODIS-Aqua и Terra.

Воды Юго-Восточной Балтики делятся на мезотрофные (концентрация хлорофилла «а» составляет 0,8-4 мг/м3) в открытой части и эвтрофные (концентрация хлорофилла «а» 4-10 мг/м3) в прибрежной зоне (Рисунок 9). Среднее многолетнее положение границы между мезотрофными и эвтрофными водами находится на удалении ~ 30 км от берега до изобаты 80 метров в юго-западной части акватории (Гданьский залив, вдоль побережья Вислинской косы) и в 1525 м от берега (до изобат 25-50 м) в восточной части вдоль северного побережья Самбийского полуострова и побережья Куршской косы.

Рисунок 9 - Средний многолетний уровень эвтрофирования Юго-Восточной Балтики за 2003-2012 гг.

В целях выявления тенденций процесса эвтрофикации и закономерностей ее межгодовой изменчивости в Юго-Восточной Балтике рассчитаны площади распространения вод различного уровня эвтрофирования за каждый год. За период наблюдений (2003-2012 гг.) средняя многолетняя площадь эвтроф-ных вод в акватории составила 29 %, а мезотрофных - 71 %. Ежегодное увеличение площади эвтрофных вод составляет 1,5 % за счет сокращения площади мезотрофных вод. Однако, коэффициенты корреляции линейных трендов ничтожно малы (Рисунок 10).

В Юго-Восточной Балтике обнаружены воды трех классов качества: I класс (отличное качество, концентрация хлорофилла «а» менее 2 мг/м3); II класс (хорошее качество, концентрация хлорофилла «а» составляет 2-4 мг/м3); III класс (удовлетворительное качество, концентрация хлорофилла «а» 4-12 мг/м3).

2003 2004 2005 2006 2007

■■ Мезотрофные воды ■

— Линейный тренд (Мезотрофные воды) —

у = -1,46х + 79,40 R! = 0,03

2008 2009 2010 2011 2012 ■i Эвтрофные воды — Линейный тренд (Эвтрофные воды) у = 1,46х + 20,60 R! = 0,03

Рисунок 10 - Линейные тренды изменения площадей вод различного уровня трофности

За весь период наблюдений средняя многолетняя площадь вод I класса составляет 11 % акватории Юго-Восточной Балтики, II класса - 60 %, III класса - 29 %. Ежегодное изменение площади вод II класса не зафиксировано, в то время как площадь вод III класса увеличивается на 1,5 % за счет сокращения вод I класса качества (Рисунок 11).

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 ■■■■ I класс качества ■■■■ II класс качества ■■■ III класс качества

-Линейный тренд (I класс качества)

--Линейный тренд (II класс качества)

-Линейный тренд (III класс качества)

2010 2011 2012 у = -1.49х + 19,24 R* = 0,20

у = -0,003х + 60,37

R* = 0 у = 1,46х + 20,52 R2 = 0,03

Рисунок 11 - Линейные тренды изменения площадей вод различного качества

Для российского сектора характерны общие тенденции процесса эвтро-фирования в регионе Юго-Восточной Балтики, описанные выше. За 2003-2012 гг. средняя многолетняя площадь чистых вод I класса качества составила 6 %, мезотрофных (II класса качества) - 62 %, эвтрофных вод (III класса качества) — 32 %. В данной акватории происходит ежегодное увеличение площади эвтрофных вод на 2 %. Наличие вод I класса качества нерегулярно наблюдается в 5-ти из 10 лет наблюдений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты выполненных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Сопоставление спутниковых и натурных значений концентрации хлорофилла «а» показало, что стандартные алгоритмы расчета концентрации хлорофилла «а» по спутниковым данным демонстрируют очень слабую корреляцию или ее полное отсутствие с данными натурных измерений, а также систематическое завышение значений данного параметра в юго-восточной части Балтийского моря.

2. Модифицированный автором региональный алгоритм обработки спутниковых данных MODIS обеспечивает наибольшую точность расчета концентрации хлорофилла «а» в поверхностном горизонте юго-восточной части Балтийского моря по сравнению со стандартными алгоритмами. Стандартное отклонение составляет 1,2 мг/м3, относительная ошибка 34 %. Несмотря на невысокий коэффициент корреляции, относительная ошибка расчета по предложенному региональному алгоритму ниже, чем у существующих.

3. Анализ спутниковых данных MODIS-Aqua/Terra, рассчитанных региональным алгоритмом позволил выявить следующие закономерности в характере сезонной изменчивости концентрации хлорофилла «а» в поверхностном горизонте юго-восточной части Балтийского моря:

- распределение концентрации хлорофилла «а» носит ярко выраженный сезонный характер и имеет три отчетливых максимума: в апреле (концентрация хлорофилла «а» равна 3,7 ± 0,9 мг/м3), июле (концентрация хлорофилла «а» достигает 4,8 ± 0,8 мг/м3) и сентябре (концентрация хлорофилла «а» составляет 3,2 ± 0,3 мг/м3).

- в среднем за период исследований 2003-2012 гг. концентрация хлорофилла «а» в поверхностном слое зимой составляет 1,4 ± 0,3 мг/м3, весной 3,2 ± 0,6 мг/м3, летом 3,8 ± 0,4 мг/м3, осенью 1,9 ± 0,4 мг/м3. Средние значения концентрации хлорофилла «а» в весенний и летний периоды в 2 раза выше наблюдаемых осенью и зимой.

4. Годовой ход концентрации хлорофилла «а», полученный по спутниковым данным MODIS, полностью согласуется с классической картиной сезонной динамики биомассы фитопланктона в Балтийском море, а также отражает стадии годовой сукцессии видового состава водорослей: первый, весенний макси-

мум в развитии фитопланктона, наблюдается в конце марта - апреле и связан с «цветением» диатомовых водорослей; второй, летний максимум в июле - августе обусловлен массовым развитием цианобактерий; третий, осенний максимум в сентябре, вызван обильной вегетацией диатомовых водорослей.

5. Выявлена значительная межгодовая изменчивость концентрации хлорофилла «а». Максимальные среднегодовые значения отмечены в 2008 (4,67 ± 0,80 мг/м3) и 2010 гг. (4,69 ±1,51 мг/м3). В 2008 году зафиксирован сгон высо-коэвтрофных вод с восточной части Готландского бассейна, определивший общее повышение концентрации хлорофилла «а» за год, а максимум концентрации хлорофилла «а» 2010 года обусловлен максимальными среднегодовыми значениями температуры поверхности моря.

6. В пространственном распределении концентрации хлорофилла «а» в поверхностном слое юго-восточной части Балтийского моря выявлен циркум-континентальный тип зональности. Средние многолетние значения концентрации хлорофилла «а» за период 2003-2012 гг. имеют максимум (6 мг/м3) в 2 км от побережья до глубин 20 м, уменьшаются по мере удаления от берега, достигая минимума на расстоянии более 100 км от берега на глубинах более 75 м, где концентрации хлорофилла «а» в 1,5-2 раза ниже прибрежных значений.

7. Влияние на распределение концентрации хлорофилла «а» в юго-восточной части Балтийского моря оказывают три основных источника выноса высокопродуктивных вод: устье реки Вислы в Гданьском заливе, Клайпедский канал, несущий воды гиперэвтрофного Куршского залива и Балтийский пролив, через который поступают воды Калининградского (Вислинского) залива.

8. Положительная тенденция роста концентрации хлорофилла «а» в поверхностном горизонте юго-восточной части Балтийского моря составляет 0,9 ± 0,4 мг/м3 за декаду (2003-2012 гг.), что связано с равномерным увеличением концентрации хлорофилла «а» во все сезоны года в условиях роста температуры поверхности моря.

9. За 2003-2012 гг. средняя многолетняя площадь эвтрофных вод в акватории юго-восточной части Балтийского моря составляет 29 %, мезотрофных — 71 %. Ежегодное увеличение площади эвтрофных вод составляет 1,5 %. Для российского сектора юго-восточной части Балтийского моря характерно увеличение площади эвтрофных вод на 2 % за год, их средняя многолетняя площадь составляет 32 %, площадь вод мезотрофного уровня — 68 %.

10. Средняя многолетняя площадь вод I класса качества в акватории юго-восточной части Балтийского моря составила 11 %, II класса (воды мезотрофного уровня) — 60 %, III класса (эвтрофный уровень) — 29 %. Ежегодное увеличение площади вод III класса качества в акватории юго-восточной части Балтийского моря составляет 1,5 %, что происходит за счет сокращения площади вод I класса качества.

Для российского сектора юго-восточной части Балтийского моря средняя многолетняя площадь вод I класса качества составила 6 % (на 5 % меньше, чем в целом по акватории Юго-Восточной Балтики), мезотрофных — 62 %, эвтроф-

ных вод — 32 % (на 3 % больше, чем в Юго-Восточной Балтике). В данной акватории происходит ежегодное увеличение площади эвтрофных вод на 2 % за счет сокращения площади мезотрофных. Изменение площади вод I класса качества не выявлено.

Модифицированный автором региональный алгоритм расчета концентрации хлорофилла «а» по спутниковым данным МСГОК может применяться при комплексном мониторинге экологического состояния юго-восточной части Балтийского моря. Перспективы представленного исследования заключаются во внедрении разработанного метода определения концентрации хлорофилла «а» в поверхностном горизонте моря в комплексное изучение всех показателей эвтрофирования.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Буканова Т. В., Вазюля С.В., Копелевич О.В., Буренков В.И., Шебер-стов С.В., Александров С.В. Разработка региональных алгоритмов атмосферной коррекции данных спутниковых сканеров цвета для вод Юго-Восточной Балтики // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9. №4. С. 70-79.

2. Буканова Т. В., Вазюля С.В., Копелевич О.В., Буренков В.И., Григорьев А.В., Храпко А.Н., Шеберстов С.В., Александров С.В. Региональные алгоритмы оценки концентрации хлорофилла и взвеси в юго-восточной Балтике по данным спутниковых сканеров цвета // Современные проблемы дистанционного исследования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 2. С. 64-73.

Публикации в других изданиях:

3. Bulycheva Е., Stont Z., Bukanova Т. Variations of sea surface temperature and ice conditions in the South-Eastem Baltic over the last decade // Baltic International Symposium (BALTIC), 2014 IEEE/OES, 27-29 May, Tallinn. IEEE. 2014. P. 1-10.

4. Bukanova Т., Stont Z., Goushchin O. Sea surface temperature trends in the South-eastern Baltic from satellite data. Proceedings of BSSC 9th Baltic Sea Science Congress: New Horizons for Baltic Sea Science.: Coastal Research and Planning Institute of Klaipeda University. 2013. P. 145.

5. Bukanova T.V., Vazyulya S.V., Kopelevich O.V.; Burenkov V.I., Sheber-stov S.V., Aleksandrov S.V. Development of regional bio-optical algorithms of satellite data for the South-Eastern Baltic // Proceedings of 2012 IEEE/OES Baltic International Symposium. 2012. P. 1-5.

6. Vazyulya S.V., Kopelevich O.V., Sheberstov S.V., Rybakova I.V., Bukanova T.V. Comparison between the data products derived from satellite ocean color

sensors MERIS and MODIS-AQUA // Abstract book of Sentinel-3 OLCI/SLSTR and MERIS/(A)ATSR workshop. 2012. P. 86.

7. Александров C.B., Буканова T.B., Кудрявцева E.A. Использование дистанционных и судовых измерений для оценки биологической продуктивности Балтийского моря // Материалы XV конференции по промысловой океанологии, посвященной 150-летию со дня рождения академика Н.М. Книповича. 2011. С. 33-37.

8. Bukanova T.V., Vazyulya S.V., Kopelevich O.V., Burenkov V.I., Grigoriev A.V., Khrapko A.N., Sheberstov S.V., Aleksandrov S.V. Development of regional bio-optical algorithms for processing satellite ocean color data for the SouthEastern Baltic // Proceedings of VI International Conference «Current problems in optics of natural waters» (ONW'2011). Saint-Petersburg. Nauka of RAS, 2011. P. 136-140.

9. Bukanova Т., Vazyulya S., Kopelevich O., Burenkov V., Grigoriev A., Sheberstov S., Khrapko A., Aleksandrov S. Regional bio-optical algorithms for retrieval of CHL and TSM concentrations from satellite ocean color data in the SouthEastern Baltic // Proceedings of 8th Baltic Sea Science Congress. 2011. P. 341.

10. Буканова T.B., Вазюля C.B., Копелевич O.B., Буренков В.И., Григорьев А.В., Храпко А.Н., Шеберстов С.В. Региональные алгоритмы оценки концентрации хлорофилла и взвеси в юго-восточной Балтике по данным спутниковых сканеров цвета. // Материалы конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Институт космических исследований РАН, Москва. 2010. С. 219.

11. Bukanova T.V., Stont J.I. Use of satellite data in the ecological monitoring of the South-Eastern Baltic // Proceedings of the 2nd Baltic Green Belt Forum. Towards sustainable development of the Baltic Sea coast. 2010. P. 235-239.

12. Александров C.B., Кудрявцева E.A., Буканова T.B. Использование спутниковых и судовых измерений хлорофилла и первичной продукции для оценки экологического состояния и биологической продуктивности Балтийского моря // Ученые записки русского географического общества. 2008. Т. 7. Ч. 1. АВ1-АВ10 (CD-ROM версия).

Буканова Татьяна Васильевна

ТЕНДЕНЦИИ ЭВТРОФИРОВАНИЯ ЮГО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ ПО СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Подписано в печать 14.10.2014 г. Бумага для множительных аппаратов. Формат 60x90 1/16 Гарнитура «тайме». Ризограф. Тираж 100 экз. Заказ 179

Отпечатано в типографии Издательства Балтийского федерального университета им. И. Канта 236029, г. Калининград, ул. Гайдара, 6