Использование данных об изменчивости оптических свойств атмосферного аэрозоля для коррекции спектров коэффициента яркости моря
В работе предложена методика коррекции спектров коэффициента яркости моря с использованием данных об изменчивости оптических свойств атмосферного аэрозоля, полученных при помощи солнечного фотометра CIMEL, входящего в состав международной сети AERONET. Показано, что применение данной методики позвол...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Морской гидрофизический журнал |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Морський гідрофізичний інститут НАН України
2012
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56624 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Использование данных об изменчивости оптических свойств атмосферного аэрозоля для коррекции спектров коэффициента яркости моря / Е.Н. Корчёмкина // Морской гидрофизический журнал. — 2012. — № 1. — С. 39-45. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859647571456163840 |
|---|---|
| author | Корчёмкина, Е.Н. |
| author_facet | Корчёмкина, Е.Н. |
| citation_txt | Использование данных об изменчивости оптических свойств атмосферного аэрозоля для коррекции спектров коэффициента яркости моря / Е.Н. Корчёмкина // Морской гидрофизический журнал. — 2012. — № 1. — С. 39-45. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Морской гидрофизический журнал |
| description | В работе предложена методика коррекции спектров коэффициента яркости моря с использованием данных об изменчивости оптических свойств атмосферного аэрозоля, полученных при помощи солнечного фотометра CIMEL, входящего в состав международной сети AERONET. Показано, что применение данной методики позволяет корректировать спектры коэффициента яркости с учетом состояния облачности. С использованием разработанной методики проведен расчет концентраций хлорофилла а для района океанографической платформы ЭО МГИ НАН Украины (пос. Кацивели, Черное море). Приведено сравнение концентраций, рассчитанных по данным контактных и спутниковых измерений восходящей яркости моря для района платформы.
У роботі запропонована методика корекції спектрів коефіцієнта яскравості моря з використанням даних про мінливість оптичних властивостей атмосферного аерозолю, отриманих за допомогою сонячного фотометра CIMEL, який входить до складу міжнародної мережі AERONET. Показано, що застосування даної методики дозволяє коректувати спектри коефіцієнта яскравості з урахуванням стану хмарності. З використанням розробленої методики проведено розрахунок концентрацій хлорофілу а для району океанографічної платформи ЕВ МГІ НАН України (сел. Кацівелі, Чорне море). Наведене порівняння концентрацій, розрахованих за даними контактних і супутникових вимірювань висхідної яскравості моря для району платформи.
Method of correcting sea reflectance spectra using the data on variability of atmospheric aerosol optical features obtained by the sun photometer CIMEL which is a part of international net AERONET is proposed. It is shown that application of this method permits to correct reflectance spectra allowing for cloudiness state. Chlorophyll a concentrations in the region of the oceanographic platform of ED MHI, NAS of Ukraine (Katsiveli, the Black Sea) are calculated using the developed method. The concentrations calculated using direct and satellite measurements of ascending sea reflectance for the platform region are compared.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:29:59Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 1 39
© Е.Н. Корчёмкина, 2012
УДК 551.463
Е.Н. Корчёмкина
Использование данных об изменчивости
оптических свойств атмосферного аэрозоля
для коррекции спектров коэффициента яркости моря
В работе предложена методика коррекции спектров коэффициента яркости моря с исполь-
зованием данных об изменчивости оптических свойств атмосферного аэрозоля, полученных
при помощи солнечного фотометра CIMEL, входящего в состав международной сети
AERONET. Показано, что применение данной методики позволяет корректировать спектры
коэффициента яркости с учетом состояния облачности. С использованием разработанной ме-
тодики проведен расчет концентраций хлорофилла а для района океанографической платфор-
мы ЭО МГИ НАН Украины (пос. Кацивели, Черное море). Приведено сравнение концентра-
ций, рассчитанных по данным контактных и спутниковых измерений восходящей яркости мо-
ря для района платформы.
Ключевые слова: коэффициент яркости, хлорофилл а, аэрозольная оптическая толщина,
атмосферная коррекция.
Введение. Анализ данных спутниковых сканеров цвета моря предполага-
ет учет вклада атмосферы в восходящую яркость, поскольку доля сигнала
моря в общем сигнале мала. При стандартных методах для атмосферной кор-
рекции используются данные инфракрасных каналов сканеров [1]. В при-
брежной зоне изменчивость характеристик аэрозоля особенно высока, в ос-
новном за счет его мелкой фракции, что ведет к большой изменчивости сум-
марного рассеяния в синей области спектра. Уже это показывает, что экстра-
поляция показателя рассеяния аэрозоля из красной части спектра в синюю не
достаточно достоверна и может приводить к большим ошибкам в последую-
щем определении коэффициента яркости в коротковолновой области. В этом
случае концентрации хлорофилла а, восстановленные по спектру коэффици-
ента яркости, часто оказываются завышенными, особенно для прибрежных
вод [2].
Ранее было показано[3], что наличие даже приблизительной оценки диф-
фузного отражения света морем на границе диапазона измерений в синей об-
ласти позволило бы значительно повысить точность атмосферной коррекции
в других спектральных каналах. В статье [4] предлагается корректировать
спектры коэффициента яркости, уже прошедшие стандартную коррекцию, с
использованием двухпараметрической модели, опираясь на два измеренных
значения в зеленой части спектра. Предполагается, что эти значения наиме-
нее подвержены влиянию погрешности стандартной атмосферной коррекции.
Поскольку оптические свойства воды в Черном море зависят в основном от
содержания детрита и растворенной органики, то с помощью двухпараметри-
ческой модели, в которой учитываются только поглощение детритом и рас-
творенной органикой и рассеяние взвесью, можно приближенно описать ко-
эффициент яркости вне полос поглощения хлорофилла а.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 1 40
В той же работе [4] был определен спектральный ход погрешности стан-
дартной атмосферной коррекции как спектр первого собственного вектора
ковариационной матрицы значений восходящей яркости на верхней границе
атмосферы для случая, когда вклад моря минимален. Поправка, добавляемая
при коррекции, считалась пропорциональной найденному спектру. В резуль-
тате спектральный ход погрешности описывался выражением
y
x
C
n
+=
λ
λ)( , (1)
где λ – длина волны; xи y – константы, зависящие от имеющихся оценоч-
ных значений коэффициента яркости на границах видимого диапазона; зна-
чения n изменяются в пределах от 0,7 до 2. Изменчивость данной погрешно-
сти максимальна в коротковолновой части видимого диапазона, что привно-
сит дополнительную ошибку в вычисления.
Для того чтобы более точно оценить спектральный ход аэрозольной оп-
тической толщины (АОТ) атмосферы и ее погрешностей, в нашей работе бы-
ли использованы данные солнечного фотометра CIMEL, расположенного в
Севастополе и входящего в состав международной сети AERONET [5]. Этот
фотометр измеряет яркость прямого солнечного излучения каждые 15 мин в
диапазоне от 340 до 1020 нм, что позволяет оперативно получать информа-
цию о состоянии атмосферы и сопоставлять ее с данными дистанционного
измерения яркости моря.
В работе [6] было показано, что, несмотря на значительное расстояние
между местом расположения фотометра (Севастополь) и районом измерения
параметров морской воды (Кацивели) и различную плотность покрытия не-
босвода облаками, величины оптических характеристик атмосферы практи-
чески совпадают. Это позволяет увеличить количество известных параметров
для района океанографической платформы за счет продуктов инверсии изме-
рений АОТ фотометром CIMEL. Поэтому методику коррекции из статьи [4]
было предложено модифицировать так, чтобы использовать в ней спектры
АОТ, полученные по непосредственным измерениям.
Целью работы является демонстрация возможности восстановления кон-
центраций хлорофилла а по дистанционным измерениям на основе данных
сети AERONET для коррекции спектров коэффициента яркости.
Методика вычислений. В работе использованы данные второго уровня
обработки о восходящем из моря излучении, полученные при помощи спут-
никового сканера MODIS Aqua. При анализе эти данные сравнивались со
спектрами коэффициента яркости моря, полученными с 11 по 17 августа
2010 г. на океанографической платформе в Кацивели (рис. 1). Измерения вы-
полнялись при помощи спектрофотометра, разработанного в отделе оптики
моря МГИ НАН Украины. Методика измерений позволяет исключить влия-
ние прямого света, отраженного от водной поверхности (блика) [6]. Для рай-
она океанографической платформы за 13 и 17 августа имеются данные одно-
временных дистанционных и контактных измерений (при обработке спутни-
ковых измерений за 17 августа рассматривались ближайшие к платформе
пиксели).
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 1 41
Р и с. 1. Примеры спектров коэффициента яркости моря, полученных летом 2010 г. на океано-
графической платформе в Кацивели: 1 – 12 августа, 2 – 13 августа, 3 – 14 августа, 4 – 17 авгу-
ста
По контактным и дистанционным измерениям коэффициента яркости
моря были рассчитаны концентрации хлорофилла а для района океанографи-
ческой платформы. Алгоритм, использованный для этого, подробно изложен
в статье [7]. Коэффициент яркости ρ в нем описывается следующим уравне-
нием трехпараметрической модели:
)(*
00
0e)()(
)/)(()(
λλαλλ
λλλλ
ρ −−++
+
=
ddmchlchlw
bpbw
CaCa
bb
k , (2)
где 15,0=k ; )(λbwb и )(λwa – обратное рассеяние и поглощение света чис-
той морской водой [8]; )(* λchla – удельное поглощение хлорофилла а, α –
спектральный наклон показателя поглощения неживой органики [9]; 0λ =
= 400 нм; chlC , ddmC , )( 0λbpb – искомые параметры: концентрации хлорофил-
ла а и неживой органики и обратное рассеяние взвесью на длине волны 0λ
соответственно.
Неизвестные параметры рассчитываются с помощью итерационной про-
цедуры, в процессе которой каждый параметр вычисляется для отдельного
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 1 42
спектрального участка. Такая методика позволяет повысить устойчивость
решения и упростить расчеты.
Для реализации разработанной методики атмосферной коррекции было
предложено использовать не априорно заданный спектр восходящей яркости
атмосферного аэрозоля, а спектр погрешности измерений АОТ солнечным
фотометром CIMEL. Для каждого момента времени значение АОТ находится
как среднее из трех измерений, проведенных с интервалом в 30 с. Анализ по-
грешностей таких триплетов позволяет оценить изменчивость аэрозольных
характеристик атмосферы. Статистическая обработка данных сети AERONET
показала, что для периода наблюдений на океанографической платформе
спектр погрешности определения АОТ можно аппроксимировать выражени-
ем (1). На рис. 2 показан пример такой аппроксимации для 13 августа 2010 г.,
для которой 27,1=n . За время измерений значение n изменялось от 1 до 1,36,
и пренебрежение данной изменчивостью привнесло бы в коэффициент ярко-
сти дополнительную ошибку порядка 10%.
Р и с. 2. Осредненный за сутки спектр погрешностей в триплете измерений по данным сети
AERONET за 13 августа 2010 г. (ромбы – полученные значения, штриховая линия – аппрокси-
мация выражением (1))
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 1 43
Анализ результатов вычислений. На рис. 3 приведено пространствен-
ное распределение концентраций хлорофилла а, рассчитанное по данным
сканера MODIS для района платформы. Отметим, что в целом наблюдается
распределение, характерное для данного района, однако концентрации хло-
рофилла а существенно ниже, чем в те же периоды нескольких предшест-
вующих лет [7, 9]. Анализ глубины видимости белого диска, измерявшейся
одновременно с коэффициентом яркости, также подтверждает, что концен-
трации примесей морской воды были существенно ниже характерных для
данного района. Так, в эксперименте наблюдались глубины видимости бело-
го диска 15 – 18 м, что свидетельствует о большей прозрачности прибрежных
вод по сравнению с предыдущими годами.
Р и с. 3. Распределение концентраций хлорофилла а (мг/м3) в районе океанографической
платформы (отмечено квадратом) 13 августа 2010 г.
В таблице приведено сопоставление концентраций хлорофилла а, полу-
ченных по данным контактных и дистанционных измерений.
Сравнение концентраций хлорофилла а (Cchl, мг/м3),
полученных по данным контактных и дистанционных измерений
Дата На платформе
Данные MODIS
с коррекцией
Данные MODIS
без коррекции
13.08.10 0,61 0,55 0,34
17.08.10 0,48 0,45 0,28
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 1 44
Поскольку измерения часто прерывались облачностью, то одновремен-
ные спутниковые и контактные данные имеются только для двух дней изме-
рений. Они показывают хорошее соответствие, что свидетельствует о качест-
ве проведенной коррекции. Исходные спутниковые данные в основном полу-
чены на границах с облачностью, и стандартной атмосферной коррекции при
этом недостаточно.
Заключение. Данные об аэрозольной оптической толщине атмосферы,
получаемые при помощи солнечных фотометров сети AERONET, можно ис-
пользовать в качестве основания для проведения коррекции спутниковых
спектров коэффициента яркости. Данные, предоставляемые сетью AERONET,
позволяют оперативно оценить кратковременную изменчивость оптических
свойств атмосферы, что представляет ценность для исследования прибреж-
ных районов моря, где эта изменчивость особенно велика.
Поскольку сеть AERONET предоставляет не только непосредственные
данные измерений АОТ, но и продукты их модельной обработки, в дальней-
шем предполагается более полно использовать ее возможности.
Работа выполнена в рамках программы «Наука для мира» по проекту
НАТО ESP.EAP.EFPP 982678 «Биооптические характеристики Черного моря
в приложении к дистанционному зондированию».
Автор выражает благодарность доктору Бренту Холбену за предостав-
ленную возможность использования данных международной сети AERONET.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Gordon H.R., Wang M. Retrieval of water-leaving radiance and aerosol optical thickness over
the oceans with SeaWiFS: a preliminary algorithm // Appl. Optics. – 1994. – 33, № 3. –
P. 443 – 452.
2. Kopelevich O.V., Burenkov V.I., Ershova S.V. et al. Application of SeaWiFS data for studying
variability of bio-optical characteristics in the Barents, Black and Caspian Seas // Deep-Sea
Res. II. – 2004. – 51. – P. 1063 – 1091.
3. Паршиков С.В., Ли М.Е. Дистанционное зондирование оптически активных примесей с
применением коротковолнового участка спектра // Автоматизированные системы кон-
троля состояния морской среды. – Севастополь: МГИ НАН Украины, 1992. – С. 65 – 78.
4. Корчёмкина Е.Н., Шибанов Е.Б., Ли М.Е. Усовершенствование методики атмосферной кор-
рекции для дистанционных исследований прибрежных вод Черного моря // Исследование
Земли из космоса. – 2009. – № 6. – С. 24 – 30.
5. http://aeronet.gsfc.nasa.gov/
6. Ли М.Е., Мартынов О.В. Измеритель коэффициентов яркости для подспутниковых
измерений биооптических параметров вод // Экологическая безопасность прибрежной
и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. – Севастополь: МГИ
НАН Украины, 2000. – С. 163 – 173.
7. Шибанов Е.Б., Корчёмкина Е.Н. Восстановление биооптических характеристик вод Черного
моря при условии постоянства коэффициента яркости на длине волны 400 нм // Морской гид-
рофизический журнал. – 2008. – № 1. – С. 38 – 50.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 1 45
8. Smith R.C., Baker K.S. Optical properties of clearest natural waters (200 – 800 nm) // Appl. Optics. –
1981. – 20, № 2. – Р. 177 – 184.
9. Чурилова Т.Я., Берсенева Г.П. Поглощение света фитопланктоном, детритом и раство-
ренным органическим веществом в прибрежном районе Черного моря (июль – август
2002 г.) // Морской гидрофизический журнал. – 2004. – № 4. – С. 39 – 50.
Морской гидрофизический институт НАН Украины, Материал поступил
Севастополь в редакцию 17.09.10
E-mail: lisenik@mail.ru После доработки 15.10.10
АНОТАЦІЯ У роботі запропонована методика корекції спектрів коефіцієнта яскравості моря з
використанням даних про мінливість оптичних властивостей атмосферного аерозолю, отрима-
них за допомогою сонячного фотометра CIMEL, який входить до складу міжнародної мережі
AERONET. Показано, що застосування даної методики дозволяє коректувати спектри коефі-
цієнта яскравості з урахуванням стану хмарності. З використанням розробленої методики про-
ведено розрахунок концентрацій хлорофілу а для району океанографічної платформи ЕВ МГІ
НАН України (сел. Кацівелі, Чорне море). Наведене порівняння концентрацій, розрахованих за
даними контактних і супутникових вимірювань висхідної яскравості моря для району плат-
форми.
Ключові слова: коефіцієнт яскравості, хлорофіл а, аерозольна оптична товщина, атмо-
сферна корекція.
ABSTRACT Method of correcting sea reflectance spectra using the data on variability of atmospheric
aerosol optical features obtained by the sun photometer CIMEL which is a part of international net
AERONET is proposed. It is shown that application of this method permits to correct reflectance spec-
tra allowing for cloudiness state. Chlorophyll a concentrations in the region of the oceanographic
platform of ED MHI, NAS of Ukraine (Katsiveli, the Black Sea) are calculated using the developed
method. The concentrations calculated using direct and satellite measurements of ascending sea ref-
lectance for the platform region are compared.
Keywords: reflectance, chlorophyll a, aerosol optical thickness, atmospheric correction.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-56624 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7584 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:29:59Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Морський гідрофізичний інститут НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Корчёмкина, Е.Н. 2014-02-21T00:54:05Z 2014-02-21T00:54:05Z 2012 Использование данных об изменчивости оптических свойств атмосферного аэрозоля для коррекции спектров коэффициента яркости моря / Е.Н. Корчёмкина // Морской гидрофизический журнал. — 2012. — № 1. — С. 39-45. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0233-7584 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56624 551.463 В работе предложена методика коррекции спектров коэффициента яркости моря с использованием данных об изменчивости оптических свойств атмосферного аэрозоля, полученных при помощи солнечного фотометра CIMEL, входящего в состав международной сети AERONET. Показано, что применение данной методики позволяет корректировать спектры коэффициента яркости с учетом состояния облачности. С использованием разработанной методики проведен расчет концентраций хлорофилла а для района океанографической платформы ЭО МГИ НАН Украины (пос. Кацивели, Черное море). Приведено сравнение концентраций, рассчитанных по данным контактных и спутниковых измерений восходящей яркости моря для района платформы. У роботі запропонована методика корекції спектрів коефіцієнта яскравості моря з використанням даних про мінливість оптичних властивостей атмосферного аерозолю, отриманих за допомогою сонячного фотометра CIMEL, який входить до складу міжнародної мережі AERONET. Показано, що застосування даної методики дозволяє коректувати спектри коефіцієнта яскравості з урахуванням стану хмарності. З використанням розробленої методики проведено розрахунок концентрацій хлорофілу а для району океанографічної платформи ЕВ МГІ НАН України (сел. Кацівелі, Чорне море). Наведене порівняння концентрацій, розрахованих за даними контактних і супутникових вимірювань висхідної яскравості моря для району платформи. Method of correcting sea reflectance spectra using the data on variability of atmospheric aerosol optical features obtained by the sun photometer CIMEL which is a part of international net AERONET is proposed. It is shown that application of this method permits to correct reflectance spectra allowing for cloudiness state. Chlorophyll a concentrations in the region of the oceanographic platform of ED MHI, NAS of Ukraine (Katsiveli, the Black Sea) are calculated using the developed method. The concentrations calculated using direct and satellite measurements of ascending sea reflectance for the platform region are compared. Работа выполнена в рамках программы «Наука для мира» по проекту НАТО ESP.EAP.EFPP 982678 «Биооптические характеристики Черного моря в приложении к дистанционному зондированию». Автор выражает благодарность доктору Бренту Холбену за предоставленную возможность использования данных международной сети AERONET. ru Морський гідрофізичний інститут НАН України Морской гидрофизический журнал Экспериментальные и экспедиционные исследования Использование данных об изменчивости оптических свойств атмосферного аэрозоля для коррекции спектров коэффициента яркости моря Article published earlier |
| spellingShingle | Использование данных об изменчивости оптических свойств атмосферного аэрозоля для коррекции спектров коэффициента яркости моря Корчёмкина, Е.Н. Экспериментальные и экспедиционные исследования |
| title | Использование данных об изменчивости оптических свойств атмосферного аэрозоля для коррекции спектров коэффициента яркости моря |
| title_full | Использование данных об изменчивости оптических свойств атмосферного аэрозоля для коррекции спектров коэффициента яркости моря |
| title_fullStr | Использование данных об изменчивости оптических свойств атмосферного аэрозоля для коррекции спектров коэффициента яркости моря |
| title_full_unstemmed | Использование данных об изменчивости оптических свойств атмосферного аэрозоля для коррекции спектров коэффициента яркости моря |
| title_short | Использование данных об изменчивости оптических свойств атмосферного аэрозоля для коррекции спектров коэффициента яркости моря |
| title_sort | использование данных об изменчивости оптических свойств атмосферного аэрозоля для коррекции спектров коэффициента яркости моря |
| topic | Экспериментальные и экспедиционные исследования |
| topic_facet | Экспериментальные и экспедиционные исследования |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56624 |
| work_keys_str_mv | AT korčemkinaen ispolʹzovaniedannyhobizmenčivostioptičeskihsvoistvatmosfernogoaérozolâdlâkorrekciispektrovkoéfficientaârkostimorâ |