Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные результаты ранее проведенных исследований оптических характеристик арктических морей 15
1.1 Оптические характеристики вод Баренцева моря 16
1.2 Оптические характеристики вод Карского моря 20
1.3 Оптические характеристики вод моря Лаптевых 24
Глава 2. Использованные и разработанные методики и аппаратура 28
2.1 Натурные измерения 28
2.2 Разработка и использование спектральных флуориметров 38
2.2.1 Исследование зависимости флуоресценции Хл от концентрации фитопланктона 38
2.2.2 Светодиодный флуориметр со спектральной регистрацией 40
2.3 Оптические измерения в проточной системе 44
2.3.1 Проточная модификация лазерного спектрометра 44
2.3.2 Модификация проточного комплекса для измерения показателя ослабления 45
2.3.3 Эталонные кюветы для проточного флуориметра 46
2.3.4 Методика калибровки проточного флуориметра 48
2.4 Методика определения абсолютных величин показателя поглощения морской воды 49
2.5 Спутниковые измерения и алгоритмы обработки 57
2.5.1 Спутниковые сканеры цвета 57
2.5.2 Обработка спутниковых данных 60
2.5.3 Региональные алгоритмы 61
2.5.4 Дополнительные данные 65
2.6 Выводы по Главе 2 65
Глава 3. Оптические характеристики вод поверхностного слоя Баренцева моря 66
3.1 Физико-географическое описание 66
3.2 Биооптические характеристики вод поверхностного слоя Баренцева моря по судовым и спутниковым данным летом 2014–2016 гг. 68
3.3 Исследование биооптических характеристик вод поверхностного слоя Баренцева и Норвежского морей летом 2017 года 71
3.4 Выводы по Главе 3 78
Глава 4. Оптические характеристики вод поверхностного слоя Карского моря 79
4.1 Физико-географическое описание 79
4.2 Биооптические характеристики вод Карского моря по данным спутниковых и судовых измерений 81
4.3 Связь солености и флуоресценции желтого вещества в Карском море 89
4.4 Опреснение поверхностного слоя вод у восточного побережья Новой Земли 95
4.5 Выводы по Главе 4 104
Глава 5. Оптические характеристики вод поверхностного слоя моря Лаптевых 106
5.1 Физико-географическое описание 106
5.2 Оптическая структура поверхностного слоя вод моря Лаптевых по судовым и спутниковым данным 107
5.3 Выводы по Главе 5 114
Глава 6. Сходство и различие пространственных и временных распределений биооптических характеристик рассматриваемых морей 116
6.1 Оптические характеристики поверхностного слоя вод исследуемых арктических морей 116
6.2 Распределение биооптических характеристик Баренцева и Карского морей 118
6.3 Статистический анализ связей между биооптическими характеристиками Баренцева и Карского морей 125
6.4 Выводы по Главе 6 130
Заключение 132
Список литературы 136
- Оптические характеристики вод Карского моря
- Биооптические характеристики вод поверхностного слоя Баренцева моря по судовым и спутниковым данным летом 2014–2016 гг.
- Опреснение поверхностного слоя вод у восточного побережья Новой Земли
- Статистический анализ связей между биооптическими характеристиками Баренцева и Карского морей
Оптические характеристики вод Карского моря
Интенсивные гидрологические и гидробиологические исследования Карского моря начались с двадцатых годов 20 века и были связаны с развитием Северного морского пути (Мокиевский и др., 2016). Новая волна исследований началась в 90-х годах после обнаружения шельфовых месторождений нефти и газа, а также из необходимости мониторинга радиационных загрязнений. Результаты исторических и более современных комплексных международных исследований Карского моря собраны в книге (Volkov et al., 2002). Первые биооптические исследования вод Карского моря были выполнены в 49-м рейсе НИС «Дмитрий Менделеев» в 1993 г. (Буренков и др., 1994, 1995; Буренков и др., 2010).
Среди основных особенностей Карского моря следует отметить сильное влияние материкового стока на поверхностный слой, в результате которого значительную часть акватории занимают опресненные воды с высоким содержанием желтого вещества и взвеси. Границы области опресненных вод проявляются в виде фронтальных зон и резких фронтов; в зоне влияния материкового стока наблюдается сильная мезомасштабная изменчивость пространственного распределения концентрации хлорофилла а (Буренков и др., 2010а; Пелевин и др., 2017), окрашенного растворенного органического вещества (Беляев и др., 2010; Дроздова и др., 2017; Пелевин и др., 2017; Fichot et al., 2013), взвеси и других параметров, определяющих распространение солнечного излучения в водной толще (Буренков, Васильков, 1994; Буренков и др., 2010а; Буренков и др., 2010б; Зацепин и др., 2010; Кузнецова и др., 2013; Kopelevich et al., 2013).
В летний период в Карском море под влиянием стока Оби и Енисея формируется поверхностный опресненный слой (ПОС), занимающий значительную часть акватории (Зацепин и др., 2010, 2015; Полухин, Маккавеев, 2017; Carmack et al., 2016). ПОС имеет толщину около 10 м и создает плотностную стратификацию, препятствующую вертикальному перемешиванию вод, эффективно экранирует нижележащую водную толщу от взаимодействия с атмосферой и оказывает существенное влияние на экосистему моря. Известно, что в поверхностном слое вод в области обско-енисейского плюма наблюдаются высокие значения концентрации Хл (Demidov et al., 2018). Разделение водных масс, подверженных влиянию стока разных рек, может выполняться с помощью гидрохимических методов (Полухин и Маккавеев, 2017; Стунжас, 1995).
В последние годы проблеме влияния материкового стока в Карском море посвящены многочисленные исследования – как региональные: экспедиционные (Завьялов и др., 2015; Зацепин и др., 2010, 2015; Кравчишина и др., 2015; Маккавеев и др., 2015; Полухин, Маккавеев, 2017; Amon, 2004; Dai, Martin, 1995; Gonalves-Araujo et al., 2016; Granskog et al., 2015; Politova et al., 2012), спутниковые (Буренков и др., 2010а, 2010б; Зацепин и др., 2015; Demidov et al., 2018; Kubryakov et al., 2016; Osadchiev et al., 2017) и с помощью моделирования (Завьялов и др., 2015; Kubryakov et al., 2016; Nummelin et al., 2015, 2016), так и в составе панарктических (Fichot et al., 2013; Matsuoka et al., 2017).
В последние годы в Карском море были выполнены 8 комплексных рейсов: в 2007, 2011, 2015, 2016, 2017 и 2018 гг. (54, 59, 63, 66, 69 и 72 рейсы НИС «Академик Мстислав Келдыш»); 2013 и 2014 гг. (125 и 128 рейсы НИС «Профессор Штокман»). Ранее были рейсы ГС «Яков Смирницкий» в 1991 г. и НИС “Дмитрий Менделеев” в 1993 г. Биооптические исследования проводились во всех этих рейсах, благодаря чему был получен большой массив данных (Буренков и Васильков, 1994; Буренков и др., 1995; Буренков и др., 2010а; Буренков и др., 2010б; Глуховец и Гольдин, 2014, 2018; Glukhovets and Goldin, 2019). Выполненные измерения свидетельствуют о большом диапазоне изменения оптических характеристик в Карском море, что, с одной стороны, связано с мощным влиянием речного стока, с другой – с относительно слабой биопродуктивностью арктических вод (Буренков и др., 2010а). Наибольшие значения оптических характеристик приурочены, как правило, к районам, подверженным влиянию речного стока (Обская губа, Енисейский залив, Байдарацкая губа). Минимальные значения наблюдаются в северной части моря, где влияние речного стока невелико. В распределении оптических параметров выделяются фронтальные зоны, в которых их значения скачком изменяются в несколько раз. На рисунке 1.2 показано схематическое изображение фронтальных зон на фоне изолиний солености в поверхностном слое Карского моря в сентябре 2011 г, выделенных в работе (Завьялов и др., 2015). Распределение оптических характеристик достаточно тесно связано с гидрологией Карского моря и структурой течений.
В работах (Буренков и др., 2010а, 2010б) проанализированы результаты исследования оптических характеристик вод Карского моря, полученные в сентябре 2007 г. в 54-м рейсе НИС «Академик Мстислав Келдыш». Данные судовых измерений сопоставлены с результатами спутниковых наблюдений, кроме того спутниковые данные использовались во время проведения экспедиции для определения положений станций и разрезов. Судовые оптические исследования включали в себя измерения вертикальных профилей показателя ослабления и глубины видимости белого диска на станциях и непрерывных измерений интенсивностей флуоресценции ОРОВ и Хл с помощью проточного измерительного комплекса. Совместно с оптическими наблюдениями выполнялись биологические и геологические измерения. По спутниковым данным сканеров цвета SeaWiFS и MODIS выполнялись расчеты концентрации Хл, взвеси и показателя рассеяния назад взвешенными частицами для длины волны 555 нм – bbp(555). Стандартный алгоритм MODIS для определения концентрации хлорофилла давал существенно большие значения по сравнению с данными судовых измерений. Наибольшие значения bbp(555) наблюдались в Обской губе и Енисейском заливе, что объясняется поступлением взвеси с речным стоком. Здесь наблюдались резкие фронтальные зоны, где значения bbp(555) изменялись на порядок и более. Взмучивание донных осадков приливными течениями увеличивало значения показателя рассеяния назад взвесью в узкой полосе вблизи западного побережья полуострова Ямал. Авторы соотносят узкую полосу вод повышенной мутности у восточного побережья Новой Земли с поступлением терригенного материала с талыми водами архипелага, о чем свидетельствует пониженная температура этих вод. Глубина видимости белого диска и величины показателя ослабления изменялись от значений, меньших 0,5 м и больших 10 м-1, соответственно, в Обской губе и до 16–17 м и 0,11–0,12 м-1 в открытых районах моря. При этом значения интенсивности флуоресценции Хл изменялись в 15 раз, ОРОВ – в 5–6. Є0 70 80 90 longitude
Толщина квазиоднородного опресненного слоя, определенная с помощью оптических измерений, совпадает с результатами работ (Зацепин и др., 2010, 2015). Распределение взвеси, полученное по спутниковым данным, качественно и, в большинстве случаев, количественно согласовалось с данными прямых определений. Интересно отметить, что в 2011 г. в эстуарии Оби концентрация взвеси была почти в 12 раз выше, чем в эстуарии Енисея (Кравчишина и др., 2015).
Значительные ошибки в результатах работы стандартных алгоритмов вызваны высоким содержанием ОРОВ в области влияния речного стока. По данным судовых биооптических исследований были разработаны региональные спутниковые алгоритмы для Карского моря: для определения концентраций хлорофилла и взвешенного вещества (Кузнецова и др., 2013; Kuznetsova et al., 2013), показателей поглощения окрашенного органического вещества и диффузного ослабления солнечного излучения (Вазюля и др., 2014). Краткое описание этих алгоритмов приведено в Разделе 2.5.3.
В работе (Дроздова и др., 2017) характеристики флуоресценции РОВ использовались для исследования распространения пресных вод в Карском море и заливах Новой Земли. Данные были получены в 63-м рейсе НИС «Академик Мстислав Келдыш». Двумерные спектры флуоресценции регистрировались в диапазоне 240–650 нм при длинах волн возбуждения 230– 250 нм. Выявлен консервативный характер распространения растворенного органического вещества при его концентрациях от 1,25 мг/л до 8,55 мг/л. Доминирующей фракцией ОРОВ в августе–сентябре 2015 г. были гуминовые вещества терригенного происхождения. Следы терригенного желтого вещества регистрировались вплоть до 80 с.ш. на разрезе через желоб Воронина. Авторы предполагают, что повышенное содержание желтого вещества при солености 28 епс у желоба Святой Анны в северо-западной части моря может быть связано с вытеснением органического вещества при льдообразовании, произошедшего в предыдущие годы. В подтверждение гипотезы приводится ссылка на работу (Stedmon et al., 2011), в которой показано, что в море Уэдделла среднее накопление органического вещества в концентрированных растворах морской соли, образующихся при замерзании морской воды, составляет 61%. Это значение хорошо соотносится с данными (Amon, 2004), согласно которым при образовании льда в Карском море содержание ОРОВ уменьшается на 50–70%.
Структура термохалинных и биооптических полей на поверхности Карского моря была исследована в работе (Завьялов и др., 2015), выполненной по данным 59-го рейса НИС «Академик Мстислав Келдыш» (сентябрь 2011 г.). С помощью ультрафиолетового флуоресцентного лидара были получены концентрации хлорофилла, взвеси и растворенных органических веществ. Результаты T,S-анализа показали, что структура поверхностного слоя определялась воздействием трех водных масс: обско-енисейского материкового стока, поверхностных вод Арктического бассейна из района желоба Св. Анны и вод Баренцева моря, поступающих через пролив Карские Ворота. Уравнения линейного смешения для этих водных масс удовлетворительно описывали практически все разнообразие вод поверхностного слоя, охваченного экспедиционными измерениями. В работе обсуждается межгодовая изменчивость положения и значений характеристик поверхностного опресненного слоя по сравнению с данными судовых измерений, выполненных в 2007 г. В качестве основной причины этой изменчивости авторы указывают ветровое воздействие. Распределения концентрации взвеси, Хл и желтого вещества в целом повторяли особенности распределения вод пониженной солености, однако последние два имели особенности: в распределении хлорофилла у восточного побережья центральной части Новой Земли наблюдались максимумы; минимумы содержания Хл и РОВ были зарегистрированы в юго-западной части моря. Более подробно результаты лидарных исследований, выполненных в Карском море в 2011 г., проанализированы в работе (Пелевин и др., 2017), посвященной исследованию пятнистости биооптических полей. Авторы представили распределения концентрации Хл, взвеси и растворенных органических веществ в виде суперпозиции пятен с масштабами от 10 м до 10 км, при этом средние масштабы пятен составляли 24–72 м. Обнаружено, что при усилении ветра масштабы сначала уменьшаются, а затем снова увеличиваются до однородности приповерхностного слоя.
Среднемесячные распределения концентраций хлорофилла и взвеси, показатели рассеяния назад взвешенными частицами и поглощения ОРОВ, построенные по данным спутникового сканера цвета MODIS-Aqua с помощью региональных алгоритмов для Карского моря, были включены в десятый выпуск электронного Атласа биооптических характеристик морей России (Копелевич и др., 2018). Анализ этих распределений и их сравнение с результатами, полученными в Баренцевом море, представлены в Главе 6.
Биооптические характеристики вод поверхностного слоя Баренцева моря по судовым и спутниковым данным летом 2014–2016 гг.
Судовые данные были получены во время переходов из Калининграда в Архангельск: 127-го рейса НИС «Профессор Штокман» с 26 июля по 5 августа 2014 г.; 62-го и 65-го рейсов НИС «Академик Мстислав Келдыш» с 22 июля по 18 августа 2015 г. и с 29 июня по 9 июля 2016 г., соответственно. Измерения проводились в основном на ходу судна, но в 2015 и 2016 гг. удалось выполнить разрез из нескольких дрейфовых станций в Баренцевом море. Пробы воды по маршруту судна отбирались с поверхности ведром и посредством проточной системы с одновременным измерением поверхностной температуры воды и солености. Маршруты трех экспедиций подобны друг другу. На рисунке 3.2 представлен маршрут 65-го рейса НИС «Академик Мстислав Келдыш».
Во время экспедиций в Баренцевом море происходили массовые кокколитофоридные цветения. В судовых измерениях цветение проявлялось в увеличении показателя ослабления с, связанного с повышенным рассеянием (станции 6530–6535 в таблице 3.1). Вне области цветения (станции 6527–6529) величина показателя ослабления была ниже. На рисунке 3.3а показано пространственное распределение концентрации кокколитофорид во время цветения 2016 г., на рисунке 3.3б – распределение концентрации Хл.
Следует отметить, что области сильного цветения не так резко выделяются по концентрации хлорофилла – это связано с тем, что удельное содержание хлорофилла в клетках кокколитофорид невелико. В большинстве случаев региональный алгоритм расчета концентрации Хл для Баренцева моря дает более близкие к измеренным значения, чем стандартный. В среднем результаты регионального алгоритма несколько ниже результатов прямых измерений, результаты стандартного – выше.
Сопоставление судовых и спутниковых данных представлено на рисунке 3.4: ( а ) – спектры интенсивности флуоресценции, полученные при длине волны возбуждающего излучения 1 = 532 нм, (б) – 2 = 401 нм. Пики на длинах волн 650 (а) и 471 нм (б) обусловлены комбинационным рассеянием; максимумы на длине волны 685 нм обусловлены флуоресценцией Хл; эти максимумы накладываются на широкую полосу флуоресценции ОРОВ, максимум которой находится вблизи 580 нм (а) и 500 нм (б). Значения интенсивности флуоресценции нормированы на интенсивность комбинационного рассеяния и даны Рамановских единицах (R.U.). (в) – спектры коэффициента яркости моря RRS по данным MODIS-Aqua. Цветение хорошо проявляется в спектрах излучения, вышедшего из водной толщи. На рисунке 3.4 видно, что значения коэффициента яркости в максимуме на ст. 6533 в области цветения почти в три раза выше, чем на ст. 6527 вне этой области. В то же время, на спектры флуоресценции цветение влияния не оказывает.
Опреснение поверхностного слоя вод у восточного побережья Новой Земли
Интерес представляет исследование процессов, происходящих у берегов Новой Земли, которые возникают из-за появления дополнительного фактора, влияющего на оптические характеристики вод, – островного стока, образованного малыми реками и талыми ледниковыми водами. Важную роль в этих процессах может играть континентальный речной сток, несмотря на то, что устья рек удалены от исследованных заливов на 500–600 км. Влияние различных опресняющих источников на биооптические характеристики вод в пяти заливах восточного побережья Новой Земли было исследовано в работе (Glukhovets and Goldin, 2019). Выполнение работы стало возможным благодаря уникальному стечению обстоятельств: в достаточно короткий период времени удалось получить данные судовых измерений в пяти заливах архипелага Новая Земля; за несколько месяцев до проведения исследований начал работу новый спутниковый сканер цвета высокого разрешения MSI, установленный на спутнике Sentinel-2, данные которого были использованы в работе; достаточно редкое отсутствие облачности в регионе исследований позволило получить спутниковые данные в моменты времени, близкие к моменту проведения судовых исследований; в 2015 году наблюдался сильный западный перенос поверхностного опресненного слоя, и опресненные речным стоком воды достигали восточного побережья архипелага.
В период таяния ледников у берегов Новой Земли за счет поступления талых ледниковых вод у поверхности возникают локальные опресненные области. Пресные талые ледниковые воды не содержат РОВ (Дроздова и др., 2017). В областях, подверженных влиянию этих вод, регистрируется положительная корреляция солености и интенсивности флуоресценции ОРОВ (Артемьев и др., 2017; Глуховец и др., 2017). В то же время они характеризуются высоким содержанием взвешенного вещества, поступающего с берегов Новой Земли. Высокая концентрация взвеси в заливах – маркер талых ледниковых вод. Этот маркер позволяет эффективно регистрировать области, занятые талыми ледниковыми водами как контактными, так и дистанционными методами.
Положение границ и структура ПОС, формируемого указанными процессами, может быть определена с помощью непрерывных судовых измерений, выполняемых с помощью проточного измерительного комплекса (Буренков и др., 2010а; Глуховец и Гольдин, 2014; Глуховец и др., 2017; Гольдин и др., 2015). Границы этих областей определяются также по данным спутниковых сканеров цвета (Глуховец и Гольдин, 2014; Зацепин и др., 2010, 2015; Kubryakov et al., 2016; Pozdnyakov et al., 2005). Относительно небольшие размеры опресненных ледниковыми водами областей и близость к берегам Новой Земли обуславливают необходимость использования спутниковых данных высокого разрешения для исследования положения границ и пространственной структуры этих областей (Глуховец и Гольдин, 2017).
Судовые данные были получены во время 63-го рейса НИС «Академик Мстислав Келдыш» в конце сентября – начале октября 2015 г. Измерения выполнялись на ходу судна, как в открытых районах акватории Карского моря, так и в заливах: Седова, Ога, Цивольки, Степового и Абросимова (рисунок 4.15). Указанный район доступен для проведения исследований в достаточно короткий период времени. Его начало определяется освобождением акватории Карского моря от ледового покрова (июль – начало августа), конец – формированием сплошной облачности, препятствующей использованию сканеров цвета (конец сентября – октябрь).
Спутниковые изображения построены по данным сканера цвета высокого разрешения Multispectral Instrument (MSI), установленного на спутнике Sentinel-2 (https://scihub.copernicus.eu). Осреднение в процессе обработки обеспечило пространственное разрешение 40 м. Вследствие частой облачности над акваториями исследуемых заливов, количество доступных спутниковых данных требуемого качества сильно ограничено. В работе анализировались все доступные для данного региона и периода времени данные. Атмосферная коррекция не проводилась, так как для решения поставленных задач этого не требовалось.
Для анализа распространения ПОС, обусловленного достигающим берегов Новой Земли речным стоком, использовались карты пространственного распределения показателя поглощения желтого вещества. Карты построены по данным спутникового сканера цвета MODIS с помощью регионального алгоритма (Вазюля и др., 2014) в программе SMCS (Шеберстов, 2015). Из-за частой плотной облачности над акваторией Карского моря использованы спутниковые карты, осредненные по временному интервалу, соответствующему периоду судовых измерений.
Для оценки влияния приводного ветра на распространение локального опресненного слоя использовались данные реанализа INTERIM (Dee et al., 2011). Анализ карт приводного ветра, предшествующих на 1–2 дня и совпадающих по времени со спутниковыми данными высокого разрешения, показал низкую скорость ветров ( 7 м/с) и высокую изменчивость его направлений. Таким образом, в период измерений ветер не участвовал в формировании пространственного распределения взвешенного вещества и распространении ПОС в акваториях исследуемых заливов.
Судовые исследования трех соседних заливов Северного острова Новой Земли: Седова, Ога и Цивольки, показанных на рисунке 4.15, проходили последовательно с 25 по 29 сентября 2015 г. Для анализа были выбраны наиболее близкие по времени экспедиционным исследованиям данные Sentinel-2 от 22 и 24 сентября 2015 г., соответственно. На каждом из спутниковых изображений открытыми от облаков оказались только пары заливов. Расположенный в центре залив Ога виден на обоих изображениях, что позволяет соотносить результат их обработки.
Локальные области, опресненные талыми ледниковыми водами, содержат повышенную концентрацию взвеси (Кравчишина и др., 2015). Исследованный в этой работе залив Благополучия расположен относительно близко к исследуемым (рисунок 4.15) и имеет схожее строение. Прямые определения концентрации взвеси показали, что в талых ледниковых водах она составляла 9,8 мг/л, а в поверхностном слое внутренних вод залива – 1,3–2,3 мг/л. При этом в западной (вблизи Новой Земли) и северной частях Карского моря наблюдаются наименьшие концентрации взвеси (0,2 – 0,5 мг/л) (Буренков и др., 2010б). Подобное увеличение концентрации взвеси из-за влияния талых ледниковых вод наблюдалось и во фьордах Шпицбергена (Sagan and Darecki, 2017). Авторами зарегистрировано увеличение полного показателя ослабления (с 5,81 м-1 до 26,5 м-1) при существенно меньшем росте показателя поглощения частицами (с 0,1 м-1 до 0,22 м-1). Причем во фьорде с доминирующим вкладом минеральной взвеси изменения значений с были заметно больше. Результаты этих исследований подтверждают повышенное содержание взвеси в талых ледниковых водах.
Повышенная концентрация частиц приводит к увеличению рассеяния назад (Буренков и др., 2010б; Sagan and Darecki, 2017), что приводит к увеличению яркости выходящего из воды излучения, фиксируемого по спутниковым данным. По данным каналов B2–B4 построены карты распределения яркости восходящего излучения (рисунок 4.16). В результате обработки в графическом редакторе на снимках градациями серого выделены области повышенной яркости (повышенной концентрации частиц), соответствующие положению локальных опресненных областей.
Обработка спутниковых изображений позволила ранжировать объем талых ледниковых вод. Наибольший сток поступает с ледника Голубой в залив Ога, существенно меньший объем -с ледника Серп и молот в залив Цивольки (темные области внутри заливов на рисунке 4.16). К заливам Ога и Цивольки выходят языки ледников. Воды залива Седова не соприкасаются с ледником, в него впадает малая река (длиной несколько десятков километров). Ее влияние проявляется в виде темной области в середине залива (рисунок 4.16).
По данным судовых измерений для залива Ога на участке маршрута, который проходит внутри области, опресненной стоком талых ледниковых вод (рисунок 4.16), построены распределения солености и интенсивности флуоресценции ОРОВ (рисунок 4.17 слева). Распределение солености подтверждает наличие небольшого опреснения (порядка 1 епс) в акватории залива Ога. Положительная корреляция солености и интенсивности флуоресценции ОРОВ показывает, что опреснение сформировано талыми ледниковыми водами. Пример другого типа связи, характерного для области ПОС (Глуховец и Гольдин, 2014), показан на рисунке 4.17 справа.
Статистический анализ связей между биооптическими характеристиками Баренцева и Карского морей
Для анализа связи пространственных распределений и временных изменений абсолютных значений концентраций хлорофилла и взвешенного вещества в поверхностном слое вод субрегионов Баренцева и Карского морей были произведены статистические расчеты. Расчеты выполнены для среднемесячных значений, полученных с помощью региональных алгоритмов за период 2003-2017 гг. Разделение исследуемых морей на субрегионы основано на различиях основных условий, формирующих биооптические характеристики вод: в субрегионе Б1 это арктические воды, в Б2 – атлантические воды, в Б3 – речной сток (рисунок 1.1); в К1 – речной сток и баренцевоморские воды, в К2 – речной сток и арктические воды (рисунок 4.1).
Рассматриваемый временной период включает в себя наборы из 15 пар сопоставляемых значений, что соответствует 13 степеням свободы. При уровне значимости p = 0,05 критическое значение коэффициента корреляции r составляет 0,51, при p = 0,01 значение r должно превышать 0,64. (Fisher and Yates, 1943).
Следует сделать важное замечание относительно погрешности рассчитанных коэффициентов корреляции. Для расчетов использовались «мягкие» требования к спутниковым данным: бин (ячейка сетки) считался заполненным, если за месяц в него попадал хотя бы один пиксел с данными (Копелевич и др., 2015а). Такой подход позволяет располагать существенно большим количеством данных, однако точность оценок абсолютных значений концентраций хлорофилла и взвешенного вещества становится ниже, чем при выполнении «жестких» требований (Копелевич и др., 2018). Из-за использования «мягких» требований близкие к критическим значения r могут быть незначимыми в самые неблагоприятные для спутниковых наблюдений месяцы: в мае и сентябре – в северном субрегионе Баренцева моря, в июне и сентябре – в субрегионах Карского моря.
Баренцево море. В таблице 6.3 показаны полученные значения коэффициентов корреляции для среднемесячных распределений концентрации Хл в поверхностном слое вод субрегионов Баренцева моря за период 2003-2017 гг. Пропуски в таблице соответствуют значениям r, не достигающим уровня статистической значимости 0,05.
Известно, что в Баренцевом море по обе стороны от Полярного фронта происходит весеннее цветение фитопланктона (Signorini and McClain, 2009). Весеннее цветение развивается и в северном и в среднем субрегионах, поэтому с июня по сентябрь между этими субрегионами наблюдается сильная связь (r = 0,71–0,80; значения выделены зеленым в таблице 6.3). В августе и сентябре, когда пространственное распределение концентрации Хл в Баренцевом море становится однородным (рисунок 6.5а), все регионы связаны друг с другом.
Обращают на себя внимание смещенные на 1-2 месяца повторяющиеся связи между субрегионами Б2 и Б3 (r = 0,60–0,69, выделены золотистым в таблице 6.3). По-видимому, они представляют собой пример «ложных регрессий» и объясняются естественным спадом концентрации хлорофилла после массового весеннего цветения в субрегионе Б2 вместе со спадом интенсивности речного стока, формирующего распределение Chl в субрегионе Б3, после половодья на Печоре, которое происходит с середины мая по середину июля (Лукин и др., 2000).
Полученные значения коэффициентов корреляции для среднемесячных распределений концентрации взвешенного вещества в поверхностном слое вод субрегионов Баренцева моря за период 2003-2017 гг. показаны в таблице 6.4.
Основной процесс, определяющий концентрацию взвеси в Баренцевом море – кокколитофоридное цветение, происходит только в среднем субрегионе и в основном в августе (Копелевич и др., 2018). Цветение не оказывает влияния на другие районы моря и иногда может иметь временной сдвиг: начинаться в июле и продолжаться до сентября. Этим объясняется незначимость корреляций, получаемых в субрегионах Баренцева моря c июля по сентябрь.
Весеннее цветение фитопланктона проявляется в значениях коэффициентов корреляции для среднемесячных значений концентрации взвешенного вещества в субрегионах Б1 и Б2 в июне такими же высокими значениями (r = 0,71), как и для концентрации Хл (таблица 6.3).
Влияние речного стока Печоры проявляется в связи (r = 0,61), полученной в южном субрегионе в июле и августе – в период максимального распространения речного стока после половодья (Лукин и др., 2000).
Карское море. Соответствующие коэффициенты корреляции среднемесячных значений концентрации хлорофилла, рассчитанные для двух субрегионов Карского моря, оказались значимы лишь в двух случаях: r1 = 0,67 в субрегионах К1 и К2 в июле, r2 = 0,81 в субрегионе К1 между августом и сентябрем. Первое значение объясняется наблюдаемыми в июне максимумами речного стока Оби и Енисея (Зацепин и др., 2010). Положения областей поверхностного опресненного слоя, полученные по спутниковым данным (рисунки 4.9 и 4.10), показывают, что после половодья большой объем речных вод поступает сразу в оба субрегиона Карского моря. Принесенные этими водами биогенные элементы способствуют развитию фитопланктона и в К1 и в К2. В последующие месяцы – в августе и сентябре – ветровые условия формируют один из типов распространения поверхностного опресненного слоя. По данным (Kubryakov et al., 2016) за период 2003–2014 гг. восточный тип зарегистрирован дважды, западный – 4 раза, центральный – 5 раз. Высокие значения коэффициента r2 в субрегионе К1, который в большей степени подвержен влиянию речного стока, возникают благодаря сложившемуся типу распределения. Можно было ожидать высоких значений коэффициента корреляции между среднемесячными значениями концентрации Хл в августе и сентябре и в субрегионе К2, однако такая связь оказалась незначимой. По-видимому, это возникает вследствие увеличения ошибок из-за худших условий для спутниковых наблюдений в северной части Карского моря, связанных с более частой облачностью, а также с меньшим влиянием поверхностного опресненного слоя на этот субрегион.
Коэффициенты корреляции для среднемесячных распределений концентрации взвешенного вещества, полученные в Карском море, оказались значимы лишь субрегионе К1 между августом и сентябрем (r = 0,61). Этот результат согласуется с полученным выше для концентрации хлорофилла и так же объясняется формированием одного из типов распространения поверхностного опресненного слоя в эти месяцы.
Связь между биооптическими характеристиками Баренцева и Карского морей. Связь среднемесячных значений концентрации хлорофилла в поверхностном слое вод Баренцева и Карского морей статистически незначима по уровню 0,05. Это связано с различием процессов, формирующих пространственные распределения и временные изменения концентрации хлорофилла в этих морях.
Самые высокие значения коэффициентов корреляции между районами Баренцева и Карского морей (r = 0,76) получены в июле в субрегионах Б3 и К1, наиболее подверженных влиянию речного стока (таблица 6.5). По всей видимости, это связано с крупномасштабным изменением объемов речного стока с этой части материка. По данным архива http://www.r-arcticnet.sr.unh.edu связь объемов стока Печоры (гидрологический пост 7568) и Оби (гидрологический пост 7142) в июне (во время половодий) за период 1932–1998 гг. имела коэффициент корреляции r = 0,47. Дополнительным влияющим фактором может быть поступление несущих высокие концентрации взвешенного вещества баренцевоморских вод из региона Б3 (таблица 6.1) в юго-западный субрегион Карского моря. Связи между регионами Б2 и К1, разделенными Новой Землей, могут возникать из-за таяния ледников и поступления в акватории морей талых ледниковых вод, содержащих высокие значения концентрации взвеси (рисунок 6.5д). Соответствующие значения r = 0,57–0,69 выделены в таблице 6.5 синим цветом.