Исследование спутниковой информации о первичной продукции в Азорском регионе при помощи вейвлет-анализа

Т. В. Белоненко, А. В. Колдунов

ИССЛЕДОВАНИЕ СПУТНИКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ О ПЕРВИЧНОЙ ПРОДУКЦИИ В АЗОРСКОМ РЕГИОНЕ ПРИ ПОМОЩИ ВЕЙВЛЕТ-АНАЛИЗА*

Изучение закономерностей пространственно-временной изменчивости биологических характеристик океана всегда было одной из основных проблем биоокеанологии. Содержание хлорофилла «а» во взвеси морской воды является показателем продуктивности вод. Вычисление первичной продукции по спутниковым измерениям основывается именно на данных о концентрации хлорофилла «а», и это подтверждается многочисленными исследованиями связи между хлорофиллом «а» и первичной продукцией для различных регионов Мирового океана и оценками биологической продуктивности района [1—3]. На этом обстоятельстве основаны различные модели пересчета хлорофилла «а», полученного со спутников, в характеристику фотосинтетической продуктивности водоема — в «первичную продукцию».

Известно, что концентрация хлорофилла «а», получаемая при помощи спутниковых наблюдений, является характеристикой не всего эвфотического слоя, а средним значением концентрации хлорофилла «а» для верхнего слоя проникновения спутникового сигнала, глубина которого зависит от прибора, измеряющего концентрацию хлорофилла «а», но в среднем составляет 1/5 глубины эвфотического слоя. Таким образом, концентрация хлорофилла «а», полученная в районе Азорских островов, является средней величиной для верхнего 14-16-метрового слоя. Для того чтобы данные по концентрации первичной продукции более корректно отражали реальную продуктивность в районе Азорских островов, разработаны и успешно апробированы различные модели пересчета спутникового хлорофилла «а» в первичную продукцию, в частности «Обобщенная по Вертикали Модель Первичной Продукции», проинтегрированная по всему эвфоти-ческому слою [4].

Измерения хлорофилла «а» in-situ в Азорском регионе проводятся не так часто. После того как на одном из островов наладили получение спутниковых снимков непосредственно со спутников MODIS и SeaWiFS, вместо данных in-situ стали использовать спутниковые наблюдения, и редкие океанографические рейсы практически совсем прекратились.

Существуют карты первичной продукции Атлантического океана («Dahlem» map), составленные на основании наблюдений со спутников [5]. По этим картам значения первичной продукции в Азорском регионе лежат в пределах 100-250 мг/м-1/сут-1, что в действительности является несколько заниженной оценкой по сравнению с данными in-situ. Натурные измерения первичной продукции в регионе, как правило, выполнялись научными судами, направляющимися из Европы в Антарктиду. Именно такой экспедицией является исследование испанских ученых в 2006 г., по данным которых среднее содержание первичной продукции в Азорском регионе колеблется в пределах 160-240 мгС/м2/сутки. Хаскин и др., используя метод С14, в 1999 г. получили

* Работа выполнена в рамках проекта LAMAR (LAMAR-DRCT/FRCT-M2.1.2/F/008/2007). © Т. В. Белоненко, А. В. Колдунов, 2010

несколько другие оценки первичной продукции: 100-200 мгС/м2/день. При этом наибольшие значения, 200 мгС/м2/день, наблюдались на широте 36° 5^. Однако существуют и результаты специальных экспедиций, посвященных исследованию биологического разнообразия в Северной Атлантике. Например, такими результатами являются данные французского проекта РОММЕ1. Эта экспедиция проходила несколько севернее Азорских островов — в районе 16-19°N. Их оценки суммарного содержания первичной продукции также были получены методом С14 и составили 350-900 мгС/м2/сутки [6]. В. Виноградов в 2006 г. составил карту распределения первичной продукции по спутниковым данным с учетом бактериальной продукции. Согласно этим данным, в Северной Атлантике значения первичной продукции увеличиваются с юга на север и составляют от 200 мгС/м2/день и более. Непосредственно в районе Азорских островов наблюдаются значения от 200 до 500 мгС/м2/день [6].

Долгое время было невозможно получить целостную картину и приходилось довольствоваться результатами судовых измерений, которые очень малочисленны и не всегда точны. Пространственный и временной охват таких наблюдений не позволяет получить детальную информацию о процессах в обширных акваториях и на больших временных масштабах. В условиях явной недостаточности измерений первичной продукции т-вИп для оценки картины пространственного распределения первичной продукции необходимо использовать спутниковые данные. В последнее время в связи с развитием дистанционных методов спутникового зондирования океана, с появлением репрезентативной спутниковой информации о цвете моря, концентрации хлорофилла, первичной продукции появились широкие возможности применения подобной информации для решения актуальных научных и прикладных задач биологии моря и промысловой океанографии.

Спутниковые данные позволяют исследовать синоптическую и сезонную изменчивость продуктивности океана при помощи временных рядов наблюдений, которые рассматриваются при их обработке и анализе как реализации случайных процессов и ха-

рактеризуются моментными функциями первых двух порядков и частотными спектрами. В последние годы для исследования временных рядов широко применяется вейвлет-анализ — аппарат, наиболее информативный для изучения структуры неоднородных и нестационарных процессов, где в качестве базисов используются так называемые вейвлеты — соли-тонообразные функции двух аргументов: масштаба и сдвига. В работе нами использовались вейвлеты Морле, которые, как нам представляется, хорошо приспособлены для исследования процессов, содержащих климатическую и синоптическую составляющие [7, 8].

При помощи вейвлет-анализа нами анализировались спутниковые данные первичной продукции дискретностью 8 суток с 2002 по 2008 г. для 42 пунктов Азорского региона (рис. 1), район исследования включает Азорские острова и прилегающие воды и охватывает участок между 33-43°N и 22-32°

-32° -30° -28° -26° -24° -22°

43°

42°

41°

40°

39°

38°

37°

36°

35°

34°

33°

32°

# • • • • •

^ • • • • •

• • • • •

• • • • •

Рис. 1. Расположение пунктов Азорского региона, в которых проводился вейвлет-анализ.

Рассчитанные коэффициенты вейвлет-преобразования были представлены в графическом виде (вейвлет-изображение), где по оси абсцисс (ось времени) откладывались сдвиги вейвлета, а по оси ординат — масштабы, цветом выделено значение соответствующих коэффициентов вейвлет-преобразования. Вейвлет-изображение — это как бы «рентгеновский снимок» исследуемого процесса. На нем видны все его характерные особенности: масштаб и интенсивность периодических изменений, направление и величина трендов, наличие, расположение и длительность скачков, т. е. все факторы, определяющие изменчивость исследуемой характеристики. Диапазон масштабов — от нескольких месяцев до полутора лет исследовался с большей детальностью отдельно, всего было построено и анализировалось 84 вейвлет-изображения.

Нами был проведен феноменологический анализ результатов для всех 42 пунктов, в частности исследована взаимосвязь экстремумов на графиках первичной продукции и расположения областей экстремальных значений вейвлет-коэффициентов. Такой анализ позволяет, зафиксировав временной промежуток максимальных значений первичной продукции, выделить масштабы изменчивости, дающие наибольший вклад в этот процесс. Анализ вейвлет-изображений показал, что изменчивость первичной продукции характерна для всего диапазона рассматриваемых масштабов (максимально возможное до 6 лет1), но в разные промежутки времени происходит с различной интенсивностью. На рис. 2 представлен пример: временной ход первичной продукции в одном из пунктов и его вейвлет-изображение.

При анализе вейвлет-изображений выяснилось, что для всех 42 пунктов Азорского региона выражены колебания годового цикла с максимумом вейвлет-коэфициентов весной и минимумом осенью. Этот вывод был прогнозируемым: сезонная изменчивость первичной продукции определяется сезонными циклами образования фитопланктона, и неудивительно, что максимум годового цикла на вейвлет-изображении соответствует максимуму на графике первичной продукции. Однако совершенно неожиданным оказался, выделенный при помощи вейвлетов Морле, существенный вклад в изменчивость первичной продукции четырехлетних колебаний.

Четырехлетние циклы неизменно выделяются на всех рисунках. При этом везде наблюдается приблизительно одна и та же картина распределения экстремальных областей вейвлет-коэффициентов: область минимальных значений с центром для 2005 г. (осень 2004 г. —лето 2005 г.) и два положительных максимума слева и справа от нее. Первый максимум соответствует промежутку: зима 2002 г. —лето 2003 г., второй максимум— лето 2006 г. —весна 2007 г. (см. рис. 2). Существование четырехлетних циклов в изменчивости первичной продукции в Азорском регионе было отмечено также и биологами по независимым судовым измерениям [9].

Следует отметить, что интенсивность четырехлетних колебаний в различных пунктах различна: например, диапазон изменчивости вейвлет-коэффициентов четырехлетних колебаний первичной продукции для пункта, приведенного на рис. 2, в три раза больше, чем в соседних пунктах (например, для пункта 34.625 N 23.625 '). Еще большие отличия в четырехлетних циклах для размеров областей, соответствующих этим экстремальным значениям. Таким образом, выделяются более продуктивные районы, как, например, пункт с координатами 36.2917 N 25.2917 ', и менее продуктивные, например пункт с координатами 34.625 N 23.625 '.

1К сожалению, ограниченность реализации не позволяет изучить более низкочастотные колебания, однако, несомненно, эти масштабы также вносят определенный вклад в изменчивость первичной продукции.

112

Primary production Wavelet-analysis

36.2917 N,25.2917 W 1200,-------------------------------------------------1-, ,---------

200 -----------1--------------------1--------------------1-------------- -----1---------------------1—

2003 2004 2005 2006 2007

Time

2003 2004 2005 2006 2007

Time

Рис. 2. Временной ход первичной продукции в пункте 36.2917 К, 25.2917 W и ее вейвлет-изображение.

Для всех 42 рассмотренных пунктов минимум годовых колебаний связан с максимумом четырехлетнего цикла с полугодовым запаздыванием по фазе. Если максимум четырехлетнего цикла совпадает с минимумом годовых колебаний, то на графике исходной реализации — временного хода первичной продукции также наблюдается минимум. Данная тенденция наблюдается для большинства пунктов региона, хотя в некоторых и не соблюдается. Однако совпадение по времени максимумов четырехлетнего и годового циклов соответствует очень высоким значениям исходной реализации — первичной продукции и, следовательно, высокой продуктивности района в указанный промежуток времени для данного пункта, в то время как совпадение экстремумов противоположных знаков на вейвлет-изображении приводит к невысоким значениям первичной продукции и соответственно низкой продуктивности района.

Для каждого рассматриваемого пункта вейвлет-анализ временных рядов первичной продукции позволяет определить промежутки совпадения или несовпадения фаз максимумов годовых и четырехлетних циклов. Этот вывод может оказаться весьма существенным в дальнейшем при разработке прогностических моделей первичной продукции.

Анализ масштабов также показал, что колебания годового цикла имеют различную структуру. Они могут быть связаны с колебаниями больших масштабов, в частности с четырехлетними, при этом находится в одной и той же фазе с ними или же составлять противофазу. Обратим внимание на то, что четырехлетний минимум 2005 г. связан с годовыми минимумами 2004 и 2007 гг. (зимние сезоны) (см. рис. 2). Возможно, как раз здесь наблюдается перераспределение энергии во времени по масштабам: в данном случае — от меньших масштабов к большим, т. е. от годовых колебаний к колебаниям четырехлетнего цикла. Годовой минимум значений для зимы 2004 г. переходит в минимум колебаний четырехлетнего цикла 2005 г., а затем, хотя уже с меньшей интенсивностью, опять к минимуму годового цикла.

Помимо годовых и четырехлетних циклов колебаний первичной продукции в отдельных пунктах выделяются также процессы, определяемые двух и трехлетними циклами, как, например, на вейвлет-изображении (см. рис. 2). Однако интенсивность этих колебаний значительно уступает колебаниям годового и четырехлетнего циклов.

Для более детального анализа сезонной изменчивости для всех 42 пунктов Азорского региона были специально выделены и построены с большей подробностью вейвлет-изображения для максимального масштаба 1,5 лет (рис. 3). На всех этих рисунках также выделяются колебания годового цикла с максимумами для весеннего периода и минимумами для осеннего. Как было сказано выше, различие интенсивности годовых экстремумов коэффициентов определяется, вероятно, их связью с процессами больших масштабов. Для нас интересно выявить структуру колебаний меньшего периода, и в особенности колебаний полугодового цикла, а также их связь с годовыми колебаниями.

Следует отметить, что полугодовые колебания в изменчивости первичной продукции присутствуют далеко не для всех пунктов и проявляются во времени существенно неравномерно. Например, для пункта 42.9583 N 26.9583 ' (см. рис. 3) для промежутка времени от 2003 до 2005 г. они практически незаметны, в то время как для промежутка времени 2005-2008 гг. вклад их значителен. В данном случае можно утверждать, что полугодовые колебания существуют вне зависимости от особенностей вейвлет-анализа, и это не определяется, как, например, наличием обертонов в гармоническом анализе. Существование полугодовых циклов изменчивости первичной продукции подтверждается и выводами биологов. Известно, что в океане существуют не только весенние, но

114

Primary production Wavelet-analysis 42.9583 N,26.9583 W

Time

Рис. 3. Временной ход первичной продукции в пункте 42.9583 К, 26.9583 W и ее вейвлет-изображение.

и осенние вспышки цветения фитопланктона. В некоторых пунктах на вейвлет-изображениях наблюдается перераспределение энергии полугодовых колебаний в область более низких частот — к колебаниям годового цикла.

Возможно, полугодовые, двух- и четырехлетние колебания можно отнести к колебаниям, не связанным с внешними геокосмическими циклами. Один из механизмов возбуждающих такие явления может быть связан с нелинейностью описываемых процессов, их синергетикой.

Вейвлет-анализ первичной продукции Азорского региона показал возможности использования этого метода для анализа временных рядов и открывает широкие перспективы для развития прогностических моделей.

Выводы

1. Вейвлет-анализ первичной продукции на основании спутниковых данных был проведен для всех 42 пунктов Азорского региона 33-43°^ 22-32° '.

2. Результаты вейвлет-преобразования показывают, что изменчивость первичной продукции происходит во всем рассматриваемом диапазоне масштабов (до 6 лет), но с различной интенсивностью. Выделяются экстремумы, определяемые процессами 2- или 3-летнего цикла, но в целом изменчивость первичной продукции определяется процессами годового и четырехлетнего цикла, которые неизменно выделяются для всех пунктов. Колебания годового цикла первичной продукции соответствуют максимуму коэффициентов вейвлет-преобразования для весеннего периода и минимуму для осеннего.

3. Интенсивность значений экстремумов коэффициентов в различных пунктах различна. Выделяются более продуктивные районы, например пункт с координатами

36.2917 N 25.2917 ', и «менее продуктивные», например пункт с координатами 34.625 N 23.625 '.

4. Совпадение во времени максимумов четырехлетнего и годового циклов на вейвлет-изображении соответствует высоким значениям первичной продукции на графике исходной реализации и низким их значениям в противоположном случае. Это обстоятельство в дальнейшем может оказаться существенным при разработке прогностических моделей первичной продукции.

5. Между масштабами изменчивости может происходить перераспределение энергии: область максимума годовых колебаний на вейвлет-изображении связана с максимумом четырехлетнего цикла с полугодовым запаздыванием по фазе. Данная тенденция наблюдается для большинства пунктов акватории.

6. В некоторых пунктах существенный вклад в изменчивость первичной продукции вносят полугодовые колебания, проявляющиеся во времени и в пространстве существенно неравномерно. В природе наличие полугодовых циклов в изменчивости первичной продукции соответствует наличию весенних и осенних вспышек цветения фитопланктона.

Литература

1. Дубравин В. Ф. Поверхностные водные массы Атлантического океана // Комплексное изучение открытой части Атлантического океана. Л., 1986.

2. Дубравин В. Ф. Поверхностные водные массы и формирование зон биологической продуктивности Атлантического океана. СПб., 2001.

3. Кобленц-Мишке О. И. Фотосинтетическая первичная продукция // Биологические ресурсы океана. М., 1985.

4. Behrenfeld M. J., Falkowski P. G. Photosynthetic rates derived from satellite-based chlorophyll concentration // Limnol. Oceanogr. 1997. 42.

5. Berger W. H., Smetacek V. S., Wefer G. Productivity of the ocean: Present and past // Life Sciences Reserch. 1989. Rep. 44.

6. Океанология на старте XXI века / Под ред. А. Л. Верещака. М., 2008.

7. Белоненко Т. В. Вейвлет-анализ индекса Тихоокеанской декадной осцилляции и температурных индексов Эль-Ниньо // Вопросы промысловой океанографии. М., 2005. Вып. 2.

8. Белоненко Т. В., Колдунов В. В., Старицын Д. К., Фукс В. Р., Шилов И. О. Изменчивость уровня северо-западной части Тихого океана. СПб., 2009.

9. Pinca S., Dallot S. Zooplankton community structure in the Western Mediterranean sea related to mesoscale hydrodynamics // Hydrobiologia. 1997. 356.

Статья поступила в редакцию 25 января 2010 г.