Manifestations of Upwellings in the Black Sea in Multisensor Remote Sensing Data

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The paper presents the results of a study of upwelling in the Black Sea in three marine areas: in the northeastern part of the sea, near the Tendrovskaya Spit and the Western Crimea, and off the coast of Turkey. They are based on the use of multi-sensor remote sensing data, namely ocean color scanners (MODIS, VIIRS, OLCI-a and OLCI-b), infrared radiometers (TIRS and AVHRR), as well as synthetic aperture radar (SAR) images acquired by spaceborne SARs. An integrated approach using practically only remote sensing data makes it possible to quite fully characterize the observed upwellings in the sea. In the active phase, upwelling, in addition to sea surface temperature (SST), is usually displayed both in the phytoplankton chlorophyll-a concentration (chlor-a) and in the sea surface roughness on the SAR images. In the analyzed cases, the duration of upwellings varied from 6 to 10 days, the SST differences in the upwelling zone were up to 8°С, and the concentrations of chlor-a were 5–6 times higher than the background values of 0.5–0.7 mg/m3. The maximum SST anomalies, which are about 8°C, were observed off the Turkish coast. As a result of the analysis, a dynamic relationship was revealed between the areas of low SST in the upwelling zone (compared to the sea waters surrounding this zone), sea surface roughness and chlor-a concentration. It is shown that in the case of using the full set of available remote sensing data, the observation, monitoring and study of upwelling does not present any fundamental difficulties.

About the authors

D. V. Khlebnikov

Shirshov Institute of Oceanology Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: dx@ocean.ru
Russia, Moscow

A. Yu. Ivanov

Shirshov Institute of Oceanology Russian Academy of Sciences; AEROCOSMOS Research Institute for Aerospace Monitoring

Email: dx@ocean.ru
Russia, Moscow; Russia, Moscow

M. A. Evdoshenko

Shirshov Institute of Oceanology Russian Academy of Sciences

Email: dx@ocean.ru
Russia, Moscow

S. K. Klimenko

Shirshov Institute of Oceanology Russian Academy of Sciences

Email: dx@ocean.ru
Russia, Moscow

References

  1. Бортковский Р.С. О влиянии температуры воды на состояние поверхности океана и на процессы переноса // Изв. АН СССР. ФАО. 1997. Т. 33. № 2. С. 266–273.
  2. Бычкова И.А., Викторов C.B. Выявление и систематизация апвеллингов Балтийского моря на основе спутниковых данных // Океанология. 1987. Т. 27. № 2. С. 218–223.
  3. Бычкова И.А., Викторов C.B., Виноградов В.В. Использование спутниковых данных для изучения апвеллинга и фронтогенеза в Балтийском море // Исслед. Земли из космоса. 1985. № 2. С. 12–19.
  4. Бычкова И.А., Викторов C.B., Шумахер Д.А. О связи крупномасштабной атмосферной циркуляции и процессов возникновения прибрежного апвеллинга в Балтийском море // Метеорология и гидрология. 1988. № 10. С. 91–98.
  5. Воронин А.М., Лазарев А.А., Показеев К.В., Шелковников Н.К. Влияние разности температур воды и воздуха на генерацию ветровых волн // Вестн. МГУ. Сер. 3: Физика, Астрономия. 1985. Т. 26. № 6. С. 75–79.
  6. Гинзбург А.И., Костяной А.Г., Соловьев Д.М., Станичный С.В. Прибрежный апвеллинг в северо-западной части Черного моря // Исслед. Земли из космоса. 1997. № 6. С. 66–72.
  7. Голенко М.Н. Исследование пространственной термохалинной и динамической структуры прибрежного апвеллинга на примере юго-восточной части Балтийского моря. Автореф. дис. на соискание уч. ст. канд. физ.-мат. наук. Калининград, 2010.
  8. Горячкин Ю.Н. Апвеллинг у берегов Западного Крыма // Морcкой гидрофиз. журн. 2018. Т. 34. № 5. С. 399–411.
  9. Гурова Е.С., Иванов А.Ю. Особенности проявления гидродинамических структур в юго-восточной части Балтийского моря по данным спектрорадиометров MODIS и космической радиолокации // Исслед. Земли из космоса. 2011. № 4. С. 41–54.
  10. Джиганшин Г.Ф., Полонский А.Б., Музылева М.А. Апвеллинг в северо-западной части Черного моря в конце летнего сезона и его причины // Морской гидрофиз. журн. 2010. № 4. С. 45–57.
  11. Запевалов А.С. Наблюдения шероховатости морской поверхности в период апвеллинга // Морской гидрофиз. журн. 2001. № 2. С. 36–43.
  12. Зацепин А.Г., Сильвестрова К.П., Куклев С.Б., Пиотух В.Б., Подымов О.И. Наблюдение цикла интенсивного прибрежного апвеллинга и даунвеллинга на гидрофизическом полигоне ИО РАН в Черном море // Океанология. 2016. Т. 56. № 2. С. 203–214.
  13. Иванов А.Ю., Литовченко К.Ц. Океанологические результаты полета КА “Алмаз-1” // Зарубежная радиоэлектроника. 1999. № 2. С. 18–28.
  14. Иванов А.Ю., Хлебников Д.В., Коновалов Б.В., Евтушенко Н.В., Терлеева Н.В. Особенности отображения выносов рек в Черном море в данных дистанционного зондирования // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 5. С. 191–202.
  15. Павлушин А.А., Шапиро Н.Б., Михайлова Э.Н. Захваченные волны и меандрирование Основного Черноморского течения // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2019. Вып. 4. С. 14–21.https://doi.org/10.22449/2413-5577-2019-4-14-21
  16. Полонский А.Б., Музылева М.А. Современная пространственно-временная изменчивость апвеллинга в северо-западной части Черного моря и у побережья Крыма // Изв. РАН. Сер. географ. 2016. № 4. С. 96–108.
  17. Попов Н.И., Федоров К.Н., Орлов В.М. Морская вода. Справочное руководство. М.: Наука, 1979. 328 с.
  18. Ролль Г.У. Физика атмосферных процессов над морем. Л.: Гидрометеоиздат, 1968. 398 с.
  19. Сильвестрова К.П., Зацепин А.Г., Мысленков С.А. Прибрежные апвеллинги в Геленджикском районе Черного моря: связь с ветровым воздействием и течением // Океанология. 2017. Т. 57. № 4. С. 521–530.
  20. Станичная Р.Р., Станичный С.В. Апвеллинги Черного моря // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. № 4. С. 195–207.
  21. Clemente-Colón P., Yan X.H. Observations of east coast upwelling conditions in synthetic aperture radar imagery // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 1999. 37(5). P. 2239–2248. https://doi.org/10.1109/36.789620
  22. Clemente-Colón P., Yan X.-H. Low backscatter features in SAR imagery // JHU APL Tech. Digest. 2000. 21(1). P. 116–121.
  23. Fischer W.E., Green A.B. (Eds.). Upwelling: Mechanisms, Ecological Effects and Treats to Biodiversity. Nova Science Publ. Inc., N.Y. 2013.
  24. Friehe C.A., Shaw W.J., Rogers D.P. et al. Air-sea fluxes and surface layer turbulence around a sea surface temperature front // J. Geophys. Res. 1991. V. 96. P. 8593–8609.
  25. Fu L.L., Holt B. SEASAT Views Ocean and Sea Ice with Synthetic Aperture Radar. NASA/JPL Publication, 1982. 81–120.
  26. Gurova E., Lehmann A., Ivanov A. Upwelling dynamics in the Baltic Sea studied by a combined SAR/infrared satellite data and circulation model analysis // Oceanologia. 2013. 55(3). P. 687–707. https://doi.org/10.5697/oc.55-3.687
  27. Hsu M.K., Mitnik L.M., Liu C.T. Upwelling area northeast of Taiwan on ERS-1 SAR images // Acta Oceanogr. Taiwan. 1995. 34(3). P. 27–38.
  28. Kowalewski M., Ostrowski M. Coastal up- and downwelling in the southern Baltic // Oceanologia. 2005. 47(4). P. 454–475.
  29. Kozlov I.E., Kudryavtsev V.N., Johannessen J.A. et al. ASAR imaging for coastal upwelling in the Baltic Sea // Adv. Space Res. 2011. 50(8). P. 1125–1137. https://doi.org/10.1016/j.asr.2011.08
  30. Landsat 8 Data Users Handbook. Ver.5. 2019 (https://www.usgs.gov/media/files/landsat-8-data-users-handbook).
  31. Lehmann A., Myrberg K. Upwelling in the Baltic Sea – A review // J. Marine Syst. (Suppl.). 2008. 74. P. S3–S12. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2008.02.010
  32. Lehmann A., Myrberg K., Hoflich K. A statistical approach to coastal upwelling in the Baltic Sea based on the analysis of satellite data for 1990–2009 // Oceanologia. 2012. 54(3). P. 369–393.
  33. Li X.M., Li X.F., He M.X. Coastal upwelling observed by multi-satellite sensors // Science in China. Sci. China. Ser. D. 2009. 52(7). P. 1030–1038.https://doi.org/10.1007/s11430-009-0088-x
  34. Lin I.-I., Wen L.-S., Liu K.-K., Tsai W.-T., Liu A.-K. Evidence and quantification of the correlation between radar backscatter and ocean colour supported by simultaneously acquired in situ sea truth // Geophys. Res. Lett. 2002. 29(10). https://doi.org/10.1029/2001GL014039
  35. Myrberg K., Andrejev O., Lehmann A. Dynamics of successive upwelling events in the Baltic Sea – a numerical case study // Oceanologia. 2010. 52(1). P. 77–99.
  36. Vanhellemont Q. Automated water surface temperature retrieval from Landsat 8/TIRS // Remote Sens. Environ. 2020. V. 237. 111518.
  37. Zheng Q., Yan X.-H., Huang N.E., Klemas V., Pan J. The effects of water temperature on radar scattering from the water surface: an X-band laboratory study // Global Atmos. Ocean Sys. 1997. 5. P. 273–294.

Supplementary files


Copyright (c) 2023 Д.В. Хлебников, А.Ю. Иванов, М.А. Евдошенко, С.К. Клименко