Введение

Актуальной задачей спутниковой океанологии является получение досто- верной информации о состоянии вод различных водоемов и исследование трендов изменения качества их вод, а также оценка влияния антропогенных и биогенных факторов на акватории. Различные природные явления, такие как лесные пожары, пылевые бури, извержения вулканов, а также разнообразные технологические процессы приводят к увеличению количества вредных ве- ществ, поступающих в атмосферу и гидросферу [1−3]. При сжигании твердого топлива в составе уходящих дымовых газов в окружающую среду выбрасыва- ются загрязняющие ядовитые химические вещества. Самыми распространен- ными из них являются оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, углево- дороды и пыль [4−6].

Возрастающее загрязнение воздушных бассейнов в ряде городов под- тверждает, что современное промышленное производство значительно вли- яет на природную среду, изменяя существующий баланс и круговорот веществ и энергии, поэтому все более важное значение приобретают долгосрочные программы по поддержанию нормального функционирования природных эко- логических систем [2−6].

Объектами исследования являются Черное море (западное и крымское побережья, где расположены станции AERONET (Aerosol ROboties NETwork) Galata_Platform (43.0° с. ш., 28.2° в. д.) и Севастополь (44.58° с. ш., 33.43° в. д.)) и водохранилища р. Волги. Над Черным морем первые измерения характери- стик атмосферы были выполнены еще 1910 г., а системные фотометрические наблюдения в рамках международной программы AERONET ведутся с 2006 г. В 2015 г. был запущен второй этап фотометрических измерений с использова- нием отечественного фотометра SPM (Sun Photometer Mobile) – аналога при- боров в сети AERONET.

В отличие от Черного моря, комплексные исследования Волги как единой экологической системы до сих пор не проводились. Для эффективного мони- торинга реки необходим анализ всей водной системы, включая три взаимосвя- занных компонента: атмосферу, водную среду и гидробионты. Эколого-токси- кологическое состояние водоема определяется такими взаимно обусловлен- ными процессами, как водообмен с атмосферой, перенос токсичных веществ по воздуху и поступление загрязнений в воду [7]. Таким образом, сопоставле- ние данных для этих двух регионов позволяет выявить как общие закономер- ности переноса и трансформации аэрозолей, так и специфические для каждого из них процессы.

В 1995−2003 гг. в бассейне р. Волги был получен большой массив данных о газовых выбросах в атмосферу. Анализ этих данных выявил тенденцию к улучшению состояния атмосферы: суммарная масса газовых выбросов в атмосферу над Волжским бассейном сократилась на 2.0 млн т: с 9.1 млн т за 1995 г. до 7.1 млн т за 2003 г. В 2017−2019 гг. в рамках федерального проекта

«Оздоровление Волги» была разработана концепция снижения диффузного загрязнения р. Волги [8], основанная на анализе гидрологических данных о загрязняющих веществах и параметрах атмосферы.

Тем не менее существующих данных недостаточно для решения важной прикладной задачи – использования оптической спутниковой информации для оценки качества вод Волги. Кроме того, остается малоизученной роль дальнего интенсивного переноса аэрозоля, в частности влияние интенсивного переноса воздушных масс из региона Черного моря на атмосферные характе- ристики над бассейном Волги. Для решения этих задач требуется комплексный анализ, объединяющий данные о состоянии атмосферы и водной среды.

В связи с этим в данной работе особое внимание уделено сопоставлению оптических характеристик атмосферного аэрозоля над Черным морем и водо- хранилищами Волги, что позволяет выявить общие закономерности переноса и трансформации аэрозольных частиц в обоих регионах.

Для анализа использовались данные натурных измерений, спутниковые данные MODIS (Aqua/Terra), Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) и результаты моделирования переноса воздушных масс по модели HYSPLIT для четырех водохранилищ, расположенных в разных частях реки: Средней (Горьковское и Чебоксарское водохранилища) и Нижней Волги (Куйбышев- ское и Волгоградское водохранилища) (рис. 1) – в сопоставлении с аналогич- ными данными, полученными над Черным морем.

Для каждого из исследуемых регионов определялись фоновые характери- стики атмосферного аэрозоля, служащие точкой отсчета для оценки послед- ствий аэрозольного воздействия. Под фоновыми характеристиками в работе понимаются средние значения оптических параметров, рассчитанные с исклю- чением выбросов. Фоновый аэрозоль исследуемых регионах состоит преимуще- ственно из субмикронных фракций минеральной пыли и других аэрозолей (главным образом сульфатных) континентального происхождения, проникших через облачный фильтр в верхнюю тропосферу на высоте 2−3 км над океанами и 5 км над континентами и распределенных там сравнительно равномерно с концентрацией числа частиц ~ 300 см⁻³ при стандартных температуре и дав- лении [9].

Фоновые характеристики атмосферного аэрозоля: аэрозольная оптическая толщина (АОТ) на длине волны 500 нм (АОТ(500)) и параметр Ангстрема (α) – в различных регионах представлены для сравнения в табл. 1. Например, для Северного Тянь-Шаня, региона, подверженного воздействию пылевого аэрозоля, в период переноса в регион этого аэрозоля AOТ(500) = 0.74 ± 0.14, что превышает фоновые значения (табл. 1) более чем в три раза [10]. В Бай- кальском регионе, на который основное воздействие оказывают сезонные по- жары, в условиях присутствия дыма в атмосфере значения АОТ превышают фоновые в шесть – восемь раз в большей части спектра [11]. Фоновые значения для Среднего Урала – региона, подверженного и пылевым выносам, и перено- сам дыма от пожаров, – представлены по результатам измерений оптических характеристик, проведенных в Коуровской астрономической обсерватории (Свердловская область) и в Екатеринбурге [12]. Фоновые значения атмосфер- ного аэрозоля для центральной части России можно оценить по изменчивости оптических характеристик, полученных в Москве и Подмосковье. Так, фоно- вые значения для этого региона, по данным Звенигородской научной станции Института физики атмосферы им. Обухова РАН, приведены в [13]. Для реги- она Сибири фоновые значения атмосферного аэрозоля были получены по фо- тометрическим измерениям на станции «Фоновая», Томская область. В период интенсивных пожаров для данного региона показатель АОТ(500) составляет

0.95 ± 0.86, что примерно в шесть раз превышает фоновые значения и в 2.5 раза – значения, характерные для обычного дымового аэрозоля [14]. Установление фоновых уровней позволяет перейти к идентификации аномалий, вызванных дальним переносом аэрозоля.

Т а б л и ц а    1 .     Фоновые оптические характеристики атмосферного аэрозоля, полученные над различными регионами

T a b l e 1 . Background optical characteristics of atmosphere aerosol obtained over various regions

Также остаются малоисследованными факторы, влияющие на состав аэрозо- лей, например метеорологические условия.

Цель работы – комплексный анализ оптических характеристик атмосфер- ного аэрозоля над акваторией Черного моря и четырьмя водохранилищами бас- сейна р. Волги (Горьковским и Чебоксарским (Средняя Волга), Куйбышев- ским и Волгоградским (Нижняя Волга)) в 2022–2024 гг. на основе интеграции данных натурных измерений, спутниковых наблюдений (MODIS/Aqua-Terra, VIIRS) и моделирования траекторий переноса воздушных масс с использова- нием модели HYSPLIT. В задачи исследования входит сопоставление про- странственно-временно́й изменчивости аэрозольных параметров над указан- ными регионами, отслеживание переноса аэрозольных масс от Черного моря в направлении волжских водохранилищ и анализ особенностей их распростра- нения над акваториями водоемов.

Приборы и материалы

Для определения АОТ использовались данные натурных измерений сол- нечными фотометрами двух типов: эталонного прибора сети AERONET – Cimel

[15] и SPM (Sun Photometer Mobile), его отечественного аналога [16]. Оба при- бора работают в диапазоне длин волн 340–2134 нм. При соблюдении условий эксплуатации и калибровки погрешность определения АОТ составляет 0.01–0.02, а влагосодержания атмосферы – около 0.1 г/см². Подробное описание методик калибровки и расчета искомых характеристик приведено в работах [16–18].

Спутниковые данные об АОТ и параметре Ангстрема получены с по- мощью алгоритма MAIAC (Multi-Angle Implementation of Atmospheric Cor- rection) по данным MODIS/Terra и MODIS/Aqua [19, 20]. Алгоритм обеспечи- вает пространственное разрешение 1 км, что позволяющих отслеживать го- родские загрязнения мелкого масштаба, дым от пожаров (включая неболь- шие локальные очаги) и пыльные бури. Выбор данного продукта обусловлен его доступностью, высоким разрешением и возможностью мониторинга дина- мики аэрозолей в режиме, близком к реальному времени.

Для анализа источников аэрозольного переноса в регионе Черного моря, Горьковского, Куйбышевского и Волгоградского водохранилищ использовали результаты моделирования обратных траекторий перемещения воздушных потоков с помощью программного комплекса HYSPLIT ¹⁾ (интегрированная гибридная лагранжевая траекторная модель для одной частицы, разработанная Лабораторией воздушных ресурсов (англ. Air Resources Laboratory, сокращ. ARL)). На основании полученных результатов моделирования установлено пре- обладание западного переноса воздушных масс в исследуемый регион ¹⁾. В этой работе впервые для Черного моря представлены результаты анализа не только обратных, но и прямых траекторий перемещения воздушных потоков. Это поз- волило сопоставить оптические характеристики с временны́м сдвигом переме- щения аэрозоля над Черным морем и спустя несколько дней над водоемами.

Набор радиометров VIIRS предоставляет пользователям аэрозольные продукты Deep Blue NASA Standard Level-2 (L2) спутниковой системы JPSS (Joint Polar Satellite System). С 17 февраля 2018 г. для получения значений AOT

используется алгоритм VIIRS Deep Blue Aerosol (DBA) [21, 22]. Алгоритм Deep Blue применяется для анализа данных, полученных над сушей, а алгоритм Satellite Ocean Aerosol Retrieval (SOAR) – над водными акваториями. Данные, получен- ные в определенных диапазонах работы VIIRS и обработанные с помощью двух вышеописанных алгоритмов, позволяют в итоге получить эталонные значения AOT L2 Deep Blue на длине волны 550 нм для исследуемого региона [22, 23].

Алгоритм DBA (Dark Target/Bright Target Algorithm) был применен к дан- ным VIIRS для создания долгосрочного климатического ряда данных об атмо- сферных аэрозолях. Алгоритм DBA изначально был разработан для поиска аэрозолей над яркими поверхностями. Для достижения этой цели была создана глобальная база данных коэффициентов отражения поверхности с разреше- нием 0.1° в видимом диапазоне спектра с использованием метода, описанного в [24]. Тип аэрозоля и AOТ определяются одновременно с использованием таблиц look-up tables на основе спутниковых наблюдений. Данные MODIS Collection 6 (C6) проходят повторную обработку по алгоритму, использую- щему три разных подхода к определению коэффициентов отражения поверх- ности в разных типах местности (засушливые/полузасушливые регионы, тер- ритории с растительным покровом, городские/застроенные зоны и переходные области). Для идентификации дымовых аэрозолей применяется метод спек- тральной кривизны, основанный на использовании соотношения коэффициен- тов отражения поверхности на длинах волн 412/488 и 488/670 нм. В дополне- ние к данным VIIRS также применяются новые модели несферических пыле- вых частиц, повышающие точность определения AOТ. В 2020 г. в систему обработки данных были интегрированы новейшие аэрозольные продукты V011 DB L2. Методика позволяет расширить диапазон детектируемых поверх- ностей – от максимально ярких до очень темных [24, 25], значительно улучшая возможности мониторинга аэрозолей.

Одна из задач алгоритмов DBA и SOAR – определение типов атмосферного аэрозоля в дневное время в отсутствие облаков и снега. Над сушей тип аэрозоля классифицируется на основе значений АОТ, параметра Ангстрема (α), эквива- лентной отражательной способности Ламберта (LER) и яркостной температуры. Комбинированный тип аэрозоля над сушей и океаном определяется на основе пикселей, прошедших проверку на качество [21, 22, 24].

Для определения преимущественного типа аэрозоля проведен анализ спутниковых данных CALIPSO. Основной целью CALIPSO являются глобаль- ные измерения характеристик аэрозолей и облаков. Алгоритм CALIPSO по из- меренному коэффициенту деполяризации (δv) классифицирует аэрозоль по ти- пам: δv ∈ [0.025–0.05] – чистый морской аэрозоль, δv ∈ [0.05–0.15] – частицы загрязненной пыли или смога, δv ∈ [0.15–0.5] – с большой вероятностью пы- левой аэрозоль. Пространственное разрешение для большинства типов аэрозо- лей составляет 80 км, за исключением чистого морского и загрязненного кон- тинентального аэрозолей. Около 80 % смога и 60 % загрязненного пылевого аэрозоля обнаруживаются над водной поверхностью. Чистая пыль распреде- лена примерно равномерно и над сушей, и над водной поверхностью [25, 26].

Измерения оптических характеристик атмосферы над Черным морем и Волгой проводили с борта маломерных судов или с берега. Периоды прове- дения измерений атмосферного аэрозоля над водохранилищами р. Волги при- ведены в табл. 2. Измерения над Черным морем проводились синхронно.

Т а б л и ц а 2 . Качественные и количественные данные об измерениях основных оптических характеристик атмосферы над водохранилищами р. Волги

T a b l e 2 . Qualitative and quantitative data on measurements of main atmosphere optical characteristics over reservoirs of the Volga River

Как видно из данных табл. 2, для Горьковского водохранилища приведены не периоды, а сезоны измерений. Это объясняется тем, что экспедиции в реги- оне данного водохранилища имели постоянный характер, однако измерения осуществлялись в течение как одного дня, так и недели или более.

В ходе экспедиций по исследованию оптических свойств атмосферы над регионом Средней и Нижней Волги были получены данные об изменчиво- сти АОТ на всем диапазоне работы фотометра SPM, а именно на 11 длинах волн: 340, 379, 441, 501, 548, 675, 872, 940, 1244, 1020 и 1556 нм. Наиболее

интересны для исследования каналы, близкие к спутниковым: сравнительный анализ дистанционных и натурных данных позволяет решать многие задачи как оптики, так и гидрофизики в целом. Для центральной части России высо- кими значениями АОТ на длине волны 500 нм считаются значения выше 0.3. Именно для дат с такими значениями в данной работе определен тип аэрозоля и регион, который являлся источником аэрозольной активности.

Результаты и обсуждение

Как было указано ранее, с 2015 г. начался период мониторинга оптических характеристик атмосферного аэрозоля над Черным морем фотометром SPM. Это позволило приступить к новому этапу сравнительных исследований раз- личных регионов, оснащенных аналогичными приборами. Ближайшим вод- ным объектом, где проводятся фотометрические измерения, является бассейн р. Волги. В работе приводятся результаты сравнительного анализа оптиче- ских характеристик атмосферного аэрозоля, которые были получены над Черным морем (над западной и крымской прибрежной зоной), и данных регулярных измерений над Горьковским, Чебоксарским, Куйбышевским и Волгоградским водохранилищами и Нижегородской областью с апреля 2022 г. по июль 2024 г. Для этого периода была исследована также активность пере- носов аэрозолей пыли и дыма от лесных пожаров.

Анализ сезонного хода АОТ для многих центральных и южных регионов России выявил основной весенний максимум АОТ и вторичный летний мак- симум, который более выражен во время интенсивных лесных пожаров.

Из рис. 2, b видно, что максимальные значения АОТ наблюдались в 2022 г. 13 апреля, 6, 7, 24−27 июля, 5−8, 24−27 августа; в 2023 г. 12, 24−28 апреля,

25−27 мая, 18, 26−28 июля; в 2024 г. 4 июня. В основном повышение значений АОТ носит не однодневный (кратковременный), а периодический характер, что может быть следствием как интенсивного пылевого переноса, так и мас- штабного лесного пожара, который в этом случае является источником аэро- золя горящей биомассы (аэрозоля дыма). Исключением являются незначитель- ные повышения АОТ летом 2024 г., однако стоит учесть, что в 2024 г. измере- ния были начаты только в конце мая.

Горьковское водохранилище

С 2022 г. фотометром SPM в исследуемом регионе ведется постоянный мониторинг оптических характеристик, благодаря чему были получены фоно- вые характеристики атмосферного аэрозоля над Горьковским водохранили- щем и Нижним Новгородом. В исследованиях 2016−2017 г. фоновыми значе- ниями считались АОТ(500) ≈ 0.18 и α ≈ 1.45, однако более поздние регулярные измерения, охватывающие не только летний период, показали, что фоновые значения в исследуемом регионе ниже: АОТ(500) = 0.12 и α = 1.22 [26]. Анализ распределения частиц по размерам не показал для фоновых аэрозолей преобла- дания частиц определенного размера (крупных или мелких).

Для выявления источников аэрозольной активности были проанализиро- ваны спутниковые данные за все дни, в которые регистрировались повышен- ные значения оптических характеристик атмосферного аэрозоля, полученные в ходе натурных измерений.

Как видно из рис. 2, среднедневное значение АОТ(500), равное 0.28, зафик- сированное 13.04.2022, является максимальным за весь весенний период 2022 г. Результаты моделирования обратных траекторий перемещения воздушных потоков за этот день с использованием модели HYSPLIT, показали перемещение пылевого аэрозоля на высоте 3 км со стороны Кара-Кум. Это означает, что уве- личение АОТ 13.04.2022 обусловлено присутствием пылевого аэрозоля в ат- мосфере над исследуемым регионом.

В летний период 2022 г. отмечено большое количество дней с высокими (превышающими среднегодовые значения более чем в два раза) значениями

Ри с. 2. Межгодовая изменчивость АОТ на длине волны 500 нм: над Черным морем (зона ЮБК и Керченский пролив), по данным станции AERONET, период измерений 288 дней (а); над Черным морем, по данным станции Section_7 (Румыния), период измерений 568 дней (b); над Волгой, по данным станций, период измерений 224 дня (с)

Fi g . 2 . Average variability of aerosol optical depth (AOD) at a wave- length of 500 nm: over the Black Sea, the South Coast of Crimea zone and the Kerch Strait, from AERONET station data (288 days) (a); over the Black Sea, from Section_7 station (Romania) (568 days) (b); over the Volga River, from stations data (224 days)

АОТ на всем спектральном диапазоне. Анализ спутниковых данных и резуль- татов моделирования обратных траекторий показал, что повышение значений АОТ обусловлено в большинстве случаев присутствием в атмосфере аэрозоля дыма от лесных пожаров, локализованных к востоку от Горьковского водохра- нилища. Среднедневное значение АОТ(500) = 0.39 за 12.04.2023 является мак- симальным за весь исследуемый период измерений. Максимальное значение АОТ (АОТ(500) = 0.45) в этот день было зарегистрировано в 14:00. По спутни- ковым данным, над Горьковским водохранилищем значения АОТ MAIAC нахо- дились в пределах (0.4 ± 0.01). Моделирование обратных траекторий перемеще- ния воздушных потоков было выполнено с помощью программного комплекса HYSPLIT, при этом временем начала моделирования было выбрано 14:00 UTC – момент регистрации максимальных значений АОТ. Область переноса совпала с областью, в которой по алгоритмам AIRS MODIS/Aqua была определена по- вышенная концентрация пылевых аэрозолей.

Анализ вклада крупно- и мелкодисперсных аэрозольных частиц в общую величину АОТ(500) показал, что повышенные значения АОТ в основном обуслов- лены присутствием мелкодисперсных частиц, доля которых достигала 80 %. Спутниковые данные MAIAC подтверждают превышение значений АОТ над фо- новым уровнем, что хорошо согласуется с результатами натурных измерений.

Определение типа аэрозоля по алгоритму VIIRS Deep Blue за 24.04.2023

выявило присутствие частиц пыли, а также смешанного и фонового аэро- золя (рис. 3). Высокие значения пара- метра Ангстрема за 24–28 апреля 2023 г. (α > 2) подтверждают, что по- вышенные значения АОТ обуслов- лены присутствием мелкодисперс- ного поглощающего аэрозоля в высо- кой концентрации.

Высокие значения АОТ были за-

Ри с . 3 . Спутниковые изображения, по- лученные посредством спектрорадиометра VIIRS (время пролета 10:33 UTC) по алго- ритму VIIRS Deep Blue за 24.04.2023 (архив AERDB_L2_VIIRS_NOAA20_NRT doi:10. 5067/VIIRS/AERDB_L2_VIIRS_NOAA20_ NRT.002; AERDB_L2_VIIRS_NOAA20 do i:10.5067/VIIRS/AERDB_L2_VIIRS_NOA

A20.002 (дата обращения: 20.01.2024))

F i g .      3 . Satellite images obtained by the VIIRS spectroradiometer (flight time 10:33 UTC)            using       the          VIIRS                Deep      Blue algorithm for 24 April 2023 (Archive AERDB_L2_VIIRS_NOAA20_NRT doi:10. 5067/VIIRS/AERDB_L2_VIIRS_NOAA20_ NRT.002; AERDB_L2_VIIRS_NOAA20 doi

:10.5067/VIIRS/AERDB_L2_VIIRS_NOAA

20.002 (date of access: 20 January 2024))

фиксированы также в конце апреля и конце июля 2023 г. Анализ модель- ных и спутниковых данных с целью определения источника аэрозольной активности, который повлиял на из- менчивость значений АОТ в конце апреля 2023 г., не выявил ни призна- ков переноса пыли, ни интенсивных пожаров, дым от которых мог бы пе- реместиться в атмосферу исследуе- мого региона.

Значения АОТ(500) = 0.29 при α = 0.7 были получены 25.05.2023. При определении преимущественного типа аэрозоля по алгоритму VIIRS Deep Blue выявлено наличие смешан- ного и мелкодисперсного аэрозоля

в этот день. Статистический анализ выявил, что значения АОТ, превышающие среднемесячные, отмечались в 26 из 226 дней наблюдений. В основном повы- шенные значения АОТ наблюдались в дни, когда в атмосфере над исследуе- мым регионом находился дымовой и пылевой аэрозоль, однако они фиксиро- вались и в дни регистрации случаев выноса антропогенного аэрозоля. В ряде случаев источник аэрозольной активности не был определен.

Поскольку за весь исследуемый период перенос со стороны Африки через Черное море не был зарегистрирован, сопоставление оптических характери- стик, полученных для данного водохранилища, с характеристиками для черно- морских станций не проводилось.

Чебоксарское водохранилище

Временно́й период экспедиции по Чебоксарскому водохранилищу был наименьшим (четыре дня). За эти дни были получены значения АОТ(500), близкие к фоновым для Нижегородского региона (среднее АОТ(500) = 0.11).

Среднее значение параметра Ангстрема α = 1.7 указывает на преобладание мелкодисперсных частиц в течение исследуемого периода, что подтвержда- ется данными о распределении частиц по размерам: вклад крупнодисперсной моды составляет только 21 % от общего значения АОТ(500).

Анализ данных оптических характеристик за периоды 9−10 и 16−17 сен- тября 2023 г. для черноморских станций подтвердил наличие мелкодисперс- ного и фонового аэрозоля над всей акваторией Черного моря (средние значе- ния АОТ(500) для обеих станций не превышали 0.12).

Куйбышевское водохранилище

В этом районе 26−28 июля 2023 г. были получены высокие (в два раза выше фоновых) значения АОТ(500). За весь период экспедиций максимальные значения АОТ над Куйбышевским водохранилищем были зарегистрированы

28 июля 2023 г. (среднедневное значение АОТ(500) = 0.38, а в 10:00 АОТ(500) = 0.43, что превышает фоновые значения для центральной части России в два раза). В этот же день значения параметра Ангстрема были ниже

1.0 (рис. 4). Анализ распределения частиц по размерам показал, что вклад крупных частиц составляет 45 %. Такой набор оптических характеристик обычно получают при регистрации аридного аэрозоля над исследуемым регионом.

Сравнительный анализ оптических характеристик за один и тот же период над Куйбышевским водохранилищем и Черным морем показал, что за два дня до регистрации максимальных значений над Волгой были получены высо- кие значения АОТ и низкие значения параметра Ангстрема на черноморских станциях AERONET Galata_Platform (АОТ(510) = 0.4 и α = 0.7) и Севастополь (АОТ(510) = 0.39 и α = 0.8). Переносы пылевого аэрозоля со стороны Африки в направлении Крыма, а также центральной части России могут длиться как один день, так и более недели. Это означает, что аэрозоль, зарегистрирован- ный28 июля 2023 г. над Куйбышевским водохранилищем, 26 июля мог нахо- диться в атмосфере Черного моря. Данное предположение могут подтвердить результаты моделирования обратных и прямых траекторий воздушных потоков HYSPLIT. Над Черным морем максимальные дневные значения АОТ и мини- мальные – параметра Ангстрема были зафиксированы в 14:00 UTC на станции Galata_Platform (АОТ(510) = 0.48; α = 0.48) и в 16:00 на станции Севастополь

Р и с . 4. Изменчивость АОТ и параметра Ангстрема над Куйбышевским водо- хранилищем (а) и над Черным морем (b) во время экспедиций. Красными эллип- сами выделены случаи высоких значений АОТ и низких параметра Ангстрема

F i g . 4 . Variability of the AOD and the Angstrom parameter during the expeditions over the Kuybyshev Reservoir (a) and over the Black Sea (b). The red ellipses denote cases of high AOD values and low Angstrom exponent values

((АОТ(500) = 0.4; α = 0.66). Анализ изменчивости оптических характеристик по ходу перемещения пылевого аэрозоля над черноморскими станциями и над Куйбышевским водохранилищем позволяет сделать вывод, что аэрозоль не из- менился ни по составу, ни по свойствам. Значения оптических характеристик, полученные 26 июля 2023 г. над Севастополем и 28 июля над Куйбышевским водохранилищем, различаются минимально. С учетом расстояния от черномор- ских станций Galata_Platform и Севастополь до Куйбышевского водохрани- лища (примерно 2000 км) была определена скорость перемещения пылевого аэрозоля (~ 50 км/ч).

Поскольку наибольшие значения АОТ(500) над Куйбышевским водохра- нилищем были получены 28 июля 2023 г. в утренние часы, обратные траекто- рии воздушных потоков по модели HYSPLIT были рассчитаны для 10:00 UTC. Анализ данных моделирования показал, что на высоте 3 км регистрируется перенос воздушной массы со стороны пустыни Сахара (рис. 5, b). Как видно, перенос со стороны Африки, по данным обратных траекторий перемещения воздушных масс, был зарегистрирован и над черноморскими станциями

AERONET (рис. 5, а, c), и над Куйбышевским водохранилищем (рис. 5, e). Результаты моделирования прямых переносов подтверждают наличие воздуш- ной массы, которая 26 июля 2023 г. находилась над Черным морем на высоте 3 км, а 28 июля появилась над территорией Волги (рис. 5, b, d).

Продолжение рис. 5

Continued Fig. 5

На спутниковом снимке над центральной частью Черного моря также ви- зуализировался шлейф дымки, которая может являться пылевым аэрозолем, переносимым со стороны Африки. Над Волгой данные спутниковых измере- ний АОТ отсутствуют, однако даже над прибрежной территорией значения АОТ завышены относительно фоновых и минимально отличаются от натурных данных SPM за этот день (по данным MODIS, значения АОТ(500) находятся в пределах диапазона 0.35−0.36). Для подтверждения наличия источника пыле- вого аэрозоля были проанализированы спутниковые данные CALIPSO (рис. 6).

Анализ данных о типах аэрозоля по спутниковому алгоритму CALIPSO над исследуемым водоемом показал большое количество загрязненного и чи- стого пылевого аэрозоля. В итоге результаты и моделирования, и дистанцион- ного зондирования подтверждают, что завышенные значения АОТ, низкие зна- чения параметра Ангстрема, а также высокая концентрация крупных аэрозоль-

ных частиц обусловлены присут- ствием в атмосфере частиц арид- ного происхождения. В резуль- тате анализа пространственно- временно́й изменчивости оптиче- ских свойств аэрозоля над Куй- бышевским  водохранилищем

Ри с .  6 .  Спутниковые  данные

CALIPSO за 28.07.2023

Fi g . 6 . CALIPSO satellite data for 28 July 2023

и Черным морем сделан вывод, что во время интенсивного пылевого переноса со стороны пустыни Сахары характеристики аэрозоля остаются постоян- ными, несмотря на разницу во времени их обнаружения над регионами. Таким образом, при обнаружении пылевого аэрозоля над водоемами р. Волги можно использовать региональные алгоритмы восстановления коэффициентов ярко- сти воды для Черного моря.

Экспедиционные данные об этом водоеме были получены за период с 31.05.2024 по 05.06.2024. Средние значения основных оптических характери- стик за исследуемый период: АОТ(500) = 0.16; α = 1. При этом 31.05.2024 α = 0.4, а значения АОТ на всем спектральном диапазоне находились на среднем уровне. Данные спутниковых (MODIS и VIIRS) измерений АОТ за 31.05.2023 под- твердили наличие области повышенных значений юго-западнее Волгоград- ского водохранилища (Республика Калмыкия) (рис. 7). Анализ обратных тра- екторий по результатам моделирования HYSPLIT показал перенос пылевого

аэрозоля со стороны пустыни Кара-Кум 30–31 мая 2024.

Анализ спутниковых изображений VIIRS и Aqua/MODIS (канал True Color) за 31.05.2024 над Волгоградским водохранилищем выявил переменную об- лачность во время пролета спутников в 10:02 и 10:28 UTC соответственно. Наиболее чистый снимок с минимальной облачностью получен с помощью Terra/MODIS (True Color) в 7:24 UTC. Как известно, пылевые частицы способ- ствуют коагуляции влаги, в результате чего после прохождения пылевого аэро- золя часто формируются облака, содержащие как мелко-, так и крупнодисперс- ные фракции пылевого аэрозоля [27, 28]. Результаты моделирования скорости ветра с помощью программного комплекса ICON [29] на всех высотах до 1500 м показали перенос со стороны пустыни Кара-Кум. Наиболее интенсивный вет- ровой перенос был зафиксирован на высоте 500 м (рис. 8), что совпало с ре- зультатом моделирования обратных траекторий HYSPLIT.

Данные экспедиционных измерений за исследуемый период с 31.05.2024 по 07.06.2024, полученные над Волгоградским водохранилищем, были сопос- тавлены с данными одновременных наблюдений над Черным морем. Поскольку повышенные значения АОТ над Волгоградским водохранилищем, зарегистри- рованные 31.05.2024, обусловлены адвекцией пылевого аэрозоля из района пу- стыни Кара-Кум, перемещения воздушных потоков до этого события над Черным морем не рассматривались. Однако стоит отметить, что над Черным морем 4 и 5 июля 2024 г. были зафиксированы аномально высокие (более чемв полтора раза выше фоновых) значения АОТ (максимальные значения АОТ(500) = 0.3 и АОТ(500) = 0.29 соответственно). В эти даты измерения осу- ществлялись с помощью фотометра SPM с борта НИС «Профессор Водяницкий» (в ходе 131-го рейса). Совместный анализ данных натурных фотометрических измерений, спутниковых данных VIIRS и результатов моделирования переме- щения воздушных потоков HYSPLIT подтвердил перенос пылевого аэрозоля в исследуемый регион (рис. 9). Хотя в весенне-летний период над Черным мо- рем регулярно наблюдаются интенсивные переносы пылевого аэрозоля из Аф- рики, однозначная количественная оценка их вклада в коэффициент яркости морской поверхности в мае – июне для данного региона затруднена из-за од- новременного интенсивного «цветения» фитопланктона, которое также приво- дит к значительному росту этого параметра [30].

Ри с . 7 . Данные об АОТ, полученные от спутников MODIS (время пролета 10:28 UTC) и VIIRS (время пролета 10:02 UTC) за 30.05.2024: распределение АОТ по алго- ритму MAIAC (a), определение типов аэрозоля по алго- ритму VIIRS Deep Blue (b)

Fi g . 7 . Satellite data of MODIS (flight time 10:28 UTC) and VIIRS (flight time 10:02 UTC) for 30 May 2024: AOD distri-bution from the MAIAC algorithm (a), aerosol type determi-nation from the VIIRS Deep Blue algorithm (b)

Ри с . 8 . Результаты моделирования скорости ветра по модели ICON (а); обратных траекторий перемещения воздушных потоков по модели HYSPLIT (b) на высоте 500 м

F i g . 8 . The results of modeling wind speeds according to the ICON model (a); backward trajectories of air flow movement according to the HYSPLIT model (b) at an altitude of 500 m

Ри с . 9 . Результаты моделирования обратных траекторий перемещения воздуш- ных потоков по модели HYSPLIT за экспедиционный период в Черном море на 04.06.2024 (а) и 05.06.2024 (b)

Fi g . 9 . The results of backward trajectories of air flow movement modeling according to the HYSPLIT model for 4 June 2024 (а) and 5 June 2024 (b)