Fjärranalys av fria vattenmassan
Övervakning av den marina miljön ger underlag för att bedöma och följa utvecklingen av miljöns tillstånd och de miljöförändringar som uppstår till följd av mänskliga aktiviteter. Insamlade data kommer till användning i förvaltningen av havet och de marina resurserna.
Bild av nordöstra Europa. Foto från satelliten Copernicus Sentinel 3
Övergripande information
Fjärranalys innebär i det här fallet mätningar från instrument placerade på satelliter. Dessa instrument kan bestå av sensorer som mäter olika våglängder av ljus, från synligt till nära infrarött, infrarött (temperatur), radar (vattenstånd), mikrovågssensorer (havsytans ”skrovlighet”, det vill säga vågor) med mera. För miljöövervakningens behov används mest sensorer som mäter i visuella vågband. Sentinel-familjen är ett antal satelliter som ingår i det europeiska rymdprogrammet Copernicus och kan användas för miljöövervakning.
Med sin stora geografiska täckning är satelliter ett utmärkt komplement till fältmätningar av fria vattenmassan (till exempel klorofyll och temperatur) förutsatt att satellitprodukterna är lokalt anpassade med acceptabel träffsäkerhet. Med de data som satelliterna och deras instrument samlar in kan olika variabler räknas fram som kan ge bättre kunskap om tillståndet i pelagiska livsmiljöer och eventuell omfattning av övergödningens effekter.
Övervakningen kompletterar fältmätningarna som beskrivs i
Havs- och vattenmyndigheten
Nationell miljöövervakning – programområde Kust och Hav, delprogram Fria vattenmassan
Sentinel 3A sköts upp 2016, och Sentinel 3B 2018. Data finns insamlade från andra satelliter längre bakåt i tiden, till exempel från NASA:s SeaWiFS (1997 - 2010).
Fjärranalys används för övervakning av skadliga algblomningar under sommaren
- främst cyanobakterier i Östersjön
- och temperatur Badplatser och badvatten
SMHI har haft i uppdrag att skapa en infrastruktur för produktion och tillgängliggörande av akvatiska produkter, som till exempel klorofyllkartor (datafiler), anpassade för att täcka in hela Sveriges land- och vattenytor
- Vad Sverige övervakar styrs bland annat av olika EU-lagstiftningar som ställer samma krav på alla EU:s medlemsstater (se Vad styr vad som övervakas och hur används data).
- I utvecklingen av metoder för övervakning med hjälp av fjärranalys deltar Sverige aktivt i expertgrupper och konferenser där syftet är att samordna övervakningen regionalt.
Beskrivning av övervakning
Från Sentinel-sensorerna kan följande data räknas fram:
- klorofyll
- CDOM (gulämne)
- SPM (suspenderat material)
- temperatur på havsytan (det vill säga i de översta millimetrarna i vattnet, men översätts till en temperatur som kan sägas motsvara översta vattenlagret)
- ljusabsorption vid ett antal våglängdsband mellan 400 och 700 nm.
- siktdjup
Det som egentligen mäts är intensitet vid specifika våglängder av ljus från toppen av atmosfären. Med olika instrument (se Metoder) kan denna data i sin tur räknas om till olika miljövariabler.
Vid molnfria tillfällen kan Sentinel täcka in alla Sveriges havsbassänger. Sentinel 3 återkommer dagligen.
Den geografiska täckningen från Copernicus marine services är en ruta N65.85o-N53.25 o E9.25 o -E30.25 o med 1x1 km upplösning. Produkten tillgängliggörs varje dag (dygnsmedel) i ett rullande arkiv som sträcker sig en månad bakåt i tiden.
Sentinel 3 flyger ”med solen” (i en bana nära polen det vill säga på ”dagsidan”av jorden) och har en daglig återkomst. Den är utrustad med bland annat SLSTR-instrument (Sea and Land Surface Temperature Radiometer) som mäter våglängder som hamnar i det infraröda spektrumet, det vill säga temperatur.
Den har även OLCI-instrument (Ocean and Land Colour Instrument) som med 21 spektralband möjliggör analys av våglängder som lämnar till exempel vatten (water leaving reflectance). Det gör OLCI lämplig för studier av vattnets optiska egenskaper.
Genom att anpassa algoritmer till karaktäristiska absorptionsspektrum kan produkter som klorofyll, SPM och CDOM skapas. Enklaste formerna av sådana algoritmer brukar vara en blå-grön ratio, men eftersom att Östersjön upplever stor landpåverkan i form av flodvatten (mycket SPM och CDOM) som gör vattnet optiskt komplicerat, duger inte dessa utan mer avancerade typer av algoritmanpassningar måste användas.
Exempelvis används neurala nätverk, alltså maskininlärning, som kan välja ut fler än en typ av okända algoritmer eller ekvationer snarare än att utgå från en enklare på förväg känd linjär ekvation som till exempel vid en vanlig regression. Dessa algoritmer utgör fjärranalysmodeller som ständigt måste utvärderas och förbättras i en balansgång mellan förmåga till generalisering och lokal anpassning. Nervnäten måste tränas och utvärderas kontinuerligt.
Med data från flera sensorer kan även primärproduktion beräknas, och beroende på metod kan stödparametrar exempelvis vara temperatur och ljusabsorption. Temperatur beräknas som SST, ”Sea Surface Temperature” det vill säga i de översta millimetrarna i vattnet, men översätts till en temperatur som kan sägas motsvara översta vattenlagret.
Data från satelliternas sensorer genomgår en regelbunden omkalibrering, (kallad re-processing) där data flaggas ut som misstänkt beroende på olika faktorer som moln, solreflexer, påverkan från landpixlar med mera. För produkter som exempelvis klorofyll sker en automatiserad kvalitetskontroll beroende på varifrån de hämtas. Oftast finns det en eller flera vetenskapliga publikationer som beskriver metoderna (ekvationerna) och hur bra dessa stämmer överens med verkligheten (bedömning av modellkvalitet, validering).
Omprocessad ocean colour data finns tillgänglig med dagliga medelvärdesbilder från 2016 till idag, hos Copernicus Marine Environment Monitoring Service.
HaV ser behov av att förbättra underlaget för bedömning av övergödning i kust och utsjövatten. En parameter som används vid statusklassning av dessa miljöer är klorofyll som ger underlag för bedömning av förekomst av växtplankton. I senaste utvärderingen av det nationella delprogrammet Fria vattenmassan konstaterades att ”dagens övervakningsprogram framstod som kraftigt underdimensionerat för att kunna göra tillförlitliga tillståndsbedömningar inom ramen för vatten- och havsmiljödirektivet”.
Det sker en kontinuerlig utveckling av analysmetoder för satellitdata. Inom Copernicus-samarbetet har en metod utvecklad av Royal Belgian Institute of Natural Science (RBINS) nyligen adopterats, vilken är beskriven i Copernicus Marine Service Ocean State Report (OSR 3, kapitel 3.4).
