Water quality assessment and characterisation of chlorophyll-a variability related to river discharges, within the southeastern Bay of Biscay : evaluation and development of chlorophyll-a algorithms for MODIS and MERIS imagery

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[ES]La implementación de las directivas europeas Marco del Agua (Water FrameworkDirective) y la Estrategia Marina (Marine Strategy Framework Directive), implican un incremento del monitoreo de la calidad del agua, dentro de los límites de las aguas costeras y de la zona económica exclusiva europea. La teledetección es el único método que permite obtener observaciones frecuentes y sinópticas de áreas extensas. Por ello, los datos del "color del agua" son utilizados cada vez más, como una herramienta para evaluar la calidad del agua, estimando la concentración de diferentes constituyentes del agua, como por ejemplo la concentración de clorofila-a, considerada como un indicador de la biomasa del fitoplancton y de la eutrofización del agua. Los dos sensores elegidos para este estudio, MODIS y MERIS, proporcionan información satelital diaria y global, a una resolución media, además de mapas de clorofila-a derivados de dicha información. Sin embargo, los algoritmos utilizados a nivel global en aguas oceánicas (o de caso 1), se muestran imprecisos para determinar la concentración de clorofila en aguas ópticamente más complejas, debido a la presencia de material en suspensión y/o materia orgánica disuelta, como es el caso de las aguas costeras o también llamadas aguas de caso 2. Los constituyentes del agua en estas zonas son afectados por fenómenos locales y presentan, en general, características regionales. Por ello, una de los métodos utilizados para determinar la concentración de clorofila en aguas de caso2 con mayor exactitud, es la parametrización de algoritmos empíricos locales. Otras aproximaciones emplean, por ejemplo, algoritmos analíticos, semi-analíticos o de redes neuronales, pero los algoritmos empíricos, los cuales han sido elegidos para este estudio, tienen la ventaja de ser matemáticamente más simples que los anteriores. Son fáciles y rápidos de aplicar y se desarrollan a partir de medidas realizadas en el campo,siendo por ello, de alcance regional o local.Los principales objetivos de esta tesis son: 1) seleccionar el algoritmo de clorofila-a, aplicado a imágenes de MODIS y MERIS, más adecuado para evaluar la calidad del agua en la plataforma continental del País Vasco; y 2) estudiar la variabilidad de la clorofila-a entre 2005 y 2010 con respecto a las descargas de los ríos en la misma área de estudio, utilizando mapas de clorofila-a producidos con el algoritmo que proporcione la mayor precisión.En primer lugar, se ha evaluado la precisión con la que los distintos algoritmos más empleados en la literatura, determinan la concentración de clorofila-a. Por lo tanto, ha sido necesario realizar medidas de campo y, para ello, desarrollar un protocolo y adaptar unas plataformas para la medida en alta mar de la radiancia solar y la radiancia emergente del agua, para calcular así la reflectancia de teledetección. El capítulo I del apartado de los resultados, describe los experimentos realizados en el laboratorio y en el campo para poner a punto el protocolo y poder obtener medidas de campo con el espectroradiómentro Ocean Optics HR4000CG.En el capítulo II, se describe como dicho protocolo se puso a prueba durante una campaña de 20 días en el golfo de Vizcaya, entre el 5 y el 25 de mayo del 2008. Se muestrearon un total de 68 estaciones, donde se realizaron medidas espectrales, y se tomaron muestras de agua para posteriormente determinar en el laboratorio las concentraciones de clorofila-a, sólidos en suspensión y materia orgánica disuelta. Las plataformas desarrolladas permitieron realizar medidas espectrales en la superficie del agua, de una forma rápida y consistente, puesto que el sensor se ajusta en la posición correcta y su estabilidad está garantizada por su diseño. En general, las signaturas espectrales obtenidas durante la campaña corresponden con las que se encuentran en la literatura científica y su similitud con los espectros proporcionados por el espectroradiometro TriOS permiten concluir que el protocolo y las plataformas desarrolladas para el HR4000CG, son apropiados para realizar mediadas espectrales en alta mar.Sin embargo, en el capítulo III se utilizaron las medidas realizadas con el espectroradiometro TriOS, debido, en primer lugar, a la disponibilidad de este aparato en la campaña realizada en aguas costeras del País Vasco, y en segundo lugar, debido a su mayor precisión en este tipo de aguas. La mayor variabilidad encontrada en estas aguas, en lo referente a su composición y a la hidrodinámica de las plumas de los ríos, hace que una mayor precisión sea necesaria en este medio, la cual es aportada por el TriOS. Esto se debe a que este aparato mide la radiancia solar y la radiancia emergente del agua simultáneamente, y no con un intervalo máximo de 10 minutos como en el caso del HR4000CG. Estas medidas se han utilizado para desarrollar un algoritmo específico para las aguas costeras del país vasco, aplicado a imágenes de MERIS y MODIS. Además, una clasificación de las masas con análisis discriminante de los datos hidrológicos es comparada con la clasificación realizada con un "cluster" de los datos espectrales, resultando en una correspondencia del 80%. Se concluye que este algoritmo funciona mejor que los demás algoritmos evaluados (Gitelson, MERIS OC5, OC4Ev6) para los productos de MERIS. Se confirma también que el algoritmo no se ve afectado por los 23 pigmentos auxiliares identificados (correspondientes a 56 especies de fitoplancton) en las concentraciones medidas durante la campaña, ni por sólidos en suspensión hasta una concentración de 6.6 g.m-3. Así, este algoritmo se puede aplicar en aguas costeras con concentraciones de clorofila entre 0.1 y 9.57 mg.m-3. Por otro lado, la exactitud con la que el algoritmo local, aplicado a las imágenes de MODIS, determina la clorofila-a, es ligeramente menor a la del algoritmo OC5, como se muestra en elcapitulo IV.En el capítulo IV, el algoritmo local desarrollado, el algoritmo OC5 aplicado a MODIS y el algoritmo global OC3M, son validados con datos in situ de clorofila estimada por fluorimetría. Estos datos fueron obtenidos durante las campañas de la red de calidad llevadas a cabo entre 2005 y 2010 en las aguas costeras y continentales del País Vasco. Se compararon los algoritmos entre sí y se validaron de dos formas diferentes: 1) haciendo coincidir las mediadas in situ de clorofila con las medidas tomadas por el satélite en las mismas localizaciones con un intervalo máximo de 3 horas; y 2) calculando el percentil 90 de cada mes del año para las imágenes obtenidas durante el periodo 2005-2010 y comparándolo con la misma medida calculada durante el mismo periodo, con las medidas cuatrimestrales de clorofila-a tomadas in situ. Se compararon los ciclos anuales de la clorofila para las 4 masas de agua en las cuales se dividen las aguas del País Vasco, utilizando los valores del percentil 90. En general, el OC5 proporcionó un mejor resultado. Un mapa de clorofila realizado con los valores de percentil 90 con el OC5 de todas las imágenes existentes entre 2005 y 2010, fue utilizado para evaluar el estado de la calidad del agua. Según la directiva Marco, la calidad del agua se puede dividir en 5 categorías o estados: bueno", "Bueno", "Aceptable", "Deficiente", "Malo" correspondientes a los siguientes rangos de concentración de clorofila-a para las aguas del país vasco (percentil 90): ¿ 3.5 mg.m-3, 3.5- 7 mg.m-3, 7-10 mg.m-3, 10-14 mg.m-3 y ¿ 14 mg.m-3. Por lo tanto, se le otorgó a cada pixel del mapa de percentil 90, su correspondiente estado según su concentración de clorofila-a. Así, se obtuvo un mapa con el estado de la calidad del agua por cada píxel. El estado final de cada masa de agua se obtuvo al promediar el valor de todos los píxeles dentro de la masa del agua. Se obtuvo el mismo estado de la calidad del agua con los datos in situ que con los datos satelitales para todas las masas de agua, es decir "Muy bueno". Esto sugiere que un uso complementario de ambas metodologías, sería una buena solución para obtener una evaluación eficiente de la calidad de las aguas costeras utilizando la clorofila-a, sin un muestreo exhaustivo de la zona, reduciendo así el esfuerzo y el coste del monitoreo de campo. En el capítulo V, se describe la variabilidad espacial y temporal de la clorofila-a en relación con las descargas de los ríos del País Vasco. En general, se observa un aumento de la concentración de clorofila-a uno o dos días después de un episodio de lluvias en las zonas costeras del país vasco, cerca de las desembocaduras del Nervión y del Adour. Sin embargo, no hay un registro anterior que permita decir que este incremento tan rápido de la clorofila-a después del aporte de nutrientes al ecosistema marino, se deba a floraciones algales causadas por nutrientes fluviales. Por lo tanto, la clorofila-a medida por el satélite podría ser debida a origen terrestre, estuárico o bentónico, o que se trate de una sobre-estimación de los productos satelitales, debido a la presencia de material disuelto o en suspensión. Por otra parte, los patrones de variabilidad estacional de la clorofila-a son diferentes en las desembocaduras del Adour y del Nervión, y se distinguen a su vez de los patrones observados en aguas oceánicas. En el caso del Adour, las concentraciones de clorofila-a más altas se registran a finales de otoño y principios de primavera, principalmente entre abril y junio, los meses con los niveles de descargas fluviales más altos. En el caso del Nervión, el ciclo es similar al de las aguas oceánicas, en las que se observan floraciones de fitoplancton en primavera y a finales de otoño. Sin embargo, se observa un pico de clorofila-a en aguas de la desembocadura del Nervión, que no se advierte en aguas oceánicas. Finalmente, el análisis de la variabilidad inter-anual muestra una leve disminución de la concentración de clorofila-a (determinada a partir de datos de satélite) en el 2005 y el 2010 en las desembocaduras del Nervión y del Adour, y un ligero aumento en aguas oceánicas.En conclusión, los resultados presentados en esta tesis, aportan un conocimiento científico importante con respecto al uso de la teledetección como herramienta para determinar la concentración de clorofila-a con los sensores MERIS y MODIS, en aguas del País Vasco y del golfo de Vizcaya. El método desarrollado, por el cual se combinan las medidas in situ y de satélite de la clorofila-a, es un método eficaz para la evaluación de la calidad del agua en las áreas protegidas por las directivas europeas Marco del Agua y Estrategia Marina. Además, esta tesis aporta información sustancial acerca de la variabilidad espacial y temporal de la clorofila-a en la zona de estudio durante el periodo 2005 y 2010, a partir de datos satelitales. Sin embargo, se registran inexactitudes en la determinación de clorofila-a en los casos de altas descargas fluviales. Por lo tanto, la siguiente etapa de este trabajo consistiría en analizar en mayor profundidad los procesos y los factores que afectan la variabilidad de la clorofila-a en áreas costeras, así como la mejora de la estimación mediante satélite de este pigmento en dichas áreas.

[EN]The implementation of water quality European Water Framework (WFD) and Marine Strategy Directives (MSFD) requires an intensification of water quality monitoring, within the limits of the Exclusive Economic Zone. Remote sensing technologies can provide a valuable tool for frequent, synoptic, water-quality observations, over large areas. Hence, ocean colour data is used increasingly as a tool to assess water quality, by estimating the concentration of the water constituents, such as chlorophyll-a (a proxy of the eutrophication risk). Both MODIS and MERIS, the satellite sensors selected for this study, provide global and daily ocean information and satellite-derived chlorophyll-a maps at a medium resolution (1 km x 1 km). However, algorithms designed for assessments at global scales for these sensors are less accurate locally, due to the variability of optically-active in-water constituents. Hence, regionally parameterized empirical algorithms are useful to cope with the inaccuracies produced. Additionally, to improve the water quality assessment in Basque coastal waters, the effect of river discharges needs to be studied, as it is one of the major factors affecting phytoplankton growth in this region. The main objectives of this thesis are: 1) to select the most suitable chlorophyll-a algorithms applied to MERIS and MODIS satellite images to assess the water quality in the Basque coastal and offshore waters (southeastern corner of the Bay of Biscay); and 2) to study the variability of chlorophyll-a with respect to river discharges into the same area, between 2005 and 2010. To address these objectives, four regional empirical algorithms for MERIS and MODIS were developed with spectral and biogeochemical data acquired in situ. Two were developed for the entire Bay of Biscay with spectral measurements acquired with the OceanOptics spectrometer and biogeochemical data. A protocol and a specific platform were developed in this study especially for this spectrometer. Another two algorithms were developed with spectral data obtained with the TriOS spectrometer, as it provided improved results for the coastal waters than the OceanOptics spectrometer. The optical data was acquired during oceanographic surveys in the area of study. The influence of suspended matter, phytoplankton species and pigment content, on the algorithms developed was explored. These algorithms were validated with in situ data and were compared to well-established global and regional chlorophyll-a algorithms. The algorithms developed in this study generally improved the estimation of chlorophyll-a in Basque coastal waters. However, the OC5 algorithm was considered more suitable for the ecological water quality assessment of the study area, as it corresponded most accurately with in situ measurements. A 90th percentile chlorophyll-a map was generated with this algorithm to apply the classification scheme required by the Directives. The water quality status assessment obtained using both, in situ and satellite data, resulted in high quality status for all the water bodies. Hence, remote sensing is suited for the quality assessment and water body classification, when a densification of the monitoring network is needed to comply with European marine policies. A complementary use of both methodologies provides an efficient assessment of the water quality, within European Directives. Finally, daily MODIS imagery permitted the characterisation of the variability of chlorophyll-a in the Basque coast and the Bay of Biscay at a daily, seasonal and inter-annual scale. The seasonal chlorophyll-a cycle differs slightly in coastal waters, compared to the offshore waters, especially those areas affected by high river discharges (such as the Adour). The spring chlorophyll-a peak in March, in the offshore waters, is shifted to May in the nearby area influenced by the Adour. The unsupervised classification performed confirms that, at present, phytoplankton is at good status and eutrophication risk is low in the Basque coastal waters. This thesis is the first study that provides scientific knowledge on the assessment of water quality, using remote sensing and chlorophyll-a, in Basque coastal and offshore water bodies. It provides also important spectral and biogeochemical information on the water bodies of the area, which will be valuable in future studies.