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Title: Bio-optical observation and modeling of marine biomass and primary production, for applications in the coastal environment
Other Titles: Osservazioni e modelli bio-ottici di biomassa e produzione marina, per applicazioni nell’ambiente costiero
Authors: Nardello, Ilaria
Keywords: Phytoplankton;Optical properties;Remote sensing;BIO/17
Issue Date: 7-Mar-2008
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato di ricerca. 19. ciclo
Abstract: 
Marine primary production (PP), i.e. the rate of carbon assimilated through
photoautotrophic processes, is a key factor in the regulation of the global carbon cycle,
with important potential feedback on climate. Phytoplankton represent 1% of the total
terrestrial biomass but contribute 40% of global PP, through photosynthesis. Coastal
environments are among the most productive areas of the planet. The development of
predictive models, as well as the refinement of monitoring techniques in coastal areas
are fundamental to address the issues of sustainability in a climatically/economically
changing world. This study aims at using bio-optical techniques, which allow a synoptic
view of larger portions of given marine ecological systems, to estimate biomass and
primary production in temperate costal waters. With the use of laboratory studies, in situ
observations, and remote sensing (MODIS-Aqua), we have developed/refined, and
applied/validated, certain bio-optical models, at the regional scale. The diatom Skeletonema
costatum was chosen as a reference organism to model the effects of photo-acclimation on
marine phytoplankton photosynthesis. We have implemented these effects in a semianalytical
model of primary production (Phyto-VFP), and applied it to a large 4-year dataset
of oceanographic campaigns (SYMPLEX 1-4, N/O Urania_CNR), in the case I waters of
the Channel of Sicily. The sub-regionalization of our datasets, on a trophic-level basis, has
allowed us to reliably describe the annual cycle of primary production in this Mediterranean
province. Synoptic estimates of biomass and primary production are even more suitably
addressed by the use of satellite images, in large demand by administration agencies in
recent years, as a tool to monitor water quality in coastal environments. In our study we
have used three years of bio-optical observations to regionalize the standard MODIS-A
algorithm for the Chesapeake Bay. We have developed a regional algorithm (OC3CB) with
improved performance with respect to global OC4v4 and OC3M. We also describe an
original approach to the use of MODIS-A observations of ocean color, with the
development of a new product for MODIS-A (Lw510), especially conceived for coastal
applications.

La produzione primaria (PP) marina, ovvero il processo di organicazione del Carbonio
attraverso la fotosintesintesi, e’ un fattore fondamentale nel ciclo del Carbonio, con
ritorno sui meccanismi regolatori del clima. Il fitoplancton marino rappresenta solo 1%
della biomassa terrestre totale, ma e’ responsabile per il 40% della produzione primaria
globale. Gli ambienti costieri sono tra le aree piu’ produttive del pianeta. Lo sviluppo di
modelli predittivi della PP marina, e il raffinamento delle tecniche di monitoraggio degli
ambienti costieri, sono punti fondamentali per rispondere alle problematiche della
sostenibilita’ durante gli odierni cambiamenti dei sistemi climatici/economici globali.
L’interesse di questo studio risiede nella possibilità di stimare biomassa e PP in ambiente
marino costiero con tecniche bio-ottiche, che consentono una descrizione quasi sinottica di
un sistema ecologico. Le nostre osservazioni, di laboratorio, in mare e da satellite (MODISAQUA),
hanno consentito di sviluppare, o affinare, e validare modelli bio-ottici di calcolo
per biomassa e PP marine a scala regionale. Abbiamo scelto la la diatomea marina
Skeletonema costatum per modellizzare l’effetto della fotoacclimatazione sul processo
fotosintetico del fitoplancton marino. Abbiamo implementato tali effetti in un modello
semi-analitico di calcolo -Phyto-VFP, applicato su un vasto set di dati provenienti da
quattro anni di campagne oceanografiche (SYMPLEX) nelle acque di Caso I del Canale di
Sicilia. La sub-regionalizzazione dei nostri dati su base trofica ha consentito di descrivere
adeguatamente il ciclo annuale della produzione primaria in questa provincia del
Mediterraneo. L’osservazione sinottica di biomassa e PP si realizza ancor meglio con l’uso
di immagini satellitari. In questo studio, abbiamo utilizzato un triennio di osservazioni bioottiche
nella bassa Chesapeake Bay (U.S.A.) per sviluppare un algoritmo regionale di stima
della biomassa. Tale algoritmo (OC3CB) effettua stime migliori degli algoritmi satellitari
globali, ed e’ inoltre utilizzabile con radiometria satellitare MODIS-A, grazie allo sviluppo,
ulteriore, di un nuovo prodotto radiometrico per MODIS-A (Lw 510), pensato appunto per
applicazioni in ambiente costiero.
Description: 
Dottorato di ricerca in Ecologia e gestione delle risorse biologiche
URI: http://hdl.handle.net/2067/2008
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