Bio-optical observation and modeling of marine biomass and primary production, for applications in the coastal environment

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.