Remote Sensing of Oceanic fronts off Portugal (2003-2014). An integrated environmental approach

Abstract

Oceanic thermohaline fronts are natural boundaries separating water masses with different characteristics including temperature, salinity, current direction and velocity, and productivity. Fronts can be described as discontinuities and ecosystems, promoting the development of complex and vibrant communities of marine life, from microscopic phytoplankton to large marine mammals and birds. Fronts are also the natural and measurable boundaries delineating regions highlighted by the analysis of biophysical variables at different scales. Biogeographic units, and the fronts separating these natural regions, are influenced by a complex set of variables either local or remote. Phenomena such as upwelling jets, the interaction of different currents (e.g. Iberian Poleward Current and the Portugal Current) or river discharge plumes and the buoyant lenses formed by their action, can all generate strong and sometimes seasonally recurrent fronts. As such, understanding water masses and fronts, the object of many biogeographic studies, requires a keen understanding of oceanic dynamics and watershed processes, as suggested by the Large Marine Ecosystems approach. In this work it is presented a comprehensive approach to the analysis of the coastal ocean off central Portugal up to longitude -12° W. By relying on Earth Observation data from the MODIS sensor, a long time series (2003-2014) of Sea Surface Temperature (SST) and Chlorophyll-a Concentration was created. The daily SST images were used to extract the location of the thermal fronts (and Chlorophyll-a fronts for selected dates) at a spatial resolution of 1 km. A novel and comprehensive set of frontal probability maps were thus generated for a number of temporal resolutions including weekly, monthly, seasonal, and yearly versions. These maps were analyzed to support the identification of trends on the location, direction, and connection to other oceanographic and geographic features. Fronts off Portugal tend to be strongly influenced by the sub-meridionally aligned coastline, with features such as Cape Carvoeiro also contributing to the formation of important frontal regions. The shelf edge is also a relevant area of frontal activity, similarly to finding reported by other studies in comparable regions, such as California. The Western Iberia Buoyant Plume is also a determinant driver of frontogenesis during the winter, and the impact of the Western Iberia Winter Front is also visible in the frontal map. The SST and Chlorophyll-a Concentration datasets, were used in an attempt to create a novel bioregionalization scheme based on the use of Dynamic Time Warping (DTW) as a means to analyze the dissimilarity of monthly time series with a 4 km spatial resolution. The dissimilarity matrices were used to feed a clustering attempt which created a set of nested regions that segmented the coastal ocean off Portugal. The maps thus created highlighted the processes at play in the different sectors of the study area, which were separated by regions of heightened frontal activity that could occur throughout the year or in specific seasons. The frontal maps and the biogeographic classification relied on the analysis of a massive dataset using innovative techniques. In fact, the DTW-based clustering approach was used for oceanographic purposes for the first time, to the best of our knowledge. This approach promises significant advances in the field partly because it may be easily replicated and escalated to other, broader regions. The analysis of frontal and bioregionalization maps made it clear that the processes taking place in adjacent (or somewhat distant) watersheds were determinant. The formation of river discharge plumes (and associated fronts) as well changes to coastal ocean color were determined to a large extent by rainfall and land cover processes inland. As such, a land cover mapping initiative was initiated, focusing on soil imperviousness. A complete Impervious Surface Area (ISA) map was created using Landsat-8 imagery and machine-learning techniques (Regression Tree Model) for the entire Mondego river watershed in Portugal. The resulting map provides 30-meter spatial resolution ISA estimates (0-100%) with a Mean Average Error (MAE) of 1.6% and Root Mean Square Error (RMSE) of 5.5%, along with strategies for its regular update. This is currently the best product available in the watershed and amongst the most accurate in Europe. The product was used to support an assessment on the connection between the anthropization of the watershed and water quality (and color). In fact, Earth Observation data directly imaged the occurrence of eutrophication events in dams of the region. Furthermore, Landsat data were also used to demonstrate the impact of human activities on ocean color, potentially affecting the retrieval of information and hampering the development of high resolution frontal maps and bioregionalization attempts near-shore. Rainfall, an important element connecting land and ocean through rivers was also analyzed. In particular, the possibility of employing Satellite Rainfall Estimates (SRE) for watershed studies was evaluated. The limited freely available rainfall datasets from in situ gauges reinforced the need for alternative (or redundant) and survivable data sources. SREs showed moderate correlation with in situ sources at a daily scale, but improved over monthly intervals (R = 0.80). SREs are affected by several variables described in the thesis, including terrain complexity. The information generated in the project, for the different domains, is relevant to a number of stakeholders. The relevance of disseminating the information cannot be overstated and therefore a stepwise program dedicated to the development of information sharing systems was initiated, resulting in the launch of the global TRMM Explorer and SmartBasins portals. This work answered several important questions and opened new lines of research with important implications for scientific and operational applications in several different but interconnected domains. RESUMO: As Frentes termohalinas oceânicas constituem fronteiras naturais entre massas de água que apresentam características distintas, incluindo temperatura, salinidade, direcção e velocidade da corrente e produtividade. As frentes podem ser descritas como descontinuidades e ecossistemas, promovendo o desenvolvimento de comunidades biológicas complexas e vibrantes que incluem uma ampla gama de organismo do fitoplâncton microscópico aos grandes mamíferos marinhos ou aves. As frentes são também as fronteiras naturais e mensuráveis que delineiam regiões evidenciadas pela análise de variáveis biofísicas a diferentes escalas. As unidades biogeográficas, e as frentes que separam estas regiões naturais, são influenciadas por um conjunto complexo de variáveis tanto locais como remotas. Fenómenos como o afloramento costeiro, a interacção entre diferentes correntes (e.g. Iberian Poleward Current e a Portugal Current) ou as plumas geradas pela descarga dos rios, podem no seu conjunto gerar frentes por vezes fortes e sazonais. Assim, a compreensão das massas de água e frentes, o objecto de muitos estudos biogeográficos, exige um forte conhecimento das dinâmicas oceânicas e dos processos que se desenrolam nas bacias hidrográficas, como sugerido pela abordagem seguida na definição dos Large Marine Ecosystems. No presente trabalho é apresentada uma abordagem exaustiva à análise do oceano costeiro ao largo do centro de Portugal até a uma longitude de -12° W. Recorrendo de forma extensiva a dados de Observação da Terra provenientes do sensor MODIS, foi construída uma série temporal longa (2003-2014) de Temperatura da Superfície do Oceano (SST) e Concentração de Clorofila-a. As imagens SST diárias foram utilizadas na extracção da localização das frentes térmicas com uma resolução espacial de 1 km. Mapas de probabilidade de ocorrência de frentes inteiramente novos foram gerados com diferentes resoluções temporais incluindo semanais, mensais, sazonais e anuais. Estes mapas foram analisados de forma a identificar tendências na localização, direcção e correlação com outros fenómenos e traços oceanográficos e geográficos. As frentes ao largo de Portugal são fortemente influenciadas pela costa alinhada aproximadamente ao longo de um plano meridional, com acidentes geográficos como o Cabo Carvoeiro a contribuir para a formação de importantes regiões de actividade frontal. O talude continental constitui também uma área relevante para a formação de frentes, como sugerido em estudos anteriores efectuados em regiões comparáveis, como a Califórnia. A Western Iberia Buoyant Plume é também determinante no processo de frontogénese durante o inverno e o impacto da Western Iberia Winter Front é também visível nos mapas gerados. Os dados de SST e Concentração de Clorofila-a foram usados na tentativa de criação de um novo esquema de bioregionalização baseado na utilização de Dynamic Time Warping (DTW) como método de análise de diferença das séries temporais. As matrizes de diferença foram depois utilizadas na definição de nested clusters que segmentaram o oceano costeiro ao largo do centro de Portugal. Os mapas assim criados evidenciaram os processos que se desenrolam nos diferentes sectores da área de estudo e que são separados por regiões de elevada actividade frontal, que pode ocorrer ao longo do ano ou em períodos específicos. Os mapas de frentes e a classificação biogeográfica assentam na análise de um conjunto de dados extenso usando técnicas inovadoras. De facto, a utilização do método baseado em DTW foi empregue, tanto quanto sabemos, pela primeira vez numa aplicação oceanográfica. Esta abordagem promete avanços significativos na disciplina em parte por ser facilmente replicada e escalável a outras regiões mais vastas. Da análise destes dados tornou-se claro que os processos que ocorrem nas bacias hidrográficas adjacentes (ou mesmo distantes) são determinantes para a dinâmica costeira. A formação de plumas de descarga fluvial (e frentes associadas) e a influência sobre a cor do oceano são determinadas em grande medida pela precipitação e processos associados à cobertura do solo em terra. Assim, uma iniciativa de mapeamento da cobertura do solo foi iniciada centrada na impermeabilidade dos solos. Um mapa de Impervious Surface Area (ISA) foi criado a partir de dados Landsat-8 e técnicas de machine-learning (Modelos de Regressão em Árvore) para a bacia hidrográfica do Mondego, em Portugal. O mapa resultante fornece estimativas de ISA (0-100%) com uma resolução espacial de 30 metros e um Erro Médio Absoluto de 1.6% e Raiz Quadrada do Erro Quadrático Médio de 5.5%. Este é actualmente o melhor produto disponível para a bacia e encontra-se entre os mais precisos da Europa. O produto foi utilizado como auxiliar na determinação de relações entre a antropização da bacia e a qualidade da água. Correlações significativas foram encontradas que podem afectar potencialmente a cor da água (e qualidade) de uma forma mensurável. Na realidade, dados de Observação de Terra sublinharam a ocorrência de episódios de eutrofização em barragens da região. Ademais, os dados Landsat permitiram demonstrar o efeito das actividades humanas na cor do oceano, potencialmente afectando a obtenção de informação e limitando o desenvolvimento de mapas de frentes de alta resolução e tentativas de bioregionalização em sectores próximos da costa. A precipitação, elemento importante que liga terra e mar através dos rios foi também analisada. Em particular, avaliou-se a possibilidade de empregar Estimativas de Precipitação por Satélite (SER) foi avaliada. As limitações identificadas na disponibilidade de dados de precipitação in situ reforçaram a necessidade de procurar uma alternativa viável e duradoura. As estimativas por satélite apresentaram uma correlação moderada com os dados in situ à escala diária, melhorando com agregação mensal (R = 0.80). As estimativas são afectadas por diversas variáveis incluindo a complexidade do terreno. A informação gerada neste projecto, nos seus diferentes domínios, é relevante para diversos stakeholders. A relevância associada à disseminação da informação deve ser sublinhada e por essa razão um programa faseado dedicado ao desenvolvimento de sistemas que sirvam esse propósito foi desenvolvido, resultando no lançamento dos portais globais TRMM Explorer e SmartBasins. Este trabalho procurou assim responder a diferentes questões relevantes e abrir novas linhas de investigação com implicações científicas e operacionais em domínios distintos mas relacionados.

As Frentes termohalinas oceânicas constituem fronteiras naturais entre massas de água que apresentam características distintas, incluindo temperatura, salinidade, direcção e velocidade da corrente e produtividade. As frentes podem ser descritas como descontinuidades e ecossistemas, promovendo o desenvolvimento de comunidades biológicas complexas e vibrantes que incluem uma ampla gama de organismo do fitoplâncton microscópico aos grandes mamíferos marinhos ou aves. As frentes são também as fronteiras naturais e mensuráveis que delineiam regiões evidenciadas pela análise de variáveis biofísicas a diferentes escalas. As unidades biogeográficas, e as frentes que separam estas regiões naturais, são influenciadas por um conjunto complexo de variáveis tanto locais como remotas. Fenómenos como o afloramento costeiro, a interacção entre diferentes correntes (e.g. Iberian Poleward Current e a Portugal Current) ou as plumas geradas pela descarga dos rios, podem no seu conjunto gerar frentes por vezes fortes e sazonais. Assim, a compreensão das massas de água e frentes, o objecto de muitos estudos biogeográficos, exige um forte conhecimento das dinâmicas oceânicas e dos processos que se desenrolam nas bacias hidrográficas, como sugerido pela abordagem seguida na definição dos Large Marine Ecosystems. No presente trabalho é apresentada uma abordagem exaustiva à análise do oceano costeiro ao largo do centro de Portugal até a uma longitude de -12° W. Recorrendo de forma extensiva a dados de Observação da Terra provenientes do sensor MODIS, foi construída uma série temporal longa (2003-2014) de Temperatura da Superfície do Oceano (SST) e Concentração de Clorofila-a. As imagens SST diárias foram utilizadas na extracção da localização das frentes térmicas com uma resolução espacial de 1 km. Mapas de probabilidade de ocorrência de frentes inteiramente novos foram gerados com diferentes resoluções temporais incluindo semanais, mensais, sazonais e anuais. Estes mapas foram analisados de forma a identificar tendências na localização, direcção e correlação com outros fenómenos e traços oceanográficos e geográficos. As frentes ao largo de Portugal são fortemente influenciadas pela costa alinhada aproximadamente ao longo de um plano meridional, com acidentes geográficos como o Cabo Carvoeiro a contribuir para a formação de importantes regiões de actividade frontal. O talude continental constitui também uma área relevante para a formação de frentes, como sugerido em estudos anteriores efectuados em regiões comparáveis, como a Califórnia. A Western Iberia Buoyant Plume é também determinante no processo de frontogénese durante o inverno e o impacto da Western Iberia Winter Front é também visível nos mapas gerados. Os dados de SST e Concentração de Clorofila-a foram usados na tentativa de criação de um novo esquema de bioregionalização baseado na utilização de Dynamic Time Warping (DTW) como método de análise de diferença das séries temporais. As matrizes de diferença foram depois utilizadas na definição de nested clusters que segmentaram o oceano costeiro ao largo do centro de Portugal. Os mapas assim criados evidenciaram os processos que se desenrolam nos diferentes sectores da área de estudo e que são separados por regiões de elevada actividade frontal, que pode ocorrer ao longo do ano ou em períodos específicos. Os mapas de frentes e a classificação biogeográfica assentam na análise de um conjunto de dados extenso usando técnicas inovadoras. De facto, a utilização do método baseado em DTW foi empregue, tanto quanto sabemos, pela primeira vez numa aplicação oceanográfica. Esta abordagem promete avanços significativos na disciplina em parte por ser facilmente replicada e escalável a outras regiões mais vastas. Da análise destes dados tornou-se claro que os processos que ocorrem nas bacias hidrográficas adjacentes (ou mesmo distantes) são determinantes para a dinâmica costeira. A formação de plumas de descarga fluvial (e frentes associadas) e a influência sobre a cor do oceano são determinadas em grande medida pela precipitação e processos associados à cobertura do solo em terra. Assim, uma iniciativa de mapeamento da cobertura do solo foi iniciada centrada na impermeabilidade dos solos. Um mapa de Impervious Surface Area (ISA) foi criado a partir de dados Landsat-8 e técnicas de machine-learning (Modelos de Regressão em Árvore) para a bacia hidrográfica do Mondego, em Portugal. O mapa resultante fornece estimativas de ISA (0- 100%) com uma resolução espacial de 30 metros e um Erro Médio Absoluto de 1.6% e Raiz Quadrada do Erro Quadrático Médio de 5.5%. Este é actualmente o melhor produto disponível para a bacia e encontra-se entre os mais precisos da Europa. O produto foi utilizado como auxiliar na determinação de relações entre a antropização da bacia e a qualidade da água. Correlações significativas foram encontradas que podem afectar potencialmente a cor da água (e qualidade) de uma forma mensurável. Na realidade, dados de Observação de Terra sublinharam a ocorrência de episódios de eutrofização em barragens da região. Ademais, os dados Landsat permitiram demonstrar o efeito das actividades humanas na cor do oceano, potencialmente afectando a obtenção de informação e limitando o desenvolvimento de mapas de frentes de alta resolução e tentativas de bioregionalização em sectores próximos da costa. A precipitação, elemento importante que liga terra e mar através dos rios foi também analisada. Em particular, avaliou-se a possibilidade de empregar Estimativas de Precipitação por Satélite (SER) foi avaliada. As limitações identificadas na disponibilidade de dados de precipitação in situ reforçaram a necessidade de procurar uma alternativa viável e duradoura. As estimativas por satélite apresentaram uma correlação moderada com os dados in situ à escala diária, melhorando com agregação mensal (R = 0.80). As estimativas são afectadas por diversas variáveis incluindo a complexidade do terreno. A informação gerada neste projecto, nos seus diferentes domínios, é relevante para diversos stakeholders. A relevância associada à disseminação da informação deve ser sublinhada e por essa razão um programa faseado dedicado ao desenvolvimento de sistemas que sirvam esse propósito foi desenvolvido, resultando no lançamento dos portais globais TRMM Explorer e SmartBasins. Este trabalho procurou assim responder a diferentes questões relevantes e abrir novas linhas de investigação com implicações científicas e operacionais em domínios distintos mas relacionados.