@PhDThesis{Oliveira:2022:CaStSo,
author = "Oliveira, Andr{\'e}a de Lima",
title = "Remote sensing of the phytoplankton community structure in coastal
waters: a case study in the south Brazil bight",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2022",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2022-05-31",
keywords = "phytoplankton size classes, time-series, remote sensing,
satellite, MODIS, classes de tamanho do fitopl{\^a}ncton,
s{\'e}rie temporal, sensoriamento remoto, sat{\'e}lite.",
abstract = "Phytoplankton are responsible for most of the primary production
in the oceans. Their dynamics are essential for ecological
modelling and climate change studies. In this study, we analyzed
distinct perspectives of remote sensing (RS) estimation of
phytoplankton structure in optically-complex waters: (i) in a
global perspective, we analyzed the challenges of estimating
phytoplankton size classes (PSCs) from satellite, compared their
performance in open-ocean and coastal waters, and discussed the
elements that might be playing important roles; (ii) in a regional
perspective, we used a coastal station in the South Brazil Bight
(SBB), Southwestern Atlantic, as a case study to investigate how
the phytoplankton pigments combined to other techniques
(optical-microscopy and phytoplankton absorption coefficient)
could be used to improve the estimation of phytoplankton
assemblages in this region; (iii) and also, evaluated the
application of remote sensing algorithms using abundance and
spectral-based approaches applied to in situ and
satellite-retrieval of PSCs to analyze their responses to temporal
and spatial changes. Coastal waters presented a distinct pigments
structure compared to the open ocean, however, their variability
was not higher than open-ocean waters. The satellite-retrievals of
chlorophyll-a concentrations (Chla) presented higher errors for
coastal waters, with mean absolute error of 55% and 72% for
open-ocean and coastal, respectively. The bias indicated an
overestimation for coastal waters 7% and an underestimation 9% for
open-ocean waters. The PSC model performance, on the other hand,
varied with the size class considered, with picophytoplankton
presenting the worst metrics. The SBB region presents complex
meteo-oceanographic dynamics, with local upwellings, oceanic
fronts, meanders and eddies. The phytoplankton community in the
ANTARES-Ubatuba station is characterized by mixed assemblages
composed mainly of diatoms, nanoflagellates, and picophytoplankton
in mostly oligomesotrophic conditions (0.1<Chla<1 mg·m-3).
However, this scenario can shift to a high phytoplankton biomass
condition (Chla> 5 mg·m-3) in some events. The locally tuned PSC
model parameters were close to the values estimated in previous
studies. The spectral-based approach is indicated to studies in a
changing ocean because it is based on the spectral changes,
instead of in previously set biomass relationships. The
seasonality of the satelliteretrieved PSCs in the SBB showed an
overall pattern to be out-of-phase with sea surface temperature
(SST), similarly to Chla. Our finds highlight the suitability of
SST for future improvements in the regional tuning of the PSC
model (correlation coefficient for Chla and SST \ρ=-0.35).
To the best of our knowledge, this is the first study to evaluate
these types of RS PSC models in the coastal area of SBB. Further
improvements are needed but this study shows promising results,
helping to understand future changes in phytoplankton assemblages
in this region. RESUMO: O fitopl{\^a}ncton {\'e}
respons{\'a}vel pela maior parte da produ{\c{c}}{\~a}o
prim{\'a}ria nos oceanos. Entender sua din{\^a}mica {\'e}
essencial para a modelagem ecol{\'o}gica e estudos de
mudan{\c{c}}as clim{\'a}ticas. Neste estudo, analisamos
diferentes perspectivas de estimativa da estrutura da comunidade
fitoplanct{\^o}nica por sensoriamento remoto (SR) em {\'a}guas
opticamente complexas: (i) em uma perspectiva global, analisamos
os desafios de estimar as classes de tamanho do fitopl{\^a}ncton
(do ingl{\^e}s Phytoplankton Size Classes - PSCs) a partir de
dados de sat{\'e}lite, comparando seu desempenho em {\'a}guas
oce{\^a}nicas e costeiras, e discutindo os elementos que podem
estar desempenhando pap{\'e}is importantes nessa
rela{\c{c}}{\~a}o; (ii) em uma perspectiva regional, utilizamos
uma esta{\c{c}}{\~a}o costeira na Bacia de Santos,
Atl{\^a}ntico Sudoeste, como estudo de caso para investigar como
os pigmentos fitoplanct{\^o}nicos combinados a outras
t{\'e}cnicas de microscopia {\'o}ptica e coeficiente de
absor{\c{c}}{\~a}o do fitopl{\^a}ncton, poderiam ser utilizados
para melhorar a estimativa de comunidades fitoplanct{\^o}nicas
nesta regi{\~a}o; (iii) al{\'e}m disso, avaliamos a
aplica{\c{c}}{\~a}o de algoritmos de sensoriamento remoto usando
abordagens baseadas na abund{\^a}ncia e em dados espectrais
aplicadas {\`a} estimativa in situ e por sat{\'e}lite de PSCs
para analisar suas respostas a mudan{\c{c}}as temporais e
espaciais. As {\'a}guas costeiras apresentaram uma estrutura de
pigmentos distinta, mas variabilidade similar {\`a}s {\'a}guas
oce{\^a}nicas. As estimativas das concentra{\c{c}}{\~o}es de
clorofila-a (Chla) por sat{\'e}lite apresentaram maiores erros
para {\'a}guas costeiras, com erro absoluto m{\'e}dio de 50% e
72% para mar aberto e costeiro, respectivamente. O vi{\'e}s
indicou um excesso de estimativa para {\'a}guas costeiras 7% e
uma subestima{\c{c}}{\~a}o 9% para {\'a}guas de mar aberto. O
desempenho do modelo PSC, por outro lado, variou com a classe de
tamanho do fitopl{\^a}ncton considerada. A regi{\~a}o da Bacia
de Santos apresenta din{\^a}micas meteo-oceanogr{\'a}ficas
complexas, com ressurg{\^e}ncias locais, frentes oce{\^a}nicas,
meandros e v{\'o}rtices. A comunidade fitoplanct{\^o}nica da
esta{\c{c}}{\~a}o fixa ANTARES-Ubatuba {\'e} caracterizada por
agrupamentos mistos compostos principalmente por diatom{\'a}ceas,
nanoflagelados e picofitopl{\^a}ncton em condi{\c{c}}{\~o}es
predominantemente oligomesotr{\'o}ficas (0,1<Chla<1 mg·m-3). No
entanto, este cen{\'a}rio pode mudar para uma
condi{\c{c}}{\~a}o de alta biomassa fitoplanct{\^o}nica (Chla>
5 mg·m-3) em alguns eventos. Os par{\^a}metros do modelo PSC
ajustados localmente foram pr{\'o}ximos dos valores estimados em
estudos anteriores reportados na literatura. A abordagem espectral
{\'e} indicada para estudos em um oceano em mudan{\c{c}}a porque
{\'e} baseada nas respostas espectrais, ao inv{\'e}s de se
basear nas rela{\c{c}}{\~o}es de biomassa pr{\'e}-definidas. A
sazonalidade das PSCs obtidas por sat{\'e}lite na Bacia de Santos
mostrou em geral, um padr{\~a}o fora de fase com
varia{\c{c}}{\~o}es na temperatura da superf{\'{\i}}cie do mar
(TSM), semelhante a Chla. Nossos resultados indicam a
relev{\^a}ncia de se considerar varia{\c{c}}{\~o}es da TSM em
esfor{\c{c}}os futuros de aperfei{\c{c}}oamento no ajuste
regional de modelos para a estimativa de PSCs (coeficiente de
correla{\c{c}}{\~a}o para Chla e TSM \ρ=-0,35). At{\'e}
onde sabemos, este {\'e} o primeiro estudo a avaliar esses tipos
de modelos SR para estimativa de PSC na {\'a}rea costeira da
Bacia de Santos. Ainda que mais esfor{\c{c}}os devam ser
desenvolvidos para aperfei{\c{c}}oar os modelos de estimativa de
PSCs, este estudo apresentou resultados promissores que podem ser
{\'u}teis para ajudar no entendimento sobre mudan{\c{c}}as em
curso e futuras nas comunidades fitoplanct{\^o}nicas nesta
regi{\~a}o.",
committee = "Novo, Evlyn M{\'a}rcia Le{\~a}o de Moraes (presidente) and
Kampel, Milton (orientador) and Rudorff, Nat{\'a}lia
(orientadora) and Soppa, Mariana Altenburg and Devred, Emmanuel
Claude and Brewin, Robert",
englishtitle = "Sensoriamento remoto da estrutura da comunidade
fitoplanct{\^o}nica em {\'a}guas costeiras: um estudo de caso na
Bacia de Santos",
language = "en",
pages = "151",
ibi = "8JMKD3MGP3W34T/472R2QS",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34T/472R2QS",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "05 maio 2024"
}