Fechar

@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",
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        urlaccessdate = "05 maio 2024"
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