STIMA DELLA PRODUZIONE PRIMARIA DEI MARI TOSCANI TRAMITE INTEGRAZIONE DI DATI CONVENZIONALI E TELERILEVATI

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1 Tecnologie Geomatiche per il Monitoraggio e la Gestione dell Ambiente Costiero Pozzuolo di Lerici, settembre 2009 Sessione II Misure remote in ambiente costiero STIMA DELLA PRODUZIONE PRIMARIA DEI MARI TOSCANI TRAMITE INTEGRAZIONE DI DATI CONVENZIONALI E TELERILEVATI L. Lazzara( ), C. Marchese( ), L. Massi(^), C. Nuccio(^), F. Maselli(*), C. Santini(*), M. Pieri( ) e V. Sorani (+) ( ) Università di Firenze Dipartimento Biologia Evoluzionistica via Romana, 17, Firenze, Italy, luigi.lazzara@unifi.it (^) Università di Firenze, Dipartimento di Biologia Vegetale (*) CNR Istituto di Biometeorologia (IBIMET) ( ) Consorzio LaMMa, Firenze (+) Universidad Autónoma del Estado de Morelos, Departamento de Ecología, Mexico

2 Area oggetto dell indagine X stazioni meteo

3 A MISURE A MARE DATI METEO (stazioni + satellite) IMMAGINI DA SATELLITE misure in situ di: Concentrazione clorofilla Assorbimenti, backscattering Firme spettrali fitoplancton misure di curve P-E in situ PAR istantanea (staz) PAR giornaliera ed oraria da OSI-SAF IMMAGINI MODIS Aqua IMMAGINI AVHRR NOAA B profili tipo temperatura e clorofilla algoritmo bio-ottico regionale Kd param. fisiologici del FITOPLANCTON ( A max, Kpur, PHIm, alpha, beta) Clorofilla profilo CLOROFILLA superficiale PAR profilo EFFICIENZA DI FOTOSINTESI f (z,t ) Temperatura Superficiale SST C D MODELLO di (PPSAT) PRODUTTIVITA PRIMARIA Integrazione profondità (IS) e sutempo (IT) Calibrazione verifica della precisione PRODUZIONE PRIMARIA Pelagica INTEGRATA

4 E k Modelli di PPP parametri fisiologici relazione fotosintesi - luce Antoine & Morel 96 Ek = KPUR Alpha Beta Pb max PHI max A max Eppley, 1972 Beherenfeld & Falkowski, 1997

5 Modelli analitici di PPP tipo WMRs, Morel 91 Falkowski e Beherenfeld, 1997 Chl SST PAR batimetria KPUR = E k script Unix PPSAT codice Fortran PPCALC PP integr. x pixel

6 Radiazione giornaliera PAR PAR SeaWiFS - PAR Stazioni LaMMa Numero punti: 213 PAR SeaWiFS PAR stazioni da stazioni LaMMa da PAR SeaWIFs da SSI di OSI-SAF Stazioni di Porto Azzurro Montecristo, Pianosa Pianosa e Montecristo y = x R 2 = PAR SeaWiFS [J/m2] y = x R 2 = PAR Stazioni [J/m2] PAR - PAR Stazioni PAR SSI PAR stazioni Numero campioni: 286 SSI W/m SeaWifs E/m2 d Pieri et al., Asita 2009 in prep. PAR SSI [J/m2/giorno] y = x R 2 = PAR Stazioni [J/m2/giorno]

7 METODO DI STIMA DELLA CONCENTRAZIONE DI CLOROFILLA [CHL] Il metodo di stima delle concentrazioni delle componenti bio-ottiche proposto (SAM ( * ) ) si basa sul confronto fra la riflettanza multispettrale misurata da satellite (Rrs meas ) e quella simulata (Rrs sim ). Quest ultima è calcolata come: Rrs sim = a w + * * bbw + [ CHL] bb PH + [ SS] bb NAP * * * [ CHL] a + [ SS] a + [ YS] a PH NAP YS L algoritmo proposto minimizza la distanza angolare fra i vettori di riflettanza misurato e simulato (6-7 bande MODIS) facendo variare indipendentemente [CHL], [SS] e [YS]. Vantaggi dell algoritmo SAM rispetto a OC3M: Sono utilizzati coefficienti di assorbimento e retrodiffusione misurati localmente; E sfruttata tutta l informazione spettrale contenuta nelle 6-7 bande MODIS. (* ) Maselli F., Massi L., Pieri M., Santini C., (2009), Spectral Angle Minimization for the Retrieval of Optically Active Seawater Constituents from MODIS Data, Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 75(5):

8 STIME CHL OTTENUTE DA OC3M E DAL METODO PROPOSTO (SAM)

9 ciclo 2006 Le medie mensili di PP per l intera area sono comprese tra 0.12 e 0.60 gc m -2 g -1 e presentano un massimo primaverile in aprile, un minimo invernale e valori medi in estate, come atteso sulla base di precedenti studi effettuati in situ e nella stessa area (Innamorati et al., 1995) o nel Medit. Occ. (Morel e André, 1991)

10 Individuazione di sottoaree Area del ciclone Liguro-Provenzale 1 3 Area neritica Apuo-versiliana 4 Area neritica dell Arcipelago Meridionale 2 Area del ciclone a E Bocche di Bonifacio

11 Temperatura SST Biomassa mg Chl m -3

12 g C / m2 d g C / m2 d Prod. Prim. Pelagica I valori di produzione primaria giornaliera risultano variare tra 0.05 e 0.90 gc m -2, come atteso in mari di tipo oligo-mesotrofico. g C / m2 d g C / m2 d La distribuzione spaziale della PPP appare assai differenziata in tutte le stagioni, quindi capace di caratterizzare alcune ampie aree con caratteristiche idrodinamiche e trofiche comuni e stabili come: l area della circolazione ciclonica nel Mar Ligure ed il sistema costiero apuo-versiliano in modo costante, in primavera ed estate l area della porzione meridionale dell Arcipelago Toscano.

13 con algoritmo SAM correzione della sovrastima di OC3M, particolarmente nelle acque della Versilia (caso 2) e nel periodo autunno-inverno CHL (OC3M) Media mensile in mg/m3 CHL (SAM) Media mensile in mg/m mesi mesi 2006 Area Ligure-Provenzale Area Apuo-Versiliese Area Bocche di Bonifacio Area Arcipelago meridionale Area Ligure-Provenzale Area Apuo-Versiliese Area Bocche di Bonifacio Area Arcipelago meridionale Netta differenziazione spaziale dei cicli stagionali della biomassa e della PP tra le zone neritiche e quelle oceaniche: il bloom primaverile è anticipato sottocosta a marzo, ma è di maggiore entità al largo, nelle acque oceaniche

14 Produzione Primaria (CHL-OC3M) Media mensile 0.80 Produzione Primaria (CHL-SAM) Media mensile gc / m2 d gc / m2 d mesi Area Ligure-Provenzale Area Apuo-Versilies Area Bocche di Bonifacio Area Arcipelago meridionale Le PP annue da algoritmo regionale di chl (SAM) sono ridotte del 30-40%: gc / m 2 annui Area Ligure-Provenzale Area Apuo-Versiliese mesi 2006 Area Bocche di Bonifacio Area Arcipelago meridionale valori elevati di PP estiva sono relativamente maggiori nelle aree neritiche. I valori della PP annua confermano la generale oligotrofia della regione di mare considerata e risultano compatibili, ma tendenzialmente inferiori, alle stime da satellite già realizzate per l intero Mediterraneo Occidentale (160 gc m -2 annui, Bosch et al., 2004) basate su algoritmi globali e simili alle stime provenienti da dati in situ per l Alto Tirreno Toscano (104 g C m -2 annui, Innamorati et al., 1995).

15 Conclusioni La regionalizzazione del modello bio-ottico di riflettanza marina, cosi come di quello della produzione primaria sono necessarie ed in corso di attuazione L integrazione di algoritmi specifici e differenziati per acque oceaniche ed acque costiere (caso 1 e caso 2) è opportuna ed in via di completamento L uso di dati di radiazione fotosintetica PAR da satellite meteo (SSI-OSI&SAF) è preferibile rispetto a quella media giornaliera da SeaWiFS (anche per la frequenza plurioraria) Una conseguenza della completa regionalizzazione dei modelli sarà una maggiore affidabilità ed una probabile riduzione nelle stime di Chl e di PP annua, rispetto a quelle realizzate con dei modelli standard globali, particolarmente in acque costiere Ciò appare tanto più indispensabile a fini applicativi ed operativi

16 A MISURE A MARE DATI METEO (stazioni + satellite) IMMAGINI DA SATELLITE misure in situ di: Concentrazione clorofilla Assorbimenti, backscattering Firme spettrali fitoplancton misure di curve P-E in situ PAR istantanea (staz) PAR giornaliera ed oraria da OSI-SAF IMMAGINI MODIS Aqua IMMAGINI AVHRR NOAA B profili tipo temperatura e clorofilla algoritmo bio-ottico regionale Kd param. fisiologici del FITOPLANCTON ( A max, Kpur, PHIm, alpha, beta) Clorofilla profilo CLOROFILLA superficiale PAR profilo EFFICIENZA DI FOTOSINTESI f (z,t ) Temperatura Superficiale SST C D MODELLO di (PPSAT) PRODUTTIVITA PRIMARIA Integrazione profondità (IS) e sutempo (IT) Calibrazione verifica della precisione PRODUZIONE PRIMARIA Pelagica INTEGRATA