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Bio-optical and biogeochemical characterization of “Dark Water” events in southwestern Puerto Rico
Ortiz Rosa, Suhey
Ortiz Rosa, Suhey
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Abstract
This dissertation characterized and traced black water events (BWE) in southwestern Puerto Rico (PR) coastal and offshore waters. This study provides a dataset to validate ocean color data and to derive empirical algorithms for the Caribbean region. In addition, it contributed to the understanding of light attenuation in surface waters. Furthermore, two of the chapters demonstrated the feasibility of remote sensing data for water quality assessments using two different satellite sensors in Puerto Rican coastal waters. Black water events (BWE) are common in coastal areas associated with wetlands or river outfalls, rich in organic humic matter. In Puerto Rico, BWE can be found along the insular shelf and in oligotrophic waters. In chapter two we integrated in-situ and satellite data for BWE characterization through reflectance band ratios to develop a dark water index. BWE were identified in 8 Sentinel-3A (S3A) images in 2018. A dark water index combining bands (B1+B2)/B6 was used to distinguish these events from the surrounding clear, oligotrophic waters. Our results suggest that an index of less than 7 defines BWE. The S3A absorption of colored dissolved organic matter at 443 nm (ADG443_NN) product values inside the BWE are 15.1 % higher than the values of adjacent clear waters. We suggest that the highest contribution to the BWE optical signal is Colored Dissolved Organic Matter (CDOM), but it is also highly influenced by chlorophyll. The occurrence of BWE around the island appears to be frequent. Follow-up studies are needed to monitor prolonged BWE and examine their impact on coral reefs and associated ecosystems. Chapters three and four assessed the impact of Hurricanes Irma and María (2017) using ocean color data. These studies combined field and satellite data to determine hurricane impacts in water quality using absorption of CDOM (aCDOM) /ADG, Chlorophyll-a, total suspended matter (TSM) and attenuation coefficient (Kd490) parameters as indicators. We determined anomalies in water quality parameters using existing ocean color products from Sentinel 3A at La Parguera Nature Reserve (LPNR) and evaluated the Chlorophyll-a and Kd490 products with the Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) data around Puerto Rico.
Esta disertación documenta, caracteriza y sigue eventos de aguas “oscuras” (Black Water Events = BWE) en aguas costaneras y oceánicas del suroeste de Puerto Rico (PR). Este estudio provee datos para validar productos satelitales del color del océano y derivar algoritmos empíricos para la región del Caribe. Ésta contribuye al entendimiento de la atenuación de luz en la superficie del agua en PR. Por otra parte, dos de los proyectos presentados demuestran la utilidad de los datos satelitales para el monitoreo de la calidad de agua utilizando dos sensores satelitales en aguas costeras de Puerto Rico. En el capítulo dos se integran datos colectados en el campo y los datos satelitales para caracterizar los BWE utilizando intérvalos de bandas y desarrollando un índice para estas aguas oscuras (DWI). Los BWE suelen ser comunes en aguas costeras asociadas con humedales y descargas de efluentes de ríos, ricos en material húmico orgánico. En PR los BWE también se encuentran asociados a la plataforma insular y en aguas oligotróficas. Estos BWE fueron identificados en 8 imágenes del sensor Sentinel 3A (S3A) para el año 2018. Se utilizó un DWI que combina las bandas espectrales (B1+B2/B6) del sensor para distinguir las aguas del evento de las aguas adyacentes. Nuestros resultados sugieren que un índice de un valor de 7 o menor define el BWE. Los valores del producto de ADG443_NN (absorción de detrito y materia orgánica disuelta coloreada a 443 nm) dentro del BWE suelen ser un 15.1 % mayor que los valores de las aguas circundantes. Se identificó que la señal espectral de un BWE está mayormente influenciada por la materia orgánica disuelta coloreada (CDOM), pero ésta es altamente influenciada por la señal de clorofila. La presencia de BWE alrededor de la isla es frecuente por lo cual estudios adicionales son necesarios. Los eventos prolongados de BWE podrían tener un impacto en arrecifes de coral y otros ecosistemas asociados. En los capítulos tres y cuatro, se detalla el monitoreo del impacto de los huracanes Irma y María (2017) utilizando datos del color del océano. Estos combinan datos de campo y satelitales para determinar el impacto en parámetros de calidad de agua utilizando aCDOM/ADG, Clorofila-a (Chl-a), materia suspendida total (TSM) y el coeficiente de atenuación de luz a 490 nm (Kd490). Se determinaron las anomalías utilizando los productos del sensor S3 para el área de la Reserva Natural de La Parguera. A su vez se evaluaron los parámetros de Chl-a y Kd490 con el uso del sensor “Visible Infrared Imaging Radiometer Suite” (VIIRS). Con estos estudios se pudo identificar posibles valores umbrales que pueden ser utilizados para el establecimiento de límites de calidad de agua para Puerto Rico.
Esta disertación documenta, caracteriza y sigue eventos de aguas “oscuras” (Black Water Events = BWE) en aguas costaneras y oceánicas del suroeste de Puerto Rico (PR). Este estudio provee datos para validar productos satelitales del color del océano y derivar algoritmos empíricos para la región del Caribe. Ésta contribuye al entendimiento de la atenuación de luz en la superficie del agua en PR. Por otra parte, dos de los proyectos presentados demuestran la utilidad de los datos satelitales para el monitoreo de la calidad de agua utilizando dos sensores satelitales en aguas costeras de Puerto Rico. En el capítulo dos se integran datos colectados en el campo y los datos satelitales para caracterizar los BWE utilizando intérvalos de bandas y desarrollando un índice para estas aguas oscuras (DWI). Los BWE suelen ser comunes en aguas costeras asociadas con humedales y descargas de efluentes de ríos, ricos en material húmico orgánico. En PR los BWE también se encuentran asociados a la plataforma insular y en aguas oligotróficas. Estos BWE fueron identificados en 8 imágenes del sensor Sentinel 3A (S3A) para el año 2018. Se utilizó un DWI que combina las bandas espectrales (B1+B2/B6) del sensor para distinguir las aguas del evento de las aguas adyacentes. Nuestros resultados sugieren que un índice de un valor de 7 o menor define el BWE. Los valores del producto de ADG443_NN (absorción de detrito y materia orgánica disuelta coloreada a 443 nm) dentro del BWE suelen ser un 15.1 % mayor que los valores de las aguas circundantes. Se identificó que la señal espectral de un BWE está mayormente influenciada por la materia orgánica disuelta coloreada (CDOM), pero ésta es altamente influenciada por la señal de clorofila. La presencia de BWE alrededor de la isla es frecuente por lo cual estudios adicionales son necesarios. Los eventos prolongados de BWE podrían tener un impacto en arrecifes de coral y otros ecosistemas asociados. En los capítulos tres y cuatro, se detalla el monitoreo del impacto de los huracanes Irma y María (2017) utilizando datos del color del océano. Estos combinan datos de campo y satelitales para determinar el impacto en parámetros de calidad de agua utilizando aCDOM/ADG, Clorofila-a (Chl-a), materia suspendida total (TSM) y el coeficiente de atenuación de luz a 490 nm (Kd490). Se determinaron las anomalías utilizando los productos del sensor S3 para el área de la Reserva Natural de La Parguera. A su vez se evaluaron los parámetros de Chl-a y Kd490 con el uso del sensor “Visible Infrared Imaging Radiometer Suite” (VIIRS). Con estos estudios se pudo identificar posibles valores umbrales que pueden ser utilizados para el establecimiento de límites de calidad de agua para Puerto Rico.
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Date
2023-12-08
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Keywords
Remote sensing, Bio-optical oceanography, Water quality, Black water events, ADG/Colored Dissolved Organic Matter (CDOM)