Observations of particulate organic carbon and particulate assemblages from remote sensing in contrasted coastal waters - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Observations of particulate organic carbon and particulate assemblages from remote sensing in contrasted coastal waters

Observation du carbone organique particulaire et des assemblages de particules par télédétection dans les eaux côtières contrastées

Résumé

Inversion of ocean color radiometry satellite data allows the estimation of a variety of biogeochemical parameters. Past studies have for instance demonstrated the possibility to estimate the concentration of particulate organic carbon (POC) in the open ocean at global scale with a satisfying accuracy. Estimating POC concentration in coastal waters is a more difficult task than inopen waters considering the optical complexity of these contrasted environments, generally characterized by high loads of particles and dissolved substances of mixed (terrestrial and oceanic) origin. The first objective of this work was to develop a novel approach to estimate POC concentration in coastal waters at global scale. For that purpose, an extensive in situ data set covering contrasted bio-optical environments and a large range of POC concentration was used. Twelve existing algorithms were tested. The results show that the performance of historical algorithms depends on the type of water, with an overall low performance observed for mineral-dominated waters. None of the tested algorithms provided satisfactory results over the whole POC range. A novel approach was thus developed based on a maximum band ratio of remote-sensing reflectance (Rrs). The performance of this new coastal POC algorithm was found higher than that of the methods previously documented. The large applicability of the developed method was further illustrated at regional scale on the Louisiana continental shelf where the MERIS derived average POC concentrations with the new inversion algorithm were found consistent with those derived from aregional specific model (Le et al., 2016). The second objective of this work was to examine coastal waters classification through different approaches. First, a coastal water type definition based on the shape of the reflectance spectra was proposed using an extended dataset of coincident optical and biogeochemical parameters based on hyperspectral Rrs. Six optical water classes were defined providing a finer representation of coastal waters optical properties than that provided with past studies using the same method (e.g. 4 classes by Vantrepotte et al., 2012). Interestingly, a clear definition of the bio-optical/biogeochemical environments associated with the 6 optical classes was obtained, which can be associated with a dilution gradient from the turbid to the clear water environments, is in that respect more clear than the results obtained from 4 classes in Vantrepotte etal. (2012). Another classification of the coastal water masses based on the ratio of POC to suspended particulate matter (POC/SPM) concentration (as proposed by Wozniak et al., 2010) was also reexamined. In practice, new POC/SPM threshold were defined from our extended coastal data set in order to provide a finer partition of the coastal ocean into 3 water types based on the particulate matter pool quality (i.e. mineral-dominated, organic-dominated and mixed waters). The two revisedclassification approaches were applied to MERIS data over the period 2002-2012 for the Eastern English Channel and Southern North Sea. The spatio-temporal dynamics of the optical water types still remains highly relevant when facing the seasonal changes occurring in the water masses.
L’inversion des données issues de la radiométrie couleur de l’eau permet l’estimation d’une variété de paramètres biogéochimiques depuis l’espace. Les études passées ont démontré par exemple, la possibilité d’estimer la concentration en carbone organique particulaire (POC) dans l’océan ouvert avec une précision satisfaisante. Estimer le POC dans les eaux côtières est une tâche plus ardue que dans les eaux du large car il faut considérer la complexité d’environnements contrastés, caractérisés par d’importants contenus en matière particulaire et dissoute d’origines variées (terrestre et océanique). Lepremier objectif de cette thèse était de développer un algorithme pour estimer la concentration de POC dans les eaux côtières. Dans ce contexte, nous avons rassemblé des mesures in situ afin de disposer d’un vaste jeu de données couvrant des environnements bio-optiques contrastés et une large gamme de concentrations de POC. Douze algorithmes déjà existants, ayant été développés pour des régions précises, ont été testés. Les résultats montrent que la performance des algorithms existants dépend du type d’eau, avec globalement une performance faible pour les eaux dominées par les minéraux. Aucun desalgorithmes testés ne fournit une précision satisfaisante sur l’ensemble de la gamme de concentrations de POC. Une nouvelle approche a ainsi été développée; elle est basée sur le maximum du rapport de réflectance (Rrs) dans deux bandes spectrales. La performance du nouvel algorithme est supérieure aux méthodes existantes précédemment documentées. L’applicabilité de la nouvelle méthode a été illustrée à l’échelle régionale sur les côtes de Louisiane. Les concentrations de POC estimées avec le nouvel algorithme, à partir des données MERIS, sont cohérente avec celle précédemment estimées à partir d’un algorithme régional (Le et al., 2016). Le deuxième objectif de ce travail était d’examiner la classification des eaux côtières à travers deux approches. Premièrement, une classification basée sur la forme du spectre de réflectance hyperspectrale a été proposée à partir d’un jeu de données in situ complet. Six classes d’eau ont été définies fournissant ainsi une représentation plus fine des propriétés optiques des eaux côtières que ce qu’avait établies des études précédentes utilisant la même méthode (e.g. 4 classes par Vantrepotte et al., 2012). Une définition claire des environnements bio-optiques et biogéochimiques associés aux 6 classes a été réalisée. Ces 6 classes peuvent être associées à un gradient de dilution allant des eaux turbides aux eaux claires. Ceci aboutit à une caractérisation plus fine que ce qui avait été mis en évidence à partir des 4 classes définies par Vantrepotte et al. en 2012. Deuxièmement, une autre classification des eaux côtières basée sur le rapport de la concentration de POC et de la matière particulaire en suspension, telle que proposée par Wozniak et al., 2010, a été ré-examinée. En pratique, des nouveaux seuils ont été établis sur le rapport POC/SPM pour fournir une partition plus précise de l’océan côtier en terme de 3 catégories simples basée sur la qualité de la matière particulaire. Ces trois classes sont les eaux dominées par les minéraux, par le phytoplancton et les eaux mélangées. Les deux méthodes de classification ont été appliquées aux données MERIS pour la période 2002-2012 pour la Manche Orientale et le sud de la Mer du Nord. La dynamique spatio-temporelle des types d’eaux est cohérente en regard des changements saisonniers observés.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03328588 , version 1 (30-08-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03328588 , version 1

Citer

Trung Kien Tran. Observations of particulate organic carbon and particulate assemblages from remote sensing in contrasted coastal waters. Earth Sciences. Université du Littoral Côte d'Opale, 2020. English. ⟨NNT : 2020DUNK0589⟩. ⟨tel-03328588⟩
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