Characterization of the main Iberian Peninsula and French Atlantic turbid plumes using MODIS satellite data

Abstract

A river plume can be defined as a water mass with different properties than surrounding ocean water, in terms of salinity, temperature, composition and color, due to the influence of a river discharge. This is because river inputs provide fresh water, nutrients, sediments, organic and inorganic material and/or contaminants, among others, into the ocean, modifying the physical, chemical and biological conditions of the coastal areas under influence. Therefore, plumes play a key role in the affected areas, and hence, the importance to characterize and improve the knowledge on plume dynamics. Plume spreading into the ocean is affected by several forcing, including outflow inertia, rotation force (Coriolis), buoyancy, wind, tides, coastal currents, and in addition, the coastal configuration of each area. Therefore, although some patterns of behavior are common to most plumes, each system can behave different being necessary to analyze each river plume. Salinity is one of the best natural tracers, however it is difficult to sense at useful spatial and temporal scales taking into account that river plumes are characterized by a fine spatial structure able to change rapidly. As alternative, ocean color imagery provided by satellite sensors, as MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) data, suppose a very useful tool to river plumes studies due to the high spatial and temporal resolution provided. Ocean color imagery detects a strong signal in the area occupied by the material discharged by the river (turbid plume) whereas the ocean waters not affected by the river discharge have negligible contributions, which allows delimiting the river plume. The main objective of this thesis is to analyze and compare the turbid plumes formed by the main Iberian rivers, in order to determine similarities and differences among them. Five Atlantic rivers (Minho, Douro, Tagus, Guadiana and Guadalquivir) and one Mediterranean river (Ebro) will be considered. Plumes dynamic will be evaluated through synoptic patterns obtained by means of data provided by MODIS sensor onboard the Aqua and Terra satellites. Composite images will be constructed averaging those days characterizing each driving force in order to obtain the mean plume state under each forcing. Then, the study will be expanded to analyze the most important plumes formed in the Atlantic coast of France (Loire and Gironde plumes), which are subject to similar conditions to those plumes formed in the Atlantic coast of Iberian Peninsula. In addition, the influence of the most important teleconnection patterns on them will be also evaluated, as well as the impact of these plumes on the thermohaline properties of seawater.

Una pluma fluvial se puede definir como aquella masa de agua con diferentes propiedades que el agua oceánica adyacente, en términos de salinidad, temperatura, composición o color, debido a la influencia de la desembocadura de un río. Esto se debe a que los ríos proporcionan agua dulce, nutrientes, sedimentos, material orgánico e inorgánico y/o contaminantes, entre otros, al océano, modificando las condiciones físicas, químicas y biológicas de las zonas costeras bajo influencia. Por lo tanto, las plumas desempeñan un papel clave en las áreas afectadas, de ahí la importancia de caracterizar y mejorar el conocimiento acerca de la dinámica de las plumas. Las plumas están afectadas por varios forzamientos, incluyendo la inercia del flujo de salida, la fuerza de Coriolis, la flotabilidad, el viento, las mareas, las corrientes costeras, además de por la configuración costera de cada área. Por lo tanto, aunque algunos patrones de comportamiento son comunes a la mayoría de las plumas, cada sistema puede tener ciertos comportamientos diferentes haciendo necesario el análisis de cada pluma fluvial. La salinidad es uno de los mejores trazadores naturales de las plumas fluviales, sin embargo, es difícil poder medirla a escalas espaciales y temporales suficientes teniendo en cuenta la fina estructura espacial de las plumas capaz de cambiar rápidamente. Como alternativa, las imágenes del color del océano proporcionadas por los sensores satelitales, como MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), suponen una herramienta muy útil para desarrollar estudios sobre las plumas fluviales debido a su alta resolución espacial y temporal. Estos sistemas detectan una fuerte señal en el área ocupada por el material descargado por el río (pluma turbia) mientras que las aguas oceánicas no afectadas por la descarga fluvial tienen contribuciones insignificantes, lo que permite delimitar la pluma fluvial. El principal objetivo de esta Tesis Doctoral es analizar y comparar las plumas turbias formadas por los ríos Ibéricos más importantes, con el fin de determinar similitudes y diferencias entre ellas. Cinco ríos Atlánticos (Miño, Duero, Tajo, Guadiana y Guadalquivir) y uno Mediterráneo (Ebro) serán considerados. La dinámica de las plumas será evaluada a través de los patrones sinópticos obtenidos por medio de los datos proporcionados por el sensor MODIS, a bordo de los satélites Aqua y Terra. Se crearán composiciones de imágenes promediando aquellos días que caracterizan cada situación sinóptica con el fin de obtener el estado medio de las plumas bajo cada forzamiento. Después, el estudio se extenderá para analizar las plumas más importantes formadas en la costa Atlántica de Francia (la pluma del Loira y del Gironda), que están sometidas a condiciones similares que las plumas formadas en la costa Atlántica de la Península Ibérica. Además también se evaluará la influencia de los patrones de teleconexión más importantes sobre ellas, así como el impacto de estas plumas en las propiedades termohalinas del agua.

Unha pluma fluvial pode definirse como aquela masa de auga con diferentes propiedades que a auga oceánica adxacente, en termos de salinidade, temperatura, composición ou color, debido á influencia da desembocadura dun río. Isto débese a que os ríos proporcionan auga doce, nutrientes, sedimentos, material orgánico e inorgánico e/ou contaminantes, entre outros, ó océano, modificando as condicións físicas, químicas e biolóxicas das zonas costeiras baixo influencia. Polo tanto, as plumas desempeñan un papel clave nas áreas afectadas, mostrando a importancia de caracterizar e mellorar o coñecemento acerca da dinámica das plumas. As plumas están afectadas por varios forzamentos, incluíndo a inercia do fluxo de saída, a forza de Coriolis, a flotabilidade, o vento, as mareas, as correntes costeiras, ademais de pola configuración costeira de cada área. Polo tanto, aínda que algúns patróns de comportamento son comúns á maioría das plumas, cada sistema pode ter certos comportamentos diferentes facendo necesaria a análise de cada pluma fluvial. A salinidade é un dos mellores trazadores naturais das plumas fluviais, sen embargo, é difícil poder medila a escalas espaciais e temporais suficientes tendo en conta a fina estrutura espacial das plumas capaz de cambiar moi rápido. Como alternativa, as imaxes do color do océano proporcionadas polos sensores satelitales, como MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), supoñen unha ferramenta moi útil para desenrolar estudos sobre as plumas fluviais debido á súa alta resolución espacial e temporal. Estes sistemas detectan un forte sinal na área ocupada polo material descargado polo río (pluma turbia) mentres que as augas oceánicas non afectadas pola descarga fluvial teñen contribucións insignificantes, o que permite delimitar a pluma fluvial. O principal obxectivo desta Tese Doutoral é analizar e comparar as plumas turbias formadas polo ríos Ibéricos mais importantes, co fin de determinar similitudes e diferenzas entre elas. Cinco ríos Atlánticos (Miño, Douro, Texo, Guadiana e Guadalquivir) e un Mediterráneo (Ebro) serán considerados. A dinámica das plumas será avaliada a través dos patróns sinópticos obtidos por medio dos datos proporcionados polo sensor MODIS, a bordo dos satélites Aqua e Terra. Crearanse composicións de imaxes promediando aqueles días que caracterizan cada situación sinóptica co fin de obter o estado medio das plumas baixo cada forzamento. Despois, o estudo estenderase para analizar as plumas mais importantes formadas na costa Atlántica de Francia (a pluma do Loira e do Xironda), que están sometidas a condicións similares que as plumas formadas na costa Atlántica da Península Ibérica. Ademais, tamén se avaliará a influencia dos patróns de teleconexión mais importantes sobre elas, así como o impacto destas plumas nas propiedades termohalinas da auga.