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Ciencias marinas

versión impresa ISSN 0185-3880

Cienc. mar vol.37 no.2 Ensenada jun. 2011

 

Notas de investigación

 

Nuevo Sistema Satelital de Monitoreo Oceánico para México*

 

A novel Satellite–based Ocean Monitoring System for México

 

S Cerdeira–Estrada1*, G López–Saldaña1, 2

 

1 Comisión Nacional para el Conocimiento y Uso de la Biodiversidad (CONABIO), Ave. Liga Periférico–Insurgentes Sur 4903, Parques del Pedregal, Tlalpan 14010, México, DF.

2 Current address: University College London, Department of Space and Climate Physics, Mullard Space Science Laboratory, Holmbury St. Mary, Dorking, Surrey, RH5 6NT, UK.

 

*Corresponding author.
E–mail: s.cerdeira@gmail.com

 

Received December 2010
Accepted March 2011

 

RESUMEN

Para estudiar el comportamiento de la productividad marina, los florecimientos algales nocivos, el estrés térmico en los arrecifes de coral y los procesos oceanográficos, se requieren diversos parámetros ópticos y biofísicos marinos, como la temperatura superficial del mar, y productos del color del océano, como la concentración de clorofila a, el coeficiente de atenuación difusa, la concentración de material total suspendido, la fluorescencia de la clorofila y la reflectancia teledetectada. En este artículo se presenta un nuevo Sistema Satelital de Monitoreo Oceánico (SATMO) automático desarrollado para proporcionar, en tiempo casi real, un seguimiento continuo de las variables antes mencionadas para los ecosistemas marino–costeros del Golfo de México, el Océano Pacífico nororiental y el Mar Caribe occidental, con una resolución espacial de 1 km. Los productos fueron obtenidos a partir de imágenes del espectroradiómetro de imágenes de resolución moderada (MODIS) recibidas en la estación terrena (ubicada en la CONABIO) después de cada paso de los satélites Aqua y Terra. Además, el sistema proporciona imágenes compuestas para varios productos oceánicos de la última semana y el último mes transcurrido, así como compuestos de anomalías semanales y mensuales de la concentración de clorofila a y la temperatura superficial del mar. Estos datos de anomalía se proporcionan por primera vez para la región de estudio y representan una información valiosa para analizar series temporales del color del océano para el estudio de los ecosistemas marinos y costeros en México, Centroamérica y el Caribe occidental.

Palabras clave: Sistema Satelital de Monitoreo Oceánico, MODIS, concentración de clorofila a, temperatura superficial del mar, anomalías.

 

ABSTRACT

To analyze patterns in marine productivity, harmful algal blooms, thermal stress in coral reefs, and oceanographic processes, optical and biophysical marine parameters, such as sea surface temperature, and ocean color products, such as chlorophyll–a concentration, diffuse attenuation coefficient, total suspended matter concentration, chlorophyll fluorescence line height, and remote sensing reflectance, are required. In this paper we present a novel automatic Satellite–based Ocean Monitoring System (SATMO) developed to provide, in near real–time, continuous spatial data sets of the above–mentioned variables for marine–coastal ecosystems in the Gulf of Mexico, northeastern Pacific Ocean, and western Caribbean Sea, with 1 km spatial resolution. The products are obtained from Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) images received at the Direct Readout Ground Station (located at CONABIO) after each overpass of the Aqua and Terra satellites. In addition, at the end of each week and month the system provides composite images for several ocean products, as well as weekly and monthly anomaly composites for chlorophyll–a concentration and sea surface temperature. These anomaly data are reported for the first time for the study region and represent valuable information for analyzing time series of ocean color data for the study of coastal and marine ecosystems in Mexico, Central America, and the western Caribbean.

Key words: Satellite–based Ocean Monitoring System, MODIS, chlorophyll–a concentration, sea surface temperature, anomaly.

 

INTRODUCCIÓN

Los productos del color del océano como la concentración de clorofila a y la fluorescencia de clorofila, así como la temperatura superficial del mar son parámetros relacionados con varios procesos oceanográficos. Los sistemas satelitales de observación en tiempo real son de suma importancia en los estudios del medio ambiente marino. Por ejemplo, la temperatura superficial del mar constituye un buen indicador del estrés ambiental y puede utilizarse para monitorear la salud de los ecosistemas marinos clave (e.g., arrecifes coralinos; Hu et al. 2009). También es posible determinar el impacto de los huracanes sobre las capas superficiales del océano al analizar cambios en la temperatura superficial del mar y la clorofila a (e.g., Platt et al. 2005).

Algunas estaciones terrenas localizadas alrededor del mundo reciben, en tiempo casi real, datos de diferentes sensores satelitales a partir de los cuales se generan productos oceánicos para varias regiones del mundo (e.g., Shutler et al. 2005, Sciarra et al. 2006). En México, en la Comisión Nacional para el Conocimiento y Uso de la Biodiversidad (CONABIO), una estación terrena (banda X) (marcada con una C en fig. 1) recibe y procesa datos directamente del espectroradiómetro de imágenes de resolución moderada (MODIS por sus siglas en inglés) a bordo de los satélites Terra y Aqua de la NASA.

En este trabajo se presenta un nuevo Sistema Satelital de Monitoreo Oceánico (SATMO) automático desarrollado para proporcionar, en tiempo casi real, un seguimento continuo de las variables mencionadas arriba para los ecosistemas marinos y costeros del Golfo de México, el Océano Pacífico nororiental y el Mar Caribe occidental, con una resolución espacial de 1 km. Este artículo describe los nuevos productos proporcionados por el SATMO y complementa el trabajo de Cerdeira–Estrada y López–Saldaña (2008). Al final de cada semana y mes el sistema proporciona imágenes compuestas para varios productos oceánicos, así como compuestos de anomalías semanales y mensuales de la concentración de clorofila a y la temperatura superficial del mar, usando los compuestos de los promedios climatológicos semanales o mensuales para el periodo de 2002 a 2009. Por primera vez se presentan datos de anomalías para la región de estudio, los cuales proporcionan información valiosa para el análisis de series temporales de datos del color del océano en los estudios de los ecosistemas marinos y costeros de México, Centroamérica y el Caribe occidental.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Descripción del sistema

El área de estudio abarca todas las aguas adyacentes a los 20,427 km de costa de México, tanto del Océano Pacífico nororiental (incluyendo el Golfo de California y el Golfo de Tehuantepec) como del Océano Atlántico noroccidental (incluyendo el Golfo de México y el Mar Caribe occidental). Toda el área se encuentra dentro de las coordenadas 3° N a 33° Ny 122° W a 72° W. El área contiene el Arrecife Mesoamericano en el Mar Caribe occidental, el cual es el sistema arrecifal más grande del Océano Atlántico y el segundo más grande del mundo, y proporciona servicios ecosistémicos clave para el mantenimiento de la productividad marina. El área de estudio es vulnerable a la presencia de huracanes y florecimientos algales nocivos (eventos de marea roja). Además, se definió una subárea de estudio que incluye sólo el Océano Pacífico mexicano frente a las costas de la península de Baja California y el Golfo de California (22.86–32.86° N, 122–107° W; fig. 1). Dentro de esta subárea se obtienen datos ópticos y biofísicos in situ (desde 2007) por la estación ANTARES–Ensenada (31.75° N, 116.95° W; marcada con una A en fig. 1) y el programa Investigaciones Mexicanas de la Corriente de California (IMECOCAL).

Fuentes de datos

Los datos provenientes de los sensores MODIS a bordo de los satélites Terra y Aqua se recogen por la antena en la CONABIO. La zona de cobertura de la antena cubre todo el área de estudio (fig. 1). Cada satélite proporciona datos de la Tierra en 36 bandas espectrales entre 0.405 y 14.385 µm, dos veces durante el día y dos veces durante la noche, con una resolución espacial de 250 m, 500 m y 1 km (mayores detalles en el sitio web de la NASA: http://modis.gsfc.nasa.gov/about/specifications.php).

Se utilizó la aplicación Real–time Software Telemetry Processing System (RT–STPS) para crear archivos de Nivel 0 en formato binario nativo PDS (EOS–compliant Production Data Set).

Algoritmos para los productos oceánicos del MODIS

Las radiancias emergentes del agua en tiempo real (Lw_λ, en mW cm–2 µm–1 sr–1) se calculan usando los algoritmos proporcionados por el Grupo de Procesamiento de Oceanografía Biológica (OBPG) de la NASA, considerando la respuesta espectral del sensor MODIS (ver detalles en el sitio web del OBPG: http://oceancolor.gsfc.nasa.gov). La normalización de Lw_λ elimina la mayoría de los efectos del ángulo cenital solar (Gordon y Wang 1994) mediante el cual se obtienen radiancias emergentes del agua normalizadas (nLw_λ, mW cm–2 µam–1 sr–1). Las reflectancias teledetectadas (Rrs_λ [adimensional]) se calculan utilizando algoritmos semianalíticos: la relación de nLw_λ y el promedio de las irradiancias solar nominal extraterrestres (F0_λ, mW cm–2 µm–1 sr–1). Se calcularon las Rrs_λ para nueve bandas espectrales centradas en λ= 412, 443, 488, 531, 551, 667, 678, 748 y 869 nm.

La concentración de clorofila a (Chl–a o Chl_OC3, en mg m–3) se calcula a partir de la reflectancia teledetectada a 443, 488 y 551 nm, usando el algoritmo OC3M (O'Reilly et al. 2000). Los valores en tiempo real de la fluorescencia de clorofila (FLH, mW cm–2 µm–1 sr–1) se obtienen como la intensidad de la radiancia emergida en la banda 14 (676.7 nm) del MODIS por encima de la línea de base creada a partir de las bandas 13 (665.1 nm) y 15 (746.3 nm) (Abbott y Letelier 1999).

El coeficiente de atenuación difusa a 488 nm (Kd490 o K_490, m–1) se calcula como la relación entre nLw_λ a 488 y 551 nm (Mueller 2000, Lee et al. 2005) y se encontró una buena correlación con la profundidad de Secchi.

La concentración de material total suspendido (TSM o TSMClark, mg L–1) es un producto experimental, calculado usando un algoritmo empírico para expresar la correlación estadística entre mediciones coincidentes radiométricas in situ y de TSM (Clark 2002).

Finalmente, el sistema calcula la temperatura superficial del mar (SST, °C) utilizando dos algoritmos diferentes. La SST estándar se calcula mediante imágenes diurnas (SST) y nocturnas (NSST) de Terra y Aqua que incluyen la diferencia entre la temperatura de brillo en las longitudes de onda de 11 y 12 µm, de onda larga o del infrarrojo térmico (bandas 31 y 32 del MODIS). El producto SST4 se calcula usando sólo las imágenes nocturnas que consisten de la diferencia entre la temperatura del brillo en las longitudes de onda de 3.959 y 4.050 µm, imágenes infrarrojas de onda corta (bandas 20, 22 y 23 del MODIS), ya que SST4 no es válido durante el día debido a la reflexión solar (Brown y Minnett 1999, Minnett et al. 2002).

 

RESULTADOS

Estructura del programa base: Productos oceánicos del barrido (Swath) del MODIS

El programa base del sistema es común para el procesamiento de todos los productos utilizando guiones o scripts en C–Shell de desarrollo propio para Linux, incluyendo las líneas de comandos para el programa gratuito Sistema de Análisis de Datos SeaWiFS (SeaDAS, versión 5.3 para Linux) desarrollado por la NASA y scripts en C–Shell para IDL/SeaDAS.

A partir de los archivos PDS el sistema produce niveles de radiancias a través del Nivel 1A del barrido (Swath) del MODIS con resolución espacial de 1 km (Cobertura de Área Local o LAC) en formato HDF (Hierarchical Data Format) (MOD_PR01) con sus correspondientes archivos MODIS de geolocalización (GEO o MOD_PR03) en formato HDF a 1 km. El MODIS Nivel 1A contiene los datos crudos digitalizados de los niveles en el detector para las 36 bandas espectrales del MODIS. Los archivos MODIS GEO en formato HDF contienen para el arreglo de 1 km de pixel la latitud o longitud y ángulos de proyección de la imagen. Los archivos MODIS Nivel 1A y GEO son utilizados para crear los archivos MODIS Nivel 1B Swath a 1 km (LAC) (MODPR02) en formato HDF NCSA (versión 4.1, liberación 5), los cuales contienen las radiancias calibradas y geoposicionadas.

Productos oceánicos del MODIS proyectados

Utilizando el archivo MODIS Nivel 1B Swath en formato HDF y el archivo GEO y aplicando correcciones atmosféricas y algoritmos bio–ópticos para los datos del MODIS, el sistema genera dos archivos MODIS Nivel 2 Swath LAC a 1 km con productos oceánicos asociados a parámetros biogeofísicos, pero sin proyección específica. El primer archivo HDF incluye los siguientes productos oceánicos diurnos: SST, Chl_OC3, K_490, TSMClark y FLH, así como Rrs_λ; el segundo incluye los siguientes productos nocturnos: NSST y SST4. Cada archivo HDF incluye archivos de la calidad del producto que indican fallas del algoritmo o condiciones de alerta a nivel de pixel (qual_sst o qual_sst4 y 12_flags). Todos los niveles de calidad especificados se combinan en una banda.

Se obtienen archivos HDF del MODIS Nivel 2 (1 km) con productos oceánicos proyectados en proyección cilíndrica equidistante con Datum WGS84 para los productos diurnos Chl_OC3, FLH, TSM_Clark, K_490 y SST, y los productos nocturnos NSST y SST4, a partir de cada paso diurno–nocturno del MODIS Nivel 2 Swath. El sistema genera imágenes proyectadas del MODIS Nivel 2 (1 km) para los productos SST, NSST, SST4 y Chl_OC3 en formato GeoTIFF con sus parámetros biogeofísicos correspondientes usando la proyección geográfica con Datum WGS84, mientras que los archivos de metadatos XML se generan usando los estándares del Comité Federal de Datos Geográficos (FGDC) de los Estados Unidos.

Además, el sistema proporciona las imágenes de vista rápida correspondientes en formato PNG (Portable Network Graphics) usando los archivos HDF MODIS Nivel 2 proyectados con paletas de escala y colores diseñadas específicamente para obtener una mejor visualización dentro del intervalo que corresponde a los valores promedios anuales máximos y mínimos en cada caso. Según los umbrales para el área de estudio, la Chl_OC3 presenta un intervalo de 0.04 a 40 mg m–3 y la FLH de 0.001 a 0.1 mWcm–2 µm–1 sr–1, ambos en escala logarítmica, mientras que la SST presenta un intervalo de 13 a 32 °C en escala lineal (ver fig. 2); la TSMClark presenta un intervalo de 0.1 a 30 mg L–1 y K_490 de 0.03 a 1m–1 en escala logarítmica, mientras que la NSST y la SST4 presentan un intervalo de 13 a 32 °C en escala lineal. También se incluyó un script dentro del sistema que genera archivos KMZ de Google Earth, es decir, archivos de Lenguaje de Marcado Keyhole (KML) compactados en ZIP, para visualizar de forma interactiva las imágenes de vista rápida en Google Earth.

Compuesto semanal–mensual del MODIS/Aqua: Promedio, promedio climatológico y anomalía

Se crean archivos basados en los compuestos MODIS Nivel 3 semanales (8 días) y mensuales para Chl_OC3, FLH, TSM_Clark, K_490, SST, NSST y SST4, a 1 km de resolución espacial, a partir de los archivos HDF de los productos oceánicos MODIS Nivel 2 proyectados, después de cada paso del Aqua/MODIS.

Se generan compuestos de anomalías semanales y mensuales para el MODIS/Aqua a partir de archivos Nivel 3 de compuestos semanales (8 días) y mensuales de Chl_OC3, SST y NSST, para cada paso del Aqua/MODIS a 1 km de resolución espacial y los compuestos de imágenes promedio climatológicas semanales y mensuales. Estos compuestos de promedio de imágenes climatológicas incluyen datos de siete años cosecutivos (del 4 de julio de 2002 al 3 de julio de 2009). Estos compuestos de imágenes también están disponibles en animaciones.

Para cada archivo de los productos oceánicos HDF MODIS Nivel 3 proyectados (imágenes compuestas semanales/mensuales y compuestos de las anomalías), el sistema proporciona la imagen de vista rápida correspondiente junto con su escala y paleta de colores específica, así como imágenes de Nivel 3 en formato GeoTIFF con sus parámetros biogeofísicos correspondientes, usando la proyección geográfica con Datum WGS84, los archivos de metadatos en XML y los archivos KMZ.

Compuesto RGB Especial del MODIS proyectado

El sistema genera, en tiempo casi real, datos de radiancias emergentes del agua en tres bandas visibles del MODIS después de cada paso del satélite. El RGB–439 Especial es creado usando la banda 4 del MODIS (555 nm), la banda 3 (469 nm) a una resolución de 500 m y la banda 9 (443 nm) que se remuestrea de 1 km a 500 m. Este compuesto, que utiliza diferentes bandas del MODIS que las documentadas por Hu et al. (2005), tiene una mejor resolución espacial y permite un mejor análisis cualitativo en cuanto a la presencia de material particulado en suspensión, material disuelto de color y florecimientos algales. El RGB–439 Especial está disponible en las imágenes de vista rápida, en archivos GeoTIFF con proyección geográfica junto a su correspondiente archivo XML de metadatos geoespaciales y en archivos KMZ para visualizar en Google Earth.

Aplicaciones del SATMO en estudios de eventos de surgencia en la región

Tanto las imágenes satelitales del color del oceáno como las de SST obtenidas a partir de nuestro sistema operacional (2002–2009) nos permitieron identificar con facilidad y dar seguimiento a la propagación de surgencias oceánicas producidas por el viento, así como la evolución asociada y frecuencia de la generación de giros en los golfos de Tehuantepec (México), Papagayo (entre Nicaragua y Costa Rica) y Panamá (ver figs. 1, 2). Estos vientos producen el desplazamiento de grandes cantidades de aguas cálidas superficiales que provocan la surgencia de aguas frías profundas con una alta productividad fitoplanctónica y concentración de Chl–a (fig. 2).

Lluch–Cota et al. (1997), mediante imágenes del Sensor de Color de la Zona Costera (CZCS, 1978–1986), encontraron que los eventos de surgencia en los golfos de Tehuantepec y Papagayo se presentan entre octubre y abril; sin embargo, los compuestos de promedios mensuales con alta resolución espacial del MODIS/Aqua para Chl_OC3, SST y FLH producidas por el SATMO muestran en mayor detalle que tales eventos de surgencia inducidos por el viento se presentan de forma secuencial, primero en el Golfo de Tehuantepec (iniciando en octubre, con una máxima intensidad de la surgencia en noviembre, y finalizando en junio), luego en el Golfo de Papagayo (iniciando en noviembre, con una máxima intensidad de la surgencia en febrero, y finalizando en mayo), y finalmente en el sur de Panamá (iniciando en enero, con una máxima intensidad de la surgencia en febrero, y finalizando en junio) (fig. 2).

Nuestro análisis preliminar de las imágenes confirma lo informado por González–Silvera et al. (2004), quienes mostraron, mediante un análisis de correlación cruzada, una relación inversa entre SST y Chl_OC3 durante un periodo de tiempo corto (noviembre de 1998 a marzo de 1999), cuando una disminución en la SST precedió un aumento en la concentración de Chl–a, lo cual indica altas tasas de producción primaria y de crecimiento.

Otro evento importante de surgencia en el Golfo de México ha sido observado desde 1966 en la parte oriental de la plataforma de Yucatán (D en fig. 1). Cochrane (1966) sugirió que la fricción de fondo generada cuando la Corriente de Yucatán choca contra el talud del lado oriental de la plataforma podría estar causando este efecto. Según Merino (1997), la fuerza del proceso de surgencia depende en gran parte de los cambios en la intensidad de la Corriente de Yucatán y el evento se relaciona con el viento local, especialmente durante la primavera y el verano.

Con base en datos de sensores remotos, de series de tiempo y de la variación espaciotemporal de la Chl_OC3 y la SST en esta región del Golfo de México, Pérez et al. (1999) encontraron una zona frontal casi permanente al noreste de Cabo Catoche, paralela al talud de la plataforma oriental de la Península de Yucatán. González et al. (2000) analizaron la distribución superficial del fitoplancton en el Mar Intraamericano occidental mediante imágenes satelitales del color del océano CZCS y también encontraron que el Banco de Campeche en frente de la Península de Yucatán muestra altas concentraciones de pigmentos durante todo el año. Nosotros observamos, para todos los años analizados, altas concentraciones de Chl–a alrededor de la zona frontal (fig. 2), usando del MODIS/Aqua tanto compuestos de imágenes promedio mensuales como compuestos de imágenes promedio climatológicos para 2002–2009 de los parámetros de Chl_OC3 y SST obtenidos del SATMO.

Otra forma de estudiar los eventos de surgencia tanto espacial como temporalmente es mediante el análisis de anomalías con base en una climatología específica (ver fig. 3). Para febrero de 2009, por ejemplo, observamos una anomalía negativa de valores de SST y anomalías positivas de Chl–a en los golfos de Papagayo y Tehuantepec. Actualmente se realiza un análisis multianual más completo de la evolución de este evento para tratar de determinar las causas y posibles explicaciones de ello con la alta resolución espacial y temporal proporcionada por el SATMO (anomalías semanales y mensuales a 1 km).

 

DISCUSIÓN

Como ya se mencionó, el nuevo sistema de procesamiento automático y operacional en tiempo casi real que se ha presentado para el monitoreo continuo del fitoplancton, la SST y otros productos del color del océano, usando imágenes del MODIS recibidas en la estación terrena (banda X) de la CONABIO, está orientado para analizar la variación espacial y temporal de la Chl–a y la SST, así como su tendencia y posible relación con fenómenos climáticos. Este sistema de código abierto puede ser implementado en cualquier otra estación terrena, como la localizada en Chetumal, Quintana Roo (B en fig. 1). La combinación de datos del color del océano con los datos del compuesto RGB Especial del MODIS procesados por el SATMO permite la identificación de aguas someras, plumas, sedimentos y florecimientos con mayor precisión que otros sistemas anteriores.

Este sistema operacional proporciona, por primera vez, productos del color del océano para los mares de México y Centroamérica, en tiempo casi real, así como imágenes compuestas semanales y mensuales de parámetros oceánicos y compuestos de anomalías con una resolución espacial de 1 km. Otros sistemas desarrollados anteriormente cubren áreas más pequeñas y los productos tienen menor resolución espacial (4 ó 9 km) y no proporcionan datos de anomalías. Otra ventaja es el cálculo del parámetro FLH, el cual no se había considerado en otros sistemas para el área de estudio. Con el SATMO es posible estudiar la productividad marina, florecimientos algales nocivos, estrés térmico en los arrecifes de corales, eventos de surgencia y otros procesos oceanográficos en la región.

Se utilizó el SATMO para estudiar las surgencias inducidas por el viento y la frecuencia de la generación de giros en los golfos de Tehuantepec, Papagayo y Panamá, y se confirmaron los eventos documentados con anterioridad. Además, se analizaron las anomalías de SST y Chl–a para obtener una mejor idea de las causas y posibles explicaciones de su presencia.

Los productos biogeofísicos marinos obtenidos por el SATMO se pueden consultar en el sitio web de la CONABIO: http://www.biodiversidad.gob.mx/pais/mares/satmo.

 

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue financiado por el Fideicomiso Fondo para la Biodiversidad de la CONABIO. Se agradece al grupo de la Subdirección de Percepción Remota de la Dirección de Geomática adjunto a la Dirección General de Bioinformática (CONABIO), en particular a R Ressl, MI Cruz–López y R Jiménez–Rosenberg, su apoyo y sugerencias durante este estudio.

 

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NOTAS

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