Effects of large solar zenith angles and cloud cover on underwater irradiance: Implications for primary production in the Arctic Ocean

The process of photosynthesis requires the energy from sunlight and takes place essentially in the euphotic layer of the oceans. In addition to other variables (i.e., chlorophyll a and photosynthetic parameters) a suitable knowledge of light field in terms of photosynthetically available radiation (PAR) at any given location, depth and time is an important input parameter required by marine ecosystem models. The work included in this thesis examines how larger solar zenith angles, different cloud conditions that are characteristic features of high latitude regions, especially in Arctic, might affect the accuracy of surface irradiance estimates. Further, main focus was on the effects of high frequency variations in the light field on primary production. Surface PAR estimated from different models were compared with high frequency in situ time series measurements of PAR a buoy located in Mediterranean Sea. It was examined how uncertainties due to larger solar zenith angles under varying cloud conditions might affect the accuracy of surface irradiance. Objective ranking method was used to identify the best methods. Methods tested under low sun elevations exhibited uncertainties as large as 50% under all sky conditions. Model performances were dependent on cloud properties and products. Accuracy of a semianalytical model for coefficient of vertical diffuse attenuation of surface irradiance (!"#) based on optical properties inherent to the water itself (absorption and scattering), and solar zenith angle was examined under larger solar zenith angels and cloud conditions. Extensive radiative transfer simulations were performed to quantify the uncertainties due to large solar zenith angles and clouds on the estimates of diffuse attenuation coefficient. The uncertainties under both these conditions are due to the variability in the proportions of direct and diffuse parts of the total irradiance reaching the surface and in the water column. Also, an improved model parameterization proposed to estimate !"# under large solar zenith angels and cloud conditions was evaluated with Arctic in situ data exhibited good performances. Depth integrated daily primary production was estimated using a photosynthesis-light model for various PAR inputs averaged at different time steps over a day (for ex. 1h, 3h, 6h etc.). High frequency measurements from buoy characterizing diurnal variability due to solar zenith angles and variability due to clouds on surface irradiance and vertical diffuse attenuation coefficient of irradiance along with satellite daily biomass data, and in situ photosynthetic parameters near a buoy location are used to examine the uncertainty in primary production estimates due to temporal resolution. The results of this PhD work show that the better representation of clouds and their properties both on spatial and temporal scales are significant in the models to improve the accuracy in estimation of surface PAR. The results also suggest that more efforts to quantify uncertainties under low sun elevations by more evaluation studies in different regions and time scales are necessary in accurate estimation of PAR, which is important for primary production studies. Also, the results emphasize that the uncertainties due to clouds and at large solar zenith angles in representation of light field in water column can be improved. The representation of diurnal-cycle measurements with hourly changes in irradiance fields (e.g., due to clouds) improved the daily integrated PAR values and hence primary production estimates.Le processus de la photosynthèse nécessite l'énergie de la lumière solaire et, dans l’océan, se déroule essentiellement dans la couche euphotique. Outre les autres variables (à savoir la chlorophylle a et les paramètres photosynthétiques), une connaissance appropriée du champ lumineux en termes de rayonnement incident disponible sur la photosynthèse (PAR) à un emplacement, une profondeur et une heure et une date donnés, est requise par les modèles d'écosystème marin. Le travail inclus dans cette thèse examine comment des angles de zénith solaires plus grands et différentes conditions nuageuses caractéristiques des régions de haute latitude, en particulier dans l'Arctique, peuvent affecter la précision des estimations de l'éclairement de surface et dans la colonne d’eau. L’accent est également mis sur les variations du champs lumineux à haute fréquence liées à la nébulosité sur les estimations de la productivité primaire. Les PAR de surface estimés à partir de différents modèles ont été comparés à des mesures en série chronologique in situ à haute fréquence de données de PAR d'une bouée située en mer Méditerranée. Nous avons examiné comment les incertitudes dues aux angles de zénith solaires plus grands, en conditions nuageuses variables, pouvaient affecter la précision des estimations de l'éclairement de surface. La méthode de classement objectif a été utilisée pour identifier les meilleures méthodes. Le produit PAR de la NASA-Ocean Biology Processing Group (OBPG) a montré les meilleures performances globales, tandis que les PAR basées sur la méthode de la table de conversion (LUT) ont présenté les meilleures performances en termes de différence carrée moyenne, de biais sous ciel clair et également par temps couvert. D'autres méthodes basées sur des formulations empiriques ont montré la troisième meilleure performance par temps clair, tandis que par temps nuageux, elles présentaient de plus grandes incertitudes. Trois méthodes testées par faible ensoleillement ont montré des incertitudes allant jusqu'à 50% dans toutes les conditions du ciel. Les performances du modèle dépendent des propriétés et des produits de nuage. Les estimations de la production primaire dans l’ensemble de la couche illuminée de l’océan exigent la connaissance du champ lumineux à n’importe quelle profondeur dans la colonne d’eau jusqu’à un niveau de rayonnement solaire minimal (c’est-à-dire la profondeur euphotique). La précision d'un modèle semi-analytique pour le coefficient d'atténuation diffuse verticale de l'éclairement de surface (!"#) dont les variables sont les propriétés optiques inhérentes de l’eau de mer (absorption et diffusion), et l’angle zénithal solaire, a été examiné pour des anges zénithaux solaires et une nébulosité élevés. Des simulations de transfert radiatif approfondies ont été effectuées pour quantifier les incertitudes dues aux grands angles zénithaux et aux nuages sur les estimations du coefficient d'atténuation diffuse. Les incertitudes dans ces deux conditions sont dues à la variabilité des proportions des parties directes et diffuses de l’éclairement total atteignant la surface et dans la colonne d’eau. En outre, un paramétrage amélioré du modèle a été proposé pour estimer !"# aux grands angles zénithaux et différentes conditions nuageuses. L'évaluation des résultats avec des données in situ de l'océan Arctique, à l'aide du paramétrage amélioré du modèle, a montré de bonnes performances avec une erreur relative de 17% par rapport aux 23% du paramétrage initial du modèle par temps clair. La production primaire quotidienne intégrée en profondeur a été estimée à l'aide d'un modèle de photosynthèse-lumière pour différentes entrées de PAR, moyennées à différents pas de temps sur une journée (par exemple, 1h, 3h, 6h, etc.). Les mesures à haute fréquence de bouées caractérisant la variabilité diurne due aux angles zénithaux solaires et la variabilité due aux nuages sur l’éclairement en surface et le coefficient d'atténuation diffuse vertical, ainsi que des données de biomasse journalière par satellite et des paramètres de photosynthèse in situ à proximité d'une bouée permettent d'examiner l'incertitude dans les estimations de la production primaire en raison de la résolution temporelle. Des erreurs inférieures de 1,91% pour un ciel quasi dégagé, 2,74% pour un ciel partiellement dégagé et 3,58% pour un ciel couvert sont observées pour des entrées de PAR à 0,5h, 1h et 3h, alors que les erreurs varient de ~ 11% à 25,39% pour un ciel quasi claire à couvert avec des entrées de PAR moyennées sur 24h. Il a été observé que la précision des estimations de la production primaire dépendait des entrées de PAR de différentes résolutions temporelles et de la couverture nuageuse. Enfin, l’impact de la résolution spatiale des PAR sur la production primaire a été quantifié à l’aide des données de télédétection couleur des océans. Les résultats de cette thèse montrent que la meilleure représentation des nuages et de leurs propriétés aux échelles spatiales et temporelles est importante dans les modèles pour améliorer la précision de l'estimation du PAR en surface. Les résultats suggèrent également que davantage d’efforts visant à mieux quantifier les incertitudes liées à la faible élévation du soleil doivent être consentis en multipliant les études d’évaluation dans différentes régions et à différentes échelles de temps. Les résultats soulignent également que les incertitudes dues aux nuages et aux grands angles zénithaux solaires dans la représentation du champ lumineux dans la colonne d'eau peuvent être améliorées. Un effort important en vue de considérer la représentation des mesures de cycle diurne avec des changements horaires des champs d’éclairement (dus aux nuages, par exemple) améliore les valeurs de PAR quotidiennes intégrées et donc les estimations de la production primaire. Il souligne donc que les futurs travaux de recherche et de modélisation visant à améliorer la compréhension de la production primaire océanique et de son rôle dans l’océan mondial devraient inclure un examen de la variabilité diurne des mesures d’éclairement dans la distribution de la production primaire