Evaluation of ocean color algorithms in the southeastern Beaufort Sea, Canadian Arctic: New parameterization using SeaWiFS, MODIS, and MERIS spectral bands

With the increasing interest for Arctic Ocean resources and faced with its sensitivity to climate change, it is important to accurately monitor the chlorophyll-a (Chla) concentration that is a key indicator of phytoplankton biomass and marine productivity. The performances of three operational algorithms (OC4v6, OC3Mv6, OC4Mev6), two Arctic adapted algorithms (OC4L, OC4P), and one semi-analytical (GSM01) algorithm to estimate Chla were evaluated using in situ measurements collected in the southeastern Beaufort Sea. All evaluated algorithms clearly overestimated Chla by a factor of three to five. A high contribution of colored dissolved organic matter and nonalgal particles to the blue light absorption appeared as the source of that poor performance. It was also found that fluorometrically measured Chla were two times greater than those determined from high-performance liquid chromatography, contributing to the observed discrepancies between our findings and previous studies carried out in the Arctic. We propose regionally adapted and new algorithms allowing accurate estimation of Chla in the southeastern Beaufort Sea. Finally, a matchup analysis of coincident in situ data and satellite overpass showed that the normalized water-leaving reflectance and the blue-to-green ratio retrieval were more accurate for SeaWiFS than for MODIS and MERIS. Résumé. Avec l’intérêt croissant pour les ressources de l’océan Arctique et face à sa sensibilité aux changements climatiques, il est important de suivre de façon précise la concentration de la chlorophylle-a (Chla) qui est un indicateur clé de la biomasse phytoplanctonique et de la productivité marine. La performance de trois algorithmes opérationnels (OC4v6, OC3Mv6, OC4Mev6), deux algorithmes adaptés pour l’Arctique (OC4L, OC4P) et un algorithme semianalytique (GSM01) estimant la Chla a été évaluée à l’aide de mesures in situ recueillies dans le sud-est de la Mer de Beaufort. Tous les algorithmes évalués surestimaient clairement la Chla par un facteur variant entre 3 et 5. La forte contribution de la matière organique colorée dissoute et des particules non algales à l’absorption de la lumière bleue apparait comme la source principale de ces mauvaises performances. Il a aussi été montré que les mesures de Chla par la méthode de fluorométrie étaient deux fois plus élevées que celles mesurées par la méthode de chromatographie liquide à haute performance contribuant aux différences observées entre nos résultats et les études précédentes réalisées dans l’Arctique. Nous proposons des algorithmes adaptés ainsi que de nouveaux algorithmes permettant une estimation plus précise de la Chla dans le sud-est de la Mer de Beaufort. Finalement, une comparaison entre des données in situ coı̈ncidentes à des images satellitaires a montré que la réflectance normalisée à la surface de même que le ratio bleu-vert étaient plus précis pour le capteur SeaWiFS que pour MODIS et MERIS.