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http://hdl.handle.net/10773/41589
Título: | Climate change impact on estuarine aquaculture activity along the Portuguese coast |
Outros títulos: | Impacto das alterações climáticas na atividade da aquacultura estuarina ao longo da costa portuguesa |
Autor: | Pereira, Humberto Paulo Gomes |
Orientador: | Dias, João Miguel Sequeira Silva Álvarez Fernández, Maria Inés Picado, Ana Teresa dos Santos |
Palavras-chave: | Minho Estuary Sado Estuary Ria Formosa Numerical modeling Earth System Models Water quality Carrying capacity Suitability index |
Data de Defesa: | 2-Fev-2024 |
Resumo: | Global aquaculture production has been growing massively during the last
decades. In Portugal, 95% of the aquaculture farms are located in estuaries and
coastal lagoons. These regions are highly productive and nutrient-rich, which
favors the growth and productivity of aquatic species. However, these coastal
transition zones are among the most jeopardized by anthropogenic pressures
and climate change. Therefore, aquaculture is one of the most prosperous but
also challenging industries for the future. Estuarine systems are regions with
a high exploitation capacity, which, duly studied, will allow the identification
of new and/or the best areas for aquaculture. Numerical models are able to
reproduce natural conditions with good precision, generating maps of the
physical and biochemical conditions necessary for the exploitation of aquatic
species and, consequently, for the identification of high-potential areas for
aquaculture under current and future conditions. Thus, the main objective of
this thesis is to assess the potential impact of climate change on estuarine
aquaculture along the continental Portuguese coast. To achieve this, numerical
models using the Delft3D model suite were developed for three estuarine
systems (Minho Estuary, Sado Estuary and Ria Formosa), and a Suitability
Index (SI) was computed to integrate and convert the numerical model results
into aquaculture suitability maps for two bivalve species (Groover Carpet
Shell (Ruditapes decussatus) and Portuguese Oyster (Magallana angulata)),
and one species of fish (European Seabass (Dicentrarchus labrax)), considering
the environmental conditions favorable to their development. The SI was
estimated for the historical (1995–2014) and future (2081–2100) periods. In
addition, the combined impacts of climate change and increased shellfish
production in the Sado estuary and Ria Formosa were also analyzed. In this context, it was necessary to establish ocean boundaries with historical
and future physical and biogeochemical conditions. These boundaries were obtained
from the Earth System Model (ESM) projections of the Coupled Model
Intercomparison Project (CMIP). Thus, in order to choose the best model to
apply to the oceanic boundary conditions, the historical performance of the
ESMs in simulating physical and biochemical processes along the continental
Portuguese coast was evaluated. The evaluation was carried out through
the score SR, used to quantify the accuracy of the ESMs hindcasts for six
variables (water temperature, salinity, chlorophyll-a (Chl-a), dissolved oxygen
(DO), nitrate (NO3), and phosphate (PO4)). The hydrodynamic, transport,
and water quality models developed effectively reproduced tidal propagation
and salt and heat transport. However, for water quality processes, the models
were less accurate, due to the greater complexity and challenges associated
with modeling biochemical processes. Nevertheless, the models were able to
adequately capture horizontal and vertical processes and were therefore used
to assess the impacts of climate change on local physico-chemical dynamics
and processes. Based on the results of the score SR, the Max Planck Institute
(MPI) model is the best choice, and the results of this model were used as
boundary conditions in the historical (1995–2014) and future (2081–2100)
simulations for the three systems under study. Results suggest that climate
change may have similar impacts on water properties in the three estuarine
systems. The results also indicate that negative impacts will intensify with the
increase in bivalve production, jeopardizing their development and modifying
the aquaculture suitability of each estuarine system. In all three systems,
the environmental factors for the historical scenarios were less favorable to
aquaculture in winter, and more favorable in spring and summer. The results
suggest that water temperature, salinity, and Chl-a concentration are the
main variables affecting this outcome. For future conditions, models predict
that climate change may improve the aquaculture suitability of the Minho
and Sado estuaries in winter, but not of the Ria Formosa. The size of the
most suitable areas for aquaculture in each system should remain unchanged
in the future. In summary, this thesis has made a significant contribution
to the aquaculture sector, providing new and valuable information on the
suitability of estuarine systems for this activity, both under historical and
future conditions. This thesis has also demonstrated the potential of using
numerical tools in this type of assessment. A produção aquícola mundial tem vindo a crescer massivamente nas últimas décadas. Em Portugal, 95% das explorações aquícolas estão localizadas em estuários e lagunas costeiras. Estas regiões são altamente produtivas e ricas em nutrientes, o que favorece o crescimento e a produtividade de espécies aquáticas. No entanto, estas zonas de transição costeira estão entre as áreas mais ameaçadas pelas pressões antropogénicas e pelas alterações climáticas. Portanto, a aquacultura é um dos sectores mais prósperos, mas também mais desafiantes para o futuro. Os sistemas estuarinos são regiões com uma elevada capacidade de exploração, que devidamente estudadas permitirão identificar novas e/ou as melhores áreas para explorações aquícolas. Os modelos numéricos permitem a reprodução das condições naturais com boa precisão, gerando mapas das condições físicas e bioquímicas necessárias para a exploração de espécies aquáticas, e, consequentemente, para a identificação de áreas de elevado potencial para a aquacultura sob condições actuais e futuras. Assim, o principal objetivo desta tese é avaliar o potencial impacto das alterações climáticas na aquacultura estuarina ao longo da costa continental Portuguesa. Neste sentido, foram desenvolvidos modelos numéricos utilizando o modelo Delft3D para três sistemas estuarinos (Estuário do Minho, Estuário do Sado e Ria Formosa) e foi calculado um Índice de Adequabilidade (SI) para integrar e converter os resultados dos modelos numéricos em mapas de viabilidade aquícola para duas espécies de bivalves (amêijoa-boa (Ruditapes decussatus) e ostra portuguesa (Magallana angulata)), e uma espécie de peixe (robalo (Dicentrarchus labrax)), considerando as condições ambientais favoráveis ao seu desenvolvimento. O índice SI foi calculado para os períodos histórico (1995–2014) e futuro (2081–2100). Adicionalmente, foi também efectuada a análise dos impactos combinados das alterações climáticas e do aumento da produção de bivalves no estuário do Sado e na Ria Formosa. Neste contexto, foi necessário definir fronteiras oceânicas com condições físicas e biogeoquímicas históricas e futuras. Estas fronteiras foram obtidas a partir das projecções dos Modelos do Sistema Terrestre (ESM) do Projeto de Intercomparação de Modelos Acoplados (CMIP). Assim, com o objetivo de escolher o melhor modelo para aplicar nas condições de fronteira do oceano, foi avaliado o desempenho histórico dos ESMs na simulação de processos físicos e bioquímicos ao longo da costa continental Portuguesa. A avaliação foi realizada através do score SR, utilizado para quantificar a precisão da previsão retrospectiva dos ESMs para seis variáveis (temperatura da água, salinidade, clorofila-a (Chl-a), oxigénio dissolvido (DO), nitrato (NO3), e fosfato (PO4)). Os modelos hidrodinâmicos, de transporte, e de qualidade da água desenvolvidos reproduziram eficazmente a propagação da maré e o transporte de sal e calor. No entanto, ao simular os processos de qualidade da água, os modelos mostraram menor precisão, devido à maior complexidade e aos desafios associados à modelação dos processos bioquímicos. Não obstante, os modelos foram capazes de captar adequadamente os processos horizontais e verticais, tendo sendo por isso utilizados para avaliar os impactos das alterações climáticas na dinâmica e nos processos físico-químicos locais. Com base nos resultados do score SR, o modelo do Instituto Max Planck (MPI) é a melhor escolha, sendo os resultados deste modelo utilizados como condições de fronteira nas simulações históricas (1995–2014) e futuras (2081–2100) para os três sistemas em estudo. Os resultados sugerem que as alterações climáticas podem ter impactos semelhantes nas propriedades da água nos três sistemas estuarinos. Os resultados indicam também que impactos negativos se intensificarão com o aumento da produção de bivalves, comprometendo o seu desenvolvimento e modificando a adequabilidade para a aquacultura de cada sistema estuarino. Nos três sistemas, os factores ambientais para os cenários históricos foram menos favoráveis à aquacultura no inverno, mas mais favoráveis na primavera e no verão. Os resultados sugerem que a temperatura da água, a salinidade e a concentração de Chl-a são as principais variáveis que afectam este resultado. Para as condições futuras, os modelos prevêem que as alterações climáticas irão provavelmente melhorar a adequabilidade dos estuários do Minho e do Sado para a aquacultura no inverno, mas não a da Ria Formosa. As dimensões das áreas mais adequadas para a aquacultura em cada sistema deverão manter-se inalteradas no futuro. Em resumo, esta tese contribuiu significativamente para o sector da aquacultura, fornecendo informações novas e valiosas sobre a aptidão de sistemas estuarinos para esta atividade, tanto em condições históricas como futuras. Esta tese demonstrou também o potencial da utilização de ferramentas numéricas neste tipo de avaliação. |
URI: | http://hdl.handle.net/10773/41589 |
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