Abstract Sediment budgets are a critical metric to assess coastal marsh vulnerability to sea level rise and declining riverine sediment inputs. However, calculating accurate sediment budgets is challenging in tidal marsh-influenced estuaries where suspended sediment concentrations (SSC) typically vary on scales of hours and hundreds of meters, and where SSC dynamics are driven by a complex and often site-specific interplay of hydrodynamic and meteorological conditions. The mapping of SSC using ocean-color remote sensing is well established and can help capture the spatio-temporal variability of SSC and determine the dominant drivers regulating sediment budgets. However, the coarse spatial resolution of traditional ocean-color sensors (1-km) generally precludes their use in coastal-marsh estuaries. Here, using the Plum Island Estuary (Massachusetts, USA) as an example, we demonstrate that high-spatial-resolution maps of SSC derived from Landsat-8 Operational Land Imager (OLI) and Sentinel-2A/B Multispectral Instruments (MSI) can be used to determine the main drivers of SSC dynamics in tidal marsh-influenced estuaries, despite the long revisit time of these sensors. Local empirical algorithms between SSC and remote-sensing reflectance were derived and applied to a total of 46 clear-sky scenes collected by the OLI and the MSI between 2013 and 2018. The analysis revealed that this 5-year record was sufficient to capture a representative range of meteorological and tidal conditions required to determine the main drivers of SSC dynamics in this mid-latitude system. The interplay between river and tidal flows dominated SSC dynamics in this estuary, whereas wind-driven resuspension had a more moderate effect. The SSC was higher during spring because of increased river discharge due to snowmelt. Tidal asymmetry also enhanced sediment resuspension during flood tides, possibly favoring deposition on marsh platforms. Together, water level, water-level rate of change, river discharge and wind speed were able to explain >60% of the variability in the main channel SSC, thereby facilitating future prediction of SSC from these readily available variables. This study demonstrates that the existing multi-year records of high-resolution remote sensing can provide a representative depiction of SSC dynamics in hydrodynamically-complex and small-scale estuaries that moderate-resolution ocean color remote sensing and in situ measurements are unable to capture.

中文翻译：

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使用高分辨率海洋颜色遥感确定受潮汐沼泽影响的河口悬浮沉积物动力学的驱动因素

摘要 沉积物预算是评估沿海沼泽对海平面上升和河流沉积物输入下降的脆弱性的关键指标。然而，在受潮汐沼泽影响的河口，悬浮泥沙浓度 (SSC) 通常在数小时和数百米的范围内变化，并且 SSC 动力学由复杂且通常是特定地点的水动力和水动力相互作用驱动，因此计算准确的沉积物预算具有挑战性。气象条件。使用海洋颜色遥感绘制 SSC 制图已经很成熟，可以帮助捕捉 SSC 的时空变异性并确定调节沉积物收支的主要驱动因素。然而，传统海洋颜色传感器（1 公里）的粗略空间分辨率通常妨碍它们在沿海沼泽河口使用。在这里，使用梅花岛河口（马萨诸塞州，以美国）为例，我们证明了从 Landsat-8 Operational Land Imager (OLI) 和 Sentinel-2A/B 多光谱仪器 (MSI) 获得的 SSC 的高空间分辨率地图可用于确定 SSC 动力学的主要驱动因素在受潮汐沼泽影响的河口，尽管这些传感器的重访时间很长。推导出 SSC 和遥感反射率之间的局部经验算法，并将其应用于 OLI 和 MSI 在 2013 年至 2018 年期间收集的总共 46 个晴空场景。分析表明，这一 5 年的记录足以捕捉确定该中纬度系统中 SSC 动力学的主要驱动因素所需的气象和潮汐条件范围。河流和潮汐流之间的相互作用主导了该河口的 SSC 动态，而风力驱动的再悬浮具有更温和的效果。由于融雪导致河流流量增加，春季 SSC 较高。潮汐不对称也增强了潮汐期间沉积物的再悬浮，可能有利于沼泽平台上的沉积。总之，水位、水位变化率、河流流量和风速能够解释超过 60% 的主要河道 SSC 的变异性，从而有助于根据这些现成的变量对 SSC 的未来预测。这项研究表明，现有的多年高分辨率遥感记录可以为中等分辨率海洋颜色遥感和原位测量无法捕获的水动力复杂和小尺度河口中的 SSC 动力学提供代表性描述。由于融雪导致河流流量增加，春季 SSC 较高。潮汐不对称也增强了潮汐期间沉积物的再悬浮，可能有利于沼泽平台上的沉积。总之，水位、水位变化率、河流流量和风速能够解释超过 60% 的主要河道 SSC 的变异性，从而有助于根据这些现成的变量对 SSC 的未来预测。这项研究表明，现有的多年高分辨率遥感记录可以为中等分辨率海洋颜色遥感和原位测量无法捕获的水动力复杂和小尺度河口中的 SSC 动力学提供代表性描述。由于融雪导致河流流量增加，春季 SSC 较高。潮汐不对称也增强了潮汐期间沉积物的再悬浮，可能有利于沼泽平台上的沉积。总之，水位、水位变化率、河流流量和风速能够解释超过 60% 的主要河道 SSC 的变异性，从而有助于根据这些现成的变量对 SSC 的未来预测。这项研究表明，现有的多年高分辨率遥感记录可以为中等分辨率海洋颜色遥感和原位测量无法捕获的水动力复杂和小尺度河口中的 SSC 动力学提供代表性描述。潮汐不对称也增强了潮汐期间沉积物的再悬浮，可能有利于沼泽平台上的沉积。总之，水位、水位变化率、河流流量和风速能够解释超过 60% 的主要河道 SSC 的变异性，从而有助于根据这些现成的变量对 SSC 的未来预测。这项研究表明，现有的多年高分辨率遥感记录可以为中等分辨率海洋颜色遥感和原位测量无法捕获的水动力复杂和小尺度河口中的 SSC 动力学提供代表性描述。潮汐不对称也增强了潮汐期间沉积物的再悬浮，可能有利于沼泽平台上的沉积。总之，水位、水位变化率、河流流量和风速能够解释超过 60% 的主要河道 SSC 的变异性，从而有助于根据这些现成的变量对 SSC 的未来预测。这项研究表明，现有的多年高分辨率遥感记录可以为中等分辨率海洋颜色遥感和原位测量无法捕获的水动力复杂和小尺度河口中的 SSC 动力学提供代表性描述。主通道 SSC 中 60% 的可变性，从而有助于根据这些现成的变量对 SSC 的未来预测。这项研究表明，现有的多年高分辨率遥感记录可以为中等分辨率海洋颜色遥感和原位测量无法捕获的水动力复杂和小尺度河口中的 SSC 动力学提供代表性描述。主通道 SSC 中 60% 的可变性，从而有助于根据这些现成的变量对 SSC 的未来预测。这项研究表明，现有的多年高分辨率遥感记录可以为中等分辨率海洋颜色遥感和原位测量无法捕获的水动力复杂和小尺度河口中的 SSC 动力学提供代表性描述。