On the complexity of upper-ocean mesoscale dynamics

Resumen

En la superficie del océano conviven una gran cantidad de procesos físicos que, todos juntos, hacen que su dinámica sea extremadamente compleja. Sin embargo, los avances recientes en los sistemas de medida de variables oceánicas y el aumento de la capacidad computacional permiten un estudio cada vez más realista de los mecanismos e interacciones que intervienen para crear esta diversidad de estructuras: remolinos, filamentos, frentes, olas y áreas de mezcla. Combinando el análisis de datos con el desarrollo de modelos numéricos se pueden inferir los procesos dominantes que rigen esta dinámica, su variabilidad espacio-temporal y hacer una estima del impacto potencial que pueden tener sobre la diversidad biológica o las actividades humanas que se desarrollan en el mar como el transporte, la pesca y el turismo. En esta tesis doctoral se estudian los procesos físicos superficiales oceánicos desde diferentes puntos de vista y combinando diversas fuentes de datos, focalizando la atención en su mayor parte en el Mar Mediterráneo Occidental. En primer lugar, a partir de los campos de corrientes de una simulación numérica se describe la circulación superficial en el Mar Mediterráneo Occidental mediante un descriptor Lagrangiano, inferiendo y cuantificando la intrusión de aguas atlánticas recientes en el Mar Balear. A continuación, se estudia el transporte inducido por el viento en las primeras capas del Mediterráneo Occidental. Así, se utilizan 16 años de salidas diarias de un modelo de oleaje para estimar la deriva de Stokes y se analiza su interacción con la corriente de Ekman. El transporte se integra a lo largo de la columna de agua influenciada por el viento. El término de interacción entre el transporte generado directamente por el viento y el generado per el oleaje resulta ser importante en algunas zonas, representando en ciertos lugares más de un 40% de todo el transporte inducido por el viento. La disponiblidad de campos numéricos operacionales de corrientes, oleaje y viento se aprovecha para el diseño de una herramienta Lagrangiana para predecir la trayectoria de derrames de hidrocarburos y para emergencias marítimas en la superficie del mar. Esta herramienta se fundamenta en el lanzamiento de partículas Lagrangianas, incluyendo una difusividad anisótropa y el arrastre del viento. El módulo de predicción estima la densidad de probabilidad sobre las posiciones finales a corto plazo (hasta 3 días), proporcionando contornos de probabilidad acumulada, muy útiles para gestionar más eficientemente los recursos humanos y materiales que participan en la resolución de crisis marítimas. Finalmente, se estudian los mecanismos de respuesta de la atmósfera ante el forzamiento de gradientes mesoescalares de temperatura, en particular se analiza el caso de los remolinos oceánicos. El estudio se lleva a cabo en el Pacífico Noroeste tropical combinando casi 20 años de observaciones satelitales con simulaciones numéricas. Las observaciones sugieren que el mecanismo de mezcla vertical es dominante, aunque en las simulaciones numéricas con las condiciones adecuadas -temperatura superficial del océano, viento o tamaño del remolino, entre otras-, también tiene lugar el mecanismo basado en el balance por gradientes de presión que por tanto no se puede desestimar. Los resultados de la tesis representan un avance en la comprensión de la complejidad del océano superficial donde, además de la propia dinámica geostrófica participa el viento, que genera corrientes, induce mezcla y favorece la formación de olas, interaccionando todos estos términos entre si. También se ha demostrado que el océano tiene cierto impacto sobre la atmósfera, no negligible en algunos casos, lo que resalta la necesidad de estudiar el océano y la atmósfera como sistemas acoplados para comprender con toda profundidad la naturaleza de la dinámica marina.