On the complexity of upper-ocean mesoscale dynamics

Abstract

[cat] A l'oceà superficial hi tenen lloc una gran quantitat de processos físics que, tots plegats, fan que la seua dinàmica siga molt complexa. Malgrat aixì, els avanços dels últims anys en els sistemes de mesura de variables ocèaniques i en capacitat computacional permeten un estudi capa cop més acurat del mecanismes i interaccions que intervenen per crear aquesta amalgama d'estructures: remolins, filaments, fronts, ones i zones de mescla. Així, combinant l'anàlisi de dades amb models numèrics es pot inferir quins son els processos dominants que regeixen la dinàmica, la seua variabilitat espai-temporal i fer una estima del l'impacte potencial que poden tenir en la diversitat biològica o les activitats humanes relaciones amb la mar com el transport, la pesca i el turisme. En aquesta tesi doctoral s'estudien el processos físics superficials ocèanics des de diferents punts de vista i combinant diferent fonts de dades, tot centrant-se àmpliament en la Mar Mediterrània Occidental. En primer lloc, a partir dels camps de corrents d'una simulació numèrica s'estudia la circulació superficial a la Mar Mediterrània Occidental mitjançant un descriptor Lagrangià, inferint i quantificant la intrusió d'aigües atlàntiques recents al Mar Balear. Tot seguit, s'estudia el transport de massa induït pel vent superficial a les capes més superficials de la Mediterrània Occidental. Així, partint de més 16 anys de sortides diaries d'un model d'ones generades pel vent, s'estima empiricament la deriva de Stokes i s'analitza la seua interacció amb el transport d'Ekman. El transport s'integra al llarg de la columna d'aigua que és afectada pel vent. El terme d'interacció entre el transport generat directament pel vent i el generat per les ones resulta ser molt important en algunes zones, representant a certs llocs més d'un 40% de tot el transport indüit pel vent. A continuació, la disponiblitat de camps numèrics operacionals de corrents, onatge i vent s'aprofita en el disseny d'una ferramenta Lagrangiana per fer la predicció de trajectòries d'hidrocarburs i per emergències marítimes com tasques de cerca i rescat a la superfície de l'oceà. Aquesta ferramenta es basa en el llançament de partícules ideals Lagrangianes, incloent una difussivitat anisòtropa i l'arrossegament del vent. El mòdul de predicció estima la densitat de probabilitat sobre les posicions finals a curt termini (fins 3 dies), proveïnt contorns de probabilitat acumulada, molt útils per gestionar més eficientment els recursos humans i materials que participen en la resolució de crisis marítimes. Finalment, s'estudien els mecanismes de resposta de l'atmosfera davant el forçament de gradients mesoscalars de temperatura, en particular s'analitza detingudament el cas dels remolins oceànics. L'estudi es du a terme en el Pacífic Nordoest tropical combinant gairebé 20 anys d'observacions satel·litals amb simulacions numèriques. Les observacions suggereixen que el mecanisme de mescla vertical és el dominant, encara que a les simulacions numèriques si es donen les condicions adients -temperatura superficial de l'oceà, vent o mida del remolí, entre d'altres-, també té lloc el mecanisme basat en l'ajustament de l'atmosfera per gradients de pressió i per tant aquest no es pot desestimar. Els resultats de la tesi son un pas endavant en la comprensió de la complexitat dels processos ocèanics de superfície on, a més de la propia dinàmica geostròfica hi ha el vent, que genera corrents, induix mescla i favoreix la formació d'ones, interaccionant tots aquests termes entre si. A més a més s'ha mostrat que l'oceà també té un cert impacte sobre l'atmosfera, gens menyspreable en alguns casos, la qual cosa posa de relleu la necessitat d'estudiar l'oceà i l'atmosfera com sistemes acoblats entre si per tal de comprendre en profunditat la natura de la dinàmica marina.

[spa] 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.

[eng] At the ocean surface many physical processes coexist contributing to an extremely complex dynamics. Fortunately, recent advances in measuring systems and the increasing computational capability allow to study more realistically the mechanisms and interactions able to create the great diversity of ocean structures: eddies, filaments, fronts, waves and areas of intense mixing. Combining observations with numerical model recent developments it is possible to infer the dominant processes that govern the surface dynamics, the spatio-temporal variability and to estimate the potential impacts on the biological diversity and on human activities such as transport, fisheries and tourism. In this PhD dissertation physical processes at the ocean surface are studied from different standpoints, merging datasets and with a special focus on the Western Mediterranean Sea. First, the surface circulation in the western Mediterranean Sea is depicted departing from fields of ocean currents. These currents are obtained from a 3-year numerical simulation. By computing a Lagrangian descriptor, the Finite Size Lyapunov Exponent, it has been possible to identify and to quantify the intrusion of Atlantic waters into the Balearic Sea. Then it has been analyzed the wind induced mass transport in the upper layers of the Western Mediterranean Sea. Thus, departing from 16-year daily wave model outputs, the current generated by the Stokes drift is estimated as well as its interaction with Ekman transport terms. Mass transport is vertically integrated along the column of water that is directly affected by wind. It is shown that the interaction between Stokes and Ekman terms can be very important at some locations, where even contribute to more than 40% of the total wind induced mass transport. The availability of operational ocean models, waves and winds allow to design a Lagrangian tool to make short-term forecasts and Search ans Rescue operations at the ocean surface. This tool departs from the deployment of massless Lagrangian particles and it includes a spatiallydependent diffusivity and a wind drag term. The Lagrangian forecasting modulus estimates the kernel density of probability over the final positions of the launched particles, providing contours of accumulated probability. This is very useful to manage human and material resources involved in the resolution of crisis at sea. To conclude, it has been assessed the mechanisms by which the atmosphere responds to an ocean surface mesoscale gradient of temperature. In particular, it is studied the impact of ocean mesoscale eddies in the northwest tropical Pacific Ocean. To this aim, almost 20 years of satellite-based observations are combined with numerical simulations using an atmospheric model. Observations suggest that the response is leaded by the vertical momentum-mixing mechanism. However, numerical simulations also show the existence under certain conditions -sea surface temperature, wind or eddy propertiesof the mechanism based on pressure gradient adjustment, indicating that this mechanism should not be set aside. Results of this dissertation are a step further in our comprehension of the surface ocean complexity where, besides the geostrophic dynamics, wind has a key role generating currents, inducing mixing and waves, as well as their interactions. It has also been shown that the ocean affects the atmosphere, with a considerable influence in certain conditions. It highlights the need for studying the ocean and the atmosphere as a coupled system to acquire a deep understanding of the underlying physics.