Estudio de la corriente superficial en Canarias mediante el seguimiento de boyas de deriva

Departamento de Física Tesis Doctoral ESTUDIO DE LA CORRIENTE SUPERFICIAL EN CANARIAS MEDIANTE EL SEGUIMIENTO DE BOYAS DE DERIVA Laura Cardona Díaz Las Palmas de Gran Canaria Noviembre de 2015 ªDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA Programa de doctorado Física, Matemáticas, Geología y Clima. Departamento de Física ESTUDIO DE LA CORRIENTE SUPERFICIAL EN CANARIAS MEDIANTE EL SEGUIMIENTO DE BOYAS DE DERIVA Tesis Doctoral presentada por Dª Laura Cardona Díaz Dirigida por la Dra. Dª. Esther Pérez Martell Codirigida por el Dr. D. Octavio Llinás González La Directora, El Codirector, La Doctoranda, (firma) (firma) Las Palmas de Gran Canaria, a 10 de noviembre de 2015 A la memoria de mi madre, por su fortaleza y gran corazón. Agradecimientos En primer lugar quiero agradecer a los doctores Esther Pérez Martell y Octavio Llinás González, directores de esta Tesis, el apoyo científico recibido que me ha permitido desarrollar este trabajo. Mi agradecimiento a los compañeros del Departamento de Oceanografía del Instituto Canario de Ciencias Marinas, por la colaboración y ayuda prestada durante los años que trabajamos juntos. Agradecer también a los compañeros de La Plataforma Oceánica de Canarias, con los que he estado trabajando en esta última etapa. Un agradecimiento especial a la Dra. María José Rueda López, coordinadora de programas del Instituto Canario de Ciencias Marinas, por su apoyo durante todos estos años. Este trabajo se ha desarrollado en el marco de un proyecto de cooperación internacional con el Atlantic Oceanographic and Meteorological Laboratory/National Oceanic and Atmospheric Administration (AOML/NOAA), como parte del Global Drifter Program (GDP) para el estudio de las corrientes superficiales. Agradecer al Data Assembly Center (DAC) el suministro de las boyas y el servicio de datos. Durante el desarrollo de este trabajo he realizado estancias en otros centros, lo que me ha permitido adquirir experiencias y conocimientos para avanzar en este proyecto de tesis. Por ello quiero agradecer a los compañeros del Laboratorio de Ambiente Marino y Tecnología (LAMTec) de la Universidad de Azores, su grata acogida durante mi estancia. Al igual que al personal del Departamento del Área de Medio Físico de Puertos del Estado. Un agradecimiento muy especial al subteniente José Manuel Amat García y al brigada Víctor Marcos Delgado, así como al resto del personal del Centro Coordinador de Rescates de Canarias (RCC-Canarias) y del 802 Escuadrón de Salvamento y Rescate de las Fuerzas Aéreas. Gracias a su colaboración hemos podido conocer un poco más los mares que nos rodean. Y por último quiero agradecer a mi familia y amigos su cariño y apoyo, en especial a Antonio y a Beatriz. Gracias por estar siempre ahí. i ÍNDICE GENERAL ÍNDICE GENERAL I. ÍNDICE DE FIGURAS……………………………………………….……………… I II. ÍNDICE DE TABLAS………………………………………………………………… IX 0. OBJETIVOS Y CONTENIDO DE LA TESIS……………………………………… 1 1. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………... 5 1.1. Historia y evolución de las boyas de deriva……………………………………. 5 1.2. Estandarización………………………………………………………………….. 9 1.3. Comportamiento físico de la boya……………………………………………… 12 2. CARACTERÍSTICAS OCEANOGRÁFICAS DE LA ZONA DE ESTUDIO…...... 16 2.1. Corriente de Canarias……………………………………………………………. 18 2.2. Estructura vertical de las masas de agua………………………………………... 23 2.3. Afloramiento del Noroeste de África……………………………………………. 26 2.4. Fenómenos de mesoescala………………………………………………………. 29 2.5. Estación Europea de Series Temporales Oceánicas de CanariasESTOC…… 33 3. MATERIAL Y MÉTODOS………………………………………………………….. 37 3.1. Boyas de deriva…….…………………………………………………………….. 37 3.1.1. Descripción de la serie de datos………………………………………….. 37 3.1.2. Despliegue en el medio marino…………………………………………... 42 3.1.3. Especificaciones técnicas de las boyas…………………………………... 46 3.1.4. Transmisión de los datos vía satélite……………………………………... 50 3.1.5. Tratamiento de los datos………………………………………………….. 52 ii ÍNDICE GENERAL 3.1.5.1. Control de calidad…………………………………………………. 53 3.1.5.2. Interpolación temporal y análisis de error………………………... 55 3.2 Datos de Satélite…………………………………………………………………... 57 3.2.1. Datos de viento……………………………………………………………. 57 3.2.2. Datos de corriente geostrófica…………………………………………… 58 3.2.3. Sistema de MonitorizaciónSIMOM…………………………………….. 60 3.3. Modelos numéricos……………………………………………………………... 64 3.3.1. Modelo LAMTec………………………………………………………….. 65 3.3.2. Modelo MyOcean…………………………………………………………. 68 4. ANALISIS DE LOS DATOS DE LAS BOYAS……………………………………… 71 4.1. Estudio descriptivo………………………………………………………………. 71 4.2. Análisis temporal………………………………………………………………… 72 4.3. Análisis espacial………………………………………………………………….. 73 4.4. Análisis espectral………………………………………………………………… 77 5. RESULTADOS……………………………………………………………………….. 79 5.1. Descripción de las trayectorias………………………………………………….. 82 5.1.1. Principales rutas…………………………………………………………….. 82 5.1.2. Zonas de impacto…………………………………………………………. 84 5.1.3. Presencia de remolinos…………………………………………………… 85 5.1.4. Ejercicios de dispersión…………………………………………………... 93 5.2. Análisis temporal………………………………………………………………… 104 5.2.1. Estadísticas anuales y mensuales……………………………………….. 104 5.3. Análisis Espacial…………………………………………………………………. 108 5.3.1. Mapas estacionales……………………………………………………….. 110 5.3.2. Mapa del flujo medio de la corriente…………………………………….. 120 iii ÍNDICE GENERAL 5.4. Correlación boya-viento-corriente………………………………………………. 128 5.5. Valoración de los modelos numéricos………………………………………….. 132 5.5.1. Modelo de LAMTec………………………………………………………. 132 5.5.2. Modelo MyOcean…………………………………………………………. 138 6. APLICACIONES ……………………………………………………………………. 145 6.1. Herramienta de apoyo a la oceanografía operacional…………………………. 147 6.1.1. Descripción de la herramienta estadística…………………………………. 150 6.1.2. Actuación en casos de accidentes reales………………………………... 152 6.1.3. Ejercicios prácticos con Salvamento…………………………………….. 160 7. CONCLUSIONES Y DISCUSIÓN…………………………………………………. 171 8. BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………… 175 9. ANEXO DE PUBLICACIONES……………………………………………………. 198 I ÍNDICE DE FIGURAS ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Evolución del despliegue de boyas de deriva como parte del Global Drifter Program (GDP)... 6 Figura 1.2. Estado del Programa Global de Drifters en octubre de 2015……………………………. 8 Figura 1.3. Esquema de la boya de deriva del Programa de Velocidad Superficial (SVP)……………... 10 Figura 1.4. Escala espacio temporal de los procesos oceánicos (Nieto Saavedra (2009) modificada de Chelton, 2001)………………………………………………………………………...……………… 13 Figura 1.5. Efecto del viento sobre la deriva de botes salvavidas considerando diferentes sistemas de lastre (Allen and Plourde, 1999)…………………………………………………………………….... 15 Figura 2.1. Circulación a gran escala adaptada por Mittelstaedt (1991) y Stramma et al. (2005)….……... 18 Figura 2.2. Circulación superficial en el Atlántico Norte por Klein y Siedler (1989) en verano………... 21 Figura 2.3. Circulación superficial en el Atlántico Norte por Klein y Siedler (1989) en invierno.…….… 21 Figura 2.4. Masas de agua en el Océano Atlántico Oriental (Pickard y Emery, 1982)……………..……. 23 Figura 2.5. Profundidad de la capa de mezcla para el periodo 1995-2000 obtenida por el criterio de Levitus (1982) ΔT=0.5ºC (Cianca, 2003)…...………………………………………………………….. 24 Figura 2.6. Esquema del proceso de afloramiento. Relación del viento, el transporte de Ekman y el afloramiento de las aguas subsuperficiales. Imagen del PFEL/NOAA……………………………..… 26 Figura 2.7. Distribución de temperatura superficial del mar (superior) y concentración de clorofila a (inferior) observada desde satélite (MODIS/NASA), correspondiente al mes de agosto de 2005 (PérezMarrero et al., 2005)…………………………………………………………………………………... 27 Figura 2.8. Desplazamientos de las isopícnas asociados a los tres tipos de remolinos. Se representan dos superficies de densidad, uno en la termoclina estacional ρ1 y otro en la termoclina permanente ρ2 (McGillicuddy et al., 1999)……………………………………………………………………………. 30 Figura 2.9. Trayectoria de remolinos de larga duración (más de seis meses) obtenidos a partir de 14 años de datos del altímetro (1992-2006). Se identifican en azul las estructuras ciclónicas y en rojo las anticiclónicas. Sangrá et al. (2009)……………………………………………...……………………… 31 Figura 2.10. Mapa donde se identifica la zona de formación de remolinos ciclónicos (azul) y anticiclónicos (rojo). García Weil et al. (2006)...……………………………………………………….. 32 Figura 2.11. Mapa de la localización geográfica de la estación ESTOC (www.estoc.es)............................ 33 Figura 2.12. Imagen de SeaWIFS de la concentración de clorofila (a) acumulada para el periodo 19972006. Se identifican la estación ESTOC y BATS. Cianca et al. (2007)..…………………………………. 34 Figura 2.13. Boya mete-oceanográfica fondeada en la estación ESTOC……………………………... 35 Figura 2.14. Mapa de la velocidad superficial para el océano global obtenido de datos de boyas de deriva (Lumpkin y Johnson, 2013)…………………………………………..………………………… 36 Figura 3.1. Tiempo de operatividad en meses de las boyas desplegadas..…………………………….. 39 Figura 3.2. Distribución del número de boyas desplegadas por años………………………………… 40 VIII ÍNDICE DE FIGURAS Figura 6.16. Trayectoria real de la balsa a la deriva (azul), trayectoria obtenida por el modelo teniendo en cuenta solo el viento y oleaje (negro) y trayectoria del modelo teniendo en cuenta el viento, oleaje y corrientes (rojo)…………...………………………………………………………………………….. 163 Figura 6.17. Resultados en más detalle de la trayectoria real de la balsa a la deriva (azul), trayectoria obtenida por el modelo teniendo en cuenta solo el viento y oleaje (rojo) y trayectoria del modelo teniendo en cuenta el viento, oleaje y corrientes (verde)………………………………………………. 164 Figura 6.18. Trayectoria real de la balsa salvavidas junto con la trayectoria obtenida por el modelo para el ejercicio del 4 de mayo de 2005…………………………………………………………………….. 165 Figura 6.19. Trayectoria real de la balsa salvavidas junto con la trayectoria obtenida por el modelo para el ejercicio del 25 de abril de 2006……………………………………………………………………... 166 Figura 6.20. Trayectoria real de la balsa salvavidas junto con la trayectoria obtenida por el modelo para el ejercicio del 22 de mayo de 2008……………………………………………………………………. 167 Figura 6.21. Trayectoria real de la balsa salvavidas junto con la trayectoria obtenida por el modelo para el ejercicio del 28 de julio de 2008…………………………………………………………………… 168 Figura 6.22. Interfaz gráfica del software PLATEA 4D. Donde se muestra la integración de los datos de corrientes (vectores en azul) y de viento (vectores en blanco) para el 10 de noviembre de 2014…………………………..……………………………………………………………………… 169 Figura 6.23. Posición inicial y final de la balsa salvavidas junto con la posición final obtenida por el modelo para el ejercicio del 10 de noviembre de 2014………………………………………………… 170 IX ÍNDICE DE TABLAS ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1. Valores de la intensidad de la Corriente de Canarias obtenidos por diferentes autores…… 19 Tabla 3.1. Distribución por empresas de las 130 boyas de deriva desplegadas.……………………... 37 Tabla 3.2. Estado de cese y operatividad de las 130 boyas desplegadas………………………...…... 38 Tabla 3.3. Descripción del formato de los datos suministrados por el Data Assembly Center……...…. 52 Tabla 3.4 Institución y acceso a la distribución de los datos de viento y corriente geostrófica..……………………………………………………………………………………... 57 Tabla 3.5. Cobertura y resolución de los sensores usados para la obtención de los diferentes parámetros………………………………………………………………………………………... 60 Tabla 5.1. Estadísticas anuales para la serie de datos……………………………………………. 107 Tabla 5.2. Estadísticas mensuales para la serie de datos…………………………………………. 107 Tabla 5.3. Estadísticas de los datos registrados por estaciones para el área de estudio………….… 111 Tabla 5.4. Estadísticas de la velocidad obtenidos por el modelo MyOcean y por la boya 71843…... 141 Tabla 5.5. Estadísticas de la velocidad obtenidos por el modelo MyOcean y por la boya 92905… 144 Tabla 6.1. Resultados estadísticos de la velocidad para los datos extraídos de la serie para la zona y periodo del accidente………………………………………………..………………………… 153 Tabla 6.2. Resultados de la posición obtenida por el estudio estadístico y el modelo numérico transcurridas 15 horas desde el momento del incidente………………………………………….. 155 Tabla 6.3. Resultados estadísticos de la velocidad para los datos extraídos de la serie para la zona y periodo del accidente………………………………………………..………………………… 157 0. OBJETIVOS Y CONTENIDO DE LA TESIS OBJETIVOS Y CONTENIDO DE LA TESIS 1 0. OBJETIVOS Y CONTENIDO DE LA TESIS La tesis presentada se basa en el estudio de la corriente superficial en torno a las Islas Canarias mediante el seguimiento de boyas de deriva. Gracias al gran número de estos dispositivos que se han desplegado en torno al Archipiélago Canario ha sido posible aportar nuevos datos sobre la circulación superficial en esta región. Este trabajo surge de un proyecto de cooperación internacional con la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) dentro del programa Surface Velocity Program (SVP) para la observación de la corriente superficial de los océanos. El proyecto comenzó en 1998 en el Instituto Canario de Ciencias Marinas con el despliegue periódico de boyas de deriva y actualmente continua operativo con la Plataforma Oceánica de Canarias. Hasta 1998 la zona del Archipiélago Canario y la costa de África tenían una carencia en el número de observaciones de la corriente superficial, debido a la ausencia de boyas de deriva desplegadas en la zona. Esta falta de información ha dificultado la calibración de los satélites de observación en esta región de frecuente e intensa presencia de aerosoles. Gracias a este proyecto de cooperación en los últimos 15 años se han desplegado, en adición al programa general de lanzamientos, más de 130 boyas de deriva. Para entender mejor el comportamiento del océano tenemos que tener la capacidad de observar y medir sus propiedades. En este sentido el despliegue de boyas de deriva de un modo sistemático y durante un largo periodo de tiempo, ha contribuido al aumento del número de observaciones de la corriente superficial. La Corriente de Canarias ha sido ampliamente estudiada durante años por numerosos grupos de investigación mediante la aplicación de diferentes metodologías, pero el uso de boyas de deriva se ha centrado en el análisis y seguimiento de estructuras mesoescalares de tipo remolino que suceden en esta región. Además, la mayoría de los estudios se han basado en una escala a nivel de la Cuenca de Canarias, o se han centrado en la zona de afloramiento del noroeste de África. El área de trabajo de este estudio, está definida en torno al Archipiélago Canario y con una resolución que nos permita conocer el sistema de corrientes en torno a las islas y en los canales entre ellas. OBJETIVOS Y CONTENIDO DE LA TESIS 2 El objetivo principal es caracterizar la variabilidad espacio-temporal de la corriente superficial (15-20 metros) mediante un análisis descriptivo y estadístico de los datos obtenidos de las boyas de deriva. Desde el punto de vista operacional, se plantea aumentar el número de observaciones de la corriente mediante el despliegue periódico de boyas de deriva, coordinando los medios logísticos y las operaciones necesarias para ello. El tener numerosas boyas operativas al mismo tiempo y durante un largo periodo, ha permitido identificar tendencias de la corriente en ésta zona. Este trabajo presenta como novedad el estudio de una serie de datos de 15 años de observaciones, combinado con análisis estadísticos y modelos numéricos. Para entender mejor el efecto de las diferentes fuerzas que actúan en la capa superficial del océano, se ha dispuesto de una base de datos de viento y de corriente geostrófica obtenidos mediante información de satélites. El conocer de modo simultáneo el desplazamiento de la boya, el campo de vientos superficial y el de la corriente geostrófica, ayudará a entender las relaciones existentes entre estas variables, que van a ser determinantes en el movimiento de los objetos en la superficie del océano. Durante el desarrollo de este trabajo se han usado varios modelos numéricos para predecir la trayectoria más probable de un objeto que se encuentre a la deriva. Los datos de las boyas han permitido comparar los resultados obtenidos de dichos modelos, haciendo posible evaluar su grado de concordancia, así como su nivel de adecuación a esta zona que presenta una gran variabilidad oceánica. La finalidad que se plantea es establecer una herramienta de apoyo a los sistemas de oceanografía operacional combinando la observación, el análisis y la simulación numérica. Los resultados obtenidos de las boyas de deriva que se presentan en esta tesis, han estado disponibles y han servido para asesorar a las instituciones de salvamento en el caso de simulación de accidentes en ejercicios prácticos, así como en el caso de accidentes reales, lo que le da un gran valor añadido a este trabajo de tesis. OBJETIVOS Y CONTENIDO DE LA TESIS 3 La tesis se estructura en los siguientes apartados. El primero de ellos se corresponde con la introducción , donde se va a describir la evolución de las boyas de deriva y los procedimientos de estandarización hasta llegar al modelo actual de boya usado en este trabajo. También se hace una descripción del comportamiento físico de las boyas mediante las ecuaciones que rigen el movimiento en la capa superficial del océano. El segundo apartado consiste en la descripción de las características oceanográficas de la zona de estudio . Para comprender mejor los resultados obtenidos, se hace un repaso bibliográfico de los estudios de la corriente en esta zona, así como de otros fenómenos característicos de esta región, como son el afloramiento de la costa noroeste de África y los fenómenos mesoescalares. También se describe en este apartado la Estación Europea de Series Temporales Oceánicas de Canarias (ESTOC) como proyecto impulsor del presente estudio de corrientes. El tercer apartado es el de material y métodos , donde se presentan las diferentes metodologías llevadas a cabo para la adquisición de los datos, así como una descripción técnica de las boyas de deriva usadas en este trabajo. Como complemento al estudio de la corriente superficial se han usado una serie de datos viento y de corriente geostrófica, en este apartado se explica la obtención y procesado de esos datos. También se describen los dos modelos numéricos de predicción usados en este trabajo. El apartado cuarto se corresponde con el análisis de los datos de las boyas , en donde se explican los diferentes análisis que se realizan a la serie de datos para la caracterización de la corriente superficial en esta región. En el apartado quinto se presentan los resultados . En primer lugar se explican los resultados obtenidos de las boyas de deriva tras los diferentes análisis a los que se somete los datos. Posteriormente se presentan los resultados tras comparar los datos de las boyas de deriva con los datos de viento superficial y la corriente geostrófica. Y por último se presenta una valoración de los modelos numéricos empleados en este trabajo, tras comparar los resultados de las simulaciones con la trayectoria de boyas de deriva. OBJETIVOS Y CONTENIDO DE LA TESIS 4 En el apartado sexto se describen las aplicaciones. Los datos de las boyas de deriva han estado disponibles para diferentes estudios. Se describe en este apartado la implementación de una herramienta de apoyo a los sistemas de oceanografía operacional basada en un estudio estadístico y numérico. Se describen también en este apartado una serie de ejercicios prácticos llevados a cabo conjuntamente con los servicios de salvamento. En el apartado séptimo se presentan las conclusiones y discusión de los resultados obtenidos así como un planteamiento de futuras acciones. El último apartado se corresponde con la bibliografía empleada en el desarrollo de este trabajo. Y como anexo se presentan las publicaciones presentadas en revistas y congresos relacionadas con este trabajo de tesis. 1. INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN 5 1. INTRODUCCIÓN 1.1 Historia y evolución de las boyas de deriva El estudio de las corrientes superficiales mediante el seguimiento de boyas a la deriva ha evolucionado mucho en las últimas décadas. Durante siglos el conocimiento que se tenía acerca de la circulación de los océanos se basaba en el seguimiento de determinados objetos que se encontraban flotando a la deriva. Esta técnica como herramienta para medir las corrientes ha permitido obtener las primeras observaciones que se tienen acerca del flujo de océano, una de las primeras referencias documentadas son las llevadas a cabo por Leonardo da Vinci (1452-1519) el cual ya utilizó esta técnica para medir la velocidad de las corrientes. En sus estudios lanzaba al agua un flotador y medía la distancia recorrida en un cierto tiempo. Pero ya por ese entonces, los navegantes disponían de conocimientos acerca del comportamiento de las corrientes en sus travesías por el Atlántico, conocían la existencia de corrientes favorables para la navegación que les acortaban el tiempo de la travesía. Benjamín Franklin a mediados del siglo 18 ya pudo elaborar un atlas de la costa este de América del Norte lanzando al mar botellas con mensaje. Fue el primero en referirse a la Corriente del Golfo como un “río en el océano” promoviendo el uso de esta corriente para acelerar la travesía de los barcos. En 1769 dibujó la primera carta de la Corriente del Golfo y en 1785 publicó un trabajo en el cual ya usaba una boya con un contrapeso para sus estudios. Durante el siglo 19 las investigaciones sobre el mar se multiplicaron y fue Mathew Fontaine Maury ayudado por botellas con mensaje a la deriva, el primero que dibujó un mapa sobre las corrientes marinas y sus movimientos. Durante siglos fue la deriva de objetos flotantes la que permitió tener observaciones de las corrientes, pero estas observaciones proporcionaban una idea muy simple porque no indicaban de donde provenía la corriente, ni tampoco su trayectoria. Los mensajes en una botella han dado paso a las boyas de deriva que actualmente conocemos y que recorren toda la superficie del océano, siendo éstos los mejores testigos para el estudio las corrientes superficiales. La observación del océano con boyas de deriva comenzó a documentarse sistemáticamente en la Expedición del Challenger (1875-1876). INTRODUCCIÓN 6 La utilización de las boyas de deriva tuvo durante años el problema de no poder conocer su localización durante su trayecto. Fue a principios de los años 70 cuando se produjo un salto cuantitativo y cualitativo en el estudio de las corrientes y sus trayectorias, cuando se desarrollaron las técnicas de posicionamiento vía satélite, que permitieron resolver el problema de localización de estos dispositivos. A finales de 1978 cuando se lanzó el satélite TIROS-N, fue cuando se adquirió la capacidad de desplegar operacionalmente amplias redes de boyas de deriva que transmitían la información mediante el sistema ARGOS (ver 3.1.4) permitiendo detectar plataformas superficiales en cualquier parte del mundo. Desde 1979 oceanógrafos, meteorólogos y la Armada Americana han desplegado un gran número de boyas de deriva, lo que ha permitido estudiar distintas partes del océano creando mapas de corrientes a partir de datos de boyas de deriva (Lumpkin y Johnson, 2013). Desde 1987 La World Meteorological Organization/Intergovernmental Oceanographic Commission (WMO/IOC) ha coordinado el despliegue de numerosas boyas de deriva dentro de diferentes proyectos de cooperación internacional en todo el océano. Los datos se acumulan en el Meteorological and Enviromental Data Service (MEDS) que es el centro mundial de acopio de este tipo de datos, junto con el Drifter Data Center (DDC) del Atlantic Oceanographic and Meteorological Laboratory (AOML). Figura 1.1. Evolución del despliegue de boyas de deriva como parte del Global Drifter Program (GDP). INTRODUCCIÓN 13 sub-superficiales. Proporcionando un mecanismo para el intercambio de energía cinética entre las parcelas de agua adyacentes. La sumatoria de fuerzas, por lo tanto, debe incluir las fuerzas de fricción, lo que produce un movimiento diferente del flujo geostrófico propio. (ec.1.6) Los procesos oceánicos abarcan una gran variedad de escalas espaciales y temporales que van, desde la micro turbulencia que abarca fenómenos de centímetros y segundos, a fenómenos de circulación que se extienden por las cuencas oceánicas y evolucionan en escalas climáticas (Cushman-Roisin y Beckers, 2008). Figura 1.4. Escala espacio temporales de los procesos oceánicos (Nieto Saavedra (2009) modificada de Chelton, 2001). smA smADonde z w A y w x w Azfricción z v A y v x v Ayfricción z u A y u x u Axfricción z h zh zh zh /1010 /1010: )( )( )( 224 252 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2                                                       INTRODUCCIÓN 14 Toda esta variedad de fenómenos y la interacción que se producen entre ellos, hacen que el océano presente una gran variabilidad espacio-temporal constituyendo un sistema muy complejo. Para el estudio de la corriente superficial a nivel de mesoescala (que comprende fenómenos que van de días a semanas y de cientos de kilómetros a pocos metros) hace que sea posible omitir movimientos que distan mucho de estas escalas. En nuestro caso podemos considerar que las corrientes de marea y las ondas internas son poco importantes para el transporte de masas. Una dificultad que se presenta es cuando se dan condiciones de viento muy flojos, o cuando los vectores de viento y corriente forman un ángulo cercano a los 180º, en estos casos los movimientos inerciales son bastante importantes. La fuerza de la gravedad no ejerce ninguna fuerza horizontal por lo que también puede ser despreciada en este caso (Pérez-Marrero et al., 2005). Tras estas consideraciones el desplazamiento de la boya se puede representar principalmente como la suma del efecto de la corriente geostrófica y del viento, además de otros fenómenos que no podemos medir directamente. En un primer enfoque determinista la velocidad de cualquier objeto a la deriva (Vd) puede escribirse de la siguiente manera (Kirwan et al., 1975): Vd = aW + bC +  (ec 1.7) Donde W y C son respectivamente los vectores de viento y de corriente, modulados por los coeficientes de ponderación a y b que dependen de la relación de las áreas expuestas a la acción del viento y de la corriente. Además de un término de incertidumbre aleatorio  . Para la deriva de los objetos en la superficie del océano, los coeficientes de arrastre del viento y de la corriente (a y b) deben ser establecidos en función de cada tipo de objeto, dependiendo de la parte que esté sumergida que se encuentre expuesta a la corriente y la parte emergida que está expuesta principalmente al viento, estos coeficientes pueden cambiar en varios órdenes de magnitud. INTRODUCCIÓN 15 Allen y Plourde (1999), realizaron un estudio para el cálculo del arrastre del viento en función del tipo de objeto, trabajaron con más de 50 objetos diferentes. En sus estudios de campo tuvieron en cuenta 38 tipos de balsas salvavidas diferentes, 24 tipos de embarcaciones, veleros, tablas de surf y simulaciones de personas en el agua. En la siguiente figura se representan algunos de los resultados obtenidos en sus estudios con botes salvavidas, donde instalaron diferentes tipos de contrapeso para ver como afectaba el viento a la deriva en cada caso. Figura 1.5. Efecto del viento sobre la deriva de botes salvavidas considerando diferentes sistemas de lastre (Allen y Plourde, 1999). 2. CARACTERÍSTICAS OCEANOGRÁFICAS DE LA ZONA DE ESTUDIO 16 CARACTERÍSTICAS OCEANOGRÁFICAS 2. CARACTERÍSTICAS OCEANOGRÁFICAS DE LA ZONA DE ESTUDIO El Archipiélago Canario está considerado como una zona óptima para el estudio de las corrientes oceánicas a escala global. Por su origen y ubicación en la parte Centro Oriental del Atlántico Norte, esta región ha sido ampliamente estudiada desde el punto de vista oceanográfico desde hace varias décadas (Peterson et al., 1996). Pero son los estudios más recientes los que han proporcionado información más detallada de la corriente a nivel del archipiélago, debido a que han aumentado los estudios a nivel de mesoescala en esta región. Desde el punto de vista oceanográfico las condiciones que se dan en esta región son el resultado de factores geográficos y climáticos característicos de esta zona. El archipiélago se encuentra bajo la influenciada del límite oriental del Giro Anticiclónico del Atlántico Norte y por la presencia del afloramiento que tiene lugar en la costa oeste de África, cuyos efectos pueden llegar a ser apreciables en las islas en forma de filamento y remolinos (Johnson y Stevens, 2000) debido a la cercanía al continente Africano (Mittelstaedt, 1991). Desde un punto de vista geográfico el archipiélago está constituido por un conjunto de siete islas que ocupan una longitud de unos 500 kilómetros. Las islas se orientan de forma casi perpendicular a la costa de África y conforman un obstáculo para la circulación tanto atmosférica como marina (Barton et al., 2000). La profundidad aumenta de este a oeste, desde poco más de 1000 metros entre la costa de África y las islas de Lanzarote y Fuerteventura, hasta más de 2500 metros en la zona más occidental. Estos factores hacen que la zona se encuentre influenciada por fenómenos de diferente naturaleza constituyendo un sistema de corrientes bastante complejo con intensa actividad en múltiples escalas. El clima del archipiélago canario se encuentra bajo la influencia principal de dos dominios climáticos que son las altas presiones subtropicales y la circulación del oeste de las latitudes medias. Desde la primavera a bien entrado el otoño Canarias queda bajo la influencia del sistema de altas presiones situado en las Azores, haciendo que los vientos alisios del noreste (que están presenten todo el año) presentan su máxima intensidad durante el verano. 17 CARACTERÍSTICAS OCEANOGRÁFICAS Durante el invierno el centro de altas presiones sufre un descenso en latitud favoreciendo la llegada de borrascas. Cuando el núcleo de las borrascas se sitúa sobre África trae consigo los eventos de calima característicos de esta región. Estos eventos suceden sobre todo en invierno pero eventualmente pueden darse en cualquier época del año y como consecuencia se produce la llegada de gran cantidad de aerosoles al archipiélago (Pérez-Marrero et al., 2002; Torrez-Padrón et al., 2002). En las latitudes ecuatoriales la zona de convergencia entre los vientos alisios en el Hemisferio Norte y el Hemisferio Sur se denomina Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT). Las variaciones estacionales de los vientos alisios en Canarias se considera que son debidos al desplazamiento del anticiclón de las Azores y de la ZCIT. Las variaciones de larga duración de tipo interanual están más relacionadas con las características meteorológicas propias de cada año en concreto. Encontrándose también variaciones de corta duración que se relacionan con “pulsos de viento”, sucesión de periodos de fuertes vientos con periodos de viento débil y dirección variable. (González-Muñoz et al., 1996). 18 CARACTERÍSTICAS OCEANOGRÁFICAS 2.1 Corriente de Canarias Los estudios de la Corriente de Canarias que se han venido realizado durante años han demostrado que esta corriente presenta una gran variabilidad tanto en estructura como en intensidad. Y han sido muchas las discrepancias por parte de los diferentes autores a la hora de definir las propiedades del flujo que incide sobre el Archipiélago Canario. El sistema de circulación en la región este del Atlántico Norte está definido por la Corriente de las Azores, la Corriente de Portugal, la Corriente de Canarias y la Corriente Norecuatorial. Además debido a la cercanía del continente africano esta zona se encuentra bajo la influencia del afloramiento del noroeste de África. Varios estudios (Stramma, 1984; Stramma y Siedler, 1988; Klein y Siedler, 1989) han confirmado que la corriente del Golfo enlaza con la corriente de las Azores (Käse y Siedler, 1982; Juliano y Alves, 2007) y ésta a su vez con la Corriente de Canarias confluyendo con la Corriente Norecuatorial. Figura 2.1. Circulación a gran escala adaptada por Mittelstaedt (1991) y Stramma et al. (2005). 19 CARACTERÍSTICAS OCEANOGRÁFICAS La corriente de Azores que fluye hacia el sur en la Cuenca de Canarias se divide en tres ramales sobre la latitud de Madeira (Stramma, 1984; Klein y Siedler, 1989), dos hacia el sur y el tercero hacia el oeste. La prolongación hacia el sur del ramal oriental constituye la Corriente de Canarias (Zhou et al., 2000). Otros autores en sus estudios (Batten et al., 2000, Hernández-Guerra et al., 2005) afirman que la corriente de Portugal, que se encuentra frente a la costa oeste de la península ibérica, es parte de la corriente de Canarias. Por el contrario Stramma (1984), consideró que la corriente de Portugal es la rama que alimenta el agua procedente del Océano Atlántico que entra en el Mar Mediterráneo, sin conectar con la Corriente de Canarias. La Corriente de Canarias fluye a lo largo de la costa de África de norte a sur entre 30 ° N y 10 ° N y la costa hasta 20 ° W (Fedoseev, 1970) durante todo el año hacia el ecuador (Wooster et al., 1976). Sus aguas superficiales son relativamente frías, porque a medida que viajan hacia el sur arrastran agua aflorada de la costa (Mittelstaedt, 1991). Autor Año de publicación Velocidad de la Corriente Fedoseev 1970 70 cm/s Molina 1976 15 cm/s Stramma et al. 1984 1 cm/s Molina y Laatzen 1986 35 cm/s Müller et al. 1990 25 cm/s Zhou et al. 2000 10-15 cm/s Navarro-Pérez y Barton 2001 5 cm/s Tabla 2.1. Valores de la intensidad de la Corriente obtenidos por diferentes autores. Una de las posibles discrepancias por parte de los autores a la hora de definir la corriente puede ser debida a la diferente resolución entre los estudios que se han llevado a cabo. En la región de Canarias se dan fenómenos en diferentes escalas espacio-temporales y eso es un factor a tener en cuenta a la hora de definir las características de esta corriente. Los estudios de Fedoseev (1970) permiten entender la variabilidad espacial de la corriente a un nivel de mesoescala, que no resolvieron Stramma y Siedler (1988), dado que la fuerte actividad de mesoescala generada en esta región puede llegar a enmascarar la señal estacional a gran escala. 20 CARACTERÍSTICAS OCEANOGRÁFICAS Fedoseev (1970) describió los patrones estacionales de la Corriente de Canarias. Determinó que durante el invierno la Corriente de Canarias está en su máxima fuerza y que en primavera la corriente se debilita. Estimó que en verano se reducía la entrada de agua desde el norte lo que debilita la Corriente de Canarias que se extiende hacia el exterior desde la costa. Consideró en sus estudios que durante el otoño la corriente de Canarias está en su punto más débil. Los trabajos de Stramma (1984) y Stramma y Siedler (1988) dan una descripción contradictoria a la anterior, determinaron que la Corriente de Canarias es débil y variable en el invierno y la primavera. El bucle anticiclónico en la cuenca de Canarias se va a ver modificado, en verano va a sufrir un estrechamiento meridional y un desplazamiento hacia el sur (Klein y Siedler, 1989), esto se debe a que la Corriente de las Azores durante el verano se desplaza hacia el sur y la Corriente Norecuatorial hacia el norte, provocando una compresión norte-sur que hace que la Corriente de Canarias se intensifique más en las islas más orientales, estando la Corriente de Canarias más cerca a la costa africana en verano y alejándose en invierno. Durante la primavera y el verano la Corriente de Canarias es más intensa y constante, estando su flujo principalmente concentrado entre la costa de África y Tenerife. En otoño se intensifica la corriente al oeste de La Palma y en invierno la corriente es más débil y variable. De los anteriores autores y de estudios más recientes (Navarro-Pérez y Barton, 2001) se determina que el flujo de la corriente superficial es más fuerte en primavera y verano en las islas orientales y la costa de África, mientras que es más fuerte en invierno en las islas exteriores y mar abierto, coincidiendo con el avance y retroceso del Giro Anticiclónico del Atlántico Norte. La variabilidad interanual indica que el flujo de la corriente es principalmente hacia el sur, aunque a veces presenta una tendencia hacia el norte en años excepcionales. 21 CARACTERÍSTICAS OCEANOGRÁFICAS Figura 2.2. Circulación superficial en el Atlántico Norte por Klein y Siedler (1989) en verano. Figura 2.3. Circulación superficial en el Atlántico Norte por Klein y Siedler (1989) en invierno. Debido a la cercanía al continente africano, en la zona de estudio podemos identificar el denominado jet costero asociado a las regiones de afloramiento. Es un frente que se genera entre las aguas costeras afloradas y las aguas oceánicas circundantes, que da lugar a una corriente muy intensa que va hacia el sur y que persiste durante todo el año sobre la plataforma y el talud de África (Hernández-Guerra et. al; 2003). Los cabos de la costa africana (Ghir, Jubi y Bojador) rompen la continuidad de este jet, generando agua aflorada hacia mar abierto, que son denominados filamentos asociados al afloramiento. Estos filamentos alcanzan las islas más orientales como Fuerteventura y Lanzarote y en algunos casos llegan a Gran Canaria (Hernández-Guerra et al., 1993). 28 CARACTERÍSTICAS OCEANOGRÁFICAS La Corriente de Canarias se caracteriza por una intensa actividad de mesoescala encontrándose en una zona de transición entre las aguas frías y ricas en nutrientes provenientes del afloramiento y las cálidas aguas oligotróficas del océano abierto (Barton et al., 1998). Numerosos estudios describen las principales características que se suceden en esta región de afloramiento, donde se producen remolinos y filamentos que dan lugar a un importante transporte de materia orgánica desde la costa hacia el océano abierto (Barton y Arístegui, 2004; Álvarez-Salgado et al., 2007). El afloramiento contribuye al enriquecimiento de nutrientes, lo que conlleva un aumento de los niveles de productividad y mejores condiciones de alimento para las especies de los niveles tróficos superiores, siendo las regiones de afloramiento zonas con una gran producción pesquera (Nieto Saavedra, 2009). La variación estacional del alisio sobre la costa del noroeste de África tiene como resultado la variabilidad del afloramiento (González-Muñoz, A., 1995). La distribución del afloramiento permite establecer tres zonas características, una zona central en la que el afloramiento es prácticamente constante (en torno a 20ºN y 24ºN) y dos zonas con afloramiento estacional en verano al norte y en invierno al sur de la zona central de afloramiento. A parte de las variaciones a gran escala que se establecen dentro de un periodo anual, existen variaciones interanuales con periodos de orden de años en los que se presentan épocas de intensa actividad de afloramiento junto otros periodos más irregulares. Hay autores que describen que la variabilidad del afloramiento esta está relacionada con La Oscilación del Atlántico Norte (NAO). Aristegui et al. (2004) señalan que existe una correlación negativa entre la NAO y las anomalías de la temperatura superficial del mar. Lo que sugiere que valores positivos de la NAO inducen a una intensificación de los vientos favorables a los afloramientos, que producen anomalías negativas de la temperatura superficial del mar. 29 CARACTERÍSTICAS OCEANOGRÁFICAS 2.4 Fenómenos de mesoescala En determinadas regiones del océano la energía asociada con los procesos de mesoescala puede ser superiores a la energía del flujo medio, de ahí la importancia de estudiar la actividad de mesoescala para entender la dinámica global en la zona de estudio (Molina y Laatzen, 1986). Ya desde los años 90 se empezó a investigar sobre la importancia de los procesos de mesoescala en la cuenca de Canarias (Müller y Siedler, 1992). La dinámica de mesoescala, como ya se comentó en el correspondiente apartado de introducción, abarca procesos que van de pocos días a meses y una escala espacial de escasos metros a centenares de kilómetros. En este apartado nos vamos a centrar solo en los fenómenos de mesoescala de tipo remolinos (eddys), debido a que en la cuenca de Canarias existe un intenso campo de remolinos que, aunque no tan energéticos como los observados en la cuenca occidental, dominan ampliamente el flujo medio (Pond y Pickard, 1983). La generación de remolinos está relacionada con los cambios de vorticidad asociados con las irregularidades de la línea de costa y la topografía del fondo marino, en combinación con los vientos. Las posibles fuentes de los remolinos que se forman en la región en torno a las Islas Canarias puede encontrarse por las inestabilidades generadas por la corriente de las Azores (Käse y Siedler, 1982), la corriente de Canarias (Käse et al., 1985) y por el afloramiento de la costa de África (Mittelstaedt, 1991). El obstáculo que generan las islas al paso de la Corriente de Canarias por el archipiélago, también hace que se formen numerosos remolinos mesoescalares al suroeste de las islas (Sangrá, 2005, 2007). La formación de estas estructuras es muy importante porque tienen mucha energía cinética y porque pueden transportar las propiedades del agua grandes distancias. Estas estructuras mesoescalares han sido bastante estudiadas durante años desde el punto de vista biológico (Arístegui et al., 1997; Basterretxea et al., 2002; Lasternas et al., 2013) debido a su importancia y sus efectos en la región en torno al archipiélago canario. 30 CARACTERÍSTICAS OCEANOGRÁFICAS Los remolinos oceánicos pueden ser clasificados en tres tipos (McGillicuddy et al., 1999) según las características de la temperatura de la superficie del mar, la anomalía del nivel del mar y la rotación. Están los remolinos ciclónicos (C) que son los remolinos de núcleo frío, que hace que el fluido rote en sentido contrario a de las agujas del reloj, esta rotación hace que la termoclina se eleve hacia la superficie. El segundo tipo de remolinos son los anticiclónicos (A) que son los remolinos de núcleo caliente, que hace que el fluido rote en el sentido de las agujas del reloj, este tipo de remolinos hace que la termoclina sea empujada hacia el fondo. El tercer tipo de remolino es el denominado modo de agua (M) o también denominado remolino intratermoclina, porque se sitúan dentro de la termoclina formando una lente y estratificando la columna de agua. La rotación de este tipo de remolinos es anticiclónico, sin embargo el desplazamiento de la termoclina estacional es igual que en los remolinos ciclónicos lo que hace que se eleve hacia la superficie. Figura 2.8. Desplazamientos de las isopícnas asociados a los tres tipos de remolinos. Se representan dos superficies de densidad, uno en la termoclina estacional ρ1 y otro en la termoclina permanente ρ2 (McGillicuddy et al., 1999). La formación de remolinos ciclónicos producen un afloramiento que eleva agua desde la capa afótica mejorando el suministro de nutrientes y la productividad primaria (Edén y Dietze, 2009). Por el contrario los remolinos anticiclónicos al producir un hundimiento del agua no permite la entrada de nutrientes de la capa afótica hacia la superficie. Algunos estudios sugieren que los remolinos de agua modo también aportan un aumento de nutrientes que pueden generar un aumento en la producción primaria (McGillicuddy et al., 2007). 31 CARACTERÍSTICAS OCEANOGRÁFICAS Los estudios llevados a cabo en los remolinos generados en torno a las islas, determinan que son estructuras de larga duración, lo que va a condicionar el sistema de circulación a nivel local. Sangrá et al. (2009) describieron como los remolinos generados en esta zona construyen un corredor zonal de remolinos al que denominaron "Canary Eddy Corredor", generados por la perturbación de la Corriente de Canarias y los vientos alisios, considerándolo como un fenómeno zonal de larga duración (de más 3 meses de duración). El rango latitudinal del corredor es de 22ºN-29ºN y se extiende desde las Islas Canarias hasta al menos 32ºW. Consideraron en sus estudios que al menos el 10% de los remolinos de mesoescala que se generan en esta región son de larga duración, con un predominio de los anticiclones sobre ciclones. Figura 2.9. Trayectorias de remolinos de larga duración (más de seis meses), obtenidos a partir de 14 años de datos del altímetro (1992-2006). Se identifican en azul las estructuras ciclónicas y en rojo las anticiclónicas. Sangrá et al. (2009). Los remolinos mesoescalares pueden ser identificados mediante imágenes de temperatura superficial del mar y mediante datos de altimetría (Tejera et al., 2002; García-Weil et al., 2003, 2006). Pero también destacamos la gran utilidad que presentan las boyas de deriva para identificar este tipo de estructuras y su evolución. 32 CARACTERÍSTICAS OCEANOGRÁFICAS García Weil et al. (2005, 2007) identificaron varios remolinos ciclónicos y anticiclónicos mediante imágenes de satélite y el seguimiento de boyas de deriva, determinando su frecuencia de aparición así como sus escalas espaciales y temporales. En base a sus estudios determinaron que al suroeste de las islas los remolinos ciclónicos se generan más frecuentemente que los remolinos anticiclónicos, siendo estos últimos de mayor tamaño y mayor tiempo de duración. Estas estructuras están presentes durante todo el año, pero se observó que se generan más durante el segundo semestre del año (entre junio y octubre), pudiendo estar relacionado con el carácter estacional del viento y la corriente en el área. Figura 2.10. Mapa donde se identifica la zona de formación de remolinos ciclónicos (azul) y anticiclónicos (rojo). García Weil et al. (2006). 33 CARACTERÍSTICAS OCEANOGRÁFICAS 2.5 Estación Europa de Serie Temporales Oceánicas de CanariasESTOC Mediante la observación de largas series de datos oceanográficos es posible resolver cuestiones de importancia global y contribuir al desarrollo de los modelos numéricos de circulación oceánica global. La Estación Europea de Series Temporales Oceánicas de Canarias (ESTOC) fue la primera estación oceánica permanente en Europa con sus características (Llinás et al., 1994; Neuer y Rueda, 1997; Siedler y Llinás, 1999). Está localizada a 60 millas náuticas al norte de las islas de Gran Canaria y Tenerife, en la posición 29° 10'norte, 15° 30'oeste, con una profundidad de 3.600 metros. Está ubicada en un lugar idóneo y estratégico para el estudio de las características oceanográficas en la región, además del fácil acceso que supone debido a la cercanía a las islas. En la actualidad la estación comprende cerca de 20 años de medidas cuasi-mensuales de los principales parámetros hidrográficos y biogeoquímicos. El proyecto ESTOC surge como contribución a los proyectos internacionales World Ocean Circulation Experiment (WOCE) y Joint Global Ocean Flux Study (JGOFS) que pretenden resolver el problema que implica la falta de información para el estudio del comportamiento de los océanos a escala global. El disponer de series temporales de los principales parámetros oceanográficos va a permitir establecer los ciclos estacionales e interanuales de los parámetros medidos. Además va a permitir modelar y predecir la circulación general de los océanos, así como su evolución y su variabilidad climática. Figura 2.11. Mapa de la localización geográfica de la estación ESTOC (www.estoc.es) 34 CARACTERÍSTICAS OCEANOGRÁFICAS La estación por su localización estratégica en la parte oriental del giro del Atlántico Norte, pretende contribuir al estudio de la variabilidad del sistema de circulación del Atlántico Norte. Se encuentra en una zona de transición entre la región del afloramiento de la costa de África y las aguas oceánicas oligotróficas del giro subtropical del Atlántico Norte (Neuer et al., 2002; 2007). Los estudios realizados en la estación ESTOC a lo largo de casi 20 años, han mostrado tendencias estacionales e interanuales de los parámetros físicos y químicos como consecuencia de los cambios estacionales en la posición del Giro Subtropical de Atlántico Norte. Los estudios muestran también una variabilidad interanual asociada a fenómenos como La Oscilación del Atlántico Norte (NAO) y El Niño-Oscilación del Sur (ENSO) (Cianca et al., 2007; 2012). Dada su cercanía al continente africano, en la estación también se han llevado a cabo estudios sobre los eventos de polvo sahariano que se suceden en esta región y como responde el medio a este tipo de eventos (Neuer et al., 2004; Gelado et al, 2005). La estación ESTOC pretende contribuir al estudio de la variabilidad del sistema de circulación del Atlántico Norte en combinación con la estación BATS (Bermuda Atlantic Time-Series Study) localizada en la parte occidental del mismo giro del Atlántico Norte (Cianca et al., 2007, 2012). Figura 2.12. Imagen de SeaWIFS de la concentración de clorofila (a) acumulada para el periodo 1997-2006. Se identifican al estación ESTOC y BATS (Cianca et al., 2007). 35 CARACTERÍSTICAS OCEANOGRÁFICAS Los datos de largas series temporales obtenidos en la estación ESTOC, han contribuido al desarrollo de proyectos relacionados con la modelización numérica, permitiendo alimentar y validar modelos tanto meteorológicos como oceánicos (Proyecto MOMAC; Modelo FísicoQuímico para la región de la Macaronesia). Del mismo modo la estación ESTOC forma parte de una red europea integrada de observatorios. Y durante años ha sido considera como estación de referencia para el desarrollo de proyectos tecnológicos como el proyecto EuroSITES (European Ocean Observatory Network). Entre cuyos objetivos está mejorar la capacidad de observación del océano y del fondo marino, constituyendo una red de observatorios oceánicos, favoreciendo el desarrollo de sensores y nuevas tecnologías. La estación ha estado monitorizada durante un largo periodo de tiempo con boyas mete-oceanográficas siendo un lugar idóneo para la calibración de equipos y la puesta en marcha prototipos de aplicación marina. La estación también ha proporcionado un servicio integrado de vigilancia de los océanos en apoyo a la gestión ambiental, la seguridad marítima y el uso sostenible de los recursos marinos, como componente del Global Monitoring for Environment and Security (GMES), mediante el desarrollo del proyecto Mersea (Marine enviroment and Security for the European Area). Mediante un enlace web se puede acceder a los datos de la boya en tiempo real (http:/www.estoc.es). Figura 2.13. Boya mete-oceanográfica fondeada en la estación ESTOC. 36 CARACTERÍSTICAS OCEANOGRÁFICAS En febrero de 1998 se inició un proyecto de cooperación internacional con la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) dentro del programa Surface Velocity Program (SVP) para la observación de la corriente superficial de los océanos, que consistía en el despliegue periódico de boyas de deriva en la estación ESTOC. Hasta ese momento se disponían de pocas observaciones de la corriente superficial en la región entorno al Archipiélago Canario, debido a la escasez de boyas desplegadas en esa zona. Este proyecto de colaboración ha contribuido a aumentar considerablemente el número de observaciones en esta zona. En los últimos 15 años se han desplegado como parte del programa general de lanzamientos del Global Drifter Program (GDP), más de 130 boyas de deriva en la estación ESTOC. Entre los objetivos del World Ocean Circulation Experiment (WOCE) está el despliegue sistemático de boyas de deriva en todos los océanos del mundo durante largos períodos de tiempo. Esto ha permitido tener una visión global de la velocidad superficial para todo el océano a partir de los datos de las boyas de deriva. En la siguiente figura se muestra la velocidad superficial para todo el océano obtenida de los datos de los boyas (Lumpkin y Johnson, 2013). Figura 2.14. Mapa de la velocidad superficial para el océano global obtenido de datos de boyas de deriva (Lumpkin y Johnson, 2013). 3. MATERIAL Y MÉTODOS MATERIAL Y MÉTODOS 43 En total se han usado unos 20 medios de despliegues diferentes para el lanzamiento de las boyas 130 boyas de deriva. Figura 3.5. Número de boyas desplegadas desde las diferentes plataformas usadas, marítimas y aéreas. Figura 3.6. Porcentaje de despliegues en relación al tipo de embarcación o aeronave usado. MATERIAL Y MÉTODOS 44 Figura 3.7. Fotos durante el despliegue de varias de las boyas de deriva desde embarcaciones MATERIAL Y MÉTODOS 45 Figura 3.8. Fotos durante el despliegue de varias de las boyas de deriva desde helicópteros del Servicio Aéreo de rescates del Ejército del Aire MATERIAL Y MÉTODOS 46 3.1.3. Especificaciones técnicas de las boyas de deriva Todas las boyas de deriva usadas en este trabajo son del modelo Suface Velocity Program (SVP) y han sido fabricadas siguiendo las especificaciones establecidas por Syrbrandy y Niiler (1992), para que sigan el movimiento de la columna de agua y no se vean afectados por el campo de vientos superficial. Actualmente existen dos versiones homologadas de boyas de deriva de diferente tamaño. Un modelo original que es relativamente más grande y más costoso y una nueva versión con la que se está trabajando actualmente que es la denominada “mini”. De las 130 boyas de deriva desplegadas en este estudio, las 57 primeras son del primer modelo (desplegadas entre 1998-2002) y las 73 restantes son del modelo “mini” (desplegadas entre 2003-2012). A continuación se muestran los esquemas de ambos modelos. Figura 3.9. Esquema de la boya original y el nuevo modelo mini de boya de deriva. Las principales diferencias entre el modelo original y el “mini” se corresponden con el tamaño de la boya de superficie y la dimensión de la draga, que en el segundo modelo han sido reducidos, al igual que el amarre que es más fino. Otra diferencia es que las boyas “mini” no disponen de boya subsuperficial. MATERIAL Y MÉTODOS 47 A continuación se pasan a describir las características de diseño establecidas por Syrbrandy y Niiler (1992) que deben cumplir las boyas de deriva. El flotador de superficie. El diseño esférico del flotador superficial reduce el efecto de las ondas de gravedad (Niiler et al., 1987, 1995). Su tamaños varía de 30.5 centímetros de diámetro de la mini-SVP a 40 centímetros el antiguo modelo. Inicialmente estos flotadores superficiales estaban hechos de fibra de vidrio pero actualmente todos los fabricantes se han pasado a los flotadores de plástico (polyurethano). El flotador contiene las baterías que se encuentran apiladas en 4-5 paquetes con 7-9 baterías cada uno (D-células alcalinas). En el flotador se encuentra el transmisor de ARGOS que se activa quitando un imán que se encuentra en la superficie del flotador. Las boyas poseen un termistor para medir la temperatura superficial, que se encuentra localizado en la base del flotador para evitar el calentamiento directo. Algunas boyas son equipadas con instrumentos adicionales como barómetros, anemómetros o sensor de salinidad. Las boyas de deriva usadas en este estudio solo tienen un sensor de temperatura. Las boyas también poseen un sensor de inmersión, cuya función es detectar la presencia de la draga (el porcentaje de inmersión de la boya está relacionado con la presencia de la draga), uno de los fabricantes (Clearwater) ha reemplazado el sensor de inmersión por un sensor de tensión que mide más directamente la presencia de la draga. La mayoría de los fabricantes aplican una pintura de óxido de cobre rojo a la mitad del flotador para reducir el crecimiento biológico sobre la boya. Figura 3.10. Foto de una de las boyas de deriva antes del despligue. MATERIAL Y MÉTODOS 48 El Amarre. Un alambre protegido de polipropileno que conecta el flotador de superficie a un flotador subsuperficial, conectado con una traba de 5.6 milímetros en el modelo inicial y de 3.2 milímetros en la mini-SVP. La draga. Está centrada a 15 metros, lo que hace que la boya se mantenga acoplada a la corriente superficial, además tiene la función de atenuar los efectos de turbulencia de pequeña escala. El exterior de la draga está compuesto por una tela de nylon, en el modelo inicial contiene 7 secciones de 92 centímetros de largo y 92 centímetros de diámetro, con una longitud total de 6.44 metros. La mini-SVP todavía no se ha regularizado y hay variaciones dependiendo del fabricante. Pueden estar compuestas por 4 secciones (Pacific Gyre) o 5 (Marlin-Yug) manteniendo las dimensiones del modelo original, o 4 (Clearwater) y 5 (Technocean) con dimensiones de 61 centímetros de diámetro y 1.22 metros por sección. A lo largo de la draga hay unos anillos de polipropileno unidos por un alambre lo que sirve de apoyo y mantiene la forma cilíndrica de la estructura, el anillo de la superficie está lleno de espuma de poliuretano para proporcionar flotabilidad y reducir las oscilaciones verticales cuando existe una tensión baja en la estructura. Cada sección de la draga tiene dos agujeros colocados perpendicularmente, inicialmente de 46 centímetros y de 30 centímetros en la mini-SVP, para permitir el paso del flujo. Figura 3.11. Foto de una boya de deriva con la draga desplegada. MATERIAL Y MÉTODOS 49 Como se comentó en el apartado de estandarización (ver 1.2) las características de diseño más importantes son la tensión entre la boya de superficie y la draga (Niiler et al., 1987). La deriva se reduce si se evita el acoplamiento de la boya con el campo de olas, esto se logra minimizando la tensión de la boya superficial y la draga. El cociente área-arrastre (R) definido como el cociente entre el área de arrastre de la draga y el área de arrastre de todos los componentes de la boya, indica que cuanto mayor sea ese cociente mejor capacidad tendrá la boya para seguir la parcela de agua. Como se ha comentado, las dragas de las boya de deriva usadas en este trabajo son las Holey-Sock, que tienen una proporción de área de arrastre de R=37. Con estas especificaciones técnicas, la boya va a poder derivar con volúmenes de agua verticalmente integrados sobre una draga de 6-7 metros de longitud, centrada a 15 metros de profundidad. Las boyas sin draga pierden la capacidad para seguir la parcela de agua sobre todo si se dan condiciones de vientos fuertes. Pazan y Niiler (2001) examinaron un conjunto de más de 2000 boyas, incluyendo boyas que habían perdido la draga. Mediante un modelo de regresión múltiple calcularon el movimiento residual de las boyas y encontraron una relación lineal con el viento para los casos en los que se perdía la draga. Figura 3.12. Foto de una boya de deriva desplegada en el agua. MATERIAL Y MÉTODOS 50 3.1.4. Transmisión de los datos vía satélite Desde que la boya se activa y se lanza al mar está empieza a emitir datos, estos quedan almacenados hasta que alguno de los satélites de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) sobrevuele la zona en la que se encuentre, descargándolos y enviándolos posteriormente al Centro de Control de Argos en tierra. El sistema Argos es un sistema mundial de localización y acopio de datos de diversas plataformas, como las boyas descritas, estas transmiten automáticamente mensajes a receptores de Argos en los satélites meteorológicos operacionales de la NOAA. Los satélites retransmiten las informaciones en bruto a las estaciones receptoras en tierra, en donde los datos recibidos son procesados y retransmitidos a su vez a los propietarios de las plataformas. El Sistema Argos está integrado por tres componentes que se pasan a describir a continuación. 1) Un conjunto de plataformas. Que pueden ser fijas o móviles, instaladas por los usuarios en el mar, tierra o el aire, que transmiten en forma independiente. Cada plataforma está integrada por los sensores, los aparatos electrónicos de tratamiento y el terminal de transmisión de la plataforma de Argos. Este último está compuesto por una antena, un modulador de alta frecuencia (RF) y amplificador de potencia, una dotación lógica de generación de mensajes, una unidad de interconexión del sensor, un oscilador estable y una fuente de energía. El transmisor satelital tiene una frecuencia de operación de 401.65 MHz ± 30 kHz. 2) Los satélites del NOAA en Órbita simultánea. Cada uno de los cuales tiene a bordo un sistema de acopio y ubicación de datos, que reciben los mensajes de la terminal de transmisión según un acceso al azar. Posteriormente los datos se someten a los procedimientos de separación, codificación cronológica y ubicación en formularios y los retransmiten a las estaciones terrestres. La separación cronológica de los mensajes se logra gracias a la desincronización de las transmisiones y la utilización de diferentes periodos de repetición. En cuanto a su frecuencia, la separación de los mensajes se logra por medio de diferentes desplazamientos doppler en la frecuencia de la onda portadora recibida de los diferentes terminales de transmisión. El sistema de Argos puede captar hasta cuatro mensajes simultáneos, siempre que estén separados en su frecuencia. Para asegurar su compatibilidad con los equipos de Argos y no interferir con el resto de los terminales, todo MATERIAL Y MÉTODOS 51 diseño de terminal de transmisión debe ser aprobado por el servicio Argos. Cada satélite capta instantáneamente, en todo momento, un área del globo de unos 5.200 Km de diámetro, en cada órbita abarca el Polo Norte y el Polo Sur. 3) Las estaciones terrestres y los centros mundiales de tratamiento. Ubicados en Toulouse (Francia) y Maryland (Estados Unidos) son donde los datos son recuperados, procesados y distribuidos a los usuarios. En primer lugar se realiza la decodificación de los mensajes y procesamiento de los datos de los sensores. En segundo lugar la estimación de la ubicación de los terminales de transmisión a partir de los deslizamientos doppler y los datos orbitales. Y por último el almacenamiento de todos estos resultados del tratamiento en archivos informáticos. Mediante las terminales de los usuarios locales se pueden obtener los datos en tiempo real. Un mensaje con datos procedentes de una plataforma puede tener una extensión variable en función del número de sensores que posea y es posible transmitir hasta 256 bits de datos recogidos con los sensores. Figura 3.13. Esquema del flujo de datos asociado al Data Assembly Center (DAC). MATERIAL Y MÉTODOS 52 3.1.5. Tratamiento de los datos El procesado de los datos se lleva a cabo en el Data Assembly Center (DAC) e incluye la adquisición de los datos brutos y el control de calidad de los mismos. Mediante el localizador de cada una de las boyas se identifica cuando dejan de transmitir o cuando han perdido la draga. Cada observación viene dada por un instante de tiempo (que ha sido interpolado cada 6 horas), una posición geográfica en latitud y longitud, la componente norte-sur y este-oeste de la velocidad, la intensidad de la velocidad y la temperatura de la superficial del mar. Campo Descripción id AOML buoy identification numbrer date Date time Time lat Lattitude (-90, 90) (N => +, S => -) lon Longitude (-180, 180) (E => +, W => -) t Temperature (degrees Celsius) ve Eastward velocity (cm/s) vn Northward velocity (cm/s) speed Speed (cm/s) Tabla 3.3. Descripción del formato de los datos suministrados por el Data Assembly Center. Todos los datos son suministrados por el Programa Global de Drifters (PGD) mediante un enlace web: http://www.aoml.noaa.gov/phod/trinanes/xbt.html. Los datos pueden estar disponibles en dicho enlace aproximadamente dos meses después del despliegue de la boya. Durante ese periodo los datos son interpolados y pasan un control de calidad que se describe a continuación. MATERIAL Y MÉTODOS 59 Mediante la altimetría por satélite se puede obtener información en un breve intervalo de tiempo para una región muy extensa del océano. El fundamento de la altimetría consiste en que un radar mide la distancia que hay desde el transmisor del satélite a la superficie del mar y lo convierte en altura de la superficie del mar con respecto a un elipsoide de referencia. Mide el tiempo que tarda un pulso de radiación electromagnética, en el rango de las microondas, en ir y volver al transmisor una vez que ha sido reflectado por la superficie del mar. Si se conoce la velocidad con que viaja el pulso se puede calcular la distancia del satélite a la superficie del mar. Como trabaja en el rango de las microondas no es sensible a las condiciones meteorológicas y trabaja con nubes, lo que presenta una gran ventaja (Pérez-Marrero et al., 2005). Figura 3.17. Datos de corriente geostrófica obtenido del altímetro de AVISO para el día 7 de agosto de 2002. MATERIAL Y MÉTODOS 60 3.2.3. Sistema de Monitorización -SIMOM El análisis de los datos de viento superficial y de la corriente geostrófica ha sido llevado a cabo mediante un sistema integrado de información oceanográfica, el Sistema de Monitorización Oceánica Macaronesia (SIMOM) desarrollado por Pérez-Marrero (2005). SIMOM surge por la diversidad de instrumentos, sistemas y fuentes de observación ambiental que actualmente existen, que hace que los formatos y características de la información sean muy variados, lo que conlleva que la simple comparación de dos parámetros sea muy complicado en la mayoría de los casos. El desarrollo de esta herramienta se basa en un sistema de monitorización integrado, que aúna información de forma comprensible y coherente. Esta herramienta proporciona en tiempo casi real información sobre diferentes parámetros medioambientales, obtenidos principalmente desde sensores instalados a bordo de satélites. SIMOM permite usar de modo coherente diferente tipo de información sobre áreas concretas, permitiendo tener en un formato uniforme todas las variables que se quiera estudiar. Sensor de medida Resolución temporal Cobertura de datos Dispersómetro Diario y semanal 1999-actualidad Altímetro Semanal 2001-actualidad Tabla 3.5. Cobertura y resolución de los sensores usados para la obtención de los diferentes parámetros. El sistema se articuló como la unión de una base de datos que incluye información geográfica y temporal, con un conjunto de herramientas específicas desarrolladas en IDL 6.1 (Interactive Data Language), que se basan en la ingestión y adaptación de los datos, lo que permite la búsqueda y selección de la información, incluyendo herramientas de cálculo. El acceso a la información se efectúa por medio de búsquedas en el dominio espacial, temporal, instrumental o paramétrico con salidas gráficas y numéricas fácilmente entendibles. MATERIAL Y MÉTODOS 61 El enfoque del sistema de monitorización es multiparamétrico y multiescala, admitiendo datos de varios tipos de sensores, medidas in situ y permitiendo el estudio desde la cuenca atlántica hasta la mesoescala del archipiélago. La integración de la información en el sistema implica dos aspectos esenciales, la fusión de la información y el análisis de la misma. El proceso de fusión de la información consiste en la adecuación de los distintos conjuntos de datos a una estructura común que permita explotar las sinergias entre ellos. El análisis permite extraer la información más relevante, ya sea de tipo estadístico o descriptivo, con la creación de escenarios y diferentes resultados gráficos. Para la fusión de datos de diferente resolución espacio-temporal se usa interpolación bilineal como técnica base, en el dominio del espacio y la interpolación lineal en el dominio del tiempo. El análisis objetivo implica estadísticas y análisis de series temporales (en los dominios de tiempo y de frecuencia). El grupo de programas de adaptación de SIMOM se encarga de las tareas de adaptación de los datos, tales como asignar nombres, rellenar los huecos en los datos. Una vez los datos son leídos y adaptados el sistema permite el tratamiento geoestadístico de los mismos. El sistema permite seleccionar y visualizar un conjunto de datos especificando la fecha, el parámetro y zona que queremos estudiar, obteniéndose como resultado la imagen promedio que mejor se asemeje a las condiciones propuestas. Figura 3.18. Ejemplo de la integración de datos obtenidos de SIMOM. Viento (flechas rojas), la velocidad de la corriente geostrófica (flechas blancas). (Pérez-Marrero, 2005). MATERIAL Y MÉTODOS 62 Esta herramienta da una visión más completa de la que se tendría al estudiar cada una de las series de datos por separado. Para el periodo comprendido entre 2002 y 2005 los datos de las boyas, la corriente geostrófica y el viento se integraron en la base de datos de SIMOM, lo que permitió estudiar estas tres variables en conjunto. Las herramientas de las que dispone el sistema de monitorización, permite extraer de la base de datos el campo geostrófico y del campo de viento para cada posición de la trayectoria de una boya. Figura 3.20. Ejemplo de los datos extraídos mediante SIMOM. El viento (azul) y la velocidad de la corriente geostrófica (rojo) para cada instante de la boya (negro). Previamente a la integración de los datos de las boyas en SIMOM, estos tuvieron que ser promediados debido a que la resolución temporal es diferente para cada uno de los parámetros que se quiere analizar. En el caso de las boyas la resolución es de horas, para el caso del viento la resolución es diaria y la corriente geostrófica presentan una resolución semanal. Por ello se realizaron promedios diarios y semanales para los datos de las boyas de deriva. En las siguientes figuras se muestra los promedios obtenidos para una de las boyas estudiadas. MATERIAL Y MÉTODOS 63 1790 1810 1830 1850 1870 1890 1910 1930 0 5 10 15 20 25 30 35 40 boya_33190 datos cada 6 horas 1dato diario 1 dato semanal Figura 3.19. Gráfica de los promedios diarios y semanales obtenidos para una de las boyas de deriva Tras extraer de la base de datos de SIMOM el campo de vientos y corriente geostrófica para cada una de las boyas estudiadas, se realizó un estudio de correlación entre las velocidades de dichas variables. Se parte del supuesto que las relaciones entre las variables es lineal, y se realiza un estudio de correlación de la velocidad de la boya con la velocidad del viento por un lado y con la velocidad de la corriente geostrófica por otro. Del mismo modo, también se realiza un estudio de regresión lineal múltiple entre las tres variables. El objetivo es poder determinar las relaciones que existen entre estas variables y cuantificar cual es la contribución de viento y de la corriente geostrófica al desplazamiento real de la boya. MATERIAL Y MÉTODOS 64 3.3. Modelos numéricos Actualmente una de las herramientas más útiles para avanzar en la comprensión de la dinámica marina es la simulación numérica. Mediante esta, podemos simular situaciones que nos permitan entender el funcionamiento del océano para su posterior diagnóstico y posible predicción. Actualmente los servicios basados en modelos numéricos proporcionan predicciones de numerosas variables (vientos, oleaje, corrientes, etc.). El desarrollo de estos servicios requiere de un esfuerzo en lo relativo a técnicas de modelado, a la asimilación de datos y anidamiento de modelos. La modelización numérica tiene verdadero sentido cuando resulta ser un complemento a las medidas de campo, siendo imprescindible contar con largas series de datos actualizadas con las que alimentar los modelos y a la vez evaluar su grado de acierto. Las trayectorias de las boyas de deriva desplegadas, han servido para comparar los resultados de predicción de corrientes obtenidos de diferentes modelos numéricos. Durante el desarrollo de esta tesis, se ha trabajado con dos modelos numéricos de predicción y ambos pasan a ser descritos a continuación. Estos modelos han estado disponibles en los casos que ha sido necesario colaborar con las instituciones de salvamento, como parte de una herramienta de apoyo a los sistemas de oceanografía operacional. MATERIAL Y MÉTODOS 65 3.3.1. Modelo de LAMTec Uno de los proyectos en los que se ha colaborado durante el desarrollo de la tesis, ha sido el proyecto PREVIMAR (Previsión de Circulación del Espacio Marino Macaronésico) de la convocatoria INTERREG III-B (2003-2005). Como objetivo del proyecto se establecieron las bases operacionales necesarias, para establecer un sistema de previsión de la circulación oceánica para toda la región de la Macaronesia. Los socios de Laboratorio de Ambiente Marino y Tecnología (LAMTec) perteneciente a la Universidad de las Azores, desarrollaron un modelo de predicción de trayectorias para toda el área de la Macaronesia. El modelo desarrollado consiste en un modelo de transporte que predice la trayectoria que va a seguir un objeto, que está sujeto a unas determinas condiciones que necesitaremos conocer de antemano que son el oleaje, el viento y la corriente. A continuación se pasa a describir la obtención de los datos que son utilizados para las predicciones del modelo de LAMTec. (Alves et al., 1994; Juliano et al., 2006). .- Los datos de viento usados en el modelo provienen de dos fuentes diferentes, por un lado se dispone de datos de viento en tiempo real obtenidos mediante satélite por el dispersómetro QuickScat y por otro lado, se ha dispuesto de la previsión de datos de viento llevada a cabo por el National Centre for Environmental Prediction (NCEP). .- Los datos de las corrientes usados para alimentar el modelo de transporte han sido calculados en base a datos altimétricos e hidrológicos (Juliano, 2003). A partir de la utilización de estos datos ha sido posible la reconstrucción de la circulación oceánica de la superficie, para un período de cerca de 13 años (1992-2005), para todo el Océano Atlántico (Juliano y Alves, 2007). La reconstrucción de la circulación oceánica de la superficie es obtenida a través de la utilización de la anomalía del nivel del mar (SLA) en relación al geoide (obtenidos a través de AVISO), en conjunto con el campo de altura dinámica media (MDT) obtenida con datos hidrológicos históricos para un período de 60 años. La resolución espacial utilizada fue de 0.5º x 0.5º (latitud x longitud). La resolución temporal fue de 10 días, coincidiendo con la duración de los ciclos de los satélites. Los datos de SLA fueron interpolados para una malla espacial previamente definida. Una vez obtenidos los campos regularmente interpolados es posible obtener el campo de la velocidad geostrófica y altura dinámica absoluta (ADT) en la superficie para los períodos temporales y para las regiones oceánicas analizadas. MATERIAL Y MÉTODOS 66 Utilizando las series temporales de 10 días, fue posible obtener mediante la interpolación linear en el tiempo, cartas diarias de las corrientes geostróficas de la superficie. Figura 3.20. Altura dinámica absoluta (color) y corriente geostrófica (vector) de la superficie (Juliano, 2003). .- Los datos de oleaje que se introducen en el modelo se obtienen mediante el modelo WAVEWATCH III, este es un modelo de gran escala para la evolución del estado del mar (agitación marítima, oleaje). El modelo se inicia con datos de la topografía de la zona, de viento, corrientes y el nivel del mar. Las salidas del modelo pueden ser usadas para la inicialización y forzamiento de modelos de dominios más pequeños o de menor escala. Recurriendo a los datos históricos de viento (40 años de datos), se utilizó el modelo WAVEWATCH III para simular el estado del mar en el Atlántico Norte entre 1960 y 1999. Estas simulaciones fueron esenciales para la calibración del modelo, pues permiten la comparación entre los resultados obtenidos y la realidad observada. Las bases de dados utilizadas fueron ETOPO5 (ETOPO5-Digital Relief of the Surface of the Earth) y datos históricos de viento de la NOAA. Los resultados de este modelo se acoplan al modelo de transporte lo que permite, en función del estado del mar, predecir la trayectoria de objetos a la deriva así como posibles derrames de hidrocarburos. MATERIAL Y MÉTODOS 67 Figura 3.21. Resultados del modelo WAVEWATCH III para una simulación realizada para todo el Atlántico, donde se observa la altura dinámica en metros (color) y la dirección de propagación del oleaje (vector). www.lamtec-id.com Una vez recopilada la serie de datos de viento, corrientes y oleaje, estos datos son introducidos en el modelo de transporte. Como resultado se obtiene la predicción de la trayectoria para un objeto que se encuentra a la deriva, partiendo de un punto de origen (definido como punto del incidente). Los coeficientes de arrastre del viento y de la corriente deben ser establecidos en función de cada tipo de objeto y pueden ser modificados en cada caso. El modelo está desarrollado en código FORTRAM, utiliza la ecuación de la hidrodinámica y mediante un proceso de interpolación en el tiempo y el espacio se obtiene la trayectoria más probable aplicando un filtro de Markov´s (Alves et al., 1994; Juliano et al., 2006). Este modelo de predicción, desarrollado por LAMTec, ha estado disponible en los casos de ejercicios prácticos con instituciones de salvamento, algunos de sus resultados se presentan en el correspondiente apartado de aplicaciones (ver 6.1.2 y 6.1.3). Para el periodo comprendido entre los años 2003 y 2005 los datos de las boyas de deriva desplegadas durante ese periodo, fueron usados para comparar los resultados obtenidos por el modelo para el área de Canarias, lo que ha permitido evaluar su grado de acierto. En el apartado de resultados (ver 5.5.1) se presentan algunos ejemplos del estudio comparativo. MATERIAL Y MÉTODOS 68 3.3.2. Modelo MyOcean MyOcean es un proyecto europeo FP7, en el que están involucrados 29 países y 61 instituciones, centrado en la implementación de la iniciativa europea GMES (Global Monitoring for Environment and Security) para el asentamiento e integración de los servicios de observación y predicción oceánica en los mares y cuencas europeas. MyOcean pretende contribuir a la generación de productos oceánicos de interés, con el fin de desarrollar e implementar los sistemas operacionales necesarios para prestar un servicio que ofrece predicciones de corrientes, salinidad, temperatura y nivel del mar, entre otros. Puertos del Estado junto con MERCATOR son responsables del desarrollo y funcionamiento que da cobertura a la zona denominada IBI que comprende la región de Iberia, Bizkaia, Irlanda (Figura 3.22). La información producida en el seno de MyOcean permite describir el estado físico del océano a través de análisis retrospectivos (hindcast) y predicciones (forecast). García-Sotillo, 2012. Figura 3.22. Mapa global de la cobertura que ofrece el modelo MyOcean. Los números indican los submodelos por regiones. Nuestra zona de estudio es encuentra en el submodelo 5, denominado zona IBI (Iberia, Bizkaia, Irlanda). ANALIS DE LOS DATOS 74 Hay dos maneras de describir el flujo de un fluido (Pickard, 1968) el método euleriano (determina el campo de velocidad de un fluido en un punto fijo en función del tiempo) y el método lagrangiano (determina las características de una parcela de fluido en movimiento en función del tiempo). Los datos de las boyas de deriva son clasificados como datos lagrangianos, el problema que presenta este tipo de mediciones, es la imposibilidad de muestrear de manera homogénea un espacio donde se dan diferentes regímenes de velocidad. Los procesos de advección y divergencia de se suceden en la capa superficial del océano, hacen que los datos de las boyas de deriva no están uniformemente distribuidos, ni en el espacio ni en el tiempo. Para homogeneizar dichas medidas se van a hacer mapas pseudoeulerianos a partir de las medidas lagrangianas de las boyas. Ya que las medidas eulerianas permiten una clara separación entre el espacio y el tiempo, permitiendo un uso más directo y sencillo de los datos. Para ello se tomará como base los estudios llevados a cabo por Fratantoni (2001) y por otros autores (Lumpkin, 2003; Lumpkin y Garzoli, 2005; Lumpkin y Garraffo, 2005), que han hecho uso de las boyas de deriva para caracterizar la corriente en una determinada región. Se establece la distribución de la zona en cuadrículas, la longitud de éstas será definida en función de la escala de los procesos que queramos estudiar y del número de observaciones disponibles. En este trabajo, en base al número de observaciones, la zona de estudio se ha dividido en cuadrículas de 1ºx1º. Figura 4.4. Delimitación de la zona de estudio divida en cuadrículas de 1ºx1º. ANALIS DE LOS DATOS 75 Cálculo del flujo medio de la corriente El movimiento de las boyas de deriva en la capa superficial del océano es un proceso complejo de describir, debido a la interacción de fenómenos de diferentes escalas de movimiento. Se suelen hacer algunas consideraciones que permiten hacer uso de las ecuaciones simplificadas del movimiento. La consideración más usada es que el campo de velocidad tiene dos componentes distintas, con escalas de movimiento separables: un flujo medio û, caracterizado por largas escalas espaciales y un flujo medio turbulento de mesoescala u´. Por lo que el movimiento de las boyas de deriva viene dado por la advección del flujo medio û y el transporte turbulento difusivo debido a u´ (Taylor, 1921). Esta separación de escalas permite resolver la ecuación de adveccióndifusión para los valores medios: U= û+ u´ (ec. 4.1) Tras dividir la zona de estudio en cuadrículas de 1ºx1º y asumiendo que el flujo dentro de cada cuadrícula es homogéneo y estacionario, el cálculo de la componente media es calculado como la velocidad media de todas las observaciones contenidas dentro de cada cuadrícula. Del mismo modo, el desvío del flujo medio es calculado mediante la desviación estándar de la velocidad. Los cálculo del flujo medio para la zona de estudio, se van a realizar para la serie completa (1998-2012), así como por estaciones. Los correspondientes mapas obtenidos de estos cálculos se presentan en el apartado 5.3 de resultados. Como complemento al estudio del flujo medio de la corriente, se ha tomado la serie completa de boyas de deriva del Programa Global de Drifters de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Esta serie de datos incluye todas las boyas de deriva desplegadas por otras instituciones y que se encuentran dentro de nuestra área de estudio. El objetivo es aumentar el número de registros para mejorar la estadística de los resultados, ya que el número de observaciones en algunas de las regiones no resultó ser suficiente. Teniendo en cuenta este aumento en la serie de datos, los mapas del flujo medio de la corriente obtenidos del Programa Global de Drifters tienen una resolución de 0.5ºx0.5º. ANALIS DE LOS DATOS 76 La metodología para el cálculo del flujo medio llevada a cabo por Lumpkin y Johnson (2013) para la serie de datos del Programa Global de Drifters, se pasa a describir a continuación. La serie de datos es interpolada cada 6 horas según la metodología descrita por Hansen y Poulain (1996). Como se ha comentado anteriormente, los datos de las boyas que han perdido la draga no son consideramos para los estudios de la corriente media, por lo que estos son extraídos de la serie. Los datos de latitud, longitud así como las componentes longitudinal y latitudinal de la velocidad son promediados cada 5 días. Al promediar cada 5 días, las fluctuaciones debido a los fenómenos de alta frecuencia como son las mareas y ondas inerciales son quitados, obteniéndose las bajas frecuencias que forman parte de los cambios medios estacionales e interanuales. Por último los registros se separan en cuadrículas de 0.5º x 0.5º y se les calcula los promedios de la velocidad. Figura 4.5. Velocidad de la corriente media (color en cm/s) y líneas de corriente (líneas negras), obtenidas de los datos de las boyas de deriva para todo el océano. En el recuadro superior de la izquierda se muestra el histograma de la corriente media (eje horizontal en cm/s de 0 a 100). Lumpkin y Johnson, 2013. ANALIS DE LOS DATOS 77 4.4. Análisis espectral La función de autocorrelación r(k) es útil para determinar el grado de dependencia que está presente en los valores de una serie. Si el proceso es aleatorio r(k) fluctúa alrededor de cero y cada dato es independiente del anterior, el proceso no tiene memoria del pasado. Para procesos periódicos la función r(k) es también periódica, existiendo una fuerte relación entre los valores. La función de autocorrelación permite realizar un análisis de los datos en el dominio temporal, pero cuando existen periodicidades claras, es mejor el análisis en el dominio de frecuencias, mediante el estudio de la densidad espectral. )1( )( )( Cov kCov kr  (ec. 4.2) ))(( 1 1 )( 1 1 1 xxxx kN kCov ki kN ii      (ec. 4.3)    N ii x N x 1 1 (ec. 4.4) El análisis espectral es una técnica que permite el estudio de las frecuencias de una serie mediante la representación de la serie en el dominio de frecuencia. Es decir se trata de descomponer la serie en diferentes bandas de frecuencia y estimar la importancia relativa de cada una de estas frecuencias así como su contribución a la variación total de la serie. El análisis espectral permite obtener una descripción de la variabilidad oceánica asociada a la dinámica de la región de estudio. La Transformada de Wavelet (transformada onda) es una herramienta matemática relativamente nueva que se utiliza para filtrar series temporales de datos y analizar la variación de su contenido espectral, ofreciendo una representación tiempo-frecuencia más precisa que el análisis tradicional de Fourier. Mediante este análisis no sólo se obtienen las frecuencias principales, sino que además indica cuándo ocurren y cuál es su duración. Este análisis en tiempo-frecuencia permite detectar cambios tanto en el dominio del tiempo como en el dominio de la frecuencia simultáneamente. Representando la evolución temporal del espectro de la señal se puede localizar en el tiempo la ocurrencia de discontinuidades, impulsos y variaciones que escapan de los métodos habituales de análisis. ANALIS DE LOS DATOS 78 Mientras que el análisis de Fourier consiste en descomponer una señal en funciones de senos de varias frecuencias, el análisis de wavelets consiste en descomponer una señal en versiones escaladas móviles de una wavelet original (denominada función “madre”). Una vez definida la función y su relación frecuencia-escala se representa el espectrograma (que representa la energía del contenido frecuencial de la señal según va variando ésta a lo largo del tiempo). Examinando en el espectrograma la posición de los máximos, se puede localizar el instante en el que ocurren y utilizarlos para distinguir y clasificar eventos. Hay dos tipos de transformadas de wavelet. La transformada discreta (DWT) que actúa sobre la señal con filtros de paso-bajo y paso-alto, separando las contribuciones de alta y baja frecuencia de la señal. Y la transformada continua (CWT) que actúa como un filtro de pasebanda, dejando solo las componentes de frecuencias deseadas. En este estudio vamos a trabajar con la transformada continua, la cual descompone la serie en el dominio tiempoescala o tiempo-frecuencia y permite la identificación de cambios temporales de las frecuencias dominantes de la señal, similar a un espectro de Fourier pero en cada instante de tiempo (Percival y Walden, 2000): La transformada continua de wavelet (CWT) se define como: (ec. 4.5) En este trabajo se ha realizado un análisis wavelet para detectar patrones de velocidad en las trayectorias. De todas las boyas desplegadas se seleccionaron 52 boyas para realizar el análisis wavelet, solo se consideraron las boyas que tenían un registro de datos superior a un año. Para todas las boyas analizadas se obtuvieron sus correspondientes espectrogramas, que posteriormente fueron analizados para identificar diferentes patrones de comportamiento. 5. RESULTADOS RESULTADOS 79 5. RESULTADOS En este apartado se van a presentar los resultados de las boyas de deriva desplegadas durante 15 años, comprendidos entre 1998 y 2012. En la Figura 5.1 se representan las trayectorias de todas las boyas desde su lanzamiento, en la Estación Europea de Series Temporales Oceánicas de Canarias (ESTOC), hasta la finalización de su trayectoria. Algunas de las boyas llegaron a las costas Americanas (un 6%) recorriendo más de 6.000 kilómetros a través del Océano Atlántico. La máxima distancia recorrida fue de 7.950 kilómetros por la boya con el identificador 71095, lanzada en la estación ESTOC el 12 de noviembre de 2009 y que recorrió esa distancia durante 21 meses, hasta que impacto en la costa de Florida. Destacamos que tanto la boya 71095 como el resto de las boyas que alcanzaron las costas Americanas, habían perdido la draga en algún momento de su trayectoria. El rango en latitud alcanzado por las boyas ha sido de 38º a 8º norte y con respecto a la componente longitudinal ha sido de 88º a 9º oeste. Figura 5.1. Trayectorias de las 130 boyas de deriva desplegadas durante el periodo 1998-2012. En la Figura 5.2 se representan las trayectorias de todas las boyas durante el tiempo que tienen la draga operativa. Esas trayectorias se corresponden con los registros de datos que han sido seleccionados para el estudio de la corriente superficial (ver 3.1.1), el resto han sido excluidos. En este caso el rango en latitud alcanzado por las boyas ha sido de 37 a 19º norte y en longitud de 51º oeste a 9º oeste. RESULTADOS 80 Figura 5.2. Trayectorias de las boyas con la draga operativa durante el periodo 1998-2012. Como se comentó en el capítulo de material y métodos, las boyas de deriva llevan instalado un sensor de temperatura que permite medir la temperatura superficial del mar durante toda la trayectoria de las boyas. Los datos de temperatura no son estudiados en detalle en este trabajo, pero si han estado disponibles para otros estudios. Como ha sido la calibración de imágenes de satélite, o la calibración de medidas de temperatura superficial del mar, tomadas por otros instrumentos en campañas oceanográficas en la zona. En las dos figuras que se muestran a continuación (Figura 5.3 y Figura 5.4) se puede ver la temperatura superficial de la mar medida por las boyas de deriva durante su trayectoria. La Figura 5.3 corresponde con la trayectoria completa de las boyas de deriva para todo el Atlántico, donde se observa como aumenta la temperatura hacia el oeste a partir de la longitud 30º oeste donde se alcanzan los 25ºC, alcanzando las máximas temperaturas cerca del Mar de Caribe con temperaturas superiores a 27ºC. RESULTADOS 81 Figura 5.3. Temperatura superficial del mar para todo el Atlántico medido por las boyas de deriva. La Figura 5.4 corresponde con la temperatura superficial del mar medido por todas las boyas de deriva a una menor escala, donde se observan las bajas temperaturas, inferiores a 20ºC en torno a las islas, debido al efecto del afloramiento de la costa de África. Estas bajas temperaturas llegan a ser apreciables al norte del archipiélago y en las islas más orientales. Se observa un aumento de la temperatura hacia el oeste a partir de la longitud 20º oeste. Figura 5.4. Temperatura superficial del mar medido por las boyas de deriva en el archipiélago Canario. RESULTADOS 82 5.1. Descripción de las trayectorias Mediante la representación gráfica de la trayectoria, podemos obtener la corriente en términos de la tendencia de la dirección de las trayectorias. A gran escala (varios meses-años) podemos ver como las boyas siguen el giro anticiclónico con una dirección predominante dirección suroeste. Pero a una menor escala (de semanas-meses) la variabilidad de la corriente es mucho mayor, encontrándose trayectorias en prácticamente todas las direcciones. 5.1.1. Principales rutas Si consideramos la trayectoria inicial de las boyas en sus primeros días o semanas desde su lanzamiento y tomamos como punto de origen la estación de donde se despliegan todas las boyas (29º10´norte, 15º30´oeste), podemos describir la tendencia de las corrientes en torno al punto de origen. A continuación se muestran las trayectorias de todas las boyas de deriva desplegadas desde su instante inicial (Figura 5.5). Se observa que hay trayectorias en prácticamente todas las direcciones, en el gráfico es muy difícil de interpretar la tendencia de la corriente si se observan todas las trayectorias en conjunto. Por ello, para el estudio de la tendencia seguida por las boyas en su trayectoria inicial, se han estudiado las trayectorias individuales de las boyas. Figura 5.5. Trayectorias de todas las boyas de deriva desplegadas en la estación ESTOC. En rojo se marcan las principales rutas tomadas por las boyas. La línea continua marca las tres principales rutas y la línea discontinua marca las rutas secundarias. RESULTADOS 89 Figura 5.14. Velocidad registrada por la boya 20343. Los números indican los meses transcurridos. Se identifica en rojo, el periodo en el que estuvo en un remolino anticiclónico al sur de La Gomera. Como se comentó en el correspondiente apartado de análisis de los datos (ver 4.4) a las boyas de deriva se le realizó un análisis espectral mediante la transformada de wavelet. El objetivo era detectar mediante esta metodología pautas de circulación en algunas de las trayectorias. El análisis se realizó a 52 de las boyas desplegadas, solo se analizaron las boyas con un registro de datos superior al año y medio. Para cada una de las boyas analizadas se obtuvo su espectrograma, que consiste en la representación gráfica de las variaciones de frecuencia e intensidad a lo largo del tiempo. Mediante los espectrogramas se puede localizar en el tiempo la ocurrencia de discontinuidades, impulsos y variaciones que se escapan de los métodos habituales de análisis. Para las boyas analizadas, los resultados determinaron patrones comunes en los casos en los que las boyas se encuentran retenidas en estructuras de tipo remolino, observándose un comportamiento en la escala tiempo-frecuencia similar. Para todos los casos en los que las boyas se encontraban con una estructura de tipo remolino, tanto ciclónico como anticiclónico, se observó un aumento en la frecuencia e intensidad de la velocidad. A continuación se presentan los resultados del análisis wavelet de la boya 20343 que acabamos de describir (Figura 5.12) que se queda retenida en un remolino anticiclónico durante seis meses. RESULTADOS 90 Figura 5.15. Espectrograma frecuencia - tiempo para la boya 20343 En el espectrograma se observa un aumento en la intensidad de la frecuencia para el periodo correspondiente entre el 29 de mayo y el 16 de junio del 2000 que coincide cuando la boya está en la estructura anticiclónica, seguido de una disminución al salir de la estructura. El periodo obtenido para esta estructura anticiclónica es de 5 días. A continuación se muestran la componente zonal y meridional de la velocidad de la boya 20343, así como la intensidad de la velocidad, donde se aprecia el aumento en frecuencia e intensidad de la velocidad cuando la boya se queda retenida en la estructura anticiclónica anteriormente descrita. Figura 5.16. Componente zonal de la velocidad de la boya de deriva 20343 RESULTADOS 91 Figura 5.17. Componente meridional de la velocidad de la boya de deriva 20343 Figura 5.18. Intensidad de la velocidad de la boya 20343 RESULTADOS 92 A continuación se muestra el espectrograma obtenido de la boya 20334 tras el análisis wavelet, esta boya descrita al comienzo de este apartado (Figura 5.9), se encuentra con un remolino anticiclónico al oeste de la isla de La Palma. Del mismo modo que en el caso anterior, se observa un aumento en la intensidad de la frecuencia para el periodo correspondiente entre el 2 de marzo y el 1 de abril de 2000, que coincide cuando la boya está en una estructura anticiclónica (ver Figura 5.11) El periodo obtenido para esta estructura anticiclónica es de 6 días. Figura 5.19. Espectrograma frecuencia - tiempo para la boya 20334 Los periodos identificados para las estructuras de tipo remolino estudiadas mediante el análisis wavelet, va desde los 2 días hasta los 6 días. Con los resultados obtenidos podemos determinar que esta técnica permite identificar estructuras oceanográficas de tipo remolino, mediante la identificación de sus propiedades en frecuencia y escala a partir de su espectrograma. Por lo que se puede considerar que el análisis wavelet puede llegar a ser una buena herramienta para la identificación de diferentes patrones de circulación. RESULTADOS 93 5.1.4 Estudio de Dispersión Como parte del programa de despligues, se han realizado varios ejercicios para estudiar la dispersión de la corriente medida por las boyas de deriva. Para ello se lanzan varias boyas simulatemente y se analizan sus trayectorias y la divergencia entre ellas. Se han realizado cuatro ejercicios, uno durante el año 2006 en el que se desplegaron tres boyas de deriva al mismo tiempo y tres durante el año 2007, en estos casos se lanzaron cuatro boyas a la deriva simultaneamente en cada ejercicio. A continuación se pasan a describir los resultados obtenidos. 1º ejercicio noviembre 2006 El 4 de noviembre del 2006 se desplegaron tres boyas de deriva, las tres perdieron la draga antes del mes y medio de estar operando en el agua. En la siguiente figura se represenan las trayectorias seguidas por las tres boyas de deriva desplesgadas. Figura 5.20. Trayectorias de las tres boyas de deriva desplegadas el 04/10/2006. Incialmente parece que las boyas siguen practicamente la misma dirección sin grandes diferencias, hasta que pasan por el canal entre Tenerife y Gran Canaria donde empiezan a dispersarse. RESULTADOS 94 Al salir del canal una de las boyas había peridido la draga, las otras dos que todavía la tenían operativa toman diferentes direcciones, una se queda retenina en un giro anticiclónico y la otra continíua dirección suroeste. Figura 5.21.Trayectorias de las tres boyas de deriva desplegadas el el 04/10/2006, durante el periodo que tenían operativa la draga. Para entender mejor la dispersión de las trayectorias, se ha representado la evolución en latitud y longitud para las tres boyas en conjunto. En las siguientes gráficas se puede apreciar como a partir de un cierto instante (a partir del 27/11/2006)las boyas empiezan a dispersarse en latitud y longitud. Tras 22 días en el agua es cuando se empieza a observar la dispersión de las trayectorias. Figura 5.22. Evolución de la latitud seguida por las tres boyas de deriva desplegadas el 04/11/2006. RESULTADOS 95 Figura 5.23. Evolución de la logitud seguida por las tres boyas de deriva desplegadas el 04/11/2006. Si hacemos un zoom de la trayectoria inicial seguida por las tres boyas, podemos ver que siguen el mismo tipo movimiento, identificandose en los tres casos el mismo tipo de estrucutra mesoescalar (pequeños giros anticiclónicos), lo que da idea de lo preciso que pueden llegar a ser este tipo de dispositivos, para identificar estructuras de pequeña escala de la corriente superficial. Figura 5.24. Zoom de las trayectorias de las tres boyas de deriva desplegadas el el 04/10/2006. RESULTADOS 96 2º ejercicio febrero 2007 El 19 de febrero de 2007 se desplegaron cuatro boyas de deriva simultaneamente, de las cuatro boyas ninguna perdió la draga durante su periodo de operatividad. En la siguiente figura se represenan las trayectorias seguidas por las cuatro boyas de deriva. Figura 5.25. Trayectorias de las cuatro boyas de deriva desplegadas el 19/02/2007 Incialmente las cuatro boyas toman la misma direcicción suroeste, tres de ellas impactan en la costa noreste de Tenerife y la cuarta, tras acercarse a la costa norte de la isla, toma una dirección noroeste. Figura 5.26. Trayectorias de las cuatro boyas de deriva desplegadas el el 19/02/2007. Las marcas (X) indican las zonas de impacto en la costa de la isla de Tenerife. RESULTADOS 97 Tras representar la evolución en latitud y longitud para las cuatro boyas en conjunto, podemos observar que es a partir del día 13, desde el instante de su lanzamiento, cuando las trayectorias empiezan a dispersarse. El hecho de que tres de las cuatro boyas hayan impactado en la costa noreste de Tenerife, indica que durante los meses de febrero y marzo la probabilidad de impacto en la isla de Tenerife es muy elevada. Dos de las boyas impactaron en la costa el 06/03/2007 y la tercera el 22/03/2007. Figura 5.27. Evolución de la latitud seguida por las cuatro boyas de deriva desplegadas el 19/02/2007. Figura 5.28. Evolución de la logitud seguida por las cuatro boyas de deriva desplegadas el 19/02/2007. RESULTADOS 98 3º ejercicio junio 2007 El 6 de junio del 2007 se desplegaron cuatro boyas de deriva, una de las boyas no llegó a desplegar la draga, las otras tres la perdieron tras unos meses de operatividad (tras 2-3 meses en el agua). A continuación se representan las trayectorias seguidas por las cuatro boyas de deriva. Figura 5.29. Trayectorias de las cuatro boyas de deriva desplegadas el 06/06/2007. Destacamos como tres de las cuatro boyas toman incialmente la misma dirección noroeste, la única boya que toma una dirección sur, para posteriormente impactar con la cota noreste de Tenerife, es la boya que no desplegó la draga, por lo que esta boya va a estar influenciada directamente por la acción del viento. A diferencia del periodo anterior, la probabilidad de impacto en la isla de Tenerife para los meses de junio y julio es muy baja. La boya que no desplegó la draga impactó en la costa de tenerife el 22/07/2007 tras un mes y medio a la deriva. RESULTADOS 105 Figura 5.38. Ciclo medio anual de la velocidad (cm/s) para los 15 años de datos Figura 5.39. Velocidad máxima anual (cm/s) para los 15 años de datos RESULTADOS 106 Figura 5.40. Ciclo medio mensual de la velocidad (cm/s) para los 15 años de datos Figura 5.41. Velocidad máxima mensual (cm/s) para los 15 años de datos RESULTADOS 107 Tabla 5.1. Estadísticas anuales para la serie de datos. MESES nº registros Velocidad (cm/s) max. min. med. desv.Std. Enero 7.468 61,26 0,16 12,48 5,86 Febrero 6.960 51,81 0,08 12,37 5,5 Marzo 8.053 70,4 0,18 13,18 6,09 Abril 7.625 70,26 0,39 13,27 6,03 Mayo 7.283 72,91 0,12 13,62 6,36 Junio 6.503 66,65 0.11 13,25 6,1 Julio 6.689 77,26 0,18 14,22 7,57 Agosto 6.656 100,44 0,15 13,51 7,16 Septiembre 6.471 85,11 0,08 12,51 6,87 Octubre 7.009 62,46 0.08 12,5 6,55 Noviembre 7.767 62,57 0,09 12,58 6,15 diciembre 8.304 80,64 0,16 12,97 6,51 Tabla 5.2. Estadísticas mensuales para la serie de datos. AÑOS nº registros Velocidad (cm/s) max. min. med. desv. Std. 1998 3.988 61,93 0,18 11,11 5,46 1999 9.085 76,98 0,29 11,03 5,3 2000 19.452 85,11 0,10 13,23 6,64 2001 27.283 82,01 0,09 14,29 7,07 2002 17.840 56,06 0,08 13,01 6,39 2003 16.628 100,44 0,09 12,8 6,14 2004 19.803 61,26 0,12 11,63 5,5 2005 12.376 56,54 0,15 13,17 5,72 2006 11.115 60,47 0,50 15,4 7,12 2007 20.031 51,81 0,18 12,78 5,5 2008 19.885 62,55 0,08 12,85 6,6 2009 9.828 59,55 0,08 11,9 5,56 2010 3.686 82,58 0,25 22,27 11,43 2011 6.151 58,32 0,16 13,34 5,94 2012 3.672 56,92 1,54 13,63 6,08 RESULTADOS 108 5.3 Análisis Espacial La distribución espacial y temporal de los registros obtenidos por las boyas de deriva no son homogéneos ni en el tiempo ni en el espacio. Como ya se comentó en el correspondiente apartado de análisis de los datos, para homogeneizar las observaciones se van a hacer mapas pseudo-eulerianos a partir de las medidas lagrangianas de las boyas. Nuestra zona de estudio va a estar delimitada en torno al archipiélago canario (24º-31º norte y 22º12º oeste). El área ha sido dividida en cuadrículas de 1º x 1º (100 km x 100 km). A cada cuadrícula se le contabiliza el número de registros de boyas que contiene y se considera a esa serie de datos como una serie temporal, a la que se le realizan una serie de análisis estadísticos. En la siguiente figura se representa el registro total de datos para cada una de las cuadrículas de 1ºx1º en la que se ha definido la zona, los datos han sido interpolados por el método Kriging. Figura 5.42. Distribución del número de registros de las boyas de deriva para cada cuadrícula (1ºx1º) interpolados mediante un Kriging. Las líneas discontinuas representan las principales rutas. RESULTADOS 109 Se observa que el mayor número de registros está en torno a la Estación Europea de Series Temporales Oceánicas de Canarias (ESTOC), que es donde se despliegan todas las boyas. En la distribución de los datos se aprecia la tendencia hacia el suroeste pasando entre los canales de las islas, así como la tendencia hacia el oeste, como se comentó en el anterior apartado donde se describieron las principales rutas seguidas por las boyas. Destacamos una zona al suroeste de las islas donde se aprecia una menor presencia de datos (en torno a los 27ºnorte y 20ºoeste). Observamos también en la distribución del número de registros, la ausencia de datos entre la costa de África y las islas de Lanzarote y Fuerteventura debido a la ausencia de boyas en esa zona. Con respecto al rango en el número de registros por cuadrícula, el mínimo se encuentra entre 0-7 registros cerca de la costa de África. Por el contrario, la cuadrícula situada en torno a 29.5º norte y 15.5º oeste, que se corresponde donde se han desplegados todas las boyas, tiene un total de 5.265 registros. El número de boyas por cuadrícula oscila desde 01 en la región cerca de la costa de África, hasta más de 100 boyas por cuadrícula al norte de las islas, cerca de donde se han desplegados las boyas. Estas diferencias en la distribución del número de registros por cuadrícula, hay que tenerla en cuenta a la hora de interpretar los resultados estadísticos. RESULTADOS 110 5.3.1 Mapas estacionales Tras agrupar los datos de las boyas en cuadrículas de 1ºxº1, estos han sido separados en cuatro periodos para obtener los mapas estacionales de la corriente superficial. La distribución del número de registros por estaciones para la serie completa se representa en la Figura 5.43, donde se observa que el periodo de va de julio a septiembre presenta un número de registros bastante inferior con respecto al resto de las estaciones, lo que puede influir en los resultados estadísticos. Figura 5.43. Número de registros para la serie completa distribuidos por estaciones. Para este estudio solo vamos a tener en cuenta los registros de las boyas que quedan contenidos dentro del área (24º-31º norte y 22º12º oeste). La distribución del número de registros por estaciones para la zona de estudio se representa en la siguiente figura. Figura 5.44. Número de registros para el área de estudio distribuidos por estaciones. RESULTADOS 111 Para las cuatro estaciones en las que se ha dividido la serie se calcula el valor medio, el máximo, el mínimo y la desviación estándar de la intensidad de la velocidad. Los resultados se presentan en la Tabla 5.3. nº registros Velocidad (cm/s) max. min. med. desv.Std. Enero-febrero-marzo 14.076 70,40 0,08 13,00 7,8 Abril-mayo-junio 13.388 66,65 0,11 13,49 8,3 Julio-agosto-septiembre 9.144 100,44 0,13 15,26 12,5 Octubre-noviembre-diciembre 12.047 63,65 0,09 14,50 9,8 Tabla 5.3. Estadísticas de los datos registrados por estaciones para el área de estudio. Del mismo modo, a los datos contenidos en cada una de las cuadrículas de 1ºx1º, se les calcula el valor medio de la velocidad (en intensidad y dirección). Los resultados obtenidos son representados mediante mapas vectoriales para cada una de las estaciones, así como para la serie completa (1998-2012). La intensidad del flujo (longitud del vector) y la dirección (orientación del vector) nos va a permitir caracterizar la corriente superficial y ver las tendencias estacionales. Los mapas vectoriales están interpolados por el método Kriging para el suavizado de los resultados. Para cada una de las estaciones, así como para la serie completa, también se van a representar los mapas de las trayectorias, así como la velocidad registrada por las trayectorias individuales. Lo que nos dará una idea de la distribución de los datos antes de interpretar los mapas vectoriales de la corriente. RESULTADOS 112 Enero-febrero-marzo Figura 5.45. Trayectorias de todas las boyas de deriva para el periodo de enero-febrero-marzo. Figura 5.46. Velocidades registradas por las trayectorias individuales de las boyas de deriva durante el periodo de enero-febrero-marzo interpoladas mediante un Kriging. RESULTADOS 113 Figura 5.47. Mapa estacional (enero-febrero-marzo) donde se representa el vector medio de la velocidad para cada una de las cuadrículas de 1ºx1º para el periodo 1998-2012. Para el periodo correspondiente de enero a marzo la velocidad media es de 13 cm/s. Se observa en el mapa que al norte de las islas se registran los valores medios más bajos, con velocidades medias en torno a los 11 cm/s. Al norte de las islas se observa una alta variabilidad en cuanto a la dirección, con una tendencia hacia el norte. En los canales de las islas la velocidad media aumenta respecto a la registrada al norte, alcanzando velocidades medias en torno a los 14 cm/s. Entre los canales de las islas la tendencia en dirección es claramente hacia el suroeste, con una componente sureste al este de las islas de Lanzarote y Fuerteventura. Se aprecia la formación de una estructura anticiclónica al oeste de las islas de La Palma y El Hierro. Las velocidades máximas se dan al suroeste de las islas, registrándose velocidades medias en torno a los 18cm/s. La velocidad máxima se registra cerca de la costa de África (25.5º norte, 15º oeste). Al sur de las islas la tendencia en dirección es claramente hacia el suroeste, observándose en torno a los 26º norte y 19º oeste, la formación de una estructura anticiclónica. RESULTADOS 114 Abril-mayo-junio Figura 5.48. Trayectorias de todas las boyas de deriva para el periodo de abril-mayo-junio. Figura 5.49. Velocidades registradas por las trayectorias individuales de las boyas de deriva durante el periodo de abril-mayo-junio interpoladas mediante un Kriging. RESULTADOS 121 Figura 5.59. Mapa del flujo medio para todo el periodo de estudio, 1998-2012. Donde se representa el vector medio para cada una de las cuadrículas de 1ºx1º. La velocidad media para para el registro completo de datos (1998-2012) para el área de estudio es de 14 cm/s. Se observa una intensificación de la corriente en los canales y al suroeste de las islas. Al norte de las islas la velocidad promedio está en torno a los 12 cm/s, apreciándose una dirección predominante hacia el oeste a partir de los 16º oeste de longitud. Hay una tendencia en la dirección de la corriente hacia el norte y suroeste en la zona donde se despliegan las boyas de deriva (29º norte y 15º oeste). Entre los canales de las islas la velocidad media se intensifica en torno a los 20 cm/s. Los máximos valores medios se dan al suroeste de las islas alcanzando valores de 37 cm/s. Se observa la presencia de una estructura ciclónica al oeste de la isla de La Palma y El Hierro. También se aprecia en el mapa en torno a los 26.5º norte y 14.5º oeste la presencia de una corriente dirección norte cerca de la costa de África. RESULTADOS 122 A continuación se presentan los mapas de la velocidad media y la desviación de la media para cada una de las cuadrículas de 1ºx1º. Figura 5.60. Velocidad media de la corriente para el periodo 19982012 para cada una de las cuadrículas de 1ºx1º interpolado mediante un Kriging. Figura 5.61. Desviación estándar de la velocidad media de la corriente para el periodo 1998-2012 para cada una de las cuadrículas de 1ºx1º interpolado mediante un Kriging. RESULTADOS 123 Las mayores velocidades se registran al suroeste de las islas y cerca de la costa de África, como se ha venido comentando en los resultados obtenidos de los mapas del flujo medio. Las mayores desviaciones de la media se dan al suroeste de las islas, lo que indica una marcada variabilidad de la corriente en esa zona, debido al efecto que producen las islas al paso de la corriente. Los canales de las islas también presentan una zona de gran variabilidad sobre todo en las islas más occidentales (entre La Palma, El Hierro y La Gomera). Estas regiones se corresponden con zonas de intensa actividad de mesoescala de tipo remolino. Las máximas desviaciones de la media se corresponden con el mismo orden de magnitud que la de la velocidad media, indicándonos que los fenómenos mesoescalares en esas regiones tienen la misma importancia que el flujo medio. Estas zonas con altas desviaciones de la media son zonas más difícilmente de predecir debido a que son zonas de gran variabilidad y están relacionadas con la formación de fenómenos de mesoescala. En caso de que ocurriera algún tipo de incidente marítimo en estas regiones, habría que tenerlo en consideración a la hora de interpretar los resultados obtenidos de los modelos numéricos de predicción. Ampliación de la serie de datos Como complemento al estudio del flujo medio de la corriente se ha tomado la serie completa de boyas de deriva del Programa Global de Drifters. Además de las 130 boyas de deriva desplegadas, se han incluido todas las boyas que pasan por la zona de estudio y han sido desplegadas por otras instituciones. Este aumento en la serie de datos, ha permitido mejorar la resolución de las cuadriculas para el cálculo del flujo medio a 0.5ºx0.5º. Desde el comienzo del Programa Global de Drifters en 1979 se han puesto en el agua un total de 19.779 boyas de deriva en todos los océanos. En la Figura 5.62 se representa el número total de registros para la zona de estudio con una resolución de 0.5ºx0.5º. La mayor concentración del número de registros se encuentra en la zona donde se han desplegado las 130 boyas de deriva que comprenden este estudio de tesis, quedando demostrado la gran aportación que han supuesto estos lanzamientos al Programa Global de Drifters. RESULTADOS 124 Figura 5.62. Número total de registros de boyas de deriva para el periodo 1979-2012 para una resolución de 0.5ºx0.5º. Obtenido del Programa Global de Drifters. La metodología para el cálculo del flujo medio de la corriente para la serie completa del Programa Global de Drifters ha sido desarrollada por Lumpkin y Johnson (2013). Los datos han sido promediados cada 5 días para quitar las fluctuaciones debido a los fenómenos de alta frecuencia como son las mareas y ondas inerciales y así obtener solo los fenómenos que forman parte de los cambios medios estacionales e interanuales. Los resultados se muestran en la Figura 5.63. RESULTADOS 125 Figura 5.63. Mapa del flujo medio de la corriente con una resolución de 0.5ºx0.5º para el periodo 1979-2012. Obtenido del Programa Global de Drifters. El mapa del flujo medio obtenido para el registro completo de datos del Programa Global de Drifters, se corresponde bastante con el mapa del flujo medio obtenido de las 130 boyas de deriva estudiadas. Se aprecia la tendencia dirección oeste al norte de las islas, a partir de los 16º de longitud. Se observa la tendencia hacia el suroeste en los canales y al sur de las islas. Observamos también la formación de una estructura ciclónica al suroeste de la isla de El Hierro (26.5º norte y 20º oeste). Las velocidades medias registradas al norte de las islas están en torno a los 12cm/s, aumentando en los canales con velocidades medias de 18cm/s y alcanzando las máximas velocidades medias al suroeste de las islas en torno a los 40cm/s. En la siguiente figura (Figura 5.64) se muestra el mapa de la intensidad media de la velocidad para el registro completo de datos, para cada una de las cuadrículas de 0.5x0.5. Se observa que las máximas velocidades se registran al suroeste de las islas y al este del archipiélago, cerca de la costa de África. Estas máximas velocidades (en torno a la latitud 29º norte y 12º oeste), no fueron registradas en el estudio de las 130 boyas de deriva, debido a que no había suficientes boyas en esa zona cerca de la costa de África. Al completar la serie de datos con el registro completo del Programa Global de Drifters, se ha cubierto la zona en aquellas regiones con pocos registros de datos. RESULTADOS 126 Figura 5.64. Velocidad media de la corriente para el periodo 1979-2012. Obtenido del Programa Global de Drifters. Al sur de las islas es donde también se dan las máximas desviaciones del flujo medio (Figura 5.65) relacionado con la formación de fenómenos de mesoescala, estos fenómenos pueden ser identificados mediante la energía cinética de eddy (EKE). A continuación se muestra la distribución de EKE para el registro completo del Programa Global de Drifters (Lumpkin y Johnson, 2013). Figura 5.65. Energía cinética de Eddy para el periodo 1979-2012. Obtenida del Programa Global de Drifters. RESULTADOS 127 Los resultados del flujo medio de la corriente superficial obtenidos por Lumpkin y Johnson (2013) presentan un suavizado debido a los promedios a los que son sometidos los datos. Por lo que algunos de los fenómenos que hemos apreciado en el estudio de las 130 boyas (sin promediar) no son identificados en este caso. En base a ambos resultados, podemos determinar que la metodología de Lumpkin y Johnson (2013) es óptima para el estudio de fenómenos a gran escala, como son los fenómenos interanuales y los estudios que relacionan la corriente superficial con los fenómenos de La Oscilación del Atlántico Norte (NAO) o El fenómeno de la Oscilación del Sur (ENSO). Pero tenemos que tener en cuenta, que el planteamiento final de este trabajo es que los datos obtenidos sirvan de apoyo a las instituciones de salvamento en caso de incidentes marítimos. Los resultados del flujo medio de las 130 boyas de deriva sin promediar, resultan ser más útiles para estos casos, debido a que éstos tienen en consideración fenómenos de menor escala temporal. El periodo de actuación en los casos de emergencias marítimas va de horas a pocos días, además también es necesario tener en cuenta los fenómenos de alta frecuencia debido al efecto que estos producen en los objetos que se encuentran a la deriva, sobre todo a medida que estos se acercan a costa. Con todo esto podemos concluir que ambos estudios pueden ser complementarios en base a los requerimientos de cada caso. RESULTADOS 128 5.4. Correlación boya-viento-geostrofía Para el estudio comparativo de los datos de las boyas con el campo de la corriente geostrófica y el campo de viento se seleccionó el periodo comprendido entre los años 20022005 y se analizándose un total de 37 boyas de deriva coincidentes con ese periodo. Para todas las boyas analizadas se extrajo mediante el sistema de monitorización-SIMOM, los datos de viento superficial y de la corriente geostrófica coincidentes en el tiempo (ver 3.2). Figura 5.66. Imagen integrada de viento (vector rojo), corriente geostrófica (vector blanco) y boyas de deriva (línea negra) obtenida de SIMOM para el 03/08/2004. Tras la obtención de las series de datos se realizó un análisis comparativo de las tres variables (boya-viento-geostrofía). El análisis comparativo consistió en evaluar las correlaciones entre la velocidad del viendo y de la corriente geostrófica con las respectivas velocidades de las boyas. Previo al estudio comparativo los datos de las boyas fueros homogeneizados mediante promedios diarios y semanales, dado que la resolución temporal es diferente para cada uno de los parámetros. La resolución varía desde horas para el caso de las boyas, a días para el caso de los vientos y semanas para el caso de las corrientes. RESULTADOS 129 Para todas las boyas analizadas se observa que existe una mejor correlación de la velocidad boya con la velocidad geostrófica (considerando una relación lineal entre varias variables). Esto cumple con las especificaciones establecidas por los fabricantes de estos dispositivos, de que sean buenos rastreadores de la corriente superficial y que por sus características de diseño minimicen el efecto del viento. A continuación se muestran unas gráficas comparativas de la velocidad zonal y meridional de la boya, con la velocidad del viento y la corriente geostrofía para uno de los casos estudiados, que se corresponde con la boya de deriva 30316. Figura 5.67. Velocidad zonal de la boya 30316 junto con la velocidad del viento y la velocidad geostrofía. Figura 5.68. Velocidad meridional de la boya 30316 junto con la velocidad del viento y velocidad geostrofía. RESULTADOS 130 Para todas las boyas analizadas se obtiene un coeficiente de correlación entre la velocidad de la boya y la velocidad de la corriente geostrófica que varía desde r=0.30 a r=0.57, con un nivel de significación del 99,9%. Para todos los casos estudiados la componente zonal de la corriente geostrófica presenta una mayor correlación que la componente meridional. Esto concuerda con la bibliografía existente. Figura 5.69. Correlación de la velocidad de la boya 30316 con la velocidad de la corriente geostrófica para la componente zonal (izquierda) y meridional (derecha). Del análisis de todas las boyas se obtiene la siguiente ecuación promedio, para la relación de la boya y la corriente geostrófica para la componente zonal y meridional: U boya =0.9* Ugeos +/- UResiduos; (r-scuared=0.5) (ec. 5.1) V boya = 0.5*Vgeos +/- VResiduos; (r-scuared=0.3) (ec. 5.2) Ishikawa et al. (1995) compararon las velocidades superficiales obtenidas de medidas de altimetría con las obtenidas de boyas de deriva y encontraron coeficientes de correlación entre ambas de 0.56 y 0.48 para la componente zonal y meridional respectivamente. Kelly et al. (1998) encontraron correlaciones entre la velocidad de la corriente geostrófica y la velocidad de la boya de r= 0.73 y por su parte Lee et al. (2001) en sus estudios encontraron coeficientes de correlación entre la corriente geostrófica y las boyas de r=0.5.