Modelado de alta resolución para el estudio de la respuesta oceánica al forzamiento del viento en el Estrecho de Gibraltar

Abstract

El presente trabajo de investigación aborda el estudio de la influencia del viento en la variabilidad espacio-temporal de la circulación del Estrecho de Gibraltar (sur de la Península Ibérica) y de las respuestas inducidas que se producen en las fluctuaciones barotrópicas y del intercambio baroclino, mediante un modelo oceánico forzado por viento. Para ello, se ha implementado el modelo atmosférico MM5 de área limitada no hidrostático, el cual provee el campo de viento a alta resolución al modelo hidrodinámico, bicapa, bidimensional, no-lineal UCA2.5D, que utiliza coordenadas curvilíneas ajustadas a los contornos y que incluye el forzamiento de marea. La capacidad del modelo MM5 para reproducir los patrones mesoescalares meteorológicos en la compleja orografía de la región andaluza, así como las brisas de tierra-mar y montaña-valle ha sido evaluada satisfactoriamente. No obstante, existen algunas diferencias entre las simulaciones y las observaciones atribuidas a distintas causas, las cuales han sido discutidas. Del mismo modo, las salidas del modelo oceánico, forzado por viento, han sido comparadas frente a un amplio conjunto de datos oceanográficos, mostrando una mejora significativa frente al modelo hidrodinámico forzado únicamente por marea. Los resultados evidencian la importancia del efecto del viento en la dinámica del Estrecho de Gibraltar. Los vientos del este o Levantes (del oeste o Ponientes) originan un hundimiento (surgencia) en la costa española del Estrecho, dando lugar a un incremento (reducción) del espesor de la capa atlántica, profundizando (elevando) la interfaz y elevando (hundiendo) el nivel del mar. La acumulación de agua en la costa norte (sur) del Estrecho en eventos de viento de Levante (Poniente) intenso y persistente, crea una diferencia de nivel en la sección transversal, dando lugar a una corriente geostrófica hacia el oeste (este). Esta corriente, en el caso de los Levantes, refuerza la contracorriente costera semipermanente de la costa norte, por un lado, y por otro, reduce el flujo medio entrante, llegando incluso a revertirlo. En condiciones de vientos de Poniente, la corriente geostrófica se suma al flujo entrante, llegando éste a alcanzar el doble de intensidad que en eventos de Levante. Concretamente, los resultados muestran el efecto de los distintos regímenes de viento en las fluctuaciones de la interfaz, modificando la localización de los controles hidráulicos, haciéndolos incluso desaparecer (en el caso de los Levantes) o generando otras regiones supercríticas (en el caso de los Ponientes). Los cambios en la intensidad del flujo barotrópico y de la posición de la interfaz, debidos al forzamiento de viento, modifican los tiempos de generación del salto hidráulico sobre el Umbral de Camarinal y las velocidades de propagación del bore interno.Las estimaciones del flujo entrante atlántico y del flujo saliente mediterráneo mejoran al incluir el efecto del estrés del viento, particularmente durante eventos de viento intenso del este (Levante).

This research work makes an incremental step in understanding the role of the wind-stress and the associated dynamic ocean response of the barotropic and baroclinic exchange fluctuations by means of a wind-forced ocean model within the Strait of Gibraltar (south of Iberian Peninsula). The limited-area, non-hydrostatic atmospheric model MM5 was configured to study the mesoscale atmospheric processes in the area of interest and to provide realistic wind-stress forcing to the two-layer, two-dimensional, nonlinear, boundary-fitted coordinate hydrostatic model UCA2.5D at high-resolution, also forced by tidal motions. A statistical evaluation of the MM5 model performance is undertaken by means of pairwise comparison of observations and model output, showing good skills in reproducing the mesoscale flows over the complex Andalusian orography, sea-land breeze circulation and mountain-valley breezes. However, some discrepancies between observations and predictions have been found and their main causes have been discussed. Most importantly, comparison of model results with an extensive oceanographic data set collected in situ shows that the wind-forced ocean model provides better agreement with the observations than the ocean-alone model with tidal forcing. Results show the effect of winds on the dynamics in the Strait of Gibraltar with and without tidal forcing, pointing out the essential sensitivity of the area to different forcings. The hydrodynamic patterns induced by wind stress are successfully simulated showing that prevailing easterly (westerly) winds originate downwelling (upwelling) phenomena in the Spanish coast of the Strait of Gibraltar, which subsequently will induce an increase (reduction) of the upper layer thickness, deepening (rising up) the interface and rising (dropping) the sea level. During persistent and intense easterly (westerly) wind episodes, the accumulation of water in the northern (southern) part reduces (reinforces) the downwards south-to-north sea surface slope, which induces a geostrophic current westward (eastward). Under easterlies, the geostrophic current reinforces the semi-permanent westward countercurrent along the northern coast of the Strait, on the one hand, and reduces the intensity of the inflow, on the other, being able to reverse it. Westerlies increase the upper layer current intensity, which is almost twice as intense as that of the easterly experiment. Specifically, it is discussed the fluctuations at the interface due to wind forcing and its consequent impact on the location of the hydraulic controls, being able to activate extra supercritical regions (under westerly episodes) or to inhibit the already existing ones (under easterly episodes). Changes in the intensity of the barotropic flow and fluctuations of the interface depth, due to wind forcing, induce modifications of the hydraulic jump generation at the lee side of Camarinal Sill and of the internal bore speed. Estimations of Atlantic inflow and Mediterranean outflow noticeably improved when including wind-stress in the hydrodynamic model, particularly during the intense easterly wind events.