Efecto de la variabilidad espacial y temporal del viento sobre la circulación en el Golfo de California

Effect of the spatial and temporal variability of winds on the circulation in the Gulf of California

A. Jiménez, S.G. Marinone* y A. Parés-Sierra

^* Departamento de Oceanografía Física, CICESE Km 107 Carretera Tijuana-Ensenada Ensenada, CP 22860, Baja California, México. * E-mail: marinone@cicese.mx

Recibido en septiembre de 2004;
aceptado en diciembre de 2004.

Resumen

Con un modelo numérico del Golfo de California, se estudió y comparó su circulación debida al forzamiento de un viento espacialmente homogéneo y de evolución temporal simétrica (VI), y de otro derivado de datos observados de QuikScat (VO). Se presentan las diferencias entre ambos experimentos: del promedio y de la evolución estacional del campo de corrientes, densidad de energía cinética, vorticidad relativa y divergencia horizontal. En el promedio, las corrientes generadas por el VI son más débiles a VO con una estructura más simple: circulación anticiclónica en el sur e irregular en el norte. En ambos la variabilidad es mayor sobre la costa continental en aguas someras y difieren en la duración del giro ciclónico/anticiclónico en la cuenca norte. La magnitud del campo de corrientes también muestra diferencias entre experimentos, debido a la mayor intensidad del viento de otoño a invierno para el VO y en verano para el VI. El promedio de la energía cinética es mayor sobre la costa continental en ambos experimentos. Con VO se presenta alta vorticidad relativa a lo largo del golfo en una serie de núcleos intercalados en su signo. Cerca de las costas la divergencia y convergencia son mayores con ambos forzamientos; lejos de las costas éstas son mayores sólo con VO. La evolución temporal de la energía, vorticidad y divergencia es más irregular en el experimento VO. La vorticidad y divergencia con VI se origina sólo con viento fuerte y en las costas, mientras que en VO se produce también por el rotor del viento aun cuando éste no sea muy fuerte.

Palabras clave: variabilidad del viento, circulación, Golfo de California.

Abstract

A numerical model of the Gulf of California is used to study and compare the circulation due to a spatially homogeneous and time symmetric wind (VI) and one derived from QuikScat data (VO). The mean and seasonal evolution of the currents are presented for both cases, as well as their associated fields of kinetic energy, vorticity and horizontal divergence. On average, the currents generated by VI are weaker than those of VO and with a simpler spatial structure: anticyclonic circulation in the south and irregular in the north. In both cases, variability is larger on the continental coast in shallow waters but differs in the duration of the cyclonic/anticyclonic gyre in the northern basin. The magnitude of the currents also shows differences between the experiments because of stronger winds from autumn to winter for VO and during summer for VI. The average of the kinetic energy is greater for both experiments on the continental side. High relative vorticity cores are present along the gulf for VO. Close to the coast, the divergence and convergence is large in both cases, and large only for VO far from the coast. The temporal evolution of the kinetic energy, vorticity and divergence is more irregular for VO. Vorticity and divergence is generated only on the coasts and for strong winds for VI, whereas for VO it is also produced as a result of the wind stress curl.

Introducción

El Golfo de California es una cuenca oceánica semicerrada ubicada entre la Península de Baja California y la región continental de México (fig. 1), en el Pacífico Subtropical Oriental. Su extensión es de aproximadamente 150 km de ancho y 1100 km de largo, con profundidades que varían desde un promedio de 200 m en la cabeza a 3600 m en la boca.

Se ha establecido que su circulación es causada, en orden de importancia, por (a) el forzamiento del Océano Pacífico (frecuencias bajas y mareas), (b) vientos sobre la superficie del mar (Ripa, 1997; Marinone, 2003) y (c) flujos de calor y agua también en la superficie. Desde un punto de vista oceano-gráfico, una de las características más importantes de la circulación atmosférica es su variación espacial, lo cual genera vorticidad atmosférica que se transfiere al mar mediante flujos de momentum turbulentos capaces de crear turbulencia y giros en la columna de agua (Parés-Sierra et al., 2003).

La circulación atmosférica en el golfo es principalmente a lo largo de su eje longitudinal, a causa de la elevada topografía a ambos lados de éste (Badan-Dangon et al., 1991). Estudios numéricos sobre la circulación del golfo se han basado en la suposición de que el viento sopla más o menos simétricamente hacia arriba (noroeste) y abajo (sureste) del golfo durante el verano y el invierno, respectivamente. Con esta idea, la mayoría de las simulaciones numéricas de la circulación en el golfo, a excepción de Martínez (2002) quien forza su modelo con datos de viento derivados de NSCAT/ERS-2 y el modelo de circulación atmosférica NCEP, han utilizado un viento hipotético a lo largo de éste sin tomar en cuenta su variación espacial y suponiendo una simple variación anual (e.g., Carbajal, 1993; Beier, 1997; Tanahara-Romero, 1997; Palacios-Hernández, 2001; Marinone, 2003).

Sin embargo, existen evidencias de que este carácter mon-zónico de vientos superficiales sobre el Golfo de California es bastante inhomogéneo espacialmente, además de no ser exactamente un armónico anual. Marinone et al. (2004), mediante datos de QuikScat, encontraron que el viento se invierte aproximadamente en dirección noroeste, durante los meses de junio a agosto, y que el campo de vientos posee gran variabilidad espacial.

El objetivo de este estudio fue comparar las diferencias en la circulación producidas en un modelo numérico del Golfo de California por (a) un viento idealizado y espacialmente homogéneo con (b) la climatología real calculada a partir de los datos de viento del QuikScat.

Metodología

Modelo

El modelo numérico utilizado fue el Hamburg Shelf Ocean Model (HAMSOM) adaptado al Golfo de California por Marinone (2003). Las ecuaciones del modelo se resuelven semi-implícitamente con un pronóstico completo de los campos de temperatura y salinidad, permitiendo movimientos baroclínicos dependientes del tiempo. El dominio del modelo tiene un tamaño de malla de 2.5' x 2.5' (~3.9 x 4.6 km). Se utilizan 12 capas en la vertical con niveles inferiores nominales de 10, 20, 30, 60, 100, 150, 200, 250, 300, 600, 1000 y 4000 m. El número de capas depende de la profundidad local y la última capa tiene un espesor variable que se acomoda a la topografía. El grosor de la primera capa es de 10 m más la elevación de la superficie del mar. El modelo fue iniciado desde el reposo, con un intervalo de 300 s, y se corrió hasta que todas las variables fuesen periódicamente estables. Como muestra Marinone (2003), el modelo reproduce las principales señales estacionales de temperatura superficial del mar, balance de calor, nivel del mar y circulación superficial de la región norte del golfo.

Para enfatizar el efecto del esfuerzo del viento en la circulación del golfo, el modelo fue forzado únicamente por el viento en su superficie, como se explica a continuación.

Experimentos y datos de viento

Se realizaron dos experimentos (corridas) con una duración de un año después de estabilizar. La nomenclatura de los dos experimentos que aparecerán en los resultados es VI para el viento idealizado y VO para el viento observado.

En el experimento con viento idealizado (VI), éste es espacialmente homogéneo y tiene una evolución temporal sinusoidal en dirección noroeste-sureste del golfo, con una amplitud de 5 m s^-1 en dirección noroeste, es decir:

donde W es la componente del viento a lo largo del eje del golfo, Φ_a es la fase tal que el máximo sucede el 20 de agosto y ω es la frecuencia anual.

donde φ representa a cada una de las componentes del viento (u, v), P el promedio temporal de éstas, (A y S) y Φ_a Φ_s) son sus amplitudes y fases anual y semianual, respectivamente, y a es la frecuencia anual. La varianza explicada de las series, filtrando frecuencias mayores a 1/15 días, es mayor de 90%.

donde φ representa a cada una de las componentes del viento (u, v), P el promedio temporal de éstas, (A y S) y (Φ_a, Φ_s) son sus amplitudes y fases anual y semianual, respectivamente, y a es la frecuencia anual. La varianza explicada de las series, filtrando frecuencias mayores a 1/15 días, es mayor de 90%.

Resultados y discusión

Vientos

Antes de presentar los resultados del modelo se describe la estructura del VO utilizado para forzar el modelo. La figura 2 muestra el campo medio anual y su variabilidad, así como la amplitud anual y semianual de las componentes zonal (u) y meridional (v) del viento. La figura 2a muestra que el promedio del viento en el norte es en dirección al continente y en el resto del golfo es principalmente en dirección sureste. La variabilidad de su magnitud se incrementa de la cabeza a la boca del golfo, y del continente hacia la península. Como una medida global de la magnitud del promedio temporal del viento, se calculó la raíz cuadrática media (RCM) de este campo, definida como:

donde N es el número de puntos de la malla en el golfo. Para el caso del VO, RCM = 2.05 m s^-1 y el promedio de la variabilidad (desviación estándar) en todo el golfo es 2.9 m s^-1. Para el caso del VI el promedio, por construcción, es cero y el promedio de la variabilidad es 3.5 m s^-1. La amplitud anual de las componentes u y v del viento son mayores que la amplitud semianual, y de éstas v es la mayor. En la figura 2c se muestra cómo cerca de la boca, pegado a la península, alcanza su valor máximo (>4 m s^-1). La región que abarca el norte del golfo y las islas es la de menor amplitud en la señal anual de u y v. Esto lleva a que la magnitud del viento en esta región sea la de menor variabilidad, aun cuando en la señal semianual de ambas componentes se aprecie un aporte, aunque no sustancial, de la amplitud. Esto se puede observar en la desviación estándar de la figura 2a. La amplitud semianual en ambas componentes contribuye en menor escala a la magnitud del viento. Esta amplitud es mayor en las componentes zonal y meridional en algunas zonas de la cabeza y al sur de las islas.

Corrientes

Promedio temporal

Del campo de corrientes obtenido del modelo se calculó el promedio temporal, para ambas simulaciones, en la capa superficial del modelo, en la capa de Ekman y en toda la columna de agua. La capa de Ekman abarca desde la superficie hasta los primeros 60 m de la columna de agua, lo que corresponde a integrar las primeras cuatro capas del modelo. En general, los resultados son muy similares entre la capa superficial y la de Ekman, con magnitudes mayores a la capa integrada en toda la columna de agua. Por tal razón y para apreciar mejor el efecto entre ambos experimentos se mostrarán sólo resultados para la capa superficial (fig. 4).

Se observa que sobre gran parte del golfo, el promedio temporal con VI es mucho menor que con VO. Esto se debe a que el viento en la superficie del mar tiene sólo una variación anual, lo que implica que en el promedio una parte del ciclo de las corrientes casi logre cancelarse con la otra. Por otra parte, con VO (fig. 4), el promedio anual de las corrientes no se cancela pues el promedio anual del viento no es cero, y se observa un remanente de la corriente mayor al del caso con VI, con tendencia a una circulación ciclónica en el norte del golfo y sobre gran parte del sur, con magnitudes aproximadas a 0.5 cm s^-1 y 1.3 cm s^-1, respectivamente. Los números a la derecha de cada figura son la RCM para VO y VI, y ésta es mayor para VO.

Se observa que, tanto para VO y VI, la mayor variabilidad espacial y temporal de las corrientes se presenta a lo largo de la costa continental (>5 y >8 cm s^-1, respectivamente), en aguas de relativamente baja profundidad.

Evolución temporal

En la figura 4 se observa que hay gran variabilidad (desviación estándar alta) en la evolución temporal de las corrientes y ésta es de mayor magnitud que el promedio. La variabilidad con VI es mayor que con VO, y en ambos caos es más intensa sobre la costa continental. En el caso con VI la variabilidad más alta se presenta en el norte y a la altura de la cuenca Farallón.

La variabilidad temporal del forzamiento, limitada a una señal anual y a una anual más semianual con VI y VO, respectivamente, produce una circulación estacional en las corrientes. Se presentan aquí cuatro tiempos (días 55, 115, 235 y 355) del año, que se encuentran dentro de los meses de febrero, abril, agosto y diciembre, y que representan la evolución estacional (fig. 5). Las razones principales por las cuales se seleccionaron estos días se dan a continuación junto con la descripción del campo de corrientes para ese día.

1. Día 55 (febrero). Los campos de viento, con VO y VI, corren básicamente en la misma dirección; sin embargo, producen un patrón de corrientes en el golfo de diferente magnitud en cada uno de los experimentos (fig. 5a). Con VO, las corrientes en el norte atraviesan un periodo de transición de su circulación de anticiclónico a ciclónico. En la cuenca sur las corrientes fluyen hacia la boca y lo hacen con mayor fuerza sobre la costa continental, mientras el flujo en las islas se da en dirección hacia esta cuenca. En el experimento con VI, la magnitud de las corrientes es mayor, principalmente sobre el lado del continente. En el norte se observa que la corriente circula anticiclónicamente, mientras en el sur las corrientes son llevadas en dirección sur hacia la costa peninsular.

2. Día 115 (abril). El campo de vientos muestra una expresión clara del cambio estacional en la amplitud en ambos experimentos y de dirección con VO, mostrando ciertas características particulares en el patrón de corrientes en ambos casos (fig. 5b). Con VO se aprecia que en el norte las corrientes circulan ciclónicamente y en las islas fluyen hacia esta cuenca. En el sur se aprecia un flujo predominante hacia las islas con un remolino ciclónico de mediana escala al sur de ellas. En el experimento con VI, la magnitud de las corrientes es de similar intensidad, con una estructura similar del giro en el norte, y en el sur no hay predominancia en la dirección del flujo ni tampoco se observa la formación de estructuras en forma de remolinos. En ese momento ambos experimentos atraviesan un periodo de transición en el patrón de corrientes, principalmente en el sur.

3. Día 235 (agosto). La dirección del VI es a 180° con respecto a la observada en el día 55, mientras que el VO muestra una reducción de su amplitud principalmente a lo largo del golfo, y su dirección es distinta a la que se observa con VI, lo que origina diferencias en el patrón y magnitud de las corrientes (fig. 5c). Esta fecha es de relevancia, pues habitualmente en los modelos numéricos se utiliza VI y una de sus características más relevantes era su homogeneidad espacial y su periodo de inversión que le daba el carácter de "monzónico". Esta característica producía un efecto particular sobre la circulación, sin embargo, se observa que en lo más aproximado a la realidad esto no es del todo cierto en los campos de viento, y sus efectos son visiblemente diferentes en la magnitud del campo de corrientes del experimento con VO, como se señala más adelante. La magnitud de las corrientes con VO disminuye su intensidad en el norte y éstas conservan en menor medida parte de la circulación ciclónica observada anteriormente. Sin embargo, con VI, las corrientes incrementan su magnitud definiendo un giro ciclónico en el norte, y en el sur son arrastradas por el viento en dirección norte sin ningún giro aparente. Note que en este tiempo los vientos con VO y VI son distintos en dirección y magnitud.

4. Día 355 (diciembre). Esta última fecha se presenta con la finalidad de mostrar uno de los periodos de mayor magnitud del campo de VO y mientras que el de VI es casi nulo (fig. 5d). En el experimento con VO, el patrón de circulación de las corrientes, describe un giro anticiclónico en el norte, en la zona de las islas las corrientes fluyen hacia el sur, y sobre el sur éstas se dirigen principalmente hacia la costa peninsular. La corrida con VI muestra corrientes débiles en todo el golfo, con giros anticiclónicos definidos en la cuenca norte y sur.

Como se observa en la figura 5 la duración del giro anticiclónico/ciclónico sobre la cuenca norte es distinta a la presentada por trabajos anteriores (e.g., Beier, 1997; Palacios-Hernández, 2001; Marinone, 2003), donde se había utilizado un viento sencillo como forzamiento, pero incluyendo el forzamiento del Océano Pacífico, el cual es de mayor importancia que el viento (Ripa, 1997). De hecho, se hicieron simulaciones con todos los forzantes con viento realista y sencillo y dan resultados muy similares (no se muestran), lo que indica que efectivamente el forzamiento debido al Océano Pacífico es más importante.

En la sección anterior se presentaron los campos de corrientes para algunos tiempos con el fin de ejemplificar su evolución durante el ciclo estacional. Una forma sintetizada de mostrar estos resultados es mediante el cálculo de la energía cinética. También para ver el efecto del viento (espacialmente homogéneo o no) sobre la circulación, se calculó la vorticidad relativa y divergencia horizontal, como medidas de tal efecto. Por ejemplo, en un océano infinito, un viento homogéneo no introduce vorticidad al sistema y la divergencia es igual a cero, pero en un mar semicerrado, por efectos costeros si se produce vorticidad y la divergencia es distinta de cero.

La densidad de energía cinética es

donde ρ₀ es densidad constante bajo la aproximación de Boussinesq. La vorticidad relativa es

La divergencia horizontal es:

Estas variables fueron calculadas sobre todos los puntos de la malla del modelo, y se calcularon sus promedios temporal, lateral y lateral-temporal como se muestra a continuación.

Promedio temporal

donde T es el tiempo total y H es el grosor de la capa.

La mayor densidad de energía cinética se observa sobre la costa continental para ambos experimentos (fig. 6), decreciendo hacia la península. Para el experimento con VO los valores más elevados de energía cinética (>13 J m^-3) se concentran principalmente en áreas pequeñas, mientras que en el caso con VI éstos se presentan a lo largo de toda la costa continental. Sobre la región oriental de las islas, con VI se presenta mayor energía que con VO. Nótese que la distribución de la densidad de energía cinética es muy similar a la variabilidad del promedio temporal de las corrientes (fig. 4).

En el experimento con VO, en la capa de Ekman (no se muestra) se observan centros de vorticidad relativa positiva (ciclónica) y negativa (anticiclónica) intercaladas y centradas en las cuencas y al sur de las islas, en algunos concordando con los observados por Martínez (2002). Estos centros de vorticidad concuerdan con el sentido de los giros y de la rotación de la circulación. Martínez (2002), en un periodo de análisis de cuatro meses (invierno), menciona que existen dos fuentes de vorticidad en el golfo, una debida al corte del esfuerzo del viento y otra por el ajuste del flujo a la costa. En algunos casos los centros de vorticidad positiva se encuentran en zonas donde existe divergencia del flujo, en donde se originarían concavidades y corrientes geostróficas en un sentido que concuerda con ζ > 0. Cerca de las costas se observan zonas de divergencia (D > 0) y convergencia (D < 0) en áreas donde generalmente se presentan surgencias y sumideros, éstos originados principalmente por la interacción entre el esfuerzo del viento y la línea de costa, moviendo las corrientes hacia mar adentro, o hacia las costas peninsular/continental, respectivamente. El promedio temporal del viento (fig. 2a) sobre el golfo y su dirección a lo largo de las costas es una causa de estos fenómenos. En el experimento con VI hay vorticidad positiva principalmente en las costas del sur e islas y en el centro de la cuenca norte. En la cuenca sur, en gran parte del centro de su superficie, la vorticidad es negativa. Tanto vorticidad positiva como negativa se encuentran relacionadas con la rotación del flujo que se observa con VI en la figura 4. La homogeneidad espacial del viento no permite que haya una fuente directa de vorticidad positiva o negativa hacia la superficie del mar por lo cual la vorticidad queda determinada sólo por los efectos de la línea de costa y la topografía sobre la circulación. En cuanto a divergencia y convergencia, éstas se encuentran principalmente en la costa peninsular y continental, respectivamente, con valores muy bajos en el centro de la cuenca norte y muy cercanos a cero en el centro de la cuenca sur.

A fin de sintetizar el resultado anterior, cada una de las variables se integró lateralmente a lo largo del golfo como,

donde X(y) es el ancho del golfo y depende de la latitud. La figura 7 muestra estos promedios. La energía cinética muestra similitudes entre el comportamiento a lo largo del golfo en ambos experimentos. No obstante, el caso con VI es mucho más energético en el norte que con VO y ambos son muy similares en el trayecto que abarca desde la Cuenca de Guaymas hacia el sur de las islas. A simple vista se observa que la vorticidad y la divergencia con VO son de mayor magnitud que con VI. Esto se debe a que el campo de VO posee una mayor variabilidad espacial y temporal, generando mayor vorticidad atmosférica, y, por consiguiente, transmitiendo mayor vorticidad sobre las corrientes a través del esfuerzo del viento. Además, se presenten surgencias o hundimientos que generan una redistribución de las masas de agua en el golfo a través del bombeo de Ekman. Al parecer existe una relación entre vorticidad positiva/negativa y convergencia/divergencia en el promedio lateral-temporal, aunque ésta no se cumple en todos los casos a lo largo del golfo. Esta relación parece más evidente sobre el trayecto que abarca desde la Cuenca del Carmen hasta la cuenca de San Pedro Mártir. Sin embargo, el coeficiente de correlación a lo largo de todo el golfo entre la vorticidad y la divergencia en la capa superficial con VO es sólo de -0.10.

Evolución temporal

En la figura 8 se muestra la evolución temporal en forma de diagramas Hovmóller de E, ζ y D lateralmente integradas, es decir:

Durante el invierno, el experimento con VO presenta los valores más altos para la densidad de energía cinética, principalmente en el sur del golfo. Estos periodos de alta densidad de energía cinética están relacionados con periodos de vorticidad negativa (anticiclónica) y divergencia principalmente a lo largo del golfo. Aproximadamente a mitad del año de experimento, se observa un incremento en la densidad de energía cinética, principalmente en el norte del golfo, asociado con vorticidad positiva (ciclónica) y convergencia. La presencia de máximos de densidad de energía se encuentra relacionada con los máximos de la RCM que presenta el campo de VO (ver fig. 3). Durante lo que resta del año la densidad de energía cinética, la vorticidad relativa y la divergencia horizontal disminuyen al tiempo que lo hace la magnitud del campo de viento.

El experimento con VI presenta un claro ciclo estacional en la densidad de energía cinética, vorticidad y divergencia, relacionado con los dos máximos de energía en la variación anual del viento. La distribución a lo largo del golfo es homogénea al igual que el campo de VI, originando altos valores de energía cinética, vorticidad negativa y divergencia durante el invierno cuando el viento es máximo hacia el sur, y nuevamente alta energía, vorticidad positiva y convergencia en el verano cuando es máximo en dirección norte. Durante el tiempo en que la amplitud del viento idealizado no es grande, la magnitud de las variables decrece y atraviesa por un periodo de transición.

El trabajo fue elaborado con el presupuesto normal de CICESE y del proyecto 35251-T de CONACyT de S.G. Marinone.

Referencias

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