Promedios de temperatura y salinidad sobre una superficie isopícnica en la capa superior del océano frente a Baja California

Mean temperature and salinity along an isopycnal surface in the upper ocean off Baja California

G Jerónimo, J Gómez-Valdés

Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Km 107 Carretera Tijuana-Ensenada, Ensenada, Baja California, México, * E-mail: gjeronim@cicese.mx

Recibido en marzo de 2006
Aceptado en octubre de 2006.

Resumen

Se estudiaron los campos medios de las propiedades termodinámicas de la superficie de 25ag en la parte sur de la Corriente de California utilizando datos del programa Investigaciones Mexicanas de la Corriente de California (IMECOCAL) de 1998 a 2005. Se implementó el método de análisis objetivo para los datos de CTD. El método fue validado por medio de ensayos Monte Carlo. Las escalas de correlación óptimas fueron L_Y = 110 km y L_X = 90 km, en dirección paralela y perpendicular a la costa, respectivamente. En concordancia con el balance geostrófico, la superficie media de 25σ_θ estuvo inclinada, con la parte más somera (38 m) cerca de la costa y la parte más profunda (68 m) mar adentro. El área más lejana de la costa se encontró dominada por remolinos. Al norte de Punta Eugenia resaltaron amplias áreas de baja temperatura (<14.0°C) y salinidad (<33.6), mientras que al sur dominaron altas temperaturas (>14.4°C) y salinidades (>33.7). De esta manera Punta Eugenia, en promedio, resulta la zona donde confluyen las aguas cálidas y saladas de origen ecuatorial y las aguas frías y poco saladas de origen subártico. La variabilidad de los campos termodinámicos indica que hay tres zonas distintas: la norte (29-31°N), de variabilidad preponderantemente baja, la sur (25-27.5°N), de variabilidad preponderantemente alta, y la central, de variabilidad media entre las otras dos. La discriminación entre estas tres zonas fue corroborada mediante análisis de gradientes de temperatura y de salinidad, y mediante perfiles verticales medios de las tres zonas.

Palabras clave: superficie 25σ_θ, temperatura potencial, salinidad, análisis objetivo, IMECOCAL.

Abstract

The mean thermodynamic fields along the 25σ_θ surface in the southern region of the California Current were studied using the 1998-2005 data from the IMECOCAL (Mexican Research of the California Current) program. The method of objective analysis was implemented and subsequently validated by Monte Carlo tests. The optimum correlation scales, in parallel and perpendicular direction to the coast, were L_Y = 110 km and L_X = 90 km, respectively. In agreement with geostrophic balance, the mean 25σ_θ surface was inclined, with the shallower part (38 m) near the shore and the deeper part (68 m) offshore. The area farthest from the coast was dominated by eddies. Extensive areas of low temperature (<14.0°C) and salinity (<33.6) were found to the north of Point Eugenia, while higher temperatures (>14.4°C) and salinities (>33.7) occurred to the south. Point Eugenia, therefore, is generally the converging zone where warm, salty equatorial water meets the cold, less salty subarctic water. The variability of the thermodynamic fields revealed the presence of three different zones: the northern (29-31°N) low variability zone, the southern (25-27.5°N) high variability zone, and the central zone of moderate variability. The distinction of these three zones was corroborated by analysis of temperature and salinity gradients, as well as by in situ vertical profiles.

Introducción

Varios autores han estudiado el campo de velocidades geostróficas para dilucidar la variabilidad espacial y temporal de los flujos frente a Baja California, empleando datos hidrográficos ya sea del programa California Cooperative Fisheries Investigations (CalCOFI) o de Investigaciones Mexicanas de la Corriente de California (IMECOCAL) o de ambos (Gómez-Valdés 1983, Lynn y Simpson 1987, Durazo y Baumgartner 2002). Otra manera de investigar la variabilidad de la circulación con datos de temperatura, salinidad y presión es con el uso de superficies de densidad potencial constante (You y McDougall 1990), ya que los procesos de mezcla de escala grande se desarrollan primero a lo largo de ellas (Montgomery 1938, Schmitt 1990).

Una de las superficies isopícnicas que se puede elegir para estudiar los procesos de mezcla inducidos por la circulación en la capa superior del océano frente a Baja California es la superficie de 25σ_θ fundamentalmente porque en la Corriente de California el mínimo de salinidad ocurre cerca de esta superficie (Reid 1973, Talley 1985) y, en el área IMECOCAL, la profundidad de la misma se encuentra cerca de la picnoclina (Gómez-Valdés 1983, Jerónimo y Gómez-Valdés 2003). Otros fenómenos, como los remolinos de mesoescala, también influencian la distribución de propiedades a lo largo de las isopicnas (You y McDougall 1990). A diferencia de la relativamente gran cantidad de estudios sobre corrientes geostróficas, frente a Baja California no hay estudios sobre los efectos de la circulación en las superficies isopícnicas.

El propósito de este trabajo es entonces estimar los campos medios de temperatura potencial y salinidad de la superficie de 25 σ_θ que se encuentran frente a la costa oeste de Baja California. Se aborda también el problema de la zonificación, para lo cual se sigue el criterio del grado de variabilidad de las propiedades termodinámicas.

Área de estudio y datos

En la figura 1 se muestra la red de estaciones, que cubre una malla que contiene 12 líneas hidrográficas. La mayoría de las estaciones de muestreo (puntos negros) están separadas por una distancia de 37 km, a excepción de las estaciones costeras, y la distancia entre cada línea hidrográfica es de 74 km. Además, aparte de las irregularidades del plan de muestreo, debe tomarse en cuenta que las mediciones no siempre ocurren en las posiciones marcadas en el derrotero y, en algunas ocasiones, algunas estaciones no fueron cubiertas por lo que, en general, las mediciones son espacial y temporalmente irregulares. Los datos analizados en el presente trabajo son de 29 cruceros, desde la expedición de julio de 1998 hasta el crucero de octubre de 2005. García-Córdova et al. (2005) reportan una descripción completa del procesamiento de los datos obtenidos con un Seabird CTD. Para este trabajo se revisaron los datos de cada lance del banco de datos IMECOCAL y se suavizaron los que mostraron desviaciones extremas.

Métodos

Se sabe que los datos de los campos escalares del programa IMECOCAL son inhomogéneos, es decir, la distancia entre estaciones no es uniforme; no obstante, el método de análisis objetivo no se había explorado antes. Aquí se presenta en forma resumida la implementación del método, siguiendo los desarrollos propuestos por Le Traon (1990) y Davis (1985). La malla de interpolación se generó por diferencias finitas por el método de Tinoco-Ruiz (1997). A fin de minimizar el error, se utilizó una distancia entre los puntos de la malla de 18.0 km.

Con los datos de cada crucero se obtuvieron las escalas de autocorrelación de los campos de temperatura, salinidad y densidad. Se encontró por medio de variogramas (ver Cressie 1993) que la distribución de la correlación de esos campos tiene dos ejes principales, uno paralelo a la costa (L_Y) y el otro perpendicular a la misma (L_X). Ajustando por mínimos cuadrados el modelo Gaussiano se obtuvieron las escalas de correlación, resultando L_X = 90 km y L_Y = 110 km. De la información obtenida a partir de los variogramas, para la construcción del estimador se eligió la base de funciones:

de tal forma que la función de correlación empleada fue

en donde E es el porcentaje de la varianza explicada de las fluctuaciones del campo medio. Siguiendo a Bretherton et al. (1976) y Chereskin y Trunnell (1996) se seleccionó E como el 10% de la varianza.

Para evaluar la eficiencia del estimador obtenido mediante análisis objetivo se usó el método Monte Carlo, el cual consiste en generar un conjunto de vectores aleatorios con alguna distribución de probabilidad conocida que simulen los resultados de una variable física, para después comparar estadísticamente las observaciones con las simulaciones (Dufour 2005). Este método se empleó para los datos generados de la manera siguiente. Primero, para cada estación, se buscó la profundidad (H), la temperatura potencial (θ) y la salinidad (S) correspondientes a la superficie de 25σ_θ. Posteriormente se calcularon los promedios y desviación estándar de los campos de H, θ y S de los 29 cruceros utilizados. Enseguida, con los campos de H, θ y S interpolados con análisis objetivo se obtuvo la estimación (25σ_θⁱ) de la superficie de 25σ_θ. Luego se calculó la diferencia entre 25σ_θ y 25σ_θⁱ.

donde δ(x, y) es la función delta de Dirac, L_X y L_Y son las escalas de correlación, (x, y) son las coordenadas de las diferencias, E es el porcentaje de varianza obtenido a partir de las diferencias (Von Storch 1997). Los ensayos Monte Carlo mostraron que el ruido es nulo en los errores de las diferencias. La media estadística de cada realización fue de 0.01 kg m^-3 con una desviación estándar de 0.02 kg m^-3.

Resultados

En la figura 2 se muestra el promedio y la desviación estándar de la profundidad de la superficie de 25σθ. En la distribución media de la profundidad destacaron dos franjas: una en la que las isóbatas fueron paralelas a la costa y otra en donde dominaron los meandros y los remolinos. La profundidad media fue más somera (38 m) cerca de la costa y se hizo más profunda hacia mar adentro hasta alcanzar 74 m de profundidad. En la franja de remolinos se presentaron dos depresiones, una centrada en 29°N, 117°O, y la otra en 26°N, 117°O. La variabilidad preponderante de la profundidad fue ~13 m; en particular, en la zona norte fue relativamente baja (10-12 m) y en el resto de la región relativamente alta (12-14 m). La depresión de H centrada en 29°N, 117°O fue más variable que la centrada en 26°N, 117°O.

La figura 3 muestra el promedio y la desviación estándar de la temperatura potencial de la superficie de 25σ_θ. La temperatura media mostró una distribución casi zonal con estructura de frente cerca de Punta Eugenia. La temperatura fue relativamente baja (13.8°C) al norte del frente y más alta (14.4-15.0°C) al sur. Una lengüeta de alta temperatura emergió de la Bahía Francisco de Ulloa. Por otra parte, la distribución de la variabilidad de la temperatura mostró que la región de menor variación (0.7°C) se dio en la zona más norte y aumentó hacia el sur hasta alcanzar 1.2°C en la Bahía Francisco de Ulloa.

La figura 4 muestra el promedio y la desviación estándar de la salinidad de la superficie de 25σ_θ. La distribución de la salinidad media fue casi zonal con valores bajos (33.5) al norte de Punta Eugenia y altos (33.7) al sur. El máximo de salinidad se presentó (33.8) frente a la Bahía Francisco de Ulloa. La distribución de la variabilidad de la salinidad fue también zonal, con valores bajos (0.2) al norte de Punta Eugenia y más altos (0.3) al sur.

Discusión

Las variaciones de la temperatura potencial y la salinidad a la largo de la isopicna 25σ_θ fueron estudiadas en el océano adyacente a Baja California. Se construyó un interpolador aplicando el método de análisis objetivo a los datos de CTD del programa IMECOCAL. Dada la anisotropía en la geometría de las observaciones en la malla IMECOCAL, la técnica de análisis objetivo resultó una buena opción para la interpolación de los campos. Con las escalas de correlación encontradas L X = 90 km (dirección ortogonal a la costa) y L_Y = 110 km (dirección paralela a la costa), el interpolador obtenido por análisis objetivo resultó óptimo (en el sentido de mínima varianza) para los campos escalares de la región de estudio. La validez del interpolador fue analizada usando experimentos Monte Carlo.

Chereskin y Trunnell (1996), con datos de altura dinámica obtenidos de los datos hidrográficos de CalCOFI, obtuvieron para el sur de California una L_X = 120 km y una L_Y = 130 km. Las discrepancias entre las escalas de Chereskin y Trunnell (1996) y las escalas obtenidas en este trabajo se pueden explicar con base en la intensidad de los fenómenos de mesoescala, como remolinos y meandros, que influyen en la varianza de los campos en cada región. También debe tenerse en consideración que CalCOFI e IMECOCAL tienen bases de datos de calidad diferente.

El campo de profundidad media es consistente con un flujo hacia el sur (Corriente de California). Mediante un modelo baroclínico sencillo de dos capas en balance geostrófico (Pedlosky 1983), en el que si tomamos la latitud 28°N, una distancia media de 70 km en la dirección perpendicular a la costa, un espesor de la primera capa de 12 m, y suponemos una densidad de la segunda capa de 1026 kg m^-3 y una de 1025 kg m^-3 de la primera (que es la correspondiente a la isopícna que estamos analizando), la velocidad resultante es de v = -5.8 cm s^-1, que resulta consistente con lo reportado en la literatura para la región de estudio (Lynn y Simpson 1987). Por otra parte, se calculó el campo geostrófico medio a 10 db relativo a 1000 db (información no mostrada), y se encontró que las distribuciones de ambos campos son similares. Así, el modelo de capas en balance geostrófico y el método geostrófico indican que los resultados de la profundidad de la superficie de 25σ_θ son confiables.

Las depresiones y meandros que se localizan fuera de la costa en el campo de profundidad media son consistentes con lo reportado en el muy citado trabajo de Lynn y Simpson (1987). Ellos calcularon el promedio y la desviación estándar de la altura dinámica (cm din) de 23 años de datos del programa CalCOFI. En la figura 4(d) de su artículo se localizan dos zonas de alta variabilidad de altura dinámica frente a Baja California, mismas que corresponden a la ubicación de las depresiones aquí documentadas.

Para aportar más elementos sobre la presencia de tres zonas distintas según el grado de variabilidad de los campos termodinámicos, nosotros calculamos el promedio y la desviación estándar de todos los datos de CTD del programa IMECOCAL de las líneas 107 (zona norte), 120 (zona central) y 130 (zona sur). La figura 5 muestra la desviación estándar de los perfiles verticales de 0 a 800 m de las tres líneas. En la zona norte la variabilidad de la salinidad muestra dos picos. El pico superficial está asociado a la variabilidad de la Corriente de California y el subsuperficial a la de las contracorrientes. En la zona central la variabilidad de la densidad potencial muestra dos máximos locales, uno asociado a la variabilidad de la temperatura y el otro a la variabilidad de la salinidad. En esta zona la variabilidad de las aguas subsuperficiales es la más alta de las tres zonas. En la zona sur el máximo de variabilidad de la salinidad es más profundo, en comparación con la ubicación de los máximos de las otras dos zonas.

Los campos medios de temperatura potencial y de salinidad indican que frente a Punta Eugenia se encuentra la zona de confluencia de la masa de agua del norte, fría y poco salada, y la del sur, cálida y salada, lo que implica que ahí puede desarrollarse una estructura frontal. Siguiendo a McDougall (1984), si tomamos una parcela de agua de origen subártico con salinidad de 33.4 y temperatura potencial de 13.5°C, y una parcela de agua de origen ecuatorial con salinidad de 33.9 y temperatura potencial de 15.9°C, y suponemos que se mezclan en la superficie de 25σ_θ, se generará una inestabilidad debido a la no linealidad de la ecuación de estado, y la parcela resultante será más densa que las parcelas originales y tenderá a hundirse.

Por otra parte, las lengüetas de temperatura y salinidad que se forman frente a la Bahía Francisco de Ulloa se pueden tomar como señal de la existencia de una Contracorriente Superficial a lo largo de la costa como lo sugieren Lynn y Simpson (1987). Durazo y Baumgartner (2002), por otra parte, documentaron que en El Niño 1997-1998 la contracorriente superficial fue claramente distinguible en toda la región.

De una estimación cualitativa de los gradientes horizontales de los campos medios de θ y H sobre la superficie de 25σ_θ, resulta que en la zona sur ∇H ·∇θ < 0, lo que puede producir una inestabilidad termobárica (McDougall 1984) tal, que si se mezclan dos parcelas de agua sobre la superficie de 25σ_θ, la parcela resultante se moverá hacia la superficie del océano. En cambio en la zona norte ∇H ·∇θ~ 0, lo que indica que la parcela es estable. La estimación de los gradientes de los campos medios de temperatura potencial y salinidad indican que en la zona norte y en la zona sur, los gradientes de temperatura y salinidad son perpendiculares a la costa, mientras que en la zona central dichos gradientes son paralelos a la costa. En toda la región IMECOCAL, los gradientes de temperatura y salinidad son aproximadamente paralelos entre sí, lo que indica que la mezcla de masas de agua en la superficie de 25σ_θ genera procesos thermohalinos alineados a los gradientes.

Agradecimientos

Este trabajo fue financiado por el proyecto CONACYT SEP-2003-CO2-42569 y por el CICESE. J García-Córdova hizo el procesamiento de los datos de CTD. El primer autor recibió una beca de postgrado del CONACYT para realizar sus estudios de doctorado en el Departamento de Oceanografía Física del CICESE.

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