Resumen de Exchange through the strait of gibraltar in relation to the climatic forcing over the mediterranean sea
El mar Mediterráneo es una cuenca de concentración en la que la evaporación excede a los aportes de agua por precipitación y descarga de ríos, lo que genera un déficit hídrico que es compensado con la entrada de un flujo neto a través del estrecho de Gibraltar, su única conexión con el océano abierto. El agua atlántica (AW) que constituye el flujo de entrada, cálida y relativamente dulce, se va salinizando por efecto de la evaporación al adentrarse en la cuenca siguiendo la circulación anticiclónica de ésta. En la zona más oriental, la cuenca Levantina, alcanza su máximo de salinidad y debido al enfriamiento invernal se hunde a capas intermedias (150-600 m) dando lugar al agua levantina intermedia (LIW). En otras zonas de la cuenca en las que el forzamiento invernal es especialmente severo se producen fenómenos de convección profunda. Concretamente, el agua profunda del Mediterráneo oriental (EMDW) se forma principalmente en el Adriático, mientras que el agua profunda del Mediterráneo occidental (WMDW) se produce en el área del Golfo de León. Estas aguas se sitúan por debajo del LIW, aproximadamente entre los 600 m y el fondo marino. Finalmente, un flujo de aguas mediterráneas (MW) frías y salinas, constituido mayoritariamente por LIW y en parte por WMDW, salva el umbral del estrecho y escapa de la cuenca hacia el océano Atlántico.
La célula termohalina descrita genera un intercambio bicapa en el estrecho de Gibraltar cuyas características están muy ligadas al forzamiento climático de la cuenca. Sin embargo, la variabilidad de dicho intercambio depende a su vez de la geometría del estrecho. El objetivo de esta tesis doctoral es hacer una descripción exhaustiva de estos forzamientos, y aplicar este estudio a la estimación y caracterización del flujo atlántico. Para completar el estudio, se analizarán las tendencias en la salinidad y la temperatura del flujo en relación con las de las aguas atlánticas adyacentes. Finalmente, se llevará a cabo un estudio de validación de varios modelos climáticos en el estrecho, tanto en términos de transporte de volumen como de propiedades termohalinas del flujo mediterráneo de salida.
2. Resumen por capítulos Capítulo 2: Variabilidad estacional e interanual de los flujos de calor y agua dulce a través de la superficie en el mar Mediterráneo: balances e intercambio a través del estrecho de Gibraltar En este capítulo se describen las distintas componentes de los flujos intercambiados entre la atmósfera y el mar a través de su superficie: los flujos de calor y de agua dulce. El flujo de calor está constituido por cuatro componentes, dos radiativas: la radiación de onda corta procedente del Sol y la de onda larga emitida por la Tierra, y dos turbulentas: el calor latente y el calor sensible. Del flujo de agua dulce se analizan sus principales componentes: la precipitación (P), la evaporación (E) y el déficit hídrico (E-P).
Para este estudio se han empleado datos de reanálisis del National Centers for Enviromental Prediction-National Center for Atmospheric Research (NCEP-NCAR), consistentes en valores medios mensuales de las distintas variables con una resolución espacial de aproximadamente 1.9º x 1.9º para todo el Mediterráneo, y que abarcan el periodo de enero de 1948 a febrero de 2009. Como complemento se han analizado también valores mensuales de precipitación de CMAP (CPC Merged Analysis of Precipitation), cuya resolución es de 2.5ºx2.5º así como imágenes mensuales de alta resolución (4 km x 4 km) de SST (Sea Surface Temperature) del AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), de la misión pathfinder v5 de la NASA, entre 1985 y 2007. Los datos se han tratado estadísticamente para elaborar mapas de distribución espacial de las distintas variables para cada una de las estaciones, ciclos estacionales climatológicos y series interanuales.
Principales resultados El ciclo estacional del flujo de calor total es positivo (hacia el océano) entre marzo y septiembre, con su máximo en enero, y negativo el resto del año. Para la cuenca completa, en promedio anual, se ha obtenido un balance neto prácticamente neutro de 0.7 Wm-2. El balance es positivo para la cuenca occidental (~12 Wm-2) y negativo para la oriental (-6.4 Wm-2), debido a las grandes pérdidas de calor latente de este área (hasta 100 Wm-2). La evaporación neta (E-P) tiene un ciclo estacional con un rango de variabilidad de 600 mm¿año-1, alcanza su máximo en agosto-septiembre y su mínimo en mayo. El valor promedio para todo el periodo y para la cuenca completa del déficit de agua dulce es de 680±70 mm¿año-1, aunque estas pérdidas son casi un 70% mayores en la cuenca oriental. Se ha encontrado una tendencia positiva para E-P en el periodo analizado (1948-2009) de 1.6±0.9 mm¿año-2, consecuencia de un descenso de la precipitación.
A partir los valores climatológicos de la descarga de ríos y del intercambio neto con el mar Negro, se ha obtenido un valor del flujo neto a través del estrecho de Gibraltar de G=0.035±0.005 Sv (1 Sv= 106 m3s-1). Combinando este valor con el flujo medio de salida Gout=0.78±0.05 Sv obtenido a partir del registro de velocidades del perfilador Doppler (ADCP) instalado en la estación de Espartel, resulta un flujo medio de entrada de (Gin = G + Gout) 0.82 ± 0.05 Sv. Este resultado es un valor intermedio entre los pocos calculados previamente por otros autores, que al estar basado en una combinación de medidas experimentales de probada precisión y de una climatología que involucra a toda la cuenca, se considera bastante realista. En lugar de usar las ecuaciones de conservación de sal para la estimación del flujo de entrada, que introducen mucha incertidumbre en el cálculo, se ha empleado la estimación realizada para determinar el cociente entre las salinidades del flujo de entrada y de salida, Sin/Sout = 0.956, que puede emplearse para futuros cálculos de las componentes del intercambio cuando únicamente se disponga de uno de los flujos, ya sea mediante estimaciones climatológicas o medidas in situ.
Considerando el flujo de entrada obtenido, se calcula una advección de calor hacia el Mediterráneo a través del estrecho de Qa = 3.2 ± 1.5 Wm-2, un valor menor que los históricamente documentados pero que es probablemente más realista ya que las discrepancias son fruto de sobreestimaciones previas del flujo de entrada. Este valor de la advección, junto con la estimación del valor intercambiado con la atmósfera, implicaría un incremento del contenido neto de calor en el Mediterráneo durante las últimas décadas.
Capítulo 3: Influencia del forzamiento atmosférico a gran escala en los balances de calor y agua dulce del Mediterráneo: índices climáticos Esta sección estudia la relación entre los patrones atmosféricos de gran escala que actúan sobre la cuenca mediterránea y la variabilidad de los flujos de calor y agua dulce. En concreto, se realiza un análisis comparativo entre el índice más comúnmente utilizado en el área del Atlántico Norte, el NAO (North Atlantic Oscilation), cuya influencia sobre la climatología mediterránea ha sido ampliamente documentada, con un índice de carácter regional, el índice MO (Mediterranean Oscilation), que podría ser un indicador más eficaz de la variabilidad de la cuenca, especialmente para los flujos objeto de estudio.
Existen diversos criterios para la definición de los citados índices. Algunos de ellos se basan en la diferencia de presión atmosférica entre estaciones cercanas a los centros de acción de los respectivos patrones, con el inconveniente de estar sujetas a la variabilidad local. En este trabajo se ha optado por una definición basada en las componentes principales (PC) de las funciones empíricas ortogonales (EOF) de la presión atmosférica, calculadas para el área completa de influencia de cada patrón, lo que proporciona un índice más representativo de esta área en su conjunto. Para el índice NAO se han usado los valores mensuales suministrados por el NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), que utiliza la componente principal rotada de la presión atmosférica a 500 mb entre 20ºN y 90ºN. Para el MO, el índice se ha calculado como la PC de la EOF de la presión atmosférica a nivel del mar en un área extendida del Mediterráneo (30ºW-40ºE de longitud, 30ºN-60ºN de latitud), a partir de valores mensuales de reanálisis de NCEP.
Las variables estudiadas son la precipitación, la evaporación, el déficit hídrico (E-P) y el flujo neto de calor. Todas ellas han sido obtenidas de la base de datos de reanálisis de NCEP. Posteriormente se han construido series interanuales e interdecadales, así como promedios estacionales de cada una de ellas, con las que se ha realizado un análisis de correlación con los distintos índices. La significancia estadística se ha evaluado transformando la matriz de correlación en una distribución t de Student con N-2 grados de libertad, siendo N el número de elementos de la serie analizada.
Principales resultados Ambos índices exhiben una importante variabilidad interanual e interdecadal, con periodos comunes de fases tanto positivas como negativas. Aunque el descenso en la precipitación promedio de la cuenca entre mediados de los 60 y mediados de los 80 se corresponde claramente con un incremento en ambos índices, la variabilidad de E-P no muestra una correlación tan clara, debido a la diferente sensibilidad de E y P, que se traduce en correlaciones de signo opuesto en las cuencas occidental y oriental.
La efectividad de los índices NAO y MO es muy parecida para P y E-P, pero en el caso de los flujos de calor y la evaporación el índice MO parece ser un mejor indicador de la variabilidad interdecadal ya que desde mediados de los 70 a principios de los 90 ambos índices difieren significativamente. Debido a la persistencia y estabilidad del MO durante todo el año los valores anuales del índice son los que presentan en general una mejor correlación. En el caso del NAO, son los promedios invernales los que presentan la mejor correlación para todas las variables dada la mayor proximidad de su centro meridional al Mediterráneo en esta estación.
Puesto que la similitud de ambos índices se limita a los meses de otoño e invierno, es plausible considerar que el MO representa un patrón específico de circulación regional más que una extensión regional de la NAO, por lo que constituye un índice adecuado para la monitorización en el Mediterráneo de la variabilidad a largo término de los balances hídrico y, especialmente, de calor.
Capítulo 4: Estimación del flujo atlántico de entrada a través del estrecho de Gibraltar mediante datos climatológicos y experimentales El objetivo de este capítulo es la caracterización del flujo atlántico que entra en la cuenca mediterránea a través del estrecho de Gibraltar. Para este propósito se emplea una metodología indirecta basada en la combinación de medidas experimentales del flujo de salida mediterráneo con una estimación del flujo neto a partir del balance hidrológico de la cuenca. Considerando que el flujo neto es la diferencia de los flujos de entrada (Q1) y salida (Q2), Q0 = Q1 - |Q2|, el flujo de entrada puede estimarse a partir del neto y el de salida.
De los diferentes términos del ciclo, la evaporación y la precipitación se han obtenido de la base de datos de reanálisis NCEP. Para la descarga de ríos y el intercambio con el mar Negro se han empleado valores de estudios previos. La componente másica del nivel del mar se ha calculado a partir de las anomalías totales de la altura del nivel del mar de la base de datos AVISO. Éstas consisten en medidas de altimetría por satélite de diversas misiones distribuidas en una malla de 1/8º x 1/8º de resolución espacial y con una resolución temporal de una semana en el periodo 1992-2009. Para obtener la componente másica, a estas anomalías totales hay que restarles la componente estérica, que da cuenta de las variaciones de volumen experimentadas por la columna de agua debido a variaciones de salinidad y/o temperatura. Las anomalías de salinidad y temperatura necesarías para su cálculo provienen de perfiles del modelo de circulación ECCO, que tienen una resolución espacial de 1º x 1º, resolución temporal de 10 días y cubren el mismo periodo que los datos de AVISO.
Por último, el flujo mediterráneo de salida se ha calculado a partir de los datos experimentales medidos en la estación permanente de Espartel (ES, 35º51.70¿N, 5º58.60¿W), fondeada a 360 m de profundidad en el canal meridional del umbral de Espartel en el marco de los proyectos INGRES del grupo de Oceanografía Física de la Universidad de Málaga. La estación está equipada con un ADCP, colocado mirando hacia arriba a 20 m sobre el fondo que mide la velocidad cada 30 minutos en celdas de 8 m de espesor, hasta una profundidad por encima de la interfase entre las capas atlántica y mediterránea, que en Espartel es de unos 190 m, lo que permite registrar la velocidad de la vena mediterránea de salida. Por debajo del ADCP, a unos 10 m sobre el fondo, hay colocada una sonda de conductividad y temperatura (CT), que permite muestrear las características termohalinas del agua mediterránea. La línea se completa con un correntímetro puntual que permite medir la velocidad del flujo de salida en la zona de sombra del ADCP, es decir, entre la boya y el fondo. El flujo de salida se calcula integrando la velocidad multiplicada por la sección a lo largo de la columna de agua.
Principales resultados La señal estacional del flujo neto, Q0, depende del ciclo de E-P, que tiene un rango de 582±21 mm¿año-1 y alcanza su máximo en agosto, y de la señal de la componente másica del nivel del mar, con un ciclo de amplitud 4.2 ±1.2 cm y máximo en noviembre. La descarga de ríos y el intercambio neto con el mar Negro se han incluido en el balance hídrico aunque su contribución es menor del 20%. Se obtiene un valor medio del flujo neto de 0.038±0.007 Sv, y un ciclo estacional con una amplitud anual de 0.042±0.018 Sv y máximo en septiembre.
A partir de los más de cuatro años de medidas experimentales se ha obtenido un valor promedio del flujo Mediterráneo de salida de -0.78±0.05 Sv, con una amplitud del ciclo anual de 0.027±0.015 Sv y semianual de 0.017±0.009 Sv y máximos en abril y septiembre respectivamente. Al sumar la serie de flujo neto, resulta un flujo atlántico promedio de 0.81±0.06 Sv, amplitud anual de 0.034±0.011 Sv con máximo en agosto y semianual de 0.022±0.014 Sv con máximo en abril. La serie temporal, la más larga obtenida hasta el momento, presenta una alta variabilidad interanual, con una anomalía especialmente alta en el flujo de salida del año 2008 que puede haber sesgado parcialmente el cálculo del ciclo estacional. Se requerirán series temporales de mayor longitud para confirmar los resultados obtenidos.
La evolución temporal tanto de los flujos intercambiados como de la superficie interfacial de separación entre las capas atlántica y mediterránea sugieren un régimen de intercambio submáximo en el estrecho, reflejado en la fluctuación desfasada de las dos componentes de los flujos de entrada y salida. El forzamiento principal del flujo de entrada es la señal barotrópica del flujo neto, Q0, que sigue el ciclo de E-P dando lugar al máximo a finales de verano. Un segundo mecanismo de forzamiento baroclino es la variación estacional de la gravedad reducida, g¿ = g (¿2 ¿ ¿1) /¿0, debida a los cambios en la densidad de la capa superficial que produce el ciclo estacional de intercambio de calor, cuyo máximo en septiembre contribuye al máximo del flujo atlántico.
Capítulo 5: Tendencias termohalinas recientes en las aguas atlánticas que fluyen hacia el interior del Mediterráneo La estrecha interrelación entre las diferentes masas de agua que participan en la circulación termohalina del Mediterráneo hace que ésta sea muy sensible a la variabilidad de sus propiedades. En este sentido, un reciente estudio basado en medidas experimentales en la plataforma continental marroquí detectó una tendencia inusualmente elevada (0.05 año-1) en la salinidad de las aguas atlánticas entre los años 2003 y 2007, muy superior a las estimaciones para la década de 1990 en las aguas atlánticas adyacentes al estrecho. El objeto de este capítulo es estudiar la evolución de la salinidad y la temperatura en este área durante los últimos años para establecer el origen de las tendencias observadas en Gibraltar.
El flujo atlántico está formado en su mayor parte por aguas provenientes de la corriente de las Azores, la componente sudoriental del giro subtropical noratlántico, aunque también recibe aguas de las corrientes ibérica y canaria. Está constituido por agua superficial atlántica (SAW) y agua central del atlántico nororiental (ENACW).
El estudio se ha llevado a cabo analizando perfiles Argo de salinidad y temperatura. Las boyas Argo son sistemas autónomos que realizan perfiles de salinidad y temperatura entre la superficie y los 2000 m de profundidad. Se ha seleccionado una zona de estudio que abarca entre los 28ºN y los 42ºN en latitud y entre los 5ºW y los 24ºW en longitud. Entre enero de 2002 y mayo de 2010 se dispone de un total de 5997, de los que tras la aplicación de diversos controles de calidad para garantizar la precisión de los datos se seleccionaron 5077. En primer lugar se separaron los perfiles en tres zonas, una zona septentrional (entre los 37ºN y los 42ºN, zona 1), en la que está incluida la corriente ibérica y la ruta de las aguas mediterráneas (MW) que abandonan Gibraltar; una zona central (entre los 32ºN y los 37ºN, zona 2), que cubre la corriente de las Azores y una zona meridional (entre 28ºN y 32ºN, zona 3) influenciada por la corriente canaria. Una vez separados los perfiles se interpolaron en 22 niveles de profundidad, se promediaron mensualmente y se integraron verticalmente en cuatro capas: entre 0 y 100 m (capa del SAW), entre 100 y 600 m (capa del ENACW), entre 600 y 1200 m (capa del MW) y el perfil completo (0-2000 m). Las tendencias de salinidad y temperatura se estimaron mediante el ajuste por mínimos cuadrados de las series de tiempo obtenidas por este procedimiento.
Los cambios en las propiedades de una masa de agua que se encuentra a una determinada profundidad pueden ser debidos a dos causas diferentes: por un lado, un cambio en las propiedades intrínsecas de esa masa de agua debido a mezclas o advección horizontal y, por otro lado, a movimientos verticales de la columna de agua que provocan que masas de agua de diferentes densidades cambien su posición en la columna de agua sin variar sus propiedades. Puede separarse la contribución de cada uno de estos mecanismos para una determinada profundidad aplicando la ecuación de descomposición de Bindoff y McDougall.
Principales resultados Se ha demostrado que las tendencias de salinidad (y en menor medida de temperatura) documentadas en el flujo atlántico de entrada a través del estrecho de Gibraltar se corresponden con una similar salinificación (calentamiento) en los primeros 600 m de las aguas atlánticas adyacentes al estrecho. La mayor tendencia en la salinidad se da en la capa superficial del área de la corriente de las Azores (0.04 año-1), aunque también se han encontrado valores positivos al norte y al sur de esta área. Valores menores, también positivos, se encuentran en la capa correspondiente a la termoclina permanente (sobre 0.01 año-1), que en cualquier caso exceden las estimaciones previas. Pero la mayor novedad de estos resultados es que, en contraste con otros estudios realizados en periodos anteriores, las tendencias calculadas son ahora consecuencia de cambios intrínsecos de las masas de agua, en lugar de ser el efecto de desplazamientos verticales de las isopicnas. Estos cambios en las propiedades de las masas de agua están probablemente ligados a un reciente incremento de la evaporación neta que afecta a la salinidad de las aguas superficiales y de la termoclina mediante procesos de advección y subducción.
Capítulo 6: Validación del transporte de volumen y las propiedades termohalinas del intercambio en el estrecho de Gibraltar en modelos regionales de circulación en el Mediterráneo La importancia del estrecho de Gibraltar en la circulación general del Mediterráneo lo convierte en un punto clave en el desarrollo de modelos numéricos de circulación de la cuenca. La complejidad de los procesos que controlan tanto el transporte de volumen como las características termohalinas de los flujos intercambiados hace que no esté aún clara la capacidad de modelos de escala climática de reproducir o parametrizar correctamente los mismos. El objetivo de este capítulo es la validacón, mediante los datos experimentales de la estación de Espartel, de varios modelos regionales de circulación del Mediterráneo, tanto en términos de transporte de volumen como de propiedades del flujo de salida.
La validación se lleva a cabo para varias simulaciones numéricas realizadas con los modelos NEMOMED8, NEMOMED12 y NEMOMED36, desarrollados por el Grupo de Modelización de Gran Escala y Clima (GMGEC), del Centro Nacional de Investigaciones Meteorológicas (CNRM, Meteo-France) en Toulouse (Francia). Todos están basados en el modelo de circulación oceánica NEMO, implementado en el Mediterráneo y están concebidos para la simulación a escala climática. La mayoría de las simulaciones analizadas cubre el periodo 2002-2008, que coincide con las series de tiempo utilizadas para su validación (las medidas de la estación de Espartel). También se ha estudiado la variabilidad interanual y las tendencias de una simulación de largo periodo, de 1961 a 2010, para el NEMOMED8.
La diferencia fundamental entre los tres modelos es la resolución: 1/8ºx1/8º para NEMOMED8, 1/12ºx1/2º para NEMOMED12 y 1/36ºx1/36º para NEMOMED36. También difieren en las características de sus mallas, en el forzamiento que utilizan y algunas parametrizaciones. Además, se ha hecho un análisis de sensibilidad a las condiciones impuestas en la zona atlántica del dominio para NEMOMED8, con tres simulaciones que utilizan diferentes climatologías en esta área.
Principales resultados NEMOMED8 muestra mejores resultados para el transporte de volumen, con valores medios muy próximos a los experimentales para todas las simulaciones y ciclos estacionales comprendidos en el rango de los observados. Las simulaciones que incluyen un término de relajación de la altura del nivel del mar en la zona atlántica del dominio muestran mejores resultados en la representación de los ciclos estacionales del flujo neto y de entrada. Por otro lado, el uso de diferentes climatologías en el forzamiento de esta zona no tiene ningún efecto relevante en la variabilidad del transporte. NEMOMED12 y NEMOMED36 subestiman los flujos de entrada y salida, aunque los ciclos estacionales son similares a los obtenidos por NEMOMED8. La diferencia de resultados entre los tres modelos probablemente se deba a su diferente geometría en el estrecho, particularmente a los valores de la sección transversal donde se calcula el transporte, aunque otros factores como sus distintos forzamientos también pueden contribuir.
Las aguas del flujo mediterráneo de salida observadas en NEMOMED8 son más cálidas y ligeramente más salinas que las medidas experimentales debido a tres causas principales: la primera es un agua levantina intermedia (LIW) excesivamente cálida, una desviación que no se da en la simulación acoplada con el modelo atmosférico ALADIN. La segunda es el bajo porcentaje de WMDW presente en el flujo debido a que esta masa de agua se encuentra a profundidades demasiado grandes en el mar de Alborán como para ser incorporada al flujo. Finalmente, el alto porcentaje de agua central Noratlántica (NACW), que es casi el doble del observado, lo que tiene un fuerte impacto en las propiedades del flujo debido a la gran diferencia entre las aguas atlánticas y mediterráneas. En el caso de NEMOMED12 y NEMOMED36 tanto las propiedades termohalinas del flujo mediterráneo como su composición se ajustan bastante bien a las observaciones, lo que podría ser consecuencia de una mayor capacidad para resolver los procesos que influyen en el intercambio.
El análisis de la variabilidad interanual de los flujos intercambiados en la simulación de largo término NM8-Long (1961-2010) muestra un buen acuerdo entre ésta y las observaciones en su periodo común. Sin embargo, los valores de salinidad y temperatura en ES son mayores que los observados y presentan tendencias positivas que probablemente son consecuencia de las encontradas en las capas intermedia y profunda del Mediterráneo así como en la superficial de la zona atlántica.
