Resumen de Submesoscale dynamics in the western Mediterranean Sea
- español
La transición de la mesoescala a la submesoescala se investiga en el Mar Mediterráneo occidental mediante una serie de simulaciones con el modelo ROMS. El estudio se compone de varias etapas que cubren este rango de escalas, partiendo de una descripción regional de la circulación en el Mediterráneo occidental hacia los procesos que tienen lugar a escalas locales. El análisis de mesoescala se lleva a cabo en términos del ciclo de energía de Lorenz (LEC, de sus siglas en ingl´es), que permite cuantificar los intercambios de energ´ıa cin´etica y potencial que tienen lugar en el fluido mediante interacciones entre el flujo medio y el flujo turbulento. Las fuentes de energ´ıa cin´etica turbulenta se investigan a partir de ROMSWMED32, una simulaci´on de mesoescala (3.5 km) que abarca un periodo de 18 a˜nos. Una formulaci´on regional del LEC permite discernir si dichos intercambios de energ´ıa tienen un origen local o remoto. Los patrones de conversi´on de energ´ıa se investigan en tres subregiones: Mar de Albor´an, Cuenca de Argelia y Cuenca de Norte. Los resultados del LEC revelan que el Mar de Albor´an es la zona m´as energ´etica del Mediterr´aneo occidental. La distribuci´on espacial de las rutas de conversi´on de energ´ıa, junto con las caracter´ısticas geogr´aficas y din´amicas de esta regi´on, sugieren dos mecanismos de submesoescala como principales responsables del mantenimiento del balance de energ´ıa: generaci´on topogr´afica de vorticidad (TVG, de sus siglas en ingl´es) y frontog´enesis (FG). La transici´on hacia la submesoescala en el Mar de Albor´an se investiga mediante dos simulaciones realistas anidadas que cubren esta regi´on, con resoluciones que aumentan desde 1.5 km (WMed1500) hasta 0.5 km (Alb500). La din´amica de submesoescala se aprecia en Alb500 seg´un aumenta la resoluci´on. Los procesos de TVG y FG en Alb500 no presentan una clara variabilidad espacial ni temporal que permita una descripci´on estad´ıstica de los mismos. Por tanto, el an´alisis de estos mecanismos se lleva a cabo sobre eventos aislados que pueden considererse representativos de la din´amica del Mar de Albor´an. La cuantificaci´on y el an´alisis de la TVG se realiza a partir de la ecuaci´on del balance de vorticidad barotr´opica. La generaci´on de vorticidad debido a la interacci´on de la corriente con la topograf´ıa se eval´ua en t´erminos del esfuerzo cortante de fondo (en ingl´es, bottom stress) y del arrastre (en ingl´es, form drag), siendo este ´ultimo la fuente principal. La FG se analiza en un intenso y recurrente frente de densidad localizado en el extremo oriental de giro anticicl´onico del oeste (WAG, de sus siglas en ingl´es) cuya estructura es muy similar a la del habitual frente de Almer´ıa-Oran. Alb500 reproduce de forma precisa el proceso de FG de este frente, inducido por el aumento de tensi´on del campo de velocidad geostr´ofica superficial, as´ı como el desarrollo de la circulaci´on secundaria ageostr´ofica asociada al frente, con episodios de intenso movimiento vertical descendente (en ingl´es, downwelling) alcanzando velocidades del orden de 1 km al d´ıa. El campo de velocidad vertical que revela el an´alisis de la simulaci´on Alb500 sugiere que los movimientos verticales en el Mar de Albor´an pueden ser originados por otros tipos de perturbaciones de submesoescala, tales como inestabilidades en la capa de mezcla, las mareas, o bien ondas internas de origen topogr´afico. La exploraci´on de estos mecanismos y de las posibles interacciones que tiene lugar entre ellos va m´as all´a de los objetivos de esta Tesis, si bien se pretende profundizar en el estudio de dichos procesos con un futuro y exhaustivo an´alisis de la simulaci´on Alb500 utilizando t´ecnicas lagrangianas.
- català
La transici´o de la mesoescala a la submesoescala s’investiga a la Mar Mediterr`ania occidental a partir d’una s`erie de simulacions amb el model ROMS. L’estudi est`a format per v`aries etapes que abasten aquest rang d’escales, des d’una descripci´o regional de la circulaci´o a la Mediterr`ania occidental, fins als processos que tenen lloc a escales locals. L’an`alisi de mesoescala es realitza en termes del cicle d’energia de Lorenz (LEC, de les seves sigles en angl`es), que permet quantificar els intercanvis d’energia cin`etica i potencial que tenen lloc en un fluid degut a les interaccions entre el fluxe mitj`a i el fluxe turbulent. Les fonts d’energia cin`etica turbulenta s’investiguen amb ROMSWMED32, una simulaci´o de mesoescala (3.5 km) que abarca un periode de 18 anys. Una formulaci´o regional del LEC permet diferenciar si aquests intercanvis d’energia s´on d’origen local o remot. Els patrons de conversi´o d’energia s’investiguen a tres sub-regions: Mar d’Alboran, Conca d’Alg`eria i Conca del Nord. Els resultats del LEC mostren que la Mar d’Alboran ´es la zona m´es energ`etica de la Mediterr`ania occidental. La distribuci´o espacial de les rutes de conversi´o d’energia, juntament amb les caracter´ıstiques geogr`afiques i din`amiques d’aquesta regi´o, suggereixen dos mecanismes de submesoescala com a principals responsables del manteniment del balan¸c d’energia: generaci´o topogr`afica de vorticitat (TVG, de les seves sigles en angl`es) i frontog`enesi (FG). La transici´o cap a la submesoescala a la Mar d’Alboran s’investiga a partir de dues simulacions realistes niuades que cobreixen aquesta regi´o, amb resolucions que augmenten des de 1.5 km (WMed1500) fins a 0.5 km (Alb500). La din`amica de submesoescala s’aprecia en Alb500 segons augmenta la resoluci´o. Els processos de TVG i FG simulats amb Alb500 no presenten una clara variabilitat espacial ni temporal que faciliti la seva descripci´o estad´ıstica. Per tant, l’an`alisi d’aquests mecanismes es realitza a partir d’esdeveniments a¨ıllats que es poden considerar representatius de la din`amica de la Mar d’Albor´an. La quantificaci´o i l’an`alisi de la TVG es realitza mitjan¸cant l’equaci´o de balan¸c de la vorticitat barotr`opica. La generaci´o de vorticitat per interacci´o del corrent amb la topografia s’avalua en termes de l’esfor¸c de tall (en angl`es, bottom stress) i de l’arrossegament (en angl`es, form drag), que n’´es la principal font. La FG s’analitza en un intens i recurrent front de densitat localitzat a l’extrem oriental del gir anticil`onic de l’Oest (WAG, de les seves sigles en angl`es) d’estructura molt similar a l’habitual front d’Almeria-Or`a. Alb500 simula de forma precisa el proc´es de FG d’aquest front, provocat per l’augment de tensi´o del camp de velocitat geostr`ofica superficial, aix´ı com la generaci´o de la circulaci´o secund`aria ageostr`ofica associada al front, amb episodis d’intens moviment vertical descendent (en angl`es, downwelling) assolint velocitats de l’ordre d’1 km per dia. El camp de velocitat vertical que mostra l’an`alisi de la simulaci´o Alb500 suggereix que els moviments verticals a la Mar d’Alboran podrien ser causats per altres tipus de perturbacions de submesoescala, tals com inestabilitats dins la capa de mescla, efectes de la marea, o b´e ones internes d’origen topogr`afic. L’exploraci´o d’aquests mecanismes i de les seves posibles interaccions no ´es l’objectiu d’aquesta Tesi, si b´e la futura i exhaustiva an`alisi de la simulaci´o Alb500 mitjan¸cant t`ecniques Lagrangianes preten profunditzar en el coneixement d’aquests processos.
- English
The transition from mesoscale to submesoscale dynamics is investigated in the western Mediterranean Sea (WMed) using a set of ROMS model simulations. The research is structured in a series of sequential stages covering the mesoscale-tosubmesoscale range, starting from a regional overview of the WMed ocean circulation and zooming in towards local processes. The mesoscale exploration is assessed in terms of the Lorenz energy cycle (LEC), which provides a quantification of the kinetic-potential energy exchanges through eddymean flow interactions. The sources of eddy kinetic energy are analyzed by applying a regional formulation of the LEC to 18 years of the ROMSWMED32 numerical simulation at eddy-resolving resolution (3.5 km), which allows identification of whether the energy exchange between the mean and eddy flow is local or nonlocal. The patterns of energy conversion between the mean and eddy kinetic and potential energy are estimated in three subregions of the domain: the Alboran Sea, the Algerian Basin, and the Northern Basin. Results from the LEC analysis reveal that the Alboran Sea is the most energetic region in the WMed. The spatial characterization of the energy conversion routes, together with the physical and dynamical characteristics of the area, hints at two principal submesoscale mechanisms involved in maintaining balance: topographic vorticity generation (TVG) and frontogenesis (FG). The transition toward the submesoscale is explored in the Alboran Sea by means of two nested, realistic simulations covering this region with increasing horizontal resolutions ranging from 1.5 km (WMed1500) to 0.5 km (Alb500). Unbalanced submesoscale dynamics emerge in the finer solution as the model resolution is increased. The occurrence of TVG and FG in Alb500 does not display a clear spatial nor temporal variability which facilitates an overall statistical approach. Instead, our analysis is focused on particular events of FG and TVG which are considered to be representa- tive of the Alboran Sea dynamics. TVG is explored and quantified using the barotropic vorticity balance equation, in which the generation of vorticity through flow-topography interaction relies on contributions from bottom stress and form drag, the latter being the principal source. FG is analyzed in a recurrent, intense density front located at the eastern edge of the permanent western anticyclonic gyre (WAG) which has a similar structure to that of the climatological Almeria-Oran front. Alb500 accurately reproduces the process of FG in this front, instigated by the straining of the mesoscale velocity field, and the generation of ageostrophic secondary circulation, exhibiting transient downwelling events reaching peak vertical velocities of O(1) km day−1 . The vertical velocity background revealed throughout the analysis of the Alb500 solution suggests that vertical motions in the Alboran Sea might stem from additional sources of perturbations in the submesoscale range, such as mixed layer instabilities, tidal effects or topographic internal waves. Exploring these mechanisms and the possible interactions among them is beyond the scope of this Thesis; planned further analysis of the Alb500 simulation using Lagrangian techniques is likely to shed light on such processes.
