Coastal counter-currents setup patterns in the Gulf of Cadiz: an indication of their forcing factors

Dissertação de mestrado, Sistemas Marinhos e Costeiros, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2017Alongshore coastal counter-currents (CCCs) are frequent features of Eastern Boundary Upwelling Systems, where they temporally alternate with upwelling driven jets of opposite direction. Along the northern margin of the Gulf of Cadiz inner shelf, these CCCs are oriented poleward (eastward) and are responsible for sharp temperature increases during the upwelling season, along with potential decline in water quality at the coast. This research is based on a multi-year ADCP velocity time-series (2008-2017), recorded at a single location (23 m water depth) over 13 deployments up to 3 months-long. The analysis focuses on the water column alongshore velocities during current inversions (i.e., the transition from equatorward upwelling jets to poleward CCCs). A set of parameters were derived from the flow structure to identify distinct types of inversions and to hypothesize about their driving mechanisms. Results showed that 77% of the inversions start near the bed, propagating then to the upper layers. The bottom layer also changes direction before the surface layer for most events (71%). The vertical shear in this case is one order of magnitude greater than in the (less frequent) opposite situation. No seasonal variability was observed in the CCCs occurrences. However, the parameters analysed in this study suggest different types of inversion between winter and summer. In winter, inversions are well defined (low variability), with similar patterns near the surface and bed layers as a result of a strong barotropic component. In summer, the inversion patterns are more variable. In particular, the upper and bed layers are often importantly decoupled during inversions, indicating the strengthening of baroclinicity. A categorization of inversions events is proposed based on the correlation of the characteristics between the developed parameters. Various types of inversion were obtained, suggesting that CCCs are driven by different forcings that may act separately or jointly.As contra-correntes costeiras (CCCs) ao longo da costa são características frequentes dos sistemas de afloramento costeiro, onde alternam temporariamente com jatos de direção oposta. Sua ocorrência já foi registada e estudada em diversas regiões do planeta, tais como na costa Sul-Africana, na costa Peruana e na costa oeste norte americana onde o seu estudo tem se desenvolvido com um maior dedicação. Ao longo da margem norte da plataforma do Golfo de Cádiz, estas CCCs desenvolvem-se de Leste para Oeste numa estreita faixa de largura que pode chegar até 30 km. As CCCs são responsáveis por elevar rapidamente a temperatura durante os períodos de afloramento no verão e durante o inverno o oposto acontece, uma vez que a afluência de águas provenientes do interior do continente torna-se mais frequente na região. Apesar de não representarem uma característica permanente da região, sua ocorrência acontece em média uma vez por semana com duração de 3 dias. Na região do Golfo de Cádiz, acredita-se que as CCCs possam apresentar um potencial declínio na qualidade da água. Estas correntes podem ser responsáveis pelo transporte de águas pobres em nutrientes ou o transporte de poluentes. No campo da biologia marinha, seu estudo é também de grande interesse, uma vez que a dispersão de larvas pode estar associada a estas correntes. O conhecimento mais aprofundado da circulação nesta região irá também influenciar na construção de modelos de previsão mais precisos. No entanto, o processo de desenvolvimento e as forças motrizes responsáveis continuam por se descrever e comprovar. Actualmente existem várias teorias para o seu desenvolvimento. A primeira teoria explica o desenvolvimento das CCCs baseando-se na existência de uma inclinação da superfície do mar ao longo da costa. Esta diferença de nível geraria um gradiente horizontal de pressão e essa seria a força principal para iniciar o fluxo. Fenómenos típicos de verão como o afloramento costeiro ou o aquecimento das águas pouco profundas da região mais oriental do Golfo poderiam ser os responsáveis por gerar tal desnível da superfície do mar. Outra teoria relaciona as CCCs com a influência da circulação do mar aberto e explica que, águas Atlânticas ao entrarem no Golfo de Cádiz interagem com águas provenientes do mar Mediterrâneo e são forçadas a recircular ciclonicamente. Finalmente a influência de ventos favoráveis que podem ocorrer em qualquer parte do ano, porém com maior frequência nos períodos de outono e inverno. Eventos de CCCs sem a presença destes mesmos ventos podem acontecer, o que exclui os mesmos como o principal agente, porém sua influência não deve ser ignorada uma vez que estes ventos ocorrem com alguma frequência e força suficiente para influenciar na circulação da região. As actuais teorias apresentadas anteriormente implicam sazonalidade na ocorrência dos agentes forçadores das CCCs, porém um estudo recente mostrou que estas correntes podem acontecer em qualquer período do ano sem grande diferença de frequência entre inverno e verão. Tendo isto em conta surgiu então as questões que motivaram este trabalho: será que as CCCs são causadas sempre pelos mesmos factores? Se existirem mais do que uma força envolvida será que o fluxo desenvolver-se-á de forma distinta. Para tentar responder a esta questão este trabalho foi elaborado com o objectivo de analisar o desenvolvimento CCCs focando no memento de inversão (isto é, o momento de mudança de sentido de Leste para Oeste). Na presença de diferentes forças actuantes foi esperado diferentes tipos de perfis verticais do fluxo e uma categorização foi efectuada juntamente com uma indicação das possíveis forças responsáveis. Este estudo baseia-se em séries temporais de velocidade plurianuais (2008-2017), obtidas através de ADCP, e registadas em uma mesma localização a 23 m de profundidade durante 13 campanhas de até 3 meses de duração cada uma. A análise centra-se nos perfis de velocidades de componente longitudinal durante inversões. Um conjunto de parâmetros foi derivado da estrutura vertical e temporal do fluxo para identificar diferentes tipos de inversões e a hipotetizar possíveis mecanismos que justifiquem o desenvolvimento das CCCs. Para tal foram consideradas 3 camadas do fluxo: Velocidade média da coluna de água, camadas junto ao fundo e camada junto à superfície. Os resultados mostram que em média o processo de inversão apresenta um período de 2 dias em todas as camadas, e que as camadas superiores apresentam sempre uma aceleração mais acentuada durante as inversões. Os resultados mais significantes mostram que 79% das inversões começam junto ao fundo, propagando-se então para as camadas superiores. A camada inferior também muda de direcção antes da camada superficial para a maioria dos eventos (77%). O cisalhamento vertical neste caso é uma ordem de magnitude maior do que na (menos frequente) situação oposta. Nenhuma variabilidade sazonal é observada nas ocorrências das CCCs. Entretanto, os parâmetros analisados neste estudo sugerem 3 diferentes tipos de inversões que apresentam um grau de sazonalidade. Tipo A acontecendo preferencialmente durante os meses de outono. Este tipo é definido por inversões em que as camadas do fundo sofrem um desaceleramento (ainda na direcção oposta as CCCs) primeiro, mas a mudança de sentido ocorre primeiramente nas camadas superficiais; Tipo B é o tipo que ocorre com maior frequência durante o ano, mas é predominante nos períodos de primavera-verão. É definido por padrões de inversão mais variáveis. Em particular, as camadas superiores e do fundo são muitas vezes desacopladas durante as inversões, indicando o fortalecimento da baroclinicidade. Neste tipo, as camadas do fundo desaceleram e mudam de sentido primeiro; Tipo 0, predominante no inverno onde as inversões são bem definidas (baixa variabilidade), com padrões de superfície e fundo semelhantes, resultando em um forte componente barotrópico. Os resultados do presente estudo apresentam pela primeira vez um conjunto de parâmetros em que a estrutura vertical do fluxo durante o desenvolvimento das CCCs é descrita. A categorização de eventos de inversão é proposta com base na correlação das características entre os parâmetros criados e vários tipos de inversão são obtidos, sugerindo que as CCCs são conduzidas por diferentes forças que podem agir separadamente ou em conjunto. Uma breve explicação para justificar os tipos de inversões é apresentada explorando os possíveis factores responsáveis, e um posterior complemento para o estudo das CCCs é sugerido