The Tagus estuarine plume variability : impact in coastal circulation and hydrography

Abstract

As descargas dos estuários formam uma pluma que é advetada para a região costeira adjacente, durante a maré vazante, modulando a circulação e hidrografia costeiras. Na costa central portuguesa, a pluma do Estuário do Tejo influencia a hidrografia da região, controlando a dinâmica local. Na atualidade, estudos de plumas estuarinas são realizados utilizando modelos de circulação e de transporte de alta-resolução e sofisticados métodos de análise de dados, como as redes neuronais. O objetivo deste estudo consiste em analisar os padrões da descarga estuarina do Tejo na zona costeira adjacente, sob diferentes condições de vento e eventos de descarga estuarinas elevadas. Neste âmbito, implementou-se o modelo 3D de circulação e transporte MOHID, utilizando um método de downscaling do modelo Operational Model for the Portuguese Coast (PCOMS) (6 km) para a ROFI do Estuário do Tejo (500m). De modo a melhorar os forçamentos atmosféricos do modelo costeiro, implementou-se uma nova aplicação de alta-resolução (2 km) do modelo WRF para a região. A validação dos modelos de circulação e de transporte foram realizadas para o período de Julho a Dezembro de 2012. Resultados numéricos demonstram uma reprodução correta dos padrões superficiais quando comparados com dados observados de velocidade da corrente, salinidade e temperatura da água. O erro médio quadrático (RMSE) das correntes de superfície mostrou um desvio médio inferior a 16 cms−1. Comparação da temperatura superficial da agua com os dados remotos do sensor MODIS-Aqua identificaram um desvio inferior a 2oC, demostrando a qualidade das previsões do modelo em reproduzir os padrões dinâmicos costeiros. De modo a estudar a variabilidade costeira causada pela descarga estuarina do Tejo, simularam-se 5 cenários utilizando ventos favoráveis de upwelling e downwelling, e descargas do Rio Tejo de 1500, 3000 e 5000 m3s−1. As simulações dos cenários foram realizadas para o período de 8-31 de Novembro de 2012, devido à ocorrência de padrões favoráveis de vento. Com o objetivo de quantificar a variabilidade costeira, realizou-se uma analise SOM com 1x4 padrões espaciais dos campos de salinidade à superfície. Os resultados demonstram que as descargas fluviais são o principal forçamento nas simulações, só superados pelo vento aquando se registam baixas descarga fluviais. Secções transversais da salinidade mostraram uma profundidade da pluma estuarina com cerca de 15 m na zona da embocadura do estuário, reduzindo-se para 10 m na zona costeira adjacente ao Cabo da Roca. A tensão do vento revelou ter um papel importante na dispersão da pluma, sendo responsável pelo transporte para norte ou para sudoeste da mesma. Em todos os cenários, os ventos favoráveis a downwelling transportam a pluma para norte encostada à costa, enquanto ventos de upwelling transportam a pluma para sudoeste. A nova implementação de alta resolução em 3D desenvolvida neste trabalho permite retirar informação extra acerca da dinâmica da pluma estuarina sob diferentes condições de vento e descarga do Rio Tejo. Padrões distintos de dispersão foram observados, permitindo uma melhoria do conhecimento da circulação e hidrografia da região. Para trabalhos futuros, este modelo pode permitir o acoplamento de modelos biogeoquímicos ou de derrame de hidrocarbonetos, temas importantes e desafiantes para a complexa zona costeira adjacente ao Estuário do Tejo.

Buoyant discharges from estuaries form an outflow plume that is advected onto the near shelf during the ebb tide, modulating the circulation and hydrography of the adjacent coast. In the central coast of Portugal, the plume from the Tagus Estuary influences the hydrography of the area, controlling local dynamics. Nowadays, estuarine plume propagation studies are performed using high-resolution circulation and transport models and sophisticated data analyses tools, as the artificial neural networks. The main aim of this work consists in studying the Tagus Estuarine outflow behaviour under different wind forcing conditions and variable river discharge events. For this purpose, a 3D circulation and transport model (www.mohid.com) was implemented for the region, using a nested downscaling approach from the Operational Model for the Portuguese Coast (PCOMS) (6 km) to the Tagus ROFI (500 m). To improve the atmospheric circulation model forcing, a new high-resolution atmospheric model (2 km) was implemented for the region, using the WRF model. To validate the circulation and transport models, a simulation period between July and December 2012 was used. Numerical predictions shown an accurate reproduction of the surface patterns when compared with observed data of current velocity, salinity and water temperature. The root mean square error (RMSE) of surface currents revealed a mean deviation lower than 16 cm s−1. SST comparison with MODIS-Aqua remote sensing imagery shows a deviation lower than 2oC, revealing the model accuracy in reproducing coastal dynamics. In order to study coastal variability due to the Tagus estuarine outflow, five scenarios were simulated under upwelling and downwelling favourable winds and Tagus river discharge of 1500, 3000 and 5000 m3s−1. The scenarios simulations were performed for the days 8-31 of November 2012 because of favourable distinct wind patterns. In order to quantify the region variability 1×4 Self-Organizing Map (SOM) of the surface salinity fields were performed. The results show that river discharge is the main controlling forcing for the scenarios simulation, only overtaken by the wind, when low discharge values were present. The cross-shelf sections show a depth of the plume bulge of 15 m near the mouth of the estuary, reducing to 10 m in the far region, near Cabo da Roca. The wind stress played a powerful role in the dispersion of the bulge, being responsible for the north or southwest transport of the plume. In all scenarios, under downwelling favourable winds the plume is compressed toward the coast, and under upwelling winds the plume follows a SW direction, being advected offshore. The new high resolution 3D implementation developed in this study provides extra information about the Tejo estuarine plume dynamic under different conditions of winds and river discharge. Distinct spatial dispersion was observed improving the knowledge of the region circulation and hydrography. Thus, this validated implementation can be used for new studies, such as coupling of a biogeochemistry or oil spill models, topics that are important and challenging for a complex coastal region such as the off the Tagus Estuary.