Cómo es el balance dinámico de la circulación en el Área Natural Protegida Los Cóbanos?

Transcripción

1 Cómo es el balance dinámico de la circulación en el Área Natural Protegida Los Cóbanos?

2 Contenido 1. Resumen Introducción Metodología Resultados Discusión Referencias Figuras Tablas

3 1. Resumen El de El Salvador con el fin de vigilar los procesos y fenómenos naturales que pueden afectar a la población en la Zona Costero Marina, instaló en septiembre de 2012 dos perfiladores acústicos de corriente y oleaje (AWAC/NORTEK) en el área de influencia de los puertos de Acajutla y La Unión. El sensor frente al puerto de Acajutla se instalo a 4 km mar adentro a una profundidad de 20 m. En el presente trabajo se han procesado las mediciones desde septiembre de 2012 hasta febrero 2013 (3,234 horas), como característico de la estación seca, y de mayo hasta octubre 2013 (3,744 horas), como característico de la estación lluviosa. En el balance dinámico de la circulación en la franja marina costera, como el Área Natural Protegida Los Cóbanos, intervienen la fuerza de atracción de la luna y el sol sobre la columna de agua; el esfuerzo de viento sobre la interfase aire agua; la fuerza de cizalladura entre capas de diferente densidad; la fuerza de fricción sobre la interfase agua - tierra. Por efecto del esfuerzo del viento, la capa de superficie fluye hacia el Sur-suroeste en la estación seca, sugiriendo una predominancia de viento del Norte-noreste y hacia el Sursureste en la estación lluviosa, sugiriendo una predominancia de viento del Norte-noroeste. Por efecto de la fuerza de cizalladura entre capas de diferente densidad, la capa de fondo fluye hacia el Sureste y por efecto de la fuerza de fricción con el fondo, en las inmediaciones del mismo (hasta 4 m), ésta fluye hacia el Sur-sureste. El promedio ± desviación estándar de los perfiles de rapidez y dirección de la corriente para la estación seca y lluviosa muestran: capa de superficie, 0 4 m de profundidad; capa de fondo, 4 20 m de profundidad. Los diagramas de caja de los perfiles de rapidez y dirección de la corriente muestran para la capa de superficie: en la estación seca, rapidez media de 0.4 m.s -1 y dirección media de Sursuroeste; en la estación lluviosa, rapidez media de 0.2 m.s -1 y dirección media de Sursureste y para la capa de fondo: en estación seca y lluviosa, rapidez media de 0.2 m.s -1 y dirección media entre Sureste y Sur-sureste. 3

4 2. Introducción El de El Salvador con el fin de vigilar los procesos y fenómenos naturales que pueden afectar a la población en la Zona Costero Marina, instaló en septiembre de 2012 dos perfiladores acústicos de corriente y oleaje (AWAC/NORTEK) en el área de influencia de los puertos de Acajutla y La Unión. El sensor frente al puerto de Acajutla se instalo a 4 km mar adentro a una profundidad de 20 m (Figura 1). El Área Natural Protegida Los Cóbanos es la única marina del Sistema Nacional de Áreas Naturales Protegidas. El área total es de km 2 conformada por una porción marina de km 2 y una porción terrestre de 5.76 km 2. El fondo marino son terrazas rocosas formadas, al igual que Punta Remedios, por la erupción del Volcán de Santa Ana. La arena es con un alto contenido de carbonato de calcio. La biodiversidad es alta encontrándose abundancia de peces, moluscos y crustáceos. Su rasgo característico es la presencia de parches de corales. Partiendo de que en el balance dinámico de la circulación en la franja marina costera intervienen la marea, el viento, el oleaje y la densidad, las mediciones del perfil de la corriente en un punto, pueden servir para: investigar balance dinámico de la circulación; modelar la dispersión de sedimentos, organismos vivos y contaminantes; estudiar procesos costeros, pesquerías e impactos ambientales. Es importante conocer el balance dinámico de la circulación en las inmediaciones de la línea de costa porque: el intercambio de volúmenes (dulce, salobre, salado) garantizan la adecuada calidad del agua (salinidad, temperatura, sedimentos); la migración de organismos vivos (estadios larvarios, zona de refugio de grandes migratorios) garantiza los ciclos de vida de especies de importancia comercial (peces, crustáceos, moluscos); el área de la sección transversal (profundidad máxima, ancho promedio) refleja el balance de sedimentos entre fuentes y sumideros (estuarios, línea de costa, fondos marinos). En el Área Natural Protegida Los Cóbanos se encuentra Punta Remedios la cual separa la sección de línea de costa de la Planicie Costera Occidental, cuya principal característica son largas playas separadas por esteros, de la sección de línea de costa de la Cordillera el Bálsamo, cuya principal característica son pequeñas playas de bolsillos separadas por acantilados altos (mayor de 30 m de altura) (Figura 1). El agua de mar fluye paralelo a la línea de costa impulsado por la corriente de marea: en marea alta hacia las bocanas El Limón y Ayacachapa y en marea baja hacia Punta Remedios. En su recorrido es modificada por la corriente de deriva generada por la brisa marina que en el día sopla de mar a tierra y por la noche de tierra a mar. Por otra parte la 4

5 corriente de oleaje actúa a favor de la corriente de marea en marea alta cuando recorre la línea de costa de Punta Remedios y en contra de la corriente de marea en marrea baja cuando recorre la línea de costa de la Planicie Costera Occidental. Cerca de la costa, la estratificación vertical en la estación lluviosa tiende a ser controlada por los ríos que descargan grandes volúmenes de agua de mayor temperatura y menor salinidad que el agua de mar, y en la estación seca por la homogenización de la columna de agua por factores como mayor transparencia, mayor penetración de la luz mayor velocidad del viento. 5

6 3. Metodología Los sistemas de medición fueron instalados para que estuvieran transmitiendo de forma continua, mediante un cable de datos que une al perfilador acústico en el fondo del mar con la boya en superficie, en donde se encuentra un juego de radio-modem/antena que transmite a otro juego de radio-modem/antena en tierra, para el almacenamiento en una laptop y su posterior envío vía conexión de Internet al centro de datos del Ministerio. El perfilador acústico AWAC de NORTEK está instalado en el fondo del mar sobre un peso muerto de 1 m de altura. Cuenta con 4 transductores y sensores para medir temperatura, presión, inclinación y campo magnético. Está configurado para medir la frecuencia de recepción de los haces acústicos emitidos con una frecuencia de 600 khz, en láminas de 1 m de grosor (el perfil tiene 20 láminas). La corriente se calcula a partir de la medición de la frecuencia de recepción y de la velocidad del sonido en agua de mar. La velocidad del sonido en el agua de mar se calcula a partir de la medición de temperatura y de un valor constante de salinidad de 35 PSU. El rumbo se calcula a partir de la medición del campo magnético y de la inclinación. El oleaje se calcula a partir de la medición de corriente en las láminas de la capa de superficie y de la presión. La frecuencia de las mediciones es de 6 Hz (6 por segundo), almacenando y transmitiendo el promedio cada 20 minutos para corriente y cada 60 minutos para oleaje y marea. En el presente trabajo se han procesado las mediciones desde septiembre de 2012 hasta febrero 2013 (3,234 horas), como característico de la estación seca, y de mayo hasta octubre 2013 (3,744 horas), como característico de la estación lluviosa. El procesamiento tiene por objetivo estudiar la variabilidad espacial y temporal del campo medio de la corriente, oleaje y marea. Para que el procesamiento sea representativo del campo medio, las mediciones fueron filtradas con la siguiente relación: Atípico = Promedio ± 2.7 Desviación Estandar Que se obtiene del supuesto de que la Función de Distribución de Probabilidad de las mediciones se aproxima a una normal o de Gauss. A partir de los perfiles de rapidez y dirección de la corriente se calculó: promedio ± desviación estándar; diagramas de Hovemuller; diagramas de caja; series temporales de las características del oleaje (altura significativa, período y dirección de la componente más energética del oleaje); series temporales de las características de la marea (altura del nivel del mar, rapidez y dirección de la corriente de marea). 6

7 3. Resultados El promedio ± desviación estándar de los perfiles de rapidez y dirección de la corriente muestran, para ambas estaciones (seca y lluviosa), un perfil dividido en dos capas: capa de superficie, 0 4 m de profundidad; capa de fondo, 4 20 m de profundidad (Figura 2). Los diagramas de Hovemuller de los perfiles de rapidez y dirección de la corriente muestran, para ambas estaciones (seca y lluviosa), una mayor rapidez y alternancia en la dirección en toda la columna de agua por efecto de la marea: de 0.2 m.s -1, mareas muertas a 0.4 m.s -1, mareas vivas; de 135, de marea alta a baja a 315, de marea baja a alta. Además en la estación seca en la capa de superficie, se observa una mayor rapidez y alternancia en la dirección por efecto del viento: de 0.6 m.s -1, brisa marina a 0.8 m.s -1, flujos del Norte u Oeste; de 45, de tierra a mar a 225, de mar a tierra (Figura 3). Los diagramas de caja de los perfiles de rapidez y dirección de la corriente muestran, para la capa de superficie en la estación seca, una rapidez media de 0.4 m.s -1 y dirección media de Sur-suroeste y en la estación lluviosa de 0.2 m.s -1 y dirección de Sur-sureste. Por otra parte muestran, para la capa de fondo en ambas estaciones, seca y lluviosa, una rapidez media de 0.2 m.s -1 y dirección media entre Sureste y Sur-sureste (Figura 4). Las series temporales de altura significativa, período y dirección de la componente más energética del oleaje muestran, para ambas estaciones (seca y lluviosa), oleaje del tipo de mar de leva, de altura pequeña, generado por tormentas extra-tropicales del Hemisferio Sur. En la estación seca el período, la altura y dirección son: 13 ± 2 s; 0.8 ± 0.2 m; 210 ±7, mientras que en la estación lluviosa son: 13 ± 2 s; 1.2 ± 0.3 m; 204 ± 6 (Figura 5). Las series temporales de la altura del nivel del mar, rapidez y dirección de la corriente de marea muestran, para ambas estaciones (seca y lluviosa), marea del tipo semidiurna, de altura mediana, generada por armónicos semi-diurnos, diurnos, de largo período y no lineales. En la estación seca la altura del nivel del mar, rapidez y dirección de la corriente de marea son: 19.1 ± 0.6; 0.1 ± 0.1 m.s -1 ; 160 ± 80, mientras que en la estación lluviosa son: 19.6 ± 0.6 m; 0.1 ± 0.1 m.s -1 ; 150 ± 84 (Figura 6). En la batimetría del puerto de Acajutla se observa que la orientación de las isobatas y pendiente de la profundidad cambia de Sur Norte y 2% frente a línea de costa de Punta Remedios, a Sureste Noroeste y 1% frente a la línea de costa de la Planicie Costera Occidental. En las inmediaciones de la localización del sensor AWAC/NORTEK la orientación de la isobata de 20 m es Sur-sureste Norte-noroeste (Figura 7). 7

8 La conservación de la cantidad de movimiento establece que su derivada total es igual a la sumatoria de fuerzas. Además la hipótesis del medio continuo establece que las propiedades del fluido son continuas. Basado en lo anterior la corriente en la columna de agua se pude aproximar con el promedio de la corriente en las dos capas (Tabla 1). Para comparar las mediciones del AWAC-NORTEK (89.87 W, N), con las simulaciones en el nodo más cercano del HYCOM (89.92 W, N), se promedió en la vertical la rapidez y dirección de la corriente. En el caso de las mediciones el promedio se hizo sobre las 20 capas: 0:1:20 m; y en el caso de las simulaciones sobre los 3 niveles: 0; 10; 20 m (Figura 8 y Tabla 2). El tiempo que le lleva a la marea recorrer el Área Natural Protegida Los Cóbanos es aproximadamente de 15 minutos: t = L gd = 15,000 m = 874 segundos 15 minutos ms 1 Donde: L, distancia que se adentra al mar el Área Natural Protegida Los Cóbanos (15 km); gd, velocidad de propagación de la marea; g, aceleración de la gravedad (9.81 m/s 2 ); d, profundidad promedio del Área Natural Protegida Los Cóbanos (30 m). 8

9 4. Discusión En el balance dinámico de la circulación en aguas costeras, como el Área Natural Protegida Los Cóbanos, intervienen la fuerza de marea (fuerza de atracción de la luna y el sol sobre la columna de agua); el esfuerzo de viento sobre la interfase aire agua; la fuerza de cizalladura entre capas de diferente densidad; la fuerza de fricción sobre la interfase agua - tierra. La fuerza de mareas transfiere cantidad de movimiento a la columna de agua, el esfuerzo de viento acelera la capa de superficie, la fuerza de cizalladura transfiere cantidad de movimiento de la capa de superficie a la capa de fondo y la fuerza de fricción desacelera la capa de fondo. La dirección del transporte depende del agente que transfiere cantidad de movimiento a la columna de agua: el transporte por viento tiene una dirección, en el hemisferio Norte, a la derecha del viento; el transporte por marea tiene una dirección paralela a las isobatas; el transporte por oleaje tiene una dirección paralela a la del oleaje. Por efecto del esfuerzo del viento, la capa de superficie fluye hacia el Sur-suroeste en la estación seca, sugiriendo una predominancia de viento del Norte-noreste y hacia el Sursureste en la estación lluviosa, sugiriendo una predominancia de viento del Nortenoroeste. Por efecto de la fuerza de cizalladura entre capas de diferente densidad, la capa de fondo fluye hacia el Sureste y por efecto de la fuerza de fricción con el fondo, en las inmediaciones del mismo (hasta 4 m), ésta fluye hacia el Sur-sureste. En la zona de espuma comprendida entre la zona de rompiente y la línea de costa, es en donde el transporte de sedimentos es mayor y está controlado por la corriente de oleaje la cual tiene la dirección de este descomponiéndose en componente paralela y perpendicular a la línea de costa. Mar afuera, detrás de la zona de rompiente, el transporte de sedimento es menor y es controlado por la corriente de marea la cual tiene la dirección de las isobatas, que en las inmediaciones de la línea de costa, tienen la misma dirección de esta. En la línea de costa el transporte de sedimentos es controlado por el viento que en el caso del sistema de brisa marina es perpendicular a la línea de costa, de día de mar a tierra y de noche de tierra a mar. Un Modelo de la Circulación General (GCM por sus siglas en ingles), resuelve las ecuaciones de Navier-Stokes en una tierra en rotación, con términos termodinámicos que representan las fuentes de energía: radiación de onda corta y larga; flujos de calor latente y sensible. HYCOM es uno de estos modelos y sus simulaciones han sido comparada con mediciones del nivel del mar y de corrientes para evaluar su precisión y 9

10 confiabilidad para reproducir la marea vertical (stammer et al, 2014), la marea horizontal (Timko et al, 2013) y la energía cinética total (Scott et al. 2010). Se aplicó el Análisis de Correlación Canónica (CCA por sus siglas en ingles), para comparar el balance dinámico de la corriente entre la localización del anclaje AWAC- NORTEK y la localización del nodo HYCOM (Figura 1). Las mediciones y simulaciones de la corriente se pueden descomponer en: Donde: X = AU T Y = BV T X Y Y: Matrices de datos: rapidez y dirección de la corriente en las localizaciones del anclaje y del nodo. A Y B: Coeficientes canónicos: pesos en el balance dinámico de la rapidez y dirección de la corriente en las localizaciones del anclaje y del nodo. U Y V: Variables canónicas: combinación lineal de los pesos en el balance dinámico por la rapidez y dirección de la corriente en las localizaciones del anclaje y del nodo. Los resultados del CCA son: el peso en el balance dinámico de la corriente, en las localizaciones del anclaje y del nodo, de la rapidez es 4 órdenes de magnitud mayor que el de la dirección (10 2, 10-2 ); el peso en el balance dinámico de la rapidez y dirección de la corriente en la localización del anclaje es 2.5 y 2.0 veces el de la localización del nodo, en la estación seca; el peso en el balance dinámico de la rapidez y dirección de la corriente en la localización del anclaje es 1.8 y 3.0 veces que el de la localización del nodo, en la estación lluviosa. Los resultados del CCA sugieren que la energía disponible para el balance dinámico de la corriente es mayor en la localización del nodo que en la localización del anclaje. 10

11 5. Referencias Hsu, S. A., Weggel J. R. Coastal Engineering Manual. Chapter III-6: Sediment transport outside the surf zone. CEM (Part III) Madsen, O. S., Wood, W. Coastal Engineering Manual. Chapter III-4: Wind-blown sediment transport. CEM (Part III) Rosati, J. D., Walton, T. L., Bodge K. Coastal Engineering Manual. Chapter III-2: Longshore sediment transport. CEM (Part III) Scott, R. B. et al. (2010), Total kinetic energy in four global eddying ocean circulation models and over 5000 current meter records, Ocean Modelling 32 (2010) , doi: /j.ocemod Stammer, D., et al. (2014), Accuracy assessment of global barotropic ocean tide models, Rev. Geophys., 52, , doi: /2014rg Timko, P. G., et al. (2013), Skill testing a three-dimensional global tide model to historical current meter records, J. Geophys. Res. Oceans, 118, , doi: /2013jc

12 6. Figuras Figura 1. Imagen de Google Earth del Área Natural Protegida Los Cóbanos mostrando la localización de la boya del perfilador acústico de corrientes (AWAC-NORTEK) y del nodo del modelo HYCOM. Elaboración propia a partir de imagen de GOOGLE EARTH. 12

13 Figura 2. Perfiles promedio ± desviación estándar de los perfiles de rapidez y dirección de la corriente. A) Estación seca (Septiembre/2012 Febrero/2013). B) estación lluviosa (Mayo Octubre/2013). 13

14 Figura 3. Diagramas Hovemuller de perfiles de rapidez y dirección de la corriente. A) Estación seca (Septiembre/2012 Febrero/2013). B) estación lluviosa (Mayo Octubre/2013). 14

15 Figura 4. Diagramas de caja de perfil de rapidez y dirección de la corriente. A) Estación seca (Septiembre/2012 Febrero/2013). B) estación lluviosa (Mayo Octubre/2013). 15

16 Figura 5. Series temporales de altura significativa, período y dirección de la componente más energética del oleaje. A) Estación seca (Septiembre/2012 Febrero/2013). B) estación lluviosa (Mayo Octubre/2013). 16

17 Figura 6. Series temporales de altura del nivel del mar, rapidez y dirección de la corriente de marea. A) Estación seca (Septiembre/2012 Febrero/2013). B) estación lluviosa (Mayo Octubre/2013). 17

18 Figura 7. Batimetría del puerto de Acajutla. Incluye ayudas para la navegación, instalaciones submarinas y fotografía de la boya en su localización. Elaboración propia a partir de imagen de NAVOCEANO. 18

19 Figura 8. Comparación de series temporales de rapidez y dirección de la corriente. Medición (azul), simulación (rojo). A) Estación seca (Septiembre/2012 Febrero/2013). B) Estación lluviosa (Mayo Octubre/2013). 19

20 7. Tablas Mediciones Aproximaciones Estación Rapidez (m/s) Dirección (grados) Rapidez (m/s) Dirección (grados) Seca Lluviosa Tabla 1. Mediciones y aproximaciones de la rapidez y dirección de la corriente en la columna de agua. La aproximación se calculo con la relación V c 1 V 2 s + V f donde: V c, corriente de la columna de agua; V s, corriente de la capa de superficie; V f, corriente de la capa de fondo. Mediciones Simulaciones Estación Rapidez (m/s) Dirección (grados) Rapidez (m/s) Dirección (grados) Seca 0.18 ± ± ± ± 60 Lluviosa 0.12 ± ± ± ± 69 Tabla 2. Promedio y desviación estándar de mediciones y simulaciones. Las series temporales con máxima correlación son las series temporales estandarizadas (U = (X X)G ; V = (Y Y)H. El peso del patrón espacial con máxima coherencia es A = 1 ; B = 1. X std Y std 20