MOCBASE

CÓDIGO: P12-RNM1540

Modelización y caracterización del sistema circulatorio de la Bahía de Algeciras para el establecimiento de directrices de actuación ante situaciones de emergencia

OBJETIVOS

El proyecto, que se enmarca en la convocatoria de Proyectos de Excelencia del Plan Andaluz de Investigación, aborda el estudio detallado de la Bahía de Algeciras con el fin de proporcionar a las autoridades responsables información útil y aplicable para la gestión de este entorno natural. Contempla una serie de objetivos:

1. Descripción de la circulación en la Bahía de Algeciras basada en observaciones históricas completadas con otras nuevas que cubran lagunas encontradas en la información disponible.
2. Utilizar el modelo numérico desarrollado por el Grupo en el marco del proyecto de oceanografía operacional SAMPA (http://sampa-apba.puertos.es/) en modo hindcast para investigar los tiempos de renovación de las aguas subsuperficiales y profundas de la Bahía.
3. Desarrollar modelos de alta definición espacial en zonas portuarias y alrededores, anidados al modelo anterior para investigar la dinámica interior del puerto y evaluar parámetros de utilidad en el marco de calidad de aguas.
4. Generar distintos escenarios de circulación en la Bahía con objeto de estudiar problemas de dispersión y difusión de contaminantes.

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RESULTADOS

OBJETIVO 1: circulación general de la Bahía de Algeciras

La circulación general en la Bahía de Algeciras está dominada por la marea, modulada por la dinámica subinercial que, en ambos casos, es forzada a través de su contorno abierto con el Estrecho de Gibraltar. La columna de agua está estratificada con aguas Atlánticas (menos salinas y más cálidas y, por tanto, menos densas) sobre aguas Mediterránea (más salinas y frías y, por tanto, más densas). Entre ambas se sitúa una capa interfacial ubicada en torno a 70 m de profundidad. La constituyente mareal dominante es la semidiurna lunar (M2) cuyo comportamiento en la sección longitudinal a la Bahía se aprecia en la figura, extraída del trabajo publicado en Continental Shelf Research.

Fase (grados, izquierda) y amplitud (cm/s, derecha) de la constituyente M2 de la corriente de marea en la Bahía de Algeciras a lo largo de la línea roja indicada en el inserto.

La capa Atlántica está en cuadratura con la marea barotrópica (nivel del mar) determinando la dinámica mareal esquematizada:

Esquema funcional de la dinámica mareal de la Bahía de Algeciras.

• Con marea llenante la Bahía se inunda de agua Atlántica que entra en superficie, hundiendo la interfaz y forzando a salir agua Mediterránea de la capa profunda hacia el Estrecho.
• Con marea vaciante es el agua Mediterránea la que entra por la capa profunda, levantando la interfaz y empujando al agua Atlántica superficial hacia el Estrecho.

A escala subinercial (tiempos característicos mayores que los periodos de marea), son los vientos los que modulan la circulación de las capas superficiales, acumulando agua dentro de la Bahía bajo un régimen de Levante y ventilándola más eficientemente con vientos de Poniente, como se muestra en la siguiente figura, extraída del trabajo publicado en Marine Pollution Bulletin.

Circulación superficial bajo régimen de Levante (izquierda) y Poniente (derecha).

OBJETIVO 2: tiempos de renovación de aguas sub-superficiales y profundas

La capacidad de la Bahía de renovar sus aguas depende de diversos factores, tanto de la marea y los vientos como forzamientos externos, como de las propias diferencias entre las masas de agua que ocupan la Bahía (características internas). Con el fin de analizar los patrones de renovación de la Bahía se han realizado ejercicios de seguimiento de trazadores virtuales liberados a intervalos regulares en ambas capas y estudiado su evolución. La siguiente figura, extraída del trabajo publicado en Marine Pollution Bulletin, muestra la serie temporal de los tiempos de renovación (e-folding times) calculados a partir de las curvas de decaimiento de la concentración de esos trazadores, junto con la del stress zonal del viento (indicador del forzamiento meteorológico) y la del nivel del mar (indicador del forzamiento mareal).

Tiempos de renovación calculados con trazadores pasivos.

La capa Atlántica se renueva más rápidamente que la Mediterránea, proceso claramente relacionado con la aspiración que el potente Chorro Atlántico que fluye por el Estrecho hacia el interior del Mediterráneo ejerce sobre la capa superficial. La fracción de partículas liberadas en la capa Atlántica, una vez fuera de la Bahía, tienen pocas posibilidades de retornar pues son arrastradas por ese Chorro, lo que no ocurre con las liberadas en la capa Mediterránea que sí tienen más posibilidades de re-entrar en la Bahía al no estar afectadas por él.
La correlación entre los tiempos de renovación de la capa Atlántica y la modulación quincenal del nivel del mar (alternancia marea viva–muerta) es notable. Contrariamente, la capa Mediterránea parece responder a una modulación de origen meteorológica más que a la mareal, mostrando reducción de los tiempos de renovación (e-folding) cuando la variabilidad atmosférica es mayor y vice-versa. Otro enfoque útil para analizar los patrones de ventilación de la Bahía es el cálculo de trayectorias Lagrangianas, trayectorias que siguen las partículas virtuales. Un total de 4000 se han liberado en la capa Atlántica de la Bahía y sus trayectorias se han reconstruido durante tres días.

Este cálculo de trayectorias Lagrangianas se ha aplicado de forma más sofisticada al modelo de alta resolución desarrollado posteriormente y descrito a continuación.

OBJETIVO 3: Desarrollo de modelos de alta resolución en la Bahía

La resolución espacial del actual modelo SAMPA resulta no ser adecuada para poder resolver la dinámica portuaria local de la Bahía de Algeciras, así que, para paliar esta carencia, se ha implementado un modelo anidado capaz de proporcionar una resolución progresivamente creciente a través del acoplamiento de tres dominios distintos. El primer dominio (REG, panel a) corresponde en extensión al mallado del anterior modelo SAMPA, presenta un total de 46 niveles verticales de espesor variable y mínimo en superficie (grosor de la celda superficial = 5 m), y un total de casi 1.6 millones de nodos. Al dominio REG se anida el dominio BAM (acrónimo del inglés Bay of Algeciras Medium resolution), que cubre toda la Bahía y se extiende fuera de ella hasta aproximadamente la mitad del Estrecho (panel b). El dominio presenta una ratio de escalado de 1:4 con el REG, alcanzando una resolución de unos 150 m dentro de la Bahía, una mayor resolución vertical, con sus 35 niveles distribuidos en una profundidad máxima bastante menor que el REG y una celda superficial de 3 m de espesor, y un total de poco menos de 300.000 nodos. Con este dominio intermedio se alimenta el dominio de muy alta resolución, BAH (acrónimo del inglés Bay of Algeciras High resolution), que llega a alcanzar una resolución de 30 m en el interior de la Bahía (panel c). Su ratio de escalado con respecto al BAM es de 1:5 y su resolución vertical aumenta todavía hasta proporcionar un grosor de la celda superficial de 2 m por 35 niveles totales.

Dominios del nuevo modelo anidado: REG (panel a), BAM (panel b) y BAH (panel c). En el panel b) también se muestra la extensión del dominio BAH en rojo. El mallado del dominio BAH en el panel c) está representado con una de cada 5 celdas, para su mejor visibilidad. Las dársenas (UGAPs, ver texto) analizadas en el módulo de calidad de aguas se muestran en el panel c) en color amarillo.

Para el dominio REG se definen los siguientes forzamientos:

• El modelo Copernicus Marine IBI (Iberian Biscay Irish) Ocean Analysis and Forecasting system, CMEMS-IBI (Sotillo et al. 2015) proporciona los campos baroclínicos de temperatura, salinidad y velocidad horizontal prescritos como condiciones de contornos abiertos en los extremos laterales del dominio.
• El modelo NIVMAR de Puertos del Estado (Fanjul et al. 2001) proporciona el campo de velocidad normal a los contornos laterales, necesario para aplicar el efecto de la presión atmosférica sobre el intercambio neto en el Estrecho.
• El modelo HIRLAM de la Agencia Estatal de Meteorología (AEMET, Cats and Wolters 1996; Navascués et al. 2013) proporciona el forzamiento atmosférico superficial, en términos de stress del viento, radiación de onda corta y larga, precipitación, y humedad y temperatura del aire.
• El modelo LEGOS-POC/CLS (Carrère and Lyard 2003) proporciona los armónicos de marea para calcular el forzamiento barotrópico de velocidad mareal en los contornos laterales.

En los dominios BAM y BAH el forzamiento atmosférico proporcionado por el modelo HIRLAM se interpola a la resolución superficial del mallado, mientras que los campos baroclinos de las condiciones iniciales y de contorno son proporcionadas por los respectivos modelos padres.
Aunque el modelo SAMPA, asimilable al dominio REG del actual modelo, ha sido ampliamente validado anteriormente (Sammartino et al. 2014; Sánchez Garrido et al. 2014; Sotillo et al. 2016; Soto-Navarro et al. 2016; Jordà et al. 2017), los dominios anidados del nuevo modelo, necesitan una validación más fina, que pueda corroborar la validez de las soluciones a escala portuaria y de la Bahía, lo que obligaba a tomar nuevos datos. En Octubre y Diciembre de 2015, dentro de los trabajos previstos en el proyecto y con la colaboración y apoyo logístico de la Autoridad Portuaria de la Bahía de Algeciras, se llevaron a cabo sendas campañas de medida. Por un lado se desplegaron dos parejas de fondeos profundos, una desde Octubre hasta Diciembre de 2015, y otra desde Diciembre hasta Marzo de 2016, ubicados alrededor del cañón de Algeciras en una profundidad de aproximadamente 250 m, equipados con perfiladores de corriente y sensores de temperatura y salinidad. Por otro lado se desplegaron dos fondeos someros en la batimétrica de 30 m en el extremo Nornoroeste de la Bahía, equipados con un perfilador de corriente de alta frecuencia.

Ubicación de los fondeos (izquierda) y despliegue de uno de ellos (derecha).

La validación del modelo tiene la doble finalidad de evaluar la fiabilidad de las soluciones y de estimar la mejora introducida por el incremento de resolución en las áreas portuarias de la Bahía. Como ejemplo de ella, la figura siguiente muestra los armónicos de la constituyente M2 en el fondeo somero S1, comparando observaciones y datos simulados en el dominio REG y BAH.

Armónicos de la constituyente M2 observados y simulados en el fondeo somero S1.

Estos resultados, y los demás detallados en los informes de proyecto, demuestran la notable mejora de las soluciones del modelo que se consigue con el sistema de modelos anidados diseñada para incrementar la resolución espacial. Es uno de los grandes logros de este proyecto.

OBJETIVO 4: Estudio de dispersión difusión de contaminantes

Acoplado al modelo numérico implementado en el proyecto, se ha desarrollado un módulo de cálculo de tiempos de renovación de las aguas de la Bahía expresamente orientado a evaluar la calidad ambiental de las dársenas del puerto homónimo. Utiliza el cálculo de trayectorias Lagrangianas de partículas virtuales para estimar ciertos índices de renovación a partir de ellas. El algoritmo de cálculo de las trayectorias es una versión del esquema Runge-Kutta de 4º orden específicamente adaptado a la integración en un modelo anidado con mallados curvilíneos, y especialmente sensible a la interacción de las partículas con los contornos rígidos del interior de las dársenas.
Para obtener una caracterización lo más representativa posible de toda la casuística de circunstancias ambientales que puedan afectar a la capacidad de renovación de las dársenas, se ha ejecutado un hindcast de los tres modelos de 61 días, durante los cuales se han buscado e identificado periodos donde se diesen condiciones distintas de:

• Viento: Poniente, Levante, Calma
• Intensidad de marea: viva, muerta
• Fase de marea: llenante, vaciante

De la combinación de estas condiciones externas se han definido 10 escenarios distintos (pues sólo se han encontrado calmas durante marea muerta), que se han aplicado como condiciones iniciales de una serie de experimentos de lanzamiento de partículas virtuales en 8 dársenas identificadas como Unidades Portuaria de Gestión Ambiental (UGAPs). La siguiente figura muestra las condiciones de viento y nivel del mar durante los dos meses simulados por el modelo, e indica en magenta los experimentos de lanzamientos de partículas.

Serie temporal de las dos componentes de velocidad del viento y nivel del mar en Algeciras, observadas durante el hindcast. Las líneas magentas indican los tiempos de comienzo de los experimentos, etiquetados según el código de 3 letras acorde a: fase de marea (Flood/Ebb), su intensidad (Spring/Neap) y viento (Poniente, Levante, Calma).

En cada experimento se lanzan 2400 partículas aleatoriamente distribuidas en la superficie de cada dársena y se siguen sus trayectorias durante 10 días. En un análisis Lagrangiano como el empleado, el número de partículas presentes en el interior de las UGAPs y su variación en el tiempo representa un indicador adecuado de la capacidad de ventilación de la misma, y puede ser aproximado por la ecuación C(t)=100exp(-t/a) que describe la variación de una masa de trazador C en el tiempo t como una exponencial cuyo término a indica el tiempo necesario para que la concentración inicial se reduzca en un factor de e (e-folding), y se define generalmente como tiempo de renovación. La figura siguiente muestra estos tiempos en las 8 dársenas (UGAPs) analizadas bajo las 10 combinaciones de condiciones externas definidas anteriormente.

Diagrama de radar de los tiempos de renovación obtenidos para los 80 experimentos realizados en el Puerto de Algeciras. Ver leyenda para la correcta interpretación de las etiquetas. Los valores Inf indican tiempos de renovación mayores de 1000 días.

El resultado más evidente es el notable sesgo que produce el viento en la mayoría de las UGAPs, especialmente en las del margen occidental de la Bahía. Casi todas presentan tiempos de renovación un orden de magnitud menor con Poniente que con Levante e incluso algunas como La Galera, El Saladillo o Refinería Este muestran tiempos mayores de 1000 días (etiquetados Inf en la figura).
Los resultados obtenidos del análisis de dispersión-difusión de contaminantes pueden verse en la página interactiva diseñada expresamente a tal efecto que está accesible en el enlace: http://oceano.uma.es/ugaps.php.
La siguiente animación muestra el resultado de la aplicación del método descrito a la Bahía de Algeciras.

CONTENIDO EXTRA

En el marco del proyecto MOCBASE se ha llevado a cabo un test de levantamiento topo-batimétrico de la zona de rompiente, realizado con un dron en la Bahía de Algeciras. En el siguiente enlace se puede descargar el informe técnico de este ejercicio: Informe_Levantamiento_Dron.pdf

Para mayor detalle, consultar los dos informes de proyectos disponibles en los enlaces:

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ARCHIVOS

• Informe 1a anualidad/Report year 1
• Informe 2a anualidad/Report year 2