Numerical modeling tools applied to estuarine and coastal hydrodynamics: a user perspective

Estuarine and coastal areas have been intensively studied given their complexity, ecological, and societal value and the importance of their ecosystem services. Estuarine and coastal management must be based on a sound characterization of these areas, which is achievable complementing the comprehensive field measurements with numerical models solutions. Based on a detailed comparison between two close-by, but extremely different, Portuguese estuaries (the Douro and Minho estuaries), this chapter intends to discuss how accurately numerical modeling tools can provide relevant information for a variety of coastal zones. They can be very useful for various applications in the planning and management fields, such as coastal and infrastructures protection, harbor activities, fisheries, tourism, and coastal population safety, thus supporting an effective and integrated estuarine and coastal management, which must consider both the safety of the populations and the sustainability of the marine ecosystems and services. In particular, the capacity of the numerical models to give a detailed characterization of morpho-hydrodynamic processes, as well as assess and predict the effects of anthropogenic interventions, extreme events and climate change effects, are presented.This research was partially supported by the Strategic Funding UID/Multi/ 04423/2013 through national funds provided by FCT—Foundation for Science and Technology and European Regional Development Fund (ERDF). This contribution has also been funded by project EsCo-Ensembles (PTDC/ECI-EGC/30877/2017), co-funded by NORTE2020, Portugal 2020, and the European Union through the ERDF, and by FCT through national funds

Pluma estuarina do Rio Douro: deteção, processos e dinâmica

Doutoramento em FísicaO Douro é um dos maiores rios da Península Ibérica, constituindo a maior descarga de água doce para o Oceano Atlântico na costa noroeste portuguesa. A sua pluma estuarina tem particular relevância na dinâmica costeira e na modulação de fenómenos biogeoquímicos. São objetivos desta dissertação contribuir para a compreensão dos processos físicos associados à geração e propagação da pluma estuarina do Rio Douro no oceano, assim como para o conhecimento dos seus padrões de dispersão e da forma como estes alteram a hidrologia e a circulação costeira, considerando os agentes forçadores típicos deste fenómeno (caudal fluvial, vento e maré) e índices climáticos relevantes. Para concretização destes objetivos foram desenvolvidas e aplicadas metodologias inovadoras de processamento de dados de deteção remota, assim como novas implementações estuarinas e costeiras de modelos numéricos. Através de imagens MODIS, otimizadas para o estudo de fenómenos costeiros, efetuou-se uma deteção rigorosa da pluma. Identificou-se uma relação entre o sinal túrbido nLw555 e o caudal, demonstrando-se este produto como um bom proxy para a observação da pluma no oceano. As escalas temporais e espaciais da pluma foram caraterizadas através destas imagens, combinadas com dados de caudal fluvial, maré, vento e precipitação, e também com índices climáticos relevantes. Para compreender a propagação da pluma e caracterizar a sua dinâmica e impacto na circulação costeira, foi desenvolvida uma aplicação 3D de modelos estuarinos e costeiros com malhas aninhadas de resolução variável. Definiramse e analisaram-se diferentes cenários de vento e descarga fluvial. A interação da pluma do Rio Douro e do Minho foi ainda analisada através dos resultados de simulações baseadas num evento de inverno. Os compósitos túrbidos mostraram que a pluma é facilmente detetada quando o caudal é maior que 500 m3 s1. A descarga fluvial e o vento são os principais forçadores da sua propagação, enquanto a maré é apenas importante na região próxima à embocadura do estuário. Observaram-se relações a uma escala interanual entre a turbidez da pluma e os índices climáticos East Atlantic e NAO, com uma correlação máxima identificada com 1 e 3 meses de desfasamento, respetivamente. Com base nos resultados das simulações efetuadas, a pluma é classificada como de larga escala e de adveção superficial, apresentando características de uma pluma prototípica. Em condições de caudal moderado a elevado, a descarga estuarina é suficiente para gerar uma corrente costeira para norte sem ação do vento. Em eventos de ventos leste, a propagação da pluma é similar ao caso sem vento, com um aumento da velocidade da corrente. Uma corrente costeira para sul é unicamente identificada sob condições de forte vento de oeste. Ventos de norte tendem a estender a pluma para o largo, com uma inclinação na direção sudoeste, enquanto ventos de sul intensificam a corrente para norte, sendo a mistura das plumas do Douro e do Minho uma consequência possível. A análise desta interação apontou a contribuição do Douro como importante na estabilização da WIBP e nas trocas de água entre o oceano e as Rias Baixas. A interação da pluma do Douro com estuários localizados a sul da sua foz e a confirmação in situ da recirculação observada nos resultados numéricos afiguram-se como temas relevantes para investigações futuras.The Douro is one of the largest rivers of the Iberian Peninsula, representing the most important freshwater input into the Atlantic Ocean (on the northwestern Portuguese coast). Its estuarine plume has particular relevance on coastal dynamics and biogeochemistry. The main goal of this dissertation is to contribute to increase knowledge on physical processes associated with the generation and propagation of the Douro estuarine plume. The general patterns of dispersion in the ocean and how the plume change hydrography and coastal circulation were also evaluated, considering the typical drivers involved (river discharge, wind and tide) and relevant climate indices. Innovative methodologies to process remote sensing data, as well as new implementations of high-resolution estuarine and coastal numerical models have been developed and applied. The plume was detected through MODIS images, optimized for coastal studies. The relation between the turbid nLw555 signal and river discharge was identified, demonstrating that this product is a good proxy for the observation of the Douro estuarine plume in the coastal ocean. An interconnected approach, combining these images, river discharge, tide, wind and precipitation data, as well as relevant climate indices, was used to study the temporal and spatial scales of the plume. The implementation of estuarine and coastal models with nested domains of variable resolution was developed to understand the plume propagation and characterize its dynamics and impact on coastal circulation. Using these applications, different scenarios of wind and river discharge were defined and analysed. The interaction of the Douro and the Minho estuarine plumes was further evaluated through simulations based on a winter event. Turbid composites showed that the plume is easily detected when river discharge is greater than 500 m3 s1. River discharge and wind are the main driver acting on the plume propagation, whilst tidal effect is only important near the estuary mouth. A relation between turbid plume and climate indices East Atlantic (EA) and North Atlantic Oscillation (NAO) was observed at inter-annual scale, with a maximum correlation identified at 1 and 3-month lags, respectively. The Douro estuarine plume is classified as large-scale and surface-advected, presenting characteristics of a prototypical plume, based on the results of the numerical simulations. The estuarine outflow is sufficient to generate a northward coastal current without wind action under moderate-to-high river discharge conditions. Under easterly winds, the propagation pattern is similar to the case without wind forcing, with a slight increase in the northward current. A southward coastal current is only generated by strong westerly winds. Under upwellingfavourable winds, the plume extends offshore with tilting towards southwest. Southerly winds increase the velocity of the northward current, being the merging of the Douro and Minho estuarine plumes a likely consequence. The analysis of this interaction pointed out the Douro as an important contributor to the WIBP stabilization and in the water exchange between ocean and Rias Baixas. The interaction of the Douro estuarine plume with estuaries located south of its inlet and the in situ confirmation of the re-circulation bulge observed in numerical results seem as relevant for future research topics

Hydrodynamic Model Ensembles for Climate Change Projections in Estuarine Regions

In the current context of climate change, understanding the effects of the changing conditions on estuaries is of utmost importance to protect populations and ecosystems. Given the diversity of impacts depending on the region, there is a need for local and dedicated studies to understand and mitigate the risks. Numerical models can provide forecasts of extreme floods and sea-level rise (SLR). However, they can present inaccuracies. In this work, the ensemble technique was applied to improve the numerical modeling forecasting for estuaries by considering scenarios of extreme river flow discharges (EFDs) and SLR scenarios for 2050 and 2100. The simulations were performed for two different estuarine regions in northern Portugal, and the superensemble was constructed with the results of two different numerical models. The results differed per estuary, highlighting the importance of a local approach. For the Douro estuary dynamics, the results showed that for the EFD, the effects of the SLR were not noticeable, indicating that, in this estuary, the river component was more important than the maritime component. In contrast, the Minho estuary dynamics were found to be affected by the SLR along the whole estuarine region, indicating a maritime influence and a worsening of the flood conditions for future scenarios

Variabilidade da pluma estuarina do Tejo : impacto na circulação e hidrologia costeira

Mestrado em Meteorologia e Oceanografia FísicaAs 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

Influência dos processos físicos na produção primária ao longo da costa noroeste da Península Ibérica

Doutoramento em FísicaA costa noroeste da Península Ibérica (PI) e caracterizada por intensa atividade hidrológica e biogeoquímica, resultante em importantes recursos de peixe e marisco. Neste contexto, o principal objetivo deste trabalho consiste no estudo da influência dos processos físicos na produção primária da região através de detecção remota e modelação numérica. Com este propósito, a linha de costa foi dividida em três domínios: segmentos costeiros oeste, intermédio e norte. Para cada um destes segmentos foi analisada a variabilidade do transporte de Ekman, do índice de afloramento (IA), da temperatura da superfície do mar (TSM) e da concentração de Cloro la-a (Clo-a) em termos de médias sazonais, anuais e mensais a partir de dados de detecção remota. A influência das condições meteorológicas, definidas através de padrões de circulação atmosférica (PCA), no IA e na concentração de Clo-a foi também avaliada e quantificada através de uma análise de probabilidade condicionada. Foi também implementado e validado um sistema de modelação de circulação e biogeoquímica para a área de estudo. A sua validação foi efectuada através da comparação das previsões numéricas com dados in situ e de sat elite de várias variáveis físicas e biogeoquímicas. Esta implementação foi utilizada para investigar os padrões de toplâncton durante dois eventos de afloramento costeiro distintos, observados principalmente nos segmentos costeiros oeste e intermédio. Os resultados da análise aos dados de detecção remota sugerem que o transporte de Ekman, a TSM e a concentração da Clo-a têm diferentes ciclos anuais em cada segmento costeiro, apresentando elevada variabilidade. Em geral, as condições mais favoráveis a ocorrência de afloramento ocorrem nos segmentos costeiros oeste e intermédio durante os meses de primavera-verão e, consequentemente, e observada uma lente de agua mais fria junto a costa do que ao largo, assim como níveis de Clo-a elevados. Pelo contrário, no segmento costeiro norte a TSM e elevada, devido ao aquecimento de verão na zona sudeste do Golfo da Biscaia, e a concentração de Clo-a e baixa. Durante o inverno são observados elevados níveis de Clo-a nos três segmentos costeiros, que estão relacionados com o efeito cumulativo de eventos de afloramento e de descargas fluviais, que favorecem a entrada de nutrientes na costa. Os resultados da análise de probabilidades efetuada evidenciam que ao longo do segmento oeste as relações mais fortes entre os PCA, o IA e a concentração de Clo-a foram obtidas na primavera-verão, quando padrões atmosféricos Norte, Nordeste e Noroeste ocorrem. Nos segmentos costeiros intermédio e norte verificam-se elevadas probabilidades de IA e de Clo-a quando os padrões atmosférico Este e Sul ocorrem, para as duas estações do ano referidas. O modelo numérico implementado demonstrou capacidade em reproduzir com precisão a dinâmica da região em estudo, quer a superfície, quer ao longo da coluna de agua. A análise dos resultados de modelação revela a existência de duas células de afloramento nos dois eventos estudados, sendo os padrões de toplâncton diferentes para cada evento. De acordo com os resultados, quando ocorrem ventos fortes favoráveis ao afloramento o tempo de residência na zona costeira e muito baixo, não permitindo um crescimento significativo do toplâncton. As aguas ricas em nutrientes e toplâncton são então advetadas para o largo, onde o tempo de residência e maior e existem condições favoráveis para a fotossíntese. Para eventos de afloramento fortes e observado um fluxo direcionado para o equador junto a costa ao longo da coluna de agua, enquanto para eventos mais fracos este fluxo e em direção ao pólo, promovendo a retenção do toplâncton na zona costeira. Em suma, a análise efetuada aos dados de deteção remota e de modelação numérica contribuíram para melhorar o conhecimento dos principais processos que influenciam a produção primária ao longo da costa noroeste da PI, a escala sazonal e de eventos. Como trabalho futuro destaca-se a exploração com maior detalhe da dinâmica das células de afloramento detetadas e da resposta do ecossistema a sua presença, assim como o estudo da influência de descargas fluviais na produção primária da região, tirando partido da configuração numérica desenvolvida.The northwestern coast of Iberian Peninsula (IP) is a region of great hydrologic and biogeochemical activity, resulting in important sh and shell sh resources. In this context, the main aim of this work is to study the in uence of physical processes on primary production of the region through remote sensing imagery and numerical modelling. For this propose, the coastline was divided in three domains: western, intermediate and northern coastal segments. For each coastal segment was analysed the variability of Ekman transport, upwelling index (UI), sea surface temperature (SST) and chlorophyll (Chl-a) concentration in terms of seasonal, annual and monthly averages of remote sensed data. The in uence of meteorological conditions, de ned by circulation weather types (CWTs), on UI and Chl-a concentration was also evaluated and quanti ed, through a conditional probability analysis. Afterwards, a coupled circulation and biogeochemical model was implemented and validated along the study area. Validation was performed through the comparison of numerical predictions with in situ and satellite data for several physical and biogeochemical variables. This implementation was then used to investigate phytoplankton patterns during two distinct upwelling events, mainly observed at western and intermediate coastal segments. Results from remote sensed data analysis suggest that Ekman transport, SST and Chl-a concentration had di erent annual cycles within each coastal segment and high seasonal variability. Generally, the most upwelling favourable conditions occur along the western and intermediate coastal segments during spring-summer months and consequently a lens of water colder than o shore is observed in the coastal region along with high Chl-a levels. Otherwise, at northern coastal segment high SST, related to the summer warming at the southeastern Bay of Biscay, and low Chla concentration are observed. During winter high Chl-a levels were also observed at the three coastal segments, that are related to the cumulative e ect of upwelling events and river runo , favouring the entrance of nutrients onto the coast. Results from the probability analysis show that along the western coastal segment the strongest relations between CWTs, UI an Chl-a concentration were obtained in spring-summer when weather types Northerly, Northeasterly and Northwesterly occur. At northern and intermediate segments results reveal high probabilities of UI and Chl-a when weather types Easterly and Southerly were observed, for both stations referred. The numerical model showed the capability to reproduce accurately the dynamics of the study region, either at surface or along the water column. The modelling results analysis reveals the existence of two upwelling cells for both events studied, being phytoplankton patterns di erent for each event. According to results, when upwelling favourable winds are strong, the residence time near coast is very short, not allowing signi cant phytoplankton growth. Nutrient and phytoplankton rich waters are then advected o shore, where the residence time is higher and favourable conditions for photosynthesis occur. For strong upwelling events an equatorward ow develops near coast along the water column, while for weaker events this ow is poleward, promoting the retention of phytoplankton in the coastal region. In summary, the analysis performed to remote sensed data and numerical modelling predictions, have contributed to improve the knowledge about the main processes that in uence primary production along the northwestern coast of IP, at seasonal and event scales. For future, is highlighted the exploitation in detail of the upwelling cells dynamics and the ecosystem response to their presence, as well as the study of river runo in uence in the primary production of the region, taking advantage of the numerical application developed

Sediment concentration and particle size in the water column using acoustic methods : Application to the Douro and Minho Estuaries

Most Portuguese fluvial systems are subject to flow regularization through construction of dams and reservoirs. Such structures are responsible for significant changes in estuarine configuration, modifying the natural discharge patterns and trapping the fluvial sediments upstream, decreasing the fluvial contribution to the coastal sediment budget. Sediment export estimates reveal a severe sediment deficit and an accentuated erosive tendency in some segments of the NW Portuguese coast. In this context, the quantification and qualification of the present effective sediment exchanges between estuaries and the coastal shelf is crucial to determine the consequent implications of urgent coastal management actions. In order to address this problem, the implementation of pragmatic monitoring solutions and the compilation of previously collected data has become a priority in order to establish the present sediment dynamic regime in this area. In the past, several long term datasets of Acoustic Doppler Current Profilers were collected in Portuguese transitional areas covering different seasonal regimes. These datasets, collected with diverse objectives in mind, were processed and interpreted to establish the hydrodynamic regime in their respective study areas, but no attempt was made to establish suspended sediment patterns during the duration of their deployment. The possibility of extracting estimates of sediment concentration and grain size from these ADCP datasets is explored in this research, and the results from these findings are then used to reprocess and reinterpret datasets collected in two major NW Portuguese estuaries: The Douro and the Minho. As a final objective we aim to quantify and qualify the effective sediment exchanges from these estuaries and the coastal shelf, and consequently determining the fate and destination of these sediments, by describing different seasonal transport patterns based on sediment dynamics conceptual models of both estuaries built based on previously collected ADCP data time series

Estudo numérico e observacional de processos da circulação na margem Ibérica noroeste

The Western Iberian Margin (WIM) is characterized by summer upwelling and winter downwelling, with alternating conditions at short time scales throughout the year. During summer upwelling, o shore-flowing jets may develop on the shelf and give rise to long, narrow upwelling filaments extending far from coast. The aim of this thesis is to study the WIM hydrography and circulation, using both an ensemble of observations consisting of in situ cruises and remote sensing on one hand, and state-of-the-art model configurations using ROMS-AGRIF on the other hand. Three distinct approaches were carried out to assess different time and spatial scales: (1) Assessment of the mesoscale filaments field in the summer for the years 2001-2010 using sea surface temperature from satellite and modeling; (2) The shelf response to upwelling/relaxation cycles on the Northwestern Iberian Margin (NWIM) in July 2009 from an extensive oceanographic cruise; (3) The shelf circulation and hydrography during an annual cycle (November 2008-December 2009) through monthly cruises and a high resolution modeling configuration. Filaments were generally found anchored to the main bathymetric and coastal features but off the smoother northern coast of the WIM, their locations were more variable. There was a clear relation between upwelling-favorable wind strength and the number and length of filaments in the southern region, although the relation was weaker in the northern region. Filaments were also related to eddies during periods of weak winds. Along the smoother northern coast in July 2009, under upwelling favorable winds, an upwelling center was found from cape Silleiro to Porto, where the surface temperature was colder than the neighboring regions. As these winds relaxed, persistent poleward flow developed, with an origin south of the upwelling center and consisting in an inner-shelf tongue of warm waters. Furthermore, study of the full annual cycle for the NWIM around cape Silleiro, between November 2008 to December 2009, revealed the importance of the upwelling/downwelling cycles on the shelf circulation and hydrography. In autumn/winter seasons, poleward flows occur on the shelf due to periods of downwelling favorable highly variable winds, and is formed the Western Iberian Buoyant Plume (WIBP) originated by the higher river flows. This situation occurred in autumn 2009 but not in autumn 2008, when unusually intense upwelling was found, delaying the downwelling favorable period to the winter season (January-February 2009). Upwelling prevailed in spring and summer 2009, although the upwelling front was fully developed only in August and September 2009. This was because in June and July downwelling events were associated with the generation of an inner shelf poleward flow, transporting warm waters. The numerical model configuration used in this work was validated with the set of observations and hence, its applicability to regional multidisciplinary studies was demonstrated.A Margem Ibérica Ocidental (WIM) caracteriza-se pelo afloramento durante o verão e convergência no inverno, alternando entre estas condições em curtas escalas temporais ao longo do ano. Durante o verão, com afloramento, podem-se desenvolver focos de correntes na direção ao largo que dão lugar a lamentos longos e estreitos que se estendem para longe da costa. Esta tese tem como objetivo o estudo da hidrografia e circulação na WIM, através do processamento de dados observacionais in situ e de detecção remota, e do desenvolvimento de configurações regionais de modelação a alta resolução, com o sistema ROMSAGRIF. Três abordagens distintas foram levadas a cabo para avaliar processos a diferentes escalas espaciais e temporais: (1) Análise do campo de lamentos de mesoescala no verão de 2001 a 2010 na WIM, utilizando a temperatura de superfície do mar a partir de imagens de satélite e de modelação oceânica; (2) A resposta do oceano na plataforma continental aos ciclos de upwelling e downwelling através de uma campanha oceanográfica na região Noroeste da Península Ibérica em julho de 2009; (3) A circulação e a hidrografia na plataforma continental durante um ciclo anual (novembro 2008-dezembro 2009) através de campanhas mensais e de uma configuração regional de alta resolução. Os lamentos encontraram-se geralmente ancorados às principais protuberâncias batimétricas e costeiras, mas onde a linha de costa é mais retilínea na região norte da WIM, as suas localizações foram mais variáveis. Observou-se uma clara relação entre a intensidade de ventos favoráveis ao afloramento e o número e comprimento dos lamentos a sul, sendo esta menos clara a norte. Foi também encontrada uma relação entre os lamentos e vórtices de mesoescala em períodos de ventos fracos. A norte, ao longo da costa mais retilínea, em julho de 2009 sob ventos de norte, um centro de afloramento estendeu-se desde o cabo Silleiro até ao Porto onde a temperatura era inferior à região circundante. Resultante do relaxamento dos ventos de norte, desenvolveu-se uma corrente em direção ao polo na plataforma interna com advecção de águas mais quentes com origem a sul do centro de afloramento. O estudo do ciclo anual, realizado no período de novembro 2008 a dezembro 2009 na região do cabo Silleiro, revelou a importância dos ciclos de afloramento/convergência na circulação e hidrografia na plataforma continental. Nas estações de outono/inverno, correntes para o polo ocorrem na plataforma continental associadas a períodos de convergência com ventos variáveis, e são formadas plumas de água doce provenientes do aumento do caudal dos rios. Esta situação ocorreu no outono de 2009 mas não no outono de 2008, quando foi observado afloramento intenso, adiando o período de convergência para o inverno (janeiro-fevereiro 2009). Em 2009 o afloramento foi predominante na primavera e no verão, no entanto a frente de afloramento só se desenvolveu completamente em agosto e setembro. Em junho e julho, advecção de águas quentes de sul, associada a eventos de convergência, atrasaram o desenvolvimento da frente. A configuração do modelo numérico desenvolvido neste trabalho foi validada com o conjunto de dados observacionais, o que demonstra a sua aplicabilidade a estudos multidisciplinares regionais.Programa Doutoral em Ciência, Tecnologia e Gestão do Ma

Integrating in situ and ocean color data to evaluate ecological quality under the water framework directive

TheWater Framework Directive (WFD) aims at evaluating the ecological status of European coastal water bodies (CWBs). This is a rather complex task and first requires the use of long-term databases to assess the e ect of anthropogenic pressure on biological communities. An in situ dataset was assembled using concomitant biological, i.e., chlorophyll a (Chl a) and environmental data, covering the years from 1995 to 2014, to enable a comprehensive assessment of eutrophication in the Western Iberia Coast (WIC). Given the temporal gaps in the dataset, especially in terms of Chl a, satellite observations were used to complement it. Positive relationships between Chl a 90th percentile and nitrogen concentrations were obtained. The Land-Uses Simplified Index (LUSI), as a pressure indicator, showed no relationship with Chl a, except in Galicia, but it highlighted a higher continental pressure in the Portuguese CWBs in comparison with Galician waters. In general terms, the trophic index (TRIX) showed that none of the CWBs were in degraded conditions. Nevertheless, the relatively high TRIX and LUSI values obtained for the water body in front of Tagus estuary suggest that this area should be subject to continued monitoring. Results highlighted the usefulness of satellite data in water quality assessments and set the background levels for the implementation of operational monitoring based on satellite Chl a. In the future, low uncertainty and harmonized satellite products across countries should be provided. Moreover, the assessment of satellite-based eutrophication indicators should also include metrics on phytoplankton phenology and community structure.CEECIND/00095/2017/ UIDB/04326/2020/ UID/MAR/04292/2020info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Modelação acoplada dos estuários do Minho e do Lima: resposta hidrológica às alterações climáticas

Mestrado em Ciências do Mar e Zonas CosteirasEm Portugal, o rio Minho e o rio Lima originam os estuários situados mais a Norte próximos de Espanha, e estando estes separados por aproximadamente 20 km, surge a necessidade de investigar se interagem entre si e de efetuar a sua caracterização hidrológica simultaneamente. Atualmente a modelação numérica é a ferramenta mais utilizada em estudos sobre a hidrodinâmica estuarina, permitindo aumentar o conhecimento das propriedades e padrões físicos nestes sistemas. Neste trabalho foi implementado o modelo numérico tridimensional Del 3D-Flow, para estudar quais as variações físicas e dinâmicas dos estuários e qual a resposta hidrológica destes sistemas sob a influência das alterações climáticas. Este modelo foi calibrado e validado com a altura de maré, salinidade e temperatura da água, sendo depois aplicado em dois cenários de alterações climáticas (RCP 4.5 e RCP 8.5) onde se variaram parâmetros como o nível do mar e descargas fluviais. As simulações foram realizadas para os meses de verão e inverno do ano 2100/2101. As previsões numéricas revelaram padrões hidrológicos tipicamente estuarinos e que, no verão, o estuário do Minho é mais quente mas o estuário do Lima é mais salino. No inverno, o Lima é o estuário mais quente e salino. Da análise de resultados verificou-se que a zona interior dos estuários será a mais afetada com as alterações climáticas. A intrusão salina no rio Minho atinge os 13 km no Presente e no cenário RCP 4.5, e no cenário 8.5 atinge os 14 km. No rio Lima a intrusão é maior, chegando aos 15 km no Presente e no cenário RCP 4.5, e atinge o máximo de 17.5 km no cenário RCP 8.5. Por fim, foi ainda realizado o estudo das plumas estuarinas onde se observou que estas são maiores e mais largas durante o inverno nos cenários RCP 4.5 e 8.5. Concisamente, a modelação desenvolvida neste estudo contribuiu para um aumento do conhecimento dos padrões físicos destes dois estuários bem como da interação destes na região costeira adjacente. Para trabalhos futuros, este modelo poderá constituir a base para a aplicação de um modelo biogeoquímico, o que permitirá aumentar o conhecimento sobre estes processos nestes estuários.In Portugal, the Minho river and the Lima river originate the northern estuaries near Spain, and being these separated by approximately 20 km, there is a need to investigate if they interact with each other and to carry out its hydrological characterization simultaneously. Numerical modelling is the most used tool in studies about estuarine hydrodynamics, allowing to increase the knowledge of physical properties and pa erns in these systems. In this work, the three-dimensional numerical model Del 3D-Flow was implemented to investigate the physical and dynamic variations of these two systems and their hydrological response under the influence of climate change. The model was calibrated and validated with tidal height, salinity and water temperature, and then applied to two scenarios of climate change (RCP 4.5 e RCP 8.5) where variables such sea level and river discharge were varied. The simulations were realized for the summer and winter months of the year 2100/2101. The numerical predictions revealed hydrological pa erns typically estuarine and that, in summer, the Minho estuary is warmer but the Lima estuary is more saline. In winter, Lima is the ho est and saline estuary. Of the results analysis it was verified that the interior zone of the estuaries will be most a ected by climate change. The saline intrusion in Minho river reaches 13 km in Present and in RCP 4.5 scenario, and in RCP 8.5 it reaches 14 km. In the Lima river the intrusion is higher, reaching 15 km in Present and in RCP 4.5 scenario, and reaches the maximum of 17.5 km in RCP 8.5. Finally, a study of the estuarine plumes was carried out, where it was observed that these are larger and wider during winter in the scenario RCP 4.5 and 8.5. Concisely, the modelling developed in this study contributed to an increased knowledge of the physical pa erns in these two estuaries as well as their interaction in the adjacent coastal region. For future work, this model may be the basis for the application of a biogeochemical model, which will increase the knowledge about these processes in these estuaries