Centro de Investigación Científica y de Educación
Superior de Ensenada, Baja California
Programa de posgrado en ciencias
en Ecología Marina
Análisis de la variabilidad de la clorofila en la Bahía de Todos
Santos a través de un modelo numérico físico-biológico
Tesis
para cubrir parcialmente los requisitos necesarios para obtener el grado de Maestro en Ciencias
Presenta:
Jorge Eduardo Cruz Rico
Tesis defendida por
Jorge Eduardo Cruz Rico
y aprobada por el Comité
Dr. David Alberto Rivas Camargo Director de Tesis
Dr. Ernesto García Mendoza
Dra. Paula Pérez Brunius
Autoridades
Dr. David Alberto Rivas Camargo
Coordinador del Posgrado en Ecología Marina
Dra. Rufina Hernández Martínez
Directora de Estudios de Posgrado
Jorge Eduardo Cruz Rico © 2015
Resumen de la tesis que presenta Jorge Eduardo Cruz Rico como requisito parcial para la obtención del grado de Maestroen Ciencias en Ecología Marina.
Análisis de la variabilidad de la clorofila en la Bahía de Todos Santos a través de un modelo numérico físico-biológico
Resumen aprobado por:
________________________________
Dr. David Alberto Rivas Camargo
Director de Tesis
Un modelo numérico físico-biológico NFZD (Nitrato, Fitoplancton, Zooplancton y Detritos) es implementado para investigar la dinámica y los procesos ecológicos asociados con la variabilidad espacial y temporal de la concentración de clorofila para la Bahía de Todos Santos (BTS). En general, el modelo conceptual que surge del análisis sugiere que la variación estacional de la concentración de clorofila en la BTS puede estar regulada por el patrón de circulación estacional y el viento meridional, esto permite que se modifique la circulación, el transporte y tiempo de residencia de los nutrientes y clorofila dentro de la BTS. Por otra parte, la variación interanual de la concentración de clorofila en la BTS, al estar posiblemente asociada a las fluctuaciones en los patrones de circulación del Sistema de la Corriente de California y del viento meridional, puede estar regulada por la actividad de El Niño-Oscilación del Sur (ENOS) y los modos decenales del Pacífico, por ejemplo, la Oscilación Decadal del Pacífico (ODP) y la Oscilación del Giro del Pacífico Norte (OGPN), los cuales pueden modificar las estructuras y las características de las masas de agua en la BTS. Por ejemplo, el modelo propone que debido a que el 2006 fue un año cálido con bajas concentraciones de clorofila, el máximo anual de la concentración de clorofila puede adelantarse y ser menor a la climatología, además de la posibilidad de presentarse un máximo subsuperficial de clorofila (MSC) más profundo durante primavera-verano. El modelo también sugiere que la anomalía negativa en la concentración de clorofila puede estar asociada con una fase cálida del ENOS y la ODP, además de un debilitamiento de la OGPN y a una anomalía negativa de la radiación de onda larga (ROL). Por el contrario, el 2011 simulado fue un año frío y con una anomalía positiva en el patrón de viento, lo que favorece los eventos de surgencia durante primavera y permite que se introduzca una mayor cantidad de nutrientes y clorofila a la BTS. Esto puede causar altas concentraciones de clorofila y un MSC somero en la BTS. Por lo tanto, la anomalía positiva de la concentración de clorofila para el 2011 posiblemente esté asociada a una fase fría del ENOS y la ODP, además de una intensificación de la OGPN y una anomalía positiva de la ROL. Tomando en cuenta lo anterior, un modelo ecológico simple NFZD puede servir para la comprensión conceptual de los procesos tróficos asociados a los patrones de circulación al interior de la BTS.
Abstract of the thesis presented by Jorge Eduardo Cruz Rico as a partial requirement to obtain the Master of Science degree in Marine Ecology
Analysis of the variability of chlorophyll in the Todos Santos Bay through a physical-biological numerical model
Abstract approved by:
____________________________________
Dr. David Alberto Rivas Camargo
Thesis Advisor
A NPZD (nitrate, phytoplankton, zooplankton, and detritus) physical-biological numerical model is implemented for the Todos Santos Bay (TSB) to investigate the dynamics and ecological processes associated with spatial and temporal variability of chlorophyll concentration. In general, the conceptual model that emerges from the analysis suggests that the seasonal variation of chlorophyll concentration in the TSB may be regulated by the pattern of seasonal circulation and meridional wind, which changes the circulation, transport, and residence time of nutrients and chlorophyll within the TSB. Also, the variation in the concentration of chlorophyll in the TSB, as it is possibly associated with fluctuations in the circulation patterns in the California Current System and meridional wind, can be regulated by the activity of El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and decadal modes of the Pacific, for example, the Pacific Decadal Oscillation (PDO) and North Pacific Gyre Oscillation (NPGO), which can modify the structures and characteristics of water masses in the TSB. For example, the model suggests that because year 2006 was a warm year with low concentrations of chlorophyll, the annual maximum chlorophyll concentration can get early and be lower than the climatology, plus the possibility of the occurrence of a deeper subsurface chlorophyll maximum (SCM) during spring-summer. The model also suggests that the negative anomaly in the concentration of chlorophyll can be associated with a warm phase of both ENSO and PDO, a weakening of the NPGO, and a negative anomaly of outgoing longwave radiation (OLR). By contrast, the modeled 2011 was a cold year with a positive anomaly in the upwelling-favorable wind during the spring, allowing a greater amount of nutrients and chlorophyll into the TSB. This can cause high concentrations of chlorophyll, and a shallower SCM. Therefore, the positive anomaly of chlorophyll concentration for 2011 is possibly associated with a cold phase of ENSO and PDO, as well as an intensification of the NPGO and a positive anomaly of the OLR. Considering the results described above, a simple ecological NPZD model is useful for conceptual understanding of trophic processes associated with the circulation patterns inside the TSB.
Dedicatoria
Dejo esta disertación como parte de mi búsqueda hacía una
verdad universal, camino metafísico de mí ser existencial.
Agradecimientos
La finalización del presente trabajo es posible gracias a la colaboración de varias personas. En primer lugar quiero agradecer a mi asesor Dr. David Rivas por seguir confiando en mí, al trabajar totalmente dedicado a favor de una ciencia consciente y humana, libre del vacio tecnicida. En segundo lugar al Dr. Ernesto García y a la Dra. Paula Pérez por sus comentarios y sugerencias durante el desarrollo del presente trabajo.
Expreso un agradecimiento especial a mi madre, hermanos y Abigail por la paciencia y apoyo que siempre me ha demostrado para poder realizar esta disertación.
Por otra parte, agradezco a Laura y Amparo, por todas aquellas vivencias que nunca olvidaré, mis dos queridas hermanas.
También quisiera agradecer de manera particular y no menos importante a mis amigos Tatiana, Bárbara, Anahí, Manet, José Carlos, Anely, Magda, Fernanda, Marianne, Aaron, Maite, Pepe y Alex. Porque sin ellos no hubiese sido agradable mi estancia en Ensenada.
Tabla de contenido
Página
Resumen español………...……...………. ii
Resumen inglés………...………… iii
Dedicatorias………..………… iv
Agradecimientos………..………... v
Lista de figuras……….…..….… viii
Lista de tablas……….………. xii
1. Introducción 1.1 Avances en la modelación numérica físico biológica……….. 1
1.2 Hipótesis……...……….……….……… 1.3 Objetivo general……… 6 6
1.3.1 Objetivos específicos………... 6
2. Metodología 2.1 Zona de estudio...………. 8
2.1.1 Noroeste de Baja California ……… 8
2.1.2 Bahía de Todos Santos……… 9
2.1.2.1 Características físicas de la BTS……… 9
2.1.2.2 Características biogeoquímicas de la BTS..…….……… 11
2.2 Modelo numérico de circulación del océano...………. 12
2.2.1 Modelo regional ………..……….. 12
2.2.2 Modelo de la Bahía de Todos Santos..…….……… 15
2.2.3 Modelo de ecosistema trófico (Modelo NPZD)….……… 16
2.3 Análisis de la sensibilidad de los parámetros kz y kp..……… 19
2.4 Descripción de los datos de observaciones y trabajos previos……… 20
2.5 Mapas meteorológicos……….….……….. 21
3. Validación del modelo a través de observaciones y trabajos previos. 3.1 Modelo Regional (Noroeste de Baja California)……….……. 22
3.1.1 Comparación con observaciones de la climatología……….. 22
3.1.2 Comparación con la variabilidad interanual….……… 25
3.2 Bahía de Todos Santos……….………. 27
3.2.1 Comparación con observaciones a través de perfiles de la temperatura y la clorofila ……… 27
3.2.2 Comparación con la variación espacial de la temperatura y la clorofila superficial……….……….…………. 28
4. Resultados
4.1 Variabilidad estacional de la clorofila en la Bahía de Todos
Santos………... 33
4.2 Variabilidad interanual……….…….………... 39
4.3 Análisis de años extremos 2006 y 2011………... 43
5. Discusión………... 50
6. Conclusión……… 56
Lista de figuras
Figura Página
1 Dominio del modelo regional (Noroeste de Baja California) y su batimetría. Ubicación de la boya (estación 46086) del NDBC (estrella azul). En recuadro azul se muestra el dominio de la Bahía de Todos
Santos ……….……… 14
2 Dominio del modelo para la Bahía de Todos Santos y su batimetría.
Línea punteada demarca la zona de frontera abierta ………. 15
3 Pruebas realizadas para la sensibilidad de los parámetros kz y kp para la primavera del 2004. Se muestra a) un corte transversal a lo largo de la Bahía de Todos Santos de donde se tomaron los datos
para b) el perfil de la concentración de clorofila (línea negra)………… 20
4 Variación estacional (periodo de cada 3 meses) de la anomalía de la temperatura superficial del mar (ºC) estimadas de los datos del MODIS y por el modelo para la serie del 2004 al 2011. Se muestra la
ubicación de la BTS (recuadro azul)………..….…... 23
5 Climatología (periodo de cada 3 meses) de la concentración superficial de clorofila estimada de los datos del MODIS y obtenidas mediante el modelo para la serie del 2004 al 2011. Se muestra la
ubicación de la BTS (recuadro azul)………...……... 24
6 Climatología de la temperatura superficial del mar obtenida del modelo (línea negra continua), del MODIS (línea gris discontinua) y del NDBC (línea negra discontinua) para el periodo del 2004 al 2011.
Se muestran las correlaciones entre las series.……...……… 25
7 a) Variabilidad interanual de la temperatura superficial del mar y de b) la concentración superficial de clorofila del modelo (línea azul) y del MODIS (línea negra y roja) para el periodo del 2004 al 2011. Se muestra la correlación entre las series y el dominio de los datos
cercanos a la BTS (izquierda).………...……..…... 26
8 Comparación de los perfiles de la concentración de clorofila y la temperatura de la estación 15 (recuadro izquierdo de las observaciones en círculo rojo se muestra la ubicación de la estación 15) para las condiciones encontradas durante los cruceros JUL06 (del 29 al 1 de julio del 2006), NOV06 (23 y 25 de octubre del 2006) y ENE07 (19 de enero del 2007) del reporte de García Mendoza et al. (2007) (abajo) y del MODELO para el promedio diario de cada
9 Distribución espacial de la temperatura superficial y a 10 m de profundidad del mar para las condiciones encontradas durante los cruceros JUL06 (del 29 al 1 de julio del 2006) y NOV06 (23 y 25 de octubre del 2006) del reporte de García Mendoza et al. (2007) (derecha) y del MODELO para el promedio diario de cada crucero
(izquierda).…….………. 29
10 Distribución espacial de la temperatura a 4 m de profundidad del mar del MODELO (izquierdo) y del informe técnico de Kurczyn et al. (2012), para el promedio climatológico de Agosto del 2008 al
2011.………... 30
11 Distribución espacial de la concentración de clorofila superficial y del máximo sub-superficial de clorofila para las condiciones encontradas durante los cruceros JUL06 (del 29 al 1 de julio del 2006) y NOV06 (23 y 25 de octubre del 2006) del reporte de García Mendoza et al. (2007) (derecha) y del MODELO para el promedio diario de cada
crucero (izquierda)………..……….. 31
12 a) Velocidad de las corrientes de las masas de agua a 4 m de profundidad b) y para un corte en la vertical del transecto noroeste (línea roja) del MODELO (izquierdo, arriba) y del informe técnico (derecho, abajo) de Kurczyn et al. (2012) en la Bahía de Todos Santos, para el verano promedio de verano de agosto del 2008,
2010 y 2011. En rojo (azul) flujo hacia el norte (sur).…………... 32
13 Climatología mensual (promedio 2004-2011) de a) la temperatura superficial del mar, b) el viento meridional y c) la clorofila en el
interior de la Bahía Todos Santos.………...………….………... 35
14 Perfiles estacionales de la Temperatura y la clorofila en el centro de la Bahía de Todos Santos, para el promedio de invierno (Enero), primavera (Abril), verano (Julio) y otoño (Octubre) de la climatología
2004-2011.……….. 35
15 Variación estacional (climatología 2004-2011) de la temperatura superficial y para un corte vertical de un transecto (línea negra) a lo largo de la Bahía de Todos Santos. Se muestra la isoterma de 12 ºC (línea discontinua negra). Se restó la media de cada estación del año para mejor visualización; para el promedio de invierno (Enero; superficial= 12.5 ºC; vertical= 11.3 ºC), primavera (Abril; superficial= 12.3 ºC; vertical= 10.4 ºC), verano (Julio; superficial= 14.9 ºC; vertical= 12.3 ºC) y otoño (Octubre; superficial= 15.7 ºC; vertical=
13.2 ºC)……… 36
promedio de invierno (Enero; superficial= 2.25 mg·m-3; vertical= 2.45 mg·m-3), primavera (Abril; superficial= 6.8 mg·m-3; vertical= 7.43 mg·m-3), verano (Julio; superficial= 8.43 mg·m-3; vertical= 5.74 mg·m
-3) y otoño (Octubre; superficial= 1.29 mg·m-3; vertical= 2.17 mg·m-3).. 37
17 Corriente estacional a 4 m de profundidad (izquierda), anomalía estacional del transporte de nitrato (en medio) y clorofila (derecha) para el transecto noroeste de la BTS (línea roja) para el promedio del 2004 al 2011. Valores positivos corresponde al flujo hacia el interior de la BTS. Se muestra el cambio de signo (línea negra discontinua). Se restó la media para el promedio de invierno (Enero; NO3= 0.03 mg·m-3; Chl-a= 0.07 mg·m-3), primavera (Abril; NO3= 0.18 mg·m-3; Chl-a= 0.57 mg·m-3), verano (Julio; NO3= -0.16 mg·m-3; Chl-a= -0.01 mg·m-3) y otoño (Octubre; NO3= -0.001 mg·m-3; Chl-a= 0.05
mg·m-3)……… 38
18 Anomalía interanual de (a) la temperatura superficial del mar y de (b) la concentración de clorofila superficial del interior de la Bahía de
Todos Santos, para el periodo del 2004 al 2011. ……… 39
19 Anomalía de la temperatura superficial del mar (TSM) en el interior de la BTS, Oscilación Decadal del Pacífico (ODP; research.jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest), radiación de onda larga(ROL;www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.interp_OLR.htm
l), Índice Multivariado del ENSO (IME;
www.esrl.noaa.gov/psd/enso/mei/table.html) y índice de la Oscilación del Giro del Pacífico Norte (OGPN; www.o3d.org/npgo/npgo.php), para el periodo del 2004 al 2011. Se muestran las correlaciones
mensuales eliminando el ciclo anual………...………... 41
20 Compuesto anual del promedio diario de la anomalía de la radiación de onda larga (W/m2) para el 2006 (arriba) y el 2011 (abajo).
Generadas a partir de www.esrl.noaa.gov/psd/data/composites/day/. 42
21 Comparación de a) la TSM, b) la concentración de clorofila y c) el viento meridional en el interior de la Bahía de Todos Santos, para los años 2006 y 2011 y la climatología del periodo 2004 – 2011..…… 43
22 Velocidad superficial de la corriente (izquierda) y transporte de nitrato (en medio) y clorofila (derecha) a través del transecto noroeste de la BTS (línea roja) para el invierno del 2006 (arriba) y 2011 (abajo). Valores positivos corresponden al flujo hacia el interior
de la BTS. Se muestra el contorno de cero (línea negra discontinua). 44
23 Concentración de clorofila en superficie y en el nivel del MSC en la
24 Perfiles de la temperatura y concentración de clorofila en el centro de la Bahía Todos Santos, para invierno (azul), primavera (verde),
verano (rojo) y otoño (negro) del 2006 y del 2011………... 45
25 Velocidad superficial de la corriente (izquierda) y transporte de nitrato (en medio) y clorofila (derecha) a través del transecto noroeste de la BTS (línea roja) para la primavera del 2006 (arriba) y 2011 (abajo). Valores positivos corresponde al flujo hacia el interior
de la BTS. Se muestra el contorno de cero (línea negra discontinua). 46
26 Concentración de clorofila en superficie y en el nivel del MSC en la
BTS para la primavera del 2006 y del 2011……….. 46
27 Velocidad superficial de la corriente (izquierda) y transporte de nitrato (en medio) y clorofila (derecha) a través del transecto noroeste de la BTS (línea roja) para el verano del 2006 (arriba) y 2011 (abajo). Valores positivos corresponde al flujo hacia el interior
de la BTS. Se muestra el contorno de cero (línea negra discontinua). 47
28 Concentración de clorofila en superficie y en el nivel del MSC en la
BTS para el verano del 2006 y del 2011……… 48
29 Velocidad superficial de la corriente (izquierda) y transporte de nitrato (en medio) y clorofila (derecha) a través del transecto noroeste de la BTS (línea roja) para el otoño del 2006 (arriba) y 2011 (abajo). Valores positivos corresponde al flujo hacia el interior de la
BTS. Se muestra el contorno de cero (línea negra discontinua)……... 49
30 Concentración de clorofila en superficie y en el nivel del MSC en la
BTS para el otoño del 2006 y del 2011……….. 49
31 Compuestos mensuales de la anomalía de la presión a nivel del mar (mb) para los meses de Enero a Marzo del 2006 (arriba) y el 2011
(abajo)……….. 54
32 Síntesis de la dinámica y teleconexiones clima del Pacífico. Esquema de teleconexiones en escalas de tiempo de baja frecuencia de la Oscilación Decadal del Pacífico (ODP; flechas rojas) y la Oscilación del Giro del Pacífico Norte (OGPN; flechas azules). Las flechas grises muestran las fuentes de alta frecuencia de la variabilidad estocástica en la atmósfera que energizan los sistemas de Baja Aleutianas (BA), la Oscilación del Pacífico Norte (OPN), y El Niño-Oscilación del Sur (ENOS). En el esquema, la variabilidad baja frecuencia de la OPN se vincula al Pacífico Central (PC)-El Niño; Sin embargo, los procesos internos en la atmósfera del Pacífico Norte parecen conducir su variabilidad de alta frecuencia (flecha gris).
Lista de tablas
Tabla Página
1 Nombre, símbolo, valor, unidades, autor y zona de estudio asignados para los parámetros del modelo NPZD. Se muestra las pruebas realizadas para el análisis de sensibilidad de los parámetros (enumeradas) y los valores asignados para este trabajos (negritas). Los asteriscos señalan de donde se basan
1. Introducción
Existe una demanda del uso de modelos numéricos físico-biológicos como herramienta para entender los mecanismos y procesos ecológicos de la dinámica del plancton, asociados a la producción primaria (Edwards et al., 2000; Batchelder et al., 2002; Baird et al., 2006; Powell et al., 2006; Fiechter et al., 2009). Esto se debe en un principio a la limitación en la interpretación y evaluación de procesos del ecosistema del fitoplancton de los datos de instrumentos oceanográficos (de mediciones in situ) y de imágenes de satélite, donde estas últimas sólo pueden proporcionar información de la superficie del océano. Por lo tanto, el uso de modelos numéricos tridimensionales físico-biológicos para sistemas marinos ayuda a la síntesis de información, la generación de hipótesis y la experimentación numérica (Stow et al., 2009), la cual se puede aplicar para la predicción y previsión de los ecosistemas costeros, como el manejo de áreas naturales protegidas.
1.1 Avances en la modelación numérica físico-biológica.
Parte de los avances en el diseño de modelos numéricos físico-biológicos ha sido el grado de complejidad al experimentar con muchas variables de estado, ecuaciones y parámetros, pero un modelo entre más complejo no asegura una mejor simulación de las condiciones ambientales (Wroblewski, 1977). Para poder diseñar un modelo que se adecúe a las condiciones ambientales observadas en una zona en particular, primero hay que comenzar con modelos simples del ecosistema marino, para lograr posteriormente entender los principales mecanismos y procesos ecológicos reguladores de la dinámica del fitoplancton.
dinámica transitoria de los ecosistemas marinos con ecuaciones simultáneas para nutrientes, fitoplancton y zooplancton. Este autor también concluye que existe una debilidad en el conocimiento de las relaciones básicas entre las variables ecológicas de estado (Steele, 1959).
Posteriormente, Wroblewski (1977) diseñó un modelo de ecosistema marino de dos dimensiones dependiente del tiempo, relacionando eventos de viento, surgencias y producción primaria fuera de la costa de Oregón, E.U. En este modelo las variables dependientes del ecosistema (fitoplancton-nitrógeno, zooplancton-nitrógeno, nitrato, amonio y detrito-nitrógeno) son advectadas por un flujo modulado explícitamente por la topografía del fondo y un esfuerzo del viento variable. El modelo predice un aumento de la producción primaria diaria (mg N m-2 día-1) posterior a una intensificación de la componente meridional del esfuerzo del viento, pero la máxima concentración se produce tras la disminución de la intensidad de los vientos después de un gran evento de surgencia. A pesar de la reproducción exitosa de varias de las características biológicas y químicas observadas, este modelo está fundamentalmente limitado en su capacidad para predecir la distribución de nitrógeno en el tiempo y el espacio. Otra limitante importante de este modelo es la suposición de que todos los valores de los parámetros no tienen dependencia espacial o temporal, el nivel trófico secundario se ignora en la dinámica biológica y el zooplancton es advectado y se difunde como un trazador pasivo, excluyendo la capacidad de nadar de estos organismos (Wroblewski, 1977).
estructuras de mesoescala como filamentos y las regiones con altas concentraciones de nutrientes y clorofila, cercanas a la costa y en el núcleo de los filamentos.
En un modelo más complejo con aproximación de dos dimensiones (variación espacial a través de la plataforma y el fondo), Allen et al. (1995) y Federick y Allen (1996) utilizaron un modelo numérico para simular las condiciones de la circulación de surgencia sobre la plataforma continental de Oregón. El modelo fue de alta resolución espacial y con una topografía realista. Lo destacado es la integración de forzamientos como flujos de calor en la superficie, un esfuerzo del viento, ya sea por hora o por un filtro pasa bajas, y para un caso con una constante del gradiente de presión a lo largo de la costa. Este estudio demuestra la importancia de incluir un flujo de calor en la superficie, de especificar una densidad inicial realista e incluir campos de velocidad del viento a lo largo de la costa (Federiuk y Allen, 1996), lo que mejora la simulación de la circulación, obteniéndose un flujo más realista que se acopla mejor con las condiciones biológicas.
Basado en esto, Edwards et al. (2000) utilizan un modelo acoplado de circulación costera de dos dimensiones con que resuelve la capa de mezcla y un modelo de ecosistema pelágico sencillo Nitrato-Fitoplancton-Zooplancton (NPZ, por sus siglas en inglés) para estudiar la respuesta biológica a las condiciones de florecimientos de fitoplancton impulsadas por un viento idealizado. Ellos observan que las máximas concentraciones de zooplancton cerca de la costa están asociadas a las surgencias con mayor concentración de nitrógeno total, además de que la mezcla vertical en la capa límite superficial establece la escala vertical del perfil de productividad primaria, así como el hundimiento del fitoplancton contribuye a una acumulación cerca de la costa del nitrógeno total, y aumenta la magnitud y duración del florecimiento de fitoplancton.
zooplancton se ve favorecida por la retención cerca de la costa debido a la migración vertical diurna, en donde la surgencia es más activa y los recursos alimentarios son mayores.
Otro estudio importante es el de Spitz et al. (2003), en donde compararon el comportamiento de tres modelos de ecosistema para analizar los efectos de las surgencia frente a la costa de Oregón. El primer modelo de ecosistema incluye nitrógeno inorgánico disuelto, fitoplancton y zooplancton (NPZ, por sus siglas en inglés), en el segundo añaden detritos (NPZD, por sus siglas en inglés) y para el tercero toman dos nutrientes, nitrato y amonio (NNPZD, por sus siglas en inglés). Los tres modelos están acoplados a un modelo de circulación de dos dimensiones, con las mismas parametrizaciones de mezcla para las interacciones biológicas. Los resultados mostraron que las simulaciones con forzamiento del viento conducen a patrones espaciales y temporales similares para los tres modelos. En todos los casos la concentración media máxima de fitoplancton se encuentra en la capa superficial cerca del chorro costero asociado a la surgencia y la concentración media máxima de zooplancton lejos de la costa. Sin embargo, se observó una diferencia en el modelo NPZ para la concentración máxima de zooplancton grande, debido al hundimiento del fitoplancton en lugar de los detritos.
comparación de las escalas espaciales y temporales de la variabilidad de la distribución de fitoplancton y de la temperatura del modelo para el SCC son congruentes con las imágenes de satélite (Powell et al., 2006), salvo un detalle debido a la diferencia en la resolución (de 3 km del modelo ante un 1 km de las imágenes de satélite) las escalas espaciales y temporales característicos simuladas de los cálculos del modelo aproximadamente coincide con las observadas con el satélite.
Fiechter et al. (2009) utilizaron el modelo numérico de Powell et al. (2006) y consideran al hierro (Fe) como elemento importante en el crecimiento del fitoplancton para estudiar las condiciones de la producción primaria en la costa noroeste del Golfo de Alaska. La concentración de fitoplancton simulada reproduce las principales características de los florecimientos de primavera, la alta producción primaria y el alto contenido de nutrientes. Los resultados del modelo también ofrecen una visión sobre la importancia de la limitación de los micro y macro-nutrientes en la plataforma continental y en el océano profundo, con la región del talud actuando como una zona de transición donde la disponibilidad del nitrato y el hierro impactan significativamente el crecimiento del fitoplancton.
Por último, vale la pena mencionar que el uso de la modelación numérica ha sido una herramienta importante para entender la dinámica de la producción primaria y en particular atención en los mecanismos que producen el florecimiento de fitoplancton. Por ejemplo, estudios como el de García Mendoza et al. (2009), en el cual se analizó la acumulación de células tóxicas ocasionadas principalmente por las condiciones ambientales asociadas a la surgencia costera, o el de Peña Manjarrez et al. (2009), en donde analizan la distribución y abundancia de quistes en los sedimentos y en la columna de agua asociados con la dinámica de los florecimientos de muchas especies de dinoflagelados, respaldaron sus resultados a través de modelos conceptuales para tratar de entender mejor los principales mecanismos asociados con la distribución de las comunidades fitoplanctónicas.
numérico es sólo una herramienta computacional la cual trata de utilizar la teoría fundamental para poder dar una explicación de la dinámica y el funcionamiento de los ecosistemas marinos a través de expresiones matemáticas semi-empíricas (Anderson, 2010). Por ello, se debe tener una postura reservada ante dicho método y trabajar en el diseño de un modelo que simule lo mejor posible las condiciones ambientales observadas.
1.2 Hipótesis
El modelo numérico físico-biológico implementado para la Bahía de Todos Santos (BTS) simula de manera adecuada la respuesta de la producción primaria a las condiciones de circulación impulsadas por el viento y con la física de la capa mezclada, por lo que se puede describir la variación de la producción primaria vinculado con el forzamiento climático (p. ej., viento, temperatura, surgencias, luz, circulación de las corrientes).
1.3 Objetivo general
Aplicar un modelo numérico físico-biológico con estrategia Euleriana para describir la variación de la concentración de clorofila a partir del análisis del estado medio (climatología) de las variables ambientales y de sus anomalías, y asociarlo con patrones de mayor escala.
1.3.1 Objetivos específicos
1 Validar el modelo numérico físico-biológico a partir de observaciones y trabajos previos realizados en la región de la Bahía de Todos Santos.
2 Metodología
2.1 Zona de estudio
2.1.1 Noroeste de Baja California
La parte noroeste de la península de Baja California forma parte del límite sureño del Sistema de la Corriente de California (SCC). En esta región hay dos flujos importantes, el primero un chorro costero estacional predominante hacia el ecuador, el cual transporta agua de baja salinidad, temperatura y con alto contenido de oxígeno (agua Subártica) (Lynn y Simpson, 1987; Strub y James, 2000). A partir del trabajo de Mateos (2010), la evolución estacional del chorro costero en invierno es débil, posteriormente en primavera súbitamente se intensifica y ensancha adyacente a la costa, producto del viento del noroeste, el cual se intensifica, mientras que en verano el chorro costero se desprende de la costa migrando hacia el oeste, por último, en otoño el chorro costero no está claramente definido. El segundo flujo es una contracorriente subsuperficial (CS) dirigida hacia el polo que acarrea agua Ecuatorial Subsuperficial (aguas relativamente cálidas y salinas) la cual fluye a lo largo del talud continental (~200 a 400 m) (Pérez et al., 2006). En base al trabajo de Mateos (2010), el cual simula la evolución estacional de la CS, en invierno, la CS está acotada a la costa entre 150 m y 200 m de profundidad, en primavera se atenúa a 150 m principalmente en la región norte. Posteriormente, en verano la CS se intensifica (12 cm s-1) y emerge a 15 m de profundidad al norte de la BTS. En otoño, la CS aún es intensa (10 cm s-1) (Mateos, 2010). Además de los dos flujos anteriores, dentro de la estructura de la Corriente de California (CC) a los 32º N aproximadamente hay una ramificación que origina un flujo que gira hacia el sureste (frente de Ensenada), caracterizado por ser persistente durante todo el año y en el cual se origina una alta producción biológica (Chereskin y Niiler, 1994; Haury et al., 1993).
surgencia a lo largo de la costa (Espinosa Carreón et al., 2004) las cuales persisten todo el año con mayor intensidad durante la primavera para la región norte de Baja California (Durazo et al., 2010). Dichos eventos de surgencia son uno de los procesos más importantes que afectan la circulación costera del SCC, y un factor crítico en la producción biológica regional y la estructura del ecosistema (Rivas y Samelson, 2011).
2.1.2 Bahía de Todos Santos (BTS)
La BTS se localiza en la costa noroeste de Baja California (31º42’-31º55’ N, 116º36’’-116º48’ O), aproximadamente a 100 km del sur de la línea fronteriza entre México-Estados Unidos de Norte América. La Bahía está conectada con el Océano Pacífico a través de dos entradas, una localizada entre la Isla de Todos Santos (ITS) y San Miguel (SM) con un ancho de aproximadamente 10 km, y la otra localidad entre la ITS y Punta Banda (PB) con un ancho de aproximadamente 5 km (Argote et al., 1991). La BTS tiene una profundidad de menos de 50 m en aproximadamente el 80% de la superficie el resto corresponde a un cañón submarino ubicado entre Punta Banda (PB) y la Isla de Todos Santos (ITS) en el suroeste de la Bahía (Argote et al., 1991; Mateos et al., 2009).
2.1.2.1 Características físicas de la BTS
La circulación del agua superficial del interior de la BTS se asocia con la intensidad y la dirección de los vientos (Delgadillo Hinojosa et al., 2015), los cuales son predominantes en dirección Noroeste hacia el Ecuador y con una intensidad promedio de 4 m s-1 durante la primavera y el verano (media anual de 4.8 m s-1; Castro y Martínez, 2010), lo cual introduce agua desde el norte de la Bahía (Álvarez, 1977; Smith et al., 2008). Para los meses de otoño e invierno los vientos son predominantes en dirección Oeste, de escasa humedad, fluctuando en dirección noreste y sureste con una intensidad promedio de 18 m s-1, conocidos como vientos de “Santana” (Álvarez, 1977;; Trasviña et al., 2003).
nutrientes, lo que resulta en una disminución de la temperatura superficial del mar (TSM) (Torres et al., 2006).
El patrón de vientos sinópticos de baja frecuencia (los cuales son más intensos en primavera) y de alta frecuencia (cercano a la costa) afectan a la Bahía (Álvarez, 1977; Pavía y Reyes, 1983), estos últimos llegan a modificar la estructura de las corrientes a lo largo de la costa (Marchesiello et al., 2003; Rasmussen et al., 2009). Este patrón de vientos es producto del sistema de alta presión centrado al oeste de California, el cual es más persistente en invierno, causando un debilitamiento de los frentes polares (Álvarez, 1977; Pavía y Reyes, 1983; Mateos, 2010).
A partir del modelo numérico de Mateos et al. (2009), la circulación en el interior de la BTS oscila entre dos estructuras espaciales, modulada por el transporte en la boca norte de la Bahía: uno en el que la circulación se desarrolla a partir de un gran remolino anticiclónico que cubre casi toda la Bahía cuando el transporte es débil y uno ciclónico al sur el cual se forma cuando aumenta el transporte.
La TSM dentro de la BTS presenta una marcada variación estacional, con valores mínimos de hasta 13.9 ºC durante invierno y máximos de 25 ºC en el verano. La temperatura de la columna de agua en invierno presenta condiciones de mezcla desde superficie hasta profundidades de 20 a 30 m. Por debajo de esas profundidades se registran temperaturas mínimas de hasta 12 ºC, en promedio 2 ºC menor que la TSM. En verano, el perfil vertical de la temperatura se estratifica en tres capas, la primera desde la superficie hasta aproximadamente 4 m o 5 m de profundidad, con valores de la TSM que varían de 20 ºC a 23 ºC. La capa intermedia presenta una termoclina bien diferenciada con gradientes de temperatura de hasta 5 ºC entre las profundidades de 5 m a 15 m. La tercera capa se ubica a profundidades mayores de 15 m y está caracterizada por un gradiente suave de disminución de la temperatura entre los 14 ºC a 12 ºC (Morales, 1977; Peña Manjarrez, 2008).
más frías (16 ºC) lo cual genera un frente térmico en la entrada norte de la BTS. Calva Chávez (2014) sugiere que la BTS es un sistema de trampa de surgencia (Piñones et al., 2007; Castilla et al., 2002), es decir, la BTS presenta aguas cálidas características de una sombra de surgencia (Graham y Largier, 1997) y cuya diferencia térmica entre la zona costera y el interior de la BTS es debido a la orientación de la BTS y el forzamiento del viento, lo que genera una dinámica particular en que la península de Punta Banda favorece a la recirculación y retención del agua en el interior de la BTS, lo que conduciría a un calentamiento de las aguas superficiales por radiación solar (Calva Chávez, 2014).
Debido al transporte de agua con baja salinidad (proveniente del subártico) de la CC, dentro de la BTS se presenta una salinidad superficial mínima de 33.3 en invierno. En primavera-verano en el interior de la BTS se presenta una salinidad superficial máxima de 34.1, esto debido a la influencia de la CS, la cual introduce agua con alta salinidad que provienen de los primeros 100 m de profundidad y que afloran a la superficie (Mancilla Peraza y Martínez García, 1991; Peña-Manjarrez, 2008; Cabrales, 2010).
2.1.2.2 Características biogeoquímicas de la BTS
El tipo de agua superficial que llega a la BTS es tipo 2 de surgencia (temperaturas mayores a 10 ºC, concentraciones de clorofila de 1 a 20 mg m-3 y concentraciones de nitratos de menos de 2 hasta 10 μM;; Kudela et al., 2005) (Peña Manjarrez, 2008). Peña Manjarrez (2008) registró concentraciones promedio de nutrientes para el periodo de 2002-2005 de 3.10 μM para nitratos+nitritos, 6.91 μM para silicatos y 0.82 μM para los fosfatos. Dichas concentraciones de nutrientes en la BTS presentan una gran variabilidad. Por lo que las concentraciones de todos los nutrientes presentan una tendencia a incrementarse, lo cual está asociado a los periodos de mayor mezcla vertical (Peña Manjarrez, 2008).
época de lluvias), aporte de aguas residuales de la ciudad (con altos contenidos de fosfatos y formas nitrogenadas reducidas), mezcla vertical inducida por el viento (durante la primavera y el verano) y por la advección de agua de surgencias en áreas cercanas a la BTS (Peña Manjarrez, 2008). Dentro de la BTS se ha llegado a presentar valores máximos de 55 mg Chl-a m-3, dichos máximos están asociados a florecimientos de primavera-verano (Peña Manjarrez, 2008).
2.2 Modelo numérico de circulación del océano
Para la interpretación de la circulación, en este trabajo se utiliza el Sistema Regional de Modelación Oceánica (ROMS, por sus siglas en inglés) [e.g., Haidvogel et al., 2008] versión 3.6. Este modelo es tridimensional y tiene superficie libre, resuelve las ecuaciones primitivas de momento con una aproximación hidrostática, las ecuaciones de temperatura y de salinidad, y usa una ecuación de estado para el agua de mar (Mateos, 2010). En este trabajo se utilizan dos dominios (Fig. 1 y 2), el primero es un modelo regional que asignará las condiciones de frontera al segundo dominio de menor escala y mayor resolución (sin retroalimentación).
2.2.1 Modelo Regional
El modelo regional con malla gruesa está configurado con un dominio de coordenadas esféricas extendido desde los 26.8ºN a 35.5ºN y de los 113.7º W a 123.5º W (Fig. 1), con el parámetro de Coriolis variando con la latitud. La resolución espacial es de ∼1/30º
(∼3 km), resultando en una malla horizontal de 307 295 puntos. La resolución vertical
El modelo regional incluye un esquema Jacobiano para los cálculos del gradiente de presión (Shchepetkin y McWilliams, 2003), un esquema de tercer orden para la advección horizontal del momentum y los trazadores (temperatura y salinidad), y un esquema de cuarto orden para la advección vertical de los trazadores. La mezcla de escala pequeña está parametrizada por el modelo de Mellor-Yamada nivel 2.5 (Mellor y Yamada, 1982) con valores de fondo de 5 10-6 m2 s-1 en la dirección vertical, y por difusividad y viscosidad armónicas, ambas con coeficientes de 10 m2 s-1, en la dirección horizontal. La difusión horizontal se limita a superficies geopotenciales (profundidad constante).
La frontera oriental del modelo regional corresponde a la costa, donde se aplican las condiciones de impenetrabilidad y no deslizamiento; se utilizó un esquema logarítmico de fricción del fondo. Las fronteras oeste, noroeste y suroeste son abiertas.
Para los datos en las fronteras abiertas del modelo se utilizaron los campos diarios de velocidad, el nivel del mar, la temperatura y la salinidad para el 2003-2011 provenientes de la versión de 1/8º del Modelo Oceánico Costero Naval (NCOM, por sus siglas en inglés; Barron et al., 2006). En la superficie del modelo, para el forzamiento del esfuerzo del viento para el periodo 2003-2011 se obtuvieron los datos de cada 6 horas del Análisis del Vector del Viento de la Superficie del Oceáno (Atlas et al., 2011) de la Multi-Plataforma Inter-Calibrada (CCMP, por sus siglas en inglés), proporcionado por el Centro de Archivos Activos de Distribución de Oceanografía Física a través de su sitio de internet: http://podaac.jpl.nasa.gov/, aplicando parametrizaciones propuestas por Smith (1988) para coeficientes de arrastre. Al igual que en la simulación climatológica mencionada anteriormente, los valores de la climatología fueron utilizados para los flujos de calor en superficie, pero se aplicaron esquemas de corrección para desviaciones respecto al estado medio de la climatología.
2.2.2 Modelo de la Bahía de Todos Santos
El dominio de la malla con resolución fina para la BTS está también basado en el ROMS. Muchos de los detalles utilizados en la configuración de este modelo son los mismos que los descritos en la sección anterior, a menos que se indique lo contrario. El dominio del modelo se extiende desde los 31.6º N a los 32.1º N y desde los 116.6º W a los 117.0º W (Fig. 2). La resolución horizontal es de ∼300 m, y la resolución vertical está dada por 20 niveles.
Al igual que el modelo regional, el modelo de la BTS se integró para el período del 2003 al 2011, pero sólo los últimos ocho años se utilizaron para el presente análisis. El modelo regional proporciona las condiciones iniciales y los datos de frontera para el modelo de la BTS, para esto se utilizaron los promedios diarios de las salidas regionales en las fronteras del modelo de la BTS y así se resuelve el sistema de corrientes costeras en la región cercana a la BTS. En este dominio también se usó una capa de nudging y una capa de esponja, pero con un ancho de 6 puntos de malla; dentro de esta capa la viscosidad y los coeficientes de difusividad disminuyeron linealmente desde los 10 m2 s-1 en las fronteras con el valor interior de 1 m2 s-1.
2.2.3 Modelo de ecosistema trófico (Modelo NPZD)
La dinámica biológica es modelada usando el modelo trófico de Powell et al. (2006) basado en nitrógeno. El nitrógeno total en cualquier punto es particionado entre el nitrógeno disuelto (N), fitoplancton fototrófico (P, por su sigla en inglés), el zooplancton herbívoro (Z) y el nitrógeno particulado (D: Detritos). Las ecuaciones dinámicas de las variables tienen la siguiente forma general:
donde t es el tiempo, ∇= , , , (x, y, z) coordenadas, u la velocidad en 3-D y 𝑘 la
difusividad. Junto a cada término de las ecuaciones se especifica (en rojo) a qué proceso corresponde dicho término.
Las ecuaciones (1-7) del modelo acoplado de Powell et al. (2006) están basadas en el trabajo de Spitz et al. (2003) (similar al de Denman y Peña, 1999; el cual a su vez se basa en el modelo de Franks et al., 1986, y de Wroblewski, 1989; incluyendo una modificación en la componente detrítica y una tasa variable de clorofila a nitrógeno), con una diferencia para las formas de saturación en la respuesta fotosintética a la luz, y la respuesta del pastoreo del zooplancton al fitoplancton. Los principales procesos incluidos en las ecuaciones del modelo NPZD (Tabla 1) son el crecimiento fotosintético y la absorción de nitrógeno por el fitoplancton (U), el pastoreo de fitoplancton por zooplancton (G), la mortalidad del fitoplancton (𝜎 ) y el zooplancton (𝜁 ), y el hundimiento (𝑤 ) y la remineralización de detritos (𝛿𝐷). Por simplicidad, a partir del modelo de Spitz et al. (2003), los niveles de iluminación en superficie son variantes a la estacionalidad, la luz disponible en la profundidad se calcula suponiendo que la atenuación del agua (kz) es exponencial, y el coeficiente de extinción para el fitoplancton (kp) es proporcional a la media de la densidad de fitoplancton entre la superficie y la profundidad (Powell et al., 2006).
determinan a partir de una revisión de la literatura y de una comparación con datos observados in situ.
Durante la simulación, el modelo NPZD en sus fronteras abiertas utiliza valores fijos, constantes y uniformes de 0.08, 0.06 y 0.04 mM m-3 para el fitoplancton, el zooplancton y los detritos, respectivamente. Para el nitrato se utiliza la climatología disponible en el sitio de la Base de Datos Oceánicos Mundiales (WOD, por sus siglas en inglés): www.nodc.noaa.gov/OC5/WOD/pr_wod.html. Estos mismos valores son utilizados para la inicialización de las cuatro componentes biológicas del modelo NPZD.
Tabla 1. Nombre, símbolo, valor, unidades, autor y zona de estudio asignados para los parámetros del modelo NPZD. Se muestran las pruebas realizadas para el análisis de sensibilidad de los parámetros (enumeradas) y los valores asignados para este trabajo (negritas). Los asteriscos señalan de donde se basan los estudios.
Nombre del
parámetro Símbolo Valor Unidades Autor Zona de estudio Coeficiente de
extinción de luz kz
0.067 (P1)
0.116(P2) 0.067(P3) 0.067(P4)
m-1
Spitz et al., 2003** Fiechter et al., 2013
Spitz et al., 2003** Spitz et al., 2003**
Costa de Oregón Golfo de Alaska
Costa Oregón Costa Oregón
Coeficiente de
auto-sombreado kp
0.0095 (P1)
0.16(P2) 0.008(P3)
0.01(P4)
m2·mmol·N-1
Spitz et al., 2003** Guzman, 2004 Macías, 2010* Macías, 2010* Costa Oregón Baja California Baja California Baja California Pendiente inicial
de la curva P-I α 0.025 m
2·W-1 Spitz et al., 2003** Costa de Oregón
Tasa de absorción de
nitrato
Vm 1.5 d-1 Spitz et al., 2003** Costa de Oregón
Media de saturación de
absorción
kN 0.5 mmol·N·m-3 Macías et al., 2012* Corriente SE de
California
Senescencia del
Fitoplancton σd 0.1 d-1 Batchelder et al., 2002 Newport, Oregón
Tasa de pastoreo
del Zooplancton Rm 0.6 d-1 Macías et al., 2012*
Corriente SE de California
Constante de
Ivlev Λ 0.06 m
3·mmol·N-1 Spitz et al., 2003** Costa de Oregón
Eficiencia de
Excreción γn 0.3 (30%) Fiechter et al., 2013 Golfo de Alaska
Mortalidad del
Zooplancton ζd 0.1 d-1 Macías et al., 2012*
Corriente SE de California Remineralización δ 0.05 d-1 Macías et al., 2012* Corriente SE de
California
Tasa de hundimiento del
detrito
wd 5.0 m·d-1 Macías et al., 2012* Corriente SE de
California
2.3 Análisis de la sensibilidad de los parámetros k
zy k
pGong et al. (2014) demostraron a través de una función Gaussiana que la profundidad del máximo subsuperficial de clorofila (MSC) se profundiza logarítmicamente con un aumento en la intensidad de luz en superficie, es decir, el espesor y concentración del MSC están asociados con el viento y la concentración inicial de nutrientes y la profundidad con la atenuación de luz. A partir de esto se realizaron pruebas de la sensibilidad de los parámetros del coeficiente de atenuación de luz del agua de mar (kz) y debido al fitoplancton (kp), con el objetivo de simular adecuadamente la ubicación del MSC a través de un corte en la vertical de una sección en la BTS para el periodo de primavera del 2004. Los valores asignados para las pruebas de sensibilidad de los parámetros son a partir de valores utilizados en la literatura (Tabla 1).
Figura 3.Pruebas realizadas para la sensibilidad de los parámetros Kz y Kp para la primavera del 2004. Se muestra a) un corte transversal a lo largo de la Bahía de Todos Santos de donde se tomaron los datos para b) el perfil de la concentración de clorofila (línea negra).
2.4 Descripción de los datos de observaciones y trabajos previos
Se realizó una validación de las simulaciones del modelo, previo al análisis de la variabilidad de la concentración de clorofila, a través de la comparación con observaciones y trabajos previos realizados para Baja California y para la BTS (Sección 3). Los resultados de la TSM del modelo regional son comparados con observaciones in situ obtenidos del Centro Nacional de Datos de Boya (NDBC por sus siglas en inglés; http://www.ndbc.noaa.gov/) de la estación 46086 (con coordenadas 32º29’27’’ N y 118º2’5’’ O) (Fig. 1). Para el periodo del 2004 al 2011. También se realizó una comparación de las series climatológicas creadas a partir de la interpolación de los datos de la TSM del MODIS-Aqua (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, EOS PM, obtenidos desde la página de internet de la Administración Nacional de la
Aeronáutica y del Espacio (NASA, por sus siglas en inglés:
www.oceancolor.gsfc.nasa.gov/cms/) y del modelo en el mismo punto en donde se ubica la estación del NDBC. También se utilizaron datos del MODIS de la TSM y de la Chl-a de compuestos mensuales para el periodo del 2004 al 2011. Con los datos de la TSM y de la Chl-a del MODIS se hicieron mapas de promedios trimestrales, con el objetivo de compararlos con los resultados de la simulación del modelo para el dominio regional y con ello poder observar si el modelo puede simular las condiciones observadas.
regional y con ello poder observar si el modelo puede simular las condiciones observadas.
Los resultados de la simulación del modelo de la BTS fueron comparados con los resultados del reporte final del proyecto LORAX (García Mendoza et al., 2007). Para esto, se compararon con las campañas realizadas para el reporte del FLUCAR-BTS JUL2006 (29 de junio al 1 de julio del 2006), el FLUCAR-BTS NOV06 (los días 23 y 25 de Octubre del 2006) y el FLUCAR-BTS ENE07 (19 de enero del 2007); se utilizaron los resultados de superficie y de perfiles de la temperatura y la Chl-a.
Para una mejor visualización de los datos simulados de nitrato y fitoplancton (mM N m-3), éstos se presentan en unidades de concentración (mg m-3). Estos valores se obtuvieron multiplicando la abundancia de nitrógeno-fitoplancton por una relación de Chl:N de 1.325 g Chl mol N-1 (derivada de la relación de Redfield C:N de 106:16 mol C mol N-1 y una relación C:Chl de 60:1 g C g Chl-1) (Fiechter et al., 2009).
2.5 Mapas meteorológicos
3 Validación del modelo a través de observaciones y
trabajos previos.
3.1 Modelo Regional (Noroeste de Baja California).
3.1.1 Comparación con observaciones de la climatología
La variación estacional de la distribución de la TSM simulada por el modelo (Fig. 4) representa adecuadamente los patrones de surgencia esperados, es decir cuando éstos son más intensos (enero-marzo) y más débiles (julio-septiembre), así como las diferentes zonas (frías y cálidas) que se presentan recurrentemente en todos los periodos. Asimismo, la serie climatológica de la TSM para los datos simulados del modelo logró simular el mínimo (febrero) y el máximo (septiembre) anual (Fig. 6), por lo que el modelo presenta un mismo comportamiento entre los resultados derivados del MODIS (r= 0.78, p= 0.004) y la estación del NDBC (r= 0.98, p= 1.11e-09). Por otra parte, la magnitud de los datos de la TSM simulados por el modelo son menores (2 ºC), esto significa que el modelo simula condiciones más bajas en la temperatura. Esto se puede deber a los datos de temperatura del NCOM utilizados para las fronteras abiertas del modelo. Además, el comportamiento de las series mantiene dicha diferencia constante, excepto en el mes de junio para la serie del MODIS, en donde se observa el efecto causado por la nubosidad en los datos de satélite.
la asimilación de datos ayudaría a corregir con el paso del tiempo la magnitud observada.
Figura 6. Climatología de la temperatura superficial del mar obtenida del modelo (línea negra continua), del MODIS (línea gris discontinua) y del NDBC (línea negra discontinua) para el periodo del 2004 al 2011. Se muestran las correlaciones entre las series.
3.1.2 Comparación con la variabilidad interanual
Se realizó un análisis comparativo de la variabilidad interanual de las simulaciones de la TSM y la concentración de clorofila superficial entre las serie del dominio regional y del MODIS para un dominio cercano a la BTS (Fig. 7). Para la TSM se observa un patrón y
tendencia similar en ambas series (r= 0.51, p= 1). Además se definen dos periodos, el
primero de 2004 a 2006 con una tendencia positiva y el segundo de 2007 a 2011 con una tendencia negativa (Fig. 7a). La variabilidad interanual de la concentración de clorofila para la serie de datos del modelo y del MODIS también tienen un patrón y
tendencia similares (r= 0.42, p= 1). En ambas series hay un ligero aumento en la
Figura 7. a) Variabilidad interanual de la temperatura superficial del mar y de b) la concentración superficial de clorofila del modelo (línea azul) y del MODIS (línea negra y roja) para el periodo del 2004 al 2011. Se muestra la correlación entre las series y el dominio de los datos cercanos a la BTS (izquierda).
a)
3.2 Bahía de Todos Santos
3.2.1 Comparación con observaciones a través de perfiles de la temperatura y la
clorofila
Existe una similitud entre el comportamiento del perfil seleccionado (para la temperatura y la clorofila) para las condiciones encontradas durante los cruceros del reporte de García Mendoza et al. (2007) y del modelo (Fig. 8). En ambos perfiles de la temperatura, las condiciones encontradas durante los cruceros de verano existe una marcada estratificación de la columna de agua y una mayor temperatura en superficie, pero tiende a disminuir con la profundidad más rápido que en otoño (cuando es menor la diferencia con la superficie). Por otra parte, las condiciones observadas durante los cruceros de invierno se observa una columna de agua totalmente mezclada (Fig. 8), esto produce un enriquecimiento de nutrientes en la columna de agua produciendo una disminución de la profundidad y grosor de la MSC para primavera-verano (Gong et al., 2014).
El MSC se formó a la misma profundidad para el crucero de otoño en ambos casos (aprox. 30 m), excepto en el crucero de verano cuando es más profundo en el modelo. No obstante, el modelo llega a simular la diferencia entre las condiciones encontradas en cada crucero en donde el MSC es más profundo y de menor magnitud en el crucero de otoño (Fig. 8).
12
Fig 1. Estaciones muestreadas en el interior de la Bahía de Todos Santos para las tres campañas oceanográficas que comprenden el presente proyecto. La estacion 24 (st 24) solo se muetreo en la campaña Flucar-BTS JUL06.
Muestras para identificación y cuantificación de especies fitoplanctonicas. Muestras para cuantificación picoplancton por medio de epiflorescencia (Flucar-BTS JUL06) Datos no presentados.
Medición de la eficiencia fotosintética de las especies presentes (Flucar-BTS JUL06 y Flucar-BTS NOV06). Datos no presentados.
Muestras para medir la concentración de nutrientes (NO2, NO3. PO4 y SiO2)
Se realizaron asimismo arrastres con red de 33 m de luz de malla para colectar fitoplancton y con red de 330 m para zooplancton. Estos arrastres se llevaron a cabo solo en estaciones específicas (ver Fig. 1).
Metodologías empleadas
Longitud
-116.85 -116.80 -116.75 -116.70 -116.65 -116.60
Latitud 31.65 31.70 31.75 31.80 31.85 31.90 31.95 st 24 E1 E2 E5 E4 E3 E6 E7 E8 E9 E10 E11 E12 E11 E15 E14 E13 E16 E17
principalmente el espesor y la concentración del MSC, cambiando el transporte de nitrato del agua profunda hacia la capa superior (Gong et al., 2014).
Figura 8. Comparación de los perfiles de la concentración de clorofila y la temperatura de la estación 15 (recuadro izquierdo de las observaciones en círculo rojo se muestra la ubicación de la estación 15) para las condiciones encontradas durante los cruceros JUL06 (del 29 al 1 de julio del 2006), NOV06 (23 y 25 de octubre del 2006) y ENE07 (19 de enero del 2007) del reporte de García Mendoza et al. (2007) (abajo) y del MODELO para el promedio diario de cada crucero (arriba).
3.2.2 Comparación con la variación espacial de la temperatura y la clorofila superficial.
excepto en julio que se observa una distribución similar entre los resultados del modelo y lo medido en campo. No obstante, hay que recordar que la cobertura (espacial y temporal) de las observaciones no es la ideal, ni tampoco su mapeo, por lo que en algunos casos los mapas de las observaciones no necesariamente muestran adecuadamente las estructuras presentes con lo observado en campo.
Figura 9.Distribución espacial de la temperatura superficial y a 10 m de profundidad del mar para las condiciones encontradas durante los cruceros JUL06 (del 29 al 1 de julio del 2006) y NOV06 (23 y 25 de octubre del 2006) del reporte de García Mendoza et al. (2007) (derecha) y del MODELO para el promedio diario de cada crucero (izquierda).
Fig. 2a
Figura 2
Fig. 2a
Figura 2
Fig. 2a
Figura 2
Fig. 2a
Figura 2
Jul (2 m) Jul (2 m)
Jul (10 m) Jul (10 m)
Nov (2 m) Nov (2 m)
Nov (10 m) Nov (10 m)
Figura 4
Se comparó la temperatura a 2 m de profundidad del modelo con la distribución de esta variable a los 4 m de profundidad reportada de las campañas realizadas en la BTS de enero 2008 a noviembre 2012 para el verano (agosto) (Fig. 10). En ésta se observa que el modelo logra representar la zona de máxima temperatura en el este de la BTS, además de una zona fría que se extiende desde el noroeste fuera de la BTS rodeando la isla de Todos Santos y extendiéndose hacia el sur, con una zona de mínima temperatura sobre la Bahía Salsipuedes (Fig. 10).
Figura 10.Distribución espacial de la temperatura a 4 m de profundidad del mar del MODELO (izquierdo) y del informe técnico de Kurczyn et al. (2012), para el promedio climatológico de Agosto del 2008 al 2011.
Aunque el modelo no logra simular la magnitud, cabe destacar que sí logra representar la distribución espacial de la concentración máxima superficial de clorofila (para verano y otoño) que se forma cerca de la dársena portuaria en el modelo y las observaciones (Fig. 11).
logra simularse el máximo que se origina sobre Punta Morro (Fig. 11). En el otoño la simulación es mejor, se logra representar bien la zona de máxima concentración superficial y del MSC, en donde existe una clara diferencia en la distribución entre el sureste y noroeste de la BTS.
Figura 11.Distribución espacial de la concentración de clorofila superficial y del máximo sub-superficial de clorofila para las condiciones encontradas durante los cruceros JUL06 (del 29 al 1 de julio del 2006) y NOV06 (23 y 25 de octubre del 2006) del reporte de García
Mendoza et al. (2007) (derecha) y del MODELO para el promedio diario de cada crucero
(izquierda).
Figura 4
Figura 4
Figura 4
Figura 4
Figura 4
Jul (Sup) Jul (Sub)
Jul (MSC)
Nov (Sup) Nov (Sup)
Nov (MSC) Nov (MSC)
Jul (MSC)
3.2.3 Comparación con observaciones de la circulación estacional
Por último, se comparó la circulación estacional (verano) del trabajo de Kurczyn et al. (2012) con la simulación del modelo para la BTS. Se observa una corriente superficial entrando a la BTS por el noroeste, en donde es más intensa sobre la Isla de Todos Santos, que luego gira hacia el suroeste, quizá influenciada por la batimetría, para salir por la zona donde se localiza el cañón frente a la costa de Punta Banda (Kurczyn et al., 2012), dicha circulación está representada adecuadamente por el modelo. En profundidad el modelo logra simular los dos flujos salientes sobre la boca noroeste de la BTS (Fig. 12).
Figura 12. a) Velocidad de las corrientes de las masas de agua a 4 m de profundidad b) y para un corte en la vertical del transecto noroeste (línea roja) del MODELO (izquierdo, arriba) y del informe técnico (derecho, abajo) de Kurczyn et al. (2012) en la Bahía de Todos Santos, para el verano promedio del verano de agosto del 2008, 2010 y 2011. En rojo (azul) flujo hacia el norte (sur).
4 Resultados
4.1 Variabilidad estacional de la clorofila en la Bahía de Todos Santos
Dado los patrones observados en las diversas variables, en seguida se presenta una teoría de los procesos o secuencia de eventos que están dando lugar a la variabilidad observada en las variables analizadas.
El invierno está caracterizado por una mayor intensidad del esfuerzo del viento meridional a finales de la estación de invierno y principios de primavera (Fig. 13), lo que ocasiona que exista una columna de agua mayormente mezclada (Fig. 14) y con poca variación de la temperatura a través de la misma. Estas condiciones sugieren que la distribución de la concentración de clorofila en superficie sea homogénea (Fig. 16), además de la posibilidad de ocasionar que sólo se forme un MSC cercano al Estero de Punta Banda (Fig. 16) y de baja intensidad (Fig. 14). Esta baja concentración de la clorofila podría estar asociado al transporte de nutrientes al interior de la BTS (Fig. 17), no obstante existen otros procesos biológicos (fisiológicos) que no permiten la acumulación de biomasa de fitoplancton en invierno. En esta época la concentración en todo la columna de agua es alta.
Para la primavera las condiciones ambientales se modifican, un aumento en la intensidad del esfuerzo del viento meridional (el cual comienza a disminuir) (Fig. 13), puede ocasionar una estratificación de la columna de agua (Fig. 14), como producto de esto la concentración de clorofila superficial en el interior de la BTS aumenta (Fig. 13). Además se podría formar un MSC intenso y poco profundo (Fig. 14), el cual se puede localizar aproximadamente a los primeros 10 metros y presentarse en toda la BTS (Fig. 16). El alto flujo de entrada de nutrientes en profundidad hacia la BTS (Fig. 17), además del balance de entrada y salida de clorofila (Fig. 17), pudieron ocasionar que en primavera se presente el máximo anual de clorofila en el interior de la BTS (Fig. 13).
se encuentre mayormente estratificada (Fig. 14), esto posiblemente puede ocasionar que en la termoclina de 12 ºC aproximadamente (Fig. 15) se forme un MSC profundo y débil (Fig. 14) en comparación con el de primavera, con una distribución continua que cambia de intensidad de la costa hacia fuera de la BTS (Fig. 16). Por otra parte, un cambio en la circulación fuera de la BTS sugiere la disminución en la concentración superficial de clorofila en el interior de la BTS (Fig. 16), además de modificar el transporte de nutrientes y clorofila al interior de la BTS (Fig. 17), aumentando el flujo de salida de nutrientes y clorofila en profundidad. Asimismo, en el interior de la BTS se mantuvo una recirculación en el sureste de la BTS (Fig. 17), lo que causaría la estratificación (Fig. 14) y heterogeneidad en la distribución de la TSM (Fig. 15) y la clorofila (Fig. 16).
Por último, a principios de otoño al disminuir el esfuerzo del viento y la TSM (Fig. 13), se puede presentar una distribución homogénea en la TSM (Fig. 15) y la concentración de clorofila superficial (Fig. 16) en el interior de la BTS. Además, aunque se mantiene una estratificación de la columna de agua (Fig. 14), la termoclina de 12 ºC es más profunda (Fig. 15), por lo que sugiere la formación de un MSC (Fig. 16) a una profundidad mayor a 15 m y de baja intensidad (Fig. 14). Por otro lado, al ser bajo el transporte de nutrientes hacia el interior de la BTS (Fig. 17), se puede presentar bajas concentraciones de clorofila durante todo el otoño (Fig. 13).