La Modelación Aplicada a la Oceanografia

INSTITUTO DEL MAR DEL PERUCentro Regional de Investigación Pesquera

LambayequeCalle Los Pinos s/n Santa Rosa; Telefax 418035

“LA MODELACION APLICADA A LA OCEANOGRAFIA”

Wilmer Carbajal VillaltaE-mail: wcarbajal@imarpe.gob.pe

CONTENIDO

1. Oceanografía: definición y temática

2. Importancia de la Física, Matemáticas y Estadística en la Oceanografía

3. El Sistema de la Corriente de Humboldt (SCH)

4. Flujo de la información para la Modelación

5. La Modelación: definición

6. Ejemplos de modelación numérica

7. Perspectivas de modelación regional

8. Conclusiones

1. OCEANOGRAFIA

DEFINICION: la Oceanografía estudia el océano haciendo uso de varias ciencias básicas, la física, química, biología y geología, donde las matemáticas son utilizadas en parte de todas estas ramas. De manera general, la Oceanografía estudia las características físicas, químicas, biológicas y geológicas de los mares y océanos.

• Circulación en la plataforma continental.• Afloramientos• Frentes de quiebre de plataforma• Corrientes costeras rápidas• Giros/remolinos y filamentos• Contracorrientes: ESCC• Ondas costeras atrapadas• Olas y mareas• Dinámica y morfología de la playa. • Procesos de erosión y depositación (de transporte de sedimentos)• Dinámica costera• Orilla rocosa, playa, planicie, manglares, estuarios y comunidadesbióticas costeras.• Migración de organismos• Maricultura y pesquería en zonas costeras.• Contaminación, polución y recursos en la zona costera.• Modelación física de circulación y transporte sedimentario costeros• Topografía a lo largo de la costa y su rol en los meandros de los frentes

de afloramiento hasta quiebre y forma de filamentos fríos.

TEMATICA

2. IMPORTANCIA DE LA FISICA, MATEMATICA Y ESTADISTICA

Manglar San Pedro

Física

Leyes físicas básicas axiomáticas en el desarrollo de la dinámica del océano.

1. Conservación de masa: en oceanografía es usada como ecuación de continuidad de volumen.2. Conservación de energía: formación de ondas.3. Primera, segunda y tercera ley del movimiento de Newton: se aplica en algunos casos en los que los movimientos en el océano ocurren bajo un sistema de fuerzas que están en balance por lo que no actúan fuerzas resultantes (i.e. movimiento sin aceleración4. Conservación del momento angular: referida a una cantidad relacionada llamada vorticidad5. Ley de Gravitación de Newton: aplicada a la dinámica de las mareas astronómicas del océano así como a la distribución de presión hidrostática.

Matemáticas

1. Ecuaciones

Estadística

1. Series de tiempo

Manglar San Pedro

3. MASAS DE AGUA, CIRCULACION Y AFLORAMIENTOS EN EL SISTEMA DE LA CORRIENTE DE HUMBOLDT (SCH)

El litoral frente a Lambayeque se localiza en zona sur del límite norte del Ecosistema de Humboldt ¡¡¡

Manglar San Pedro

INFORMACION

ESTACION HIDROGRAFICA (in situ)• TSM (°C)• Profundidad• Oxígeno disuelto• Salinidad

PERCEPCION REMOTA (Satélites)

INSTRUMENTOS

NUEVAS FORMAS DE COLECTAR Y ANALIZAR

DATOS

TSM (°C)

CORRIENTES

PRODUCTIVIDAD PRIMARIA

VIENTOS

OLAS

TOPOGRAFIA DEL FONDO

COLECTA, INGRESO Y PROCESAMIENTO DE

DATOS

CREACION DE MODELOS MATEMATICOS•

PC

Electrónica

4. FLUJO DE INFORMACION PARA LA MODELACION

PERCEPCION REMOTA

DEFINICION: es una tecnología de muestreo de radiación electromagnética para adquirir e interpretar datos geoespaciales no inmediatos a partir de los cuales se obtiene información acerca de características y objetos sobre la superficie terrestre, océanos y atmósfera.

SATELITE: plataforma artificial con sensores del espectro electromagnético orbitando la Tierra en el espacio y lanzados desde ésta por cohetes.

APLICACIONES DE LA OCEANOGRAFIA SATELITAL

1. Procesos Oceanográficos Dinámicos

Circulación de los océanos, giros.

Mareas

Frentes

Afloramientos

Dinámica de la capa de mezcla

Dinámica costera y estuarina, fenómenos topográficos

2. Ondas Oceánicas

3. Temperatura Superficial del Mar

4. Clorofila “a”

5. LA MODELACION

DefiniciónEn ciencias puras y, sobre todo en ciencias aplicadas, la modelación, en su forma más amplia es una técnica que consiste en la generación de un modelo o adaptación de un fenómeno problemático dentro de una estructura abstracta que explique el alcance del fenómeno y sirva para encontrar una solución a un problema especificado dentro de algún contexto.

Es una representación conceptual o física a escala de un proceso o sistema (fenómeno), con el fin de analizar su naturaleza, desarrollar o comprobar hipótesis o supuestos y permitir una mejor comprensión del fenómeno real al cual el modelo representa.

El campo de la oceanografía física ha madurado a un punto tal en el que ahora es concebible combinar modelos numéricos y observaciones vía asimilación de datos para proporcionar productos de predicción del océano en varias escalas espaciales y de tiempo

MODELACION NUMERICA

Manglar San Pedro

Definición

Interpolación, discretización, convergencia, estabilidadErrores de truncación, exactitud en las soluciones numéricas, esquemas explícitos e implícitos, esquemas de Eulerimplícitos y explícitos. Álgebra Lineal. Ecuaciones Diferenciales Ordinarias: Método de Runge-KuttaEcuaciones Diferenciales Ordinarias Ecuaciones Diferenciales Parciales: Ecuaciones Shallow water

Tipos

• Modelos de calidad de aguas

• Modelos de circulación oceánica

• Modelos de transporte de sedimentos (procesos de erosión costera)

MODELOS DE CALIDAD DE AGUAS

Manglar San Pedro

Evaluar el impacto ambiental generado por aguas negras o efluentes domésticos en cuerpos de agua cerrados (bahías) o semicerrados (ensenadas).

MODELOS DE CIRCULACION OCEANICA

Manglar San Pedro

• The Princenton Ocean Model (POM)

• Regional Ocean Modeling Systems (ROMS)

• Simple Ocean Data Assimilation (SODA) Model

Manglar San Pedro

Es un modelo robusto utilizado para estudiar una amplia variedad de problemascosteros. El POM es utilizado para simular condiciones de temperatura, corrientes y salinidad a lo largo de áreas costeras donde las pendientes topográficas son moderadamente graduales, tales como aquellas en mares semicerrados, puertos, bahías y estuarios. Debido a que este describe tanto la dinámica y termodinámica del océano, el POM es usado para estudiar un amplio rango de problemas costeros.

En el área de investigación ambiental, éste es utilizado para predecir la calidadambiental de aguas costeras, para modelar el efecto de los derrames de petróleo y dar asistencia en otros pronósticos costeros.

THE PRINCENTON OCEAN MODEL (POM)

REGIONAL OCEAN MODELING SYSTEM (ROMS) MODEL

El modelo ROMS es un modelo del océano de ecuaciones primitivas para superficies libres que está siendo utilizado por una rápida y creciente comunidad de usuarios para aplicaciones que van desde la cuenca del océano hasta las escalas costeras y estuarinas.

http://marine.rutgers.edu/~wilkin/wip/cblast/2003_forecasts

Manglar San Pedro

El modelo SODA pronostica la física del océano basado en observaciones históricas de meteorología y del océano. El modelo es un producto de reanálisis del océano que combina observaciones con un modelo del océano para crear una grilla de datos de temperatura, salinidad y corrientes del océano que tratan de representar los océanos de la tierra entre 1958 y 2001. El SODA model fue creado por Carton et al 2000a en la Universidad de Maryland. El modelo SODA usa un modelo del océano basado en la Dinámica Geofísica de fluídos. Los datos asimilados incluyen perfiles de temperatura y salinidad del World Ocean Atlas-94 (MBT, XBT, CTD, y datos de estaciones), así como también hidrografía adicional, TSM y nivel del mar por altimetría.

Como son asimilados los datos en SODA?

1) El World Ocean Atlas 1994 (temperaturas y salinidades a partir de batitermografosmecánicos, etc).2) Los archivos de batitermógrafos3) El arreglo transmisor TOGA - TAO4) El programa tropical soviet SECTIONS5) Altimetría satelital de Gensat, ERS/1 y TOPEX/POSEIDON

THE SIMPLE OCEAN DATA ASSIMILATION (SODA) MODEL

MODELACION DE DISPERSION DE CONTAMINANTES: derrame de petróleo

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GNOME (General NOAA Oil Modeling Environment) es un modelo para determinar la trayectoria de los derrames de petróleo usado por OR&R Emergency Response Division (ERD). Modeladores de trayectorias del ERD usan GNOME en Modo Diagnóstico para ajustar o configurar escenarios personalizados rápidamente. En Modo Standard, cualquiera puede usar GNOME (con un archivo Locación) para: • predecir como los vientos, corrientes y otros procesos pueden mover y expandir el petróleo derramado sobre el agua. • aprender como trayectorias previstas de petróleo son afectadas por inexactitudes ("uncertainty") en las observaciones y pronósticos de corrientes y vientos. • ver como el petróleo derramado es predecido a cambiar química y físicamente durante el tiempo que éste permanece sobre la superficie del agua

MODELACION DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS

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Los sedimentos (arena gruesa o fango fino) localizados en el fondo del mar, bajo la influencia de la fricción del agua con el fondo del piso del mar (“bottom stress”), serán erosionados y llevados en suspensión, dentro de la columna de agua. Este bottom stress es la consecuencia de corrientes, mareas y olas.

Los modelos computacionales de 2 y 3 dimensiones calculan el transporte de diferentes sedimentos bajo la influencia de corrientes y olas. Para cada tipo de sedimento, se calcula cuanto material estaráen suspensión y cuanto en el fondo, así, como el material en suspensión será transportado y cuanto material será erosionado o depositado.

Modelos hidrodinámicos

Estos modelos son utilizados típicamente en sistemas acuáticos complejos para representar patrones de transporte detallados; también son utilizados para predecir transporte de sedimento el cual incluye químicos o metales que son adsorvidos a los sedimentos.

TRANSPORTE LARVAL: MODELOS DE ADVECCION -DIFUSION

Manglar San Pedro

Modelos oceanograficos de circulación de mesoescala en la plataforma continental validados por tracks (rutas) de boyas superficiales a la deriva. Las trayectorias de laslarvas de “n” especie liberada en un determinado lugar de la costa y otras áreas de crianza conocidas, son determinadas a partir de simulaciones usando el modelooceanográfico (“aprox. Lagrangiana”, derivadores). El resultado esperado esconocer el mecanismo básico de ida y retorno de las larvas.

LarvasMechanismos de Transporte (p.e.

corrientes, afloramiento-relajación)

Hábitat AdultoCOLUMNA AGUACOLUMNA AGUA FONDOFONDO

Habitat adulto

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* Paita

MODELACION ESTADISTICA (IOS vs IOP): series de tiempo

Mediante un modelo estadístico (ARIMA), un modelo empírico basado en el volumen de agua cálida (VAC) del Pacífico Ecuatorial y un modelo basado en tablas de contingencia (TC), se realizaron previsiones del Indice de Oscilación Peruano (IOP), actualizado hasta el mes de Setiembre del 2006.

Fuente: Quispe, C., S. Purca y J. Tam. 2006. Opinión científica sobre previsión de efectos de El Niño y la Oscilación del Sur (ENOS). IMARPE – Callao.

Presiones atmosféricas de Tahiti, Darwin y Paita, e índices IOS e IPD

Manglar San Pedro

Fuente: Quispe, C., S. Purca y J. Tam. 2006. Opinión científica sobre previsión de efectos de El Niño y la Oscilación del Sur (ENOS). IMARPE – Callao.

Previsión del Indice de Oscilación Peruano mediante un modelo ARIMA

6. EJEMPLOS DE MODELACION NUMERICA

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Hidrodinámica mareal básica diaria simulada en el estrecho de Singapur. Los datos obtenidos son capaces de responder rápidamente a una situación de emergencia, e.g. derrame de petróleo. La simulación hace uso de valor mareal previsto por análisis armónico alrededor del perímetro del estrecho como la fuerza gobernante del modelo.

SIMULACION MAREAL

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MODELACION DE CIRCULACION (Temperatura Superficial del Mar)

Fuente: Morón, O., J. Quispe, J., I. Ramirez & J. Tenorio. 2006. Simulación hidrodinamica en la Bahia de Paracas (Pisco, Perú) utilizando forzantesambientales. Estudio conjunto Perú (IMARPE) – México (CICESE).

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MODELACION DE CIRCULACION (Corrientes)

Fuente: Morón, O., J. Quispe, I. Ramirez & J. Tenorio. 2006. Simulación hidrodinamica en la Bahia de Paracas (Pisco, Perú) utilizando forzantesambientales. Estudio conjunto Perú (IMARPE) – México (CICESE).

Manglar San Pedro

Seguimiento de la partícula

Simulation de seguimiento de partícula

Un módulo de seguimiento de la partícula ha sido desarrollado para proveer simulación de transporte de partícula cuando sea necesario.El módulo emplea una aproximación Lagrangiana 3 D para calcular el movimiento de particulas discretas en el estrecho.

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Animación mostrando la dispersión de fango descargado en cierto lugar del mar

Impactos que pudieran producir estructuras en la línea de costa tales como espolones, rompeolas y en general estructuras de protección costera.

7. PERSPECTIVAS DE

MODELACION REGIONAL Manglar San Pedro

Rio Chira

BAHIA DE PAITA: modelación de la dinámica estuarina y transporte de sedimentos, nutrientes, etc procedentes del Río Chira

Transporte de sedimentos, ecología

La circulación horizontal y movimientosvertical son la clave para comprender el transporte y transformación de los “inputs”continentales y el ciclo de los principalesconstituyentes en la zona costera.

El transporte de sedimento desde los ríos al mar abierto es un tópico de investigación queva de la mano con el desarrollo de modelosasociados.

Acoplamiento de modelos biogeoquímicoscon la física.

DISPERSION LARVAL DE CONCHA DE ABANICO: conexión Isla Lobos de Tierra – Bahía de Sechura

Estudios de dispersión larval mediante uso de derivadores, correntómetros, colecta de larvas de concha de abanico y registro de parámetros hidrográficos.

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PERFIL OCEANOGRAFICO SAN JOSE – ISLAS LOBOS DE AFUERA

Salinidad, Estacion 4

Salinidad, Estacion 7

• Registro mensual de parámetros hidrográficos e indicadores biológicos en una sección de 50 mn.

MODELACION DEL FRENTE OCEANICO Y ECUATORIAL CERCA A LAS ISLAS LOBOS DE AFUERA

Monitorear las condiciones ambientales y las asociaciones de especies y/o comunidades que se formarían alrededor de dicha estructura flotante, en una zona donde existe influencia del frente oceánico y del frente ecuatorial.

FE

FO

La interfase entre las aguas afloradas y las aguas costa afuera, donde la picnoclinaintersecta la superficie del oceáno.

Fuente: Morón (2002)

FRENTES DE AFLORAMIENTO (Upwelling)

METEOROLOGIA

Fuente: Morón (2002)

Estaciones Meteorológicas

Construcción e instalación de red de estaciones meteorológicas automáticas en la región, con la finalidad de monitorear microclimas y su aplicación en la agricultura y sector pesquero.

MODELACION DE DISPERSION DE HIDROCARBUROS

• Pto. Eten

MODELACION DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS FLUVIALES

Río Reque

MODELACION DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS: EL CASO DE PLAYA CHERREPE

Aplicación: Optimizar la actividad extractiva y cultivo del “cochayuyo”

Manglar San Pedro

Playa Chérrepe: alta dinámica sedimentaria que afecta el banco natural de “gracilaria”. Se requiere modelación de transporte de sedimentos en relación a la circulación costera, mareas, y vientos.

Aplicación: Optimizar la actividad extractiva y cultivo de la “gracilaria”

MODELACION DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS: EL CASO DE PLAYA CHERREPE

Manglar San Pedro

Aplicación: Maricultura (cultivo de “choritos”) en sistema suspendido

MODELACION DE CIRCULACION COSTERA EN LA ENSENADA DE CHERREPE

P. ETEN

Lagunas

Chérrepe

79º36'79º54'7º12'

6º54'

Río

Zañ

a

Los Barrancos

Río Reque

A B

C

DE Posición geográficaVértice Latitud (S) Longitud (W) A 07º04'09.1'' 79º47'01.7'' B 07º04'09.1'' 79º44'10.0'' C 07º07'26.8'' 79º41'20.0'' D 07º09'15.5'' 79º41'20.0'' E 07º09'15.5'' 79º43'59.9''Datum: Prov.S A 56

5,830 Ha

CAPACITACION

Manglar San Pedro

• Curso de MATLAB

• Curso de Modelado

8. CONCLUSIONESManglar San Pedro

Manglar San Pedro

CENTRO DE INVESTIGACIONES EN MODELADO OCEANOGRAFICO Y BIOLOGICO PESQUERO (CIMOBP)

Direccion: Gamarra y Gral. Valle s/n, 1er. Piso Chucuito - Callao Telf: 4296069

www.imarpe.gob.pe/imarpe/model_ocea_jun03.php

cimobp@imarpe.gob.pe

Personal

Dr. Jorge Tam (Coordinador, Modelos biológicos)jtam@imarpe.gob.pe

Dra. Sara Purca (Análisis Integrado de Procesos)spurca@imarpe.gob.pe

Fis. José Pasapera (Modelos físicos) jpasapera@imarpe.gob.pe

Carlos Quispe (Previsión de efectos de ENOS) cquispe@imarpe.gob.pe

Fis. Miguel Saavedra (Modelos acoplados) msaavedra@imarpe.gob.pe

Fis. David Correa (Modelos físicos) dcorrea@imarpe.gob.pe

Tec. Augusto Ingunza (Soporte Informático) aingunza@imarpe.gob.pe

www.imarpe.gob.pe/chiclayo/index.htm