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Submesoscale processes are defined geometrically by a lower length scale than the first baroclinic radius of deformation and dynamically by a Rossby number (Ro) of O(1), thus virtually unaffected by planetary forces. They have been widely studied in various environments using in-situ measurements, remote sensing, and numerical modelling. However, due to their unpredictable nature and relatively short spatial and temporal scales, identifying submesoscale patterns is a difficult task. Therefore, abundant ongoing research is continuously seeking new insight on their irregular behavior in the ocean. Recent observations of submesocale structures have shown their efficiency in transporting particles horizontally and vertically in both the open ocean and coastal waters. Oceanographic studies concerning the deep-sea island of Madeira have mainly focused on mesoscale processes but have yet to describe features found at the submesoscale. Based on the recent discovery of a coastal current over Madeira’s insular shelf, this study attempts to assess the role of submesoscale processes on the island’s coastal circulation and the main physical forcings responsible for their generation. A coupled ocean-atmosphere model (COAWST) was used to simulate oceanic outputs within 1-km resolution grids, from which Eulerian properties of the flow field were calculated to detect submesoscale activity in the area. In addition, 4 simulations were run according to different forcing scenarios: (A) all forcings (wind, tides, geostrophic); (B) wind forcing; (C) tidal forcing; (D) geostrophic far-field forcing. Results show that submesoscale activity was generally concentrated near the coast and mostly attributed to wind and geostrophic forcings. Eddies with Ro larger than 1 were found in Madeira’s wake and/or on the fringes of mesoscale eddies interacting with the island’s shallow bathymetry, which is in line with the literature. These small-scale eddies were the dominant feature within the coastal circulation, suggesting their important contribution to the material transport along the shelf. Os processos de submesoscala são definidos geometricamente por uma escala de comprimento inferior ao primeiro raio de deformação baroclínico e dinamicamente por um número Rossby (Ro) de O(1), praticamente não afectado por forças planetárias. Estes têm sido amplamente estudados em vários ambientes utilizando medições in-situ, detecção remota, e modelação numérica. No entanto, devido à sua natureza imprevisível e escalas espaciais e temporais relativamente curtas, a identificação de padrões de submesoescala é uma tarefa difícil. Por conseguinte, existe muita investigação em curso à procura de uma melhor compreensão do seu comportamento irregular no oceano. Observações recentes de estruturas de submesoescala demonstraram a sua eficiência no transporte horizontal e vertical de partículas tanto no oceano aberto como nas águas costeiras. Focando nas águas profundas da ilha da Madeira, vários estudos oceanográficos centraram-se principalmente nos processos de mesoscala, mas ainda não descreveram as características encontradas na submesoscala. Com base na recente descoberta de uma corrente costeira sobre a plataforma insular da Madeira, este estudo tenta avaliar o papel dos processos de submesoescala na circulação costeira da ilha e os principais forçamentos físicos responsáveis pela sua geração. Foi utilizado um modelo numérico acoplando as interações oceano-atmosfera (COAWST) para simular saídas oceânicas dentro de grelhas de 1 km de resolução, a partir das quais foram calculadas as propriedades eulerianas do campo de fluxo para detectar a actividade de submesoescala na área. Além disso, foram efectuadas 4 simulações de acordo com diferentes cenários forçadores: (A) todos os forçamentos (vento, marés, geostróficos); (B) forçamento pelo vento; (C) forçamento pela maré; (D) forçamento pelo campo distante geostrófico. Os resultados mostram que a actividade de submesoescala foi geralmente concentrada perto da costa e atribuída principalmente aos forçamentos pelo vento e geostrófico. Foram encontrados eddies com Ro maior que 1 na esteira da Madeira e/ou nas franjas de eddies de mesoescala interagindo com a batimetria rasa da ilha, o que concorda com a literatura. Estes remoinhos de pequena escala foram a característica dominante na circulação costeira, sugerindo a sua importante contribuição para o transporte de material ao longo da plataforma continental. Last but not least, I want to thank my supervisors Rui and João for guiding me through the many uncertainties and rerouting of this project and acknowledge the Portugal FCT (Fundação para a Ciência e Tecnologia) for the financial contribution in running the numerical simulations of this work.

En la presente Tesis Doctoral se ha realizado un estudio detallado de los procesos hidrodinámicos, meso- y submesoescalares, que tienen lugar en el estrecho de Gibraltar, que condicionan el transporte de propiedades desde el golfo de Cádiz hacia el mar de Alborán, a través del propio Estrecho. Además, se ha analizado la importancia que dichos procesos tienen en la producción primaria del mar de Alborán. El estudio ha sido realizado a partir del análisis de observaciones de distinta naturaleza, que van desde las obtenidas in situ: campañas oceanográficas, fondeo de instrumentos, y lanzamiento de boyas de deriva; las adquiridas por parte de sistemas de medición remotos (p. ej. satélites, sistema de radares de alta frecuencia), hasta simulaciones numéricas de modelos meteorológicos e hidrodinámicos. Se han detallado tres áreas a lo largo del borde costero: Trafalgar, Camarinal y el noroeste del mar de Alborán, en las cuales se han observado altos tiempos de residencia, así como concentraciones relativamente elevadas de fitoplancton, evidenciándose la existencia de procesos de transporte entre estas. Dichos procesos, parecen ser los responsables de conectar el fitoplancton que crece a lo largo de la franja más somera del golfo de Cádiz, como respuesta al aporte de nutrientes del río Guadalquivir; con las poblaciones del mar de Alborán occidental. Los eventos de intensos y persistentes vientos locales de Levante, han sido identificados no solamente como un factor clave en la interrupción del transporte a lo largo del borde costero, sino también como elemento fundamental en la modulación de la dinámica del borde oriental del Estrecho, y sección occidental del mar de Alborán. El forzamiento atmosférico local y remoto (presiones atmosféricas sobre el mar Mediterráneo occidental), ha sido destacado como responsable en la alteración del sistema formado por el chorro de entrada de agua Atlántica, y el giro occidental del mar de Alborán, lo que origina importantes cambios en la distribución de fitoplancton en el mar de Alborán. La detección de solitones internos sobre la plataforma y talud continental del noroeste del mar de Alborán muestra un claro ejemplo de la extensión que llega a tener la hidrodinámica mareal del Estrecho en zonas costeras adyacentes del mar de Alborán. Dichos solitones, son liberados desde el umbral de Camarinal, y llegan al talud continental del mar xxviii de Alborán entre 15 y 28 horas tras su liberación. La variabilidad observada de los tiempos de viaje de estos solitones está relacionada no sólo con el ciclo mareal, sino también con la variabilidad subinercial, la cuál afecta tanto al flujo a través del Estrecho, como a la propia actividad mesoescalar del mar de Alborán. Finalmente, la alta regularidad y considerable amplitud de los solitones internos observados sobre el talud continental del mar de Alborán, llevan a pensar que su rotura allí o sobre la plataforma continental debe contribuir, en gran medida, a la mezcla vertical en la zona.

La comprensión de los procesos asociados a la circulación oceánica en cualquier zona marina es de gran relevancia debido a que diversos procesos físicos que se dan en el océano, como procesos de transporte (nutrientes, sedimentos o contaminantes) y la morfodinámica de ambientes costeros, dependen en gran medida de los patrones de circulación oceánica, tanto de su configuración espacial, como de su variabilidad temporal. Para el mar Caribe Colombiano está afirmación tiene gran pertinencia, dado que en los últimos años se han hecho esfuerzos significativos con miras al aprovechamiento de ambientes costeros y oceánicos, por lo que su estudio es de gran utilidad. En este aspecto la modelación numérica es una herramienta de gran versatilidad y aplicabilidad para estudiar estas dinámicas, ya que permite plantear una gran variedad de escenarios, en múltiples escalas espaciales y temporales, que difícilmente podrían estudiarse de otras formas. En este estudio se trabaja con el modelo ROMS- AGRIF, el cual es un modelo hidrodinámico ampliamente utilizado para este tipo de estudios, particularmente para aplicaciones de alta resolución. En este trabajo se apunta a calificar el desempeño del modelo y su capacidad para representar la circulación en el Caribe Colombiano, a niveles espaciales de submesoescala, es decir, a resoluciones espaciales de O(1km). Se propone además la generación de una base metodológica para el estudio de la circulación a estos niveles espaciales, la cual consiste en la aplicación de técnicas de separación de escalas y análisis espectral para una evaluación objetiva de los resultados de modelación desde la perspectiva de las dinámicas asociadas a los procesos que se generan en estas escalas. Las pruebas realizadas con ROMS de las variables oceánicas como temperatura, salinidad y velocidad de las corrientes, sugieren que éste es capaz de representar adecuadamente la variabilidad temporal y espacial de las mismas. Abstract: The understanding of dynamical processes associated with the oceanic circulation in any marine locality is a topic of great relevance due to several physical processes that occur in the coastal and oceanic zones such as transport processes (e.g. sediments, pollutants, nutrients) and coastal morphodynamics, which depend largely on the oceanic circulation patterns, on its spatial configuration and temporal variability. On the Colombian Caribbean Sea this statement is of great importance because in recent years significant effort have been made towards the harnessing of the resources in coastal and marine environment and, because of this, the study related to the ocean is of great usefulness. On this regard, numerical modelling is an effective tool, with great versatility and applicability to study these dynamics, which allows posing a wide variety of settings, with multiple spatial and temporal scales, that could be more difficult to study by other approaches. In this study, we use ROMS-AGRIF model, which is extensively applied for this type of studies, especially for high resolution. In this research the aim is to qualify the model performance and its capability to represent the circulation in the Colombian Caribbean Sea in scales in ranges of O(1km), which is defined as submesoscale. We propose a methodological base to study the oceanic circulation in these spatial scales, based on the scale separation techniques and spectral analysis to pose an objective evaluation of the modelling results from the dynamical perspective of the processes that arise in these spatial scales. The tests performed with ROMS-AGRIF regarding oceanic variables such as temperature, salinity and current velocity suggest that the model is able to represent suitably the spatio-temporal variability. Maestría

Neste estudo usamos uma modelagem regional com diferentes resoluções espaciais (6 e 3 ), focando na ressurgência da Guajira e nas Antilhas Menores, no mar do Caribe. A dinâmica superficial nesta região varia desde correntes de larga escala até filamentos costeiros das ressurgências. A interação dos anéis da Corrente Norte do Brasil com as Antilhas pode levar à formação de filamentos de vorticidade na submesoescala no lado protegido das ilhas, transferindo energia cinética (KE) das maiores escalas para as menores, permitindo a advecção de vorticidade potencial (PV). O Sistema de Ressurgências do Caribe (CUS) nas costas da Venezuela e da Colômbia interage com o escoamento da mesoescala, permitindo a formação de filamentos de submesoescala, vórtices menores e a troca vertical de propriedades físicas, que podem fornecer KE para as escalas maiores. Velocidades ageostróficas e velocidades verticais maiores são evidentes nos escoamentos com número de Rossby da ordem O(1), reduzindo a inclinação do espectro de KE nos números de onda ( ) maiores e aumentando a divergência do fluxo de traçadores, que demostram a importância dos processos de frontogênesis na camada de mistura das áreas de estudo. Finalmente, o balanço de KE mostra a dominância dos termos dissipativos próximo às ilhas e um aporte de KE sobre a região da ressurgência da Guajira. Isto demostra que os processos de submesoescala no mar do Caribe podem ser potencialmente importantes na dinâmica de larga escala na região. In this study we use a regional model with different spatial resolutions (6 and 3 ), focusing the Guajira Upwelling and the Lesser Antilles in the Caribbean Sea. The upper ocean dynamics in this region ranges from large-scale currents to coastal upwelling filaments. The interaction of North Brazil Current rings with the Antilles may lead to the formation of submesoscale vorticity filaments leeward of the islands, transferring kinetic energy (KE) from large to small scales and allowing the advection of potential vorticity (PV). The Caribbean Upwelling System (CUS) in the coasts of Venezuela and Colombia interacts with the mesoscale flow allowing the formation of submesoscale filaments, small eddies and the vertical exchange of physical properties that may supply KE to larger scales. The ageostrophic velocities and large vertical velocities are evidenced by O(1) Rossby number, the shoaling of the KE spectra in large wavenumbers ( ) and affect the eddy flux divergence of tracers which demonstrate the importance of processes such as surface frontogenesis on the mixed layer of the areas of study. Finally, the KE budget exhibits the dominance of dissipative terms near the islands and an injection of KE over the Guajira Upwelling Region. This demonstrates that submesoscale processes in the Caribbean Sea could be potentially important in the large-scale dynamics in the region.