Dynamics and hydrology of the Tagus estuary : results from in situ observations

• Author(s): Neves, Filipe dos Santos, 1979-
• Date: 2010
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/2003
• Origin: Repositório da Universidade de Lisboa
• Subject(s): Dinâmica das marés; Hidrologia; Estuário do Tejo; Teses de doutoramento - 2010
• Document Type: Doctoral thesis
• Language: English
• Advisor(s): Ambar, Isabel, 1946-
• Contributor(s): Repositório da Universidade de Lisboa

Description

Tese de doutoramento, Ciências Geofísicas e da Geoinformação (Oceanografia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2010

The present study was carried out with the main objective of describing some aspects of the physical oceanography of the Tagus Estuary, in order to increase the understanding of its dynamics, namely in what concerns the propagation of the tide within the estuary, the thermohaline and circulation patterns and the role of the principal forcing mechanisms of the estuarine dynamics. The study was based on the analysis of a comprehensive observational data set of the Tagus Estuary, obtained under di erent seasons and tidal conditions. This set includes hydrology and current profiles measured in sections along and across the estuary, repeated profiles at fixed positions and also time series obtained with self-recording equipment moored at several positions within the estuary. The data were complemented by contemporary records of water level, wind and river discharge. The Tagus Estuary is a “mesotidal” estuary that fits the category of “coastal plain estuary”. Concerning its stratification, the estuary can generally be classified as “partially mixed”. However when neap tide conditions are combined with high river discharge, the Tagus Estuary can then be considered “stratified”. The current meter data is compatible with a circulation pattern typical of a partially mixed estuary. Results show some features pointing to the existence of eddies, most probably generated by the action of the estuarine morphology on the flow. These structures seem to be a ected by the wind and by the spring-neap cycle of the stratification. Saltiest bottom water flows along the deepest sites. At the inlet channel, saltier bottom water is found close to the southern margin, whereas fresher surface water is found close to the northern margin, not only in the inlet channel, but also in the inner bay. As in most estuaries, the tide is clearly the main forcing mechanism of the Tagus Estuary dynamics. The semi-diurnal tide, the main source of variability, is modulated by the fortnightly cycle, which strongly influences the stratification and, consequently, the circulation patterns. The tide propagates as a mixed progressive/standing wave, becoming essentially a standing wave in the interior region. An asymmetric behaviour, due to M4, characterises the tide within the estuary, showing an ebb dominance, intensifying towards the interior. Depending on its amplitude ratio and phase relation with M2, the shallowwater M6 constituent can also play an important role on the asymmetry, leading to flood dominance. The river discharge acts mainly in a seasonal time scale, influencing the stratification of the water column. The wind remote e ects were evidenced by the significant lowering of the estuarine water temperature associated to the occurrence of wind-driven coastal upwelling. The e ects of the air temperature proved to be mainly seasonal, influencing the surface water temperature. The coherency between the water level and the atmospheric pressure evidenced the inverse barometer e ect. This study contributed to clarify some aspects of the dynamics of the Tagus Estuary, namely the links between some features of the thermohaline and circulation patterns and the corresponding forcing mechanisms and also helped to clarify some aspects of the tidal asymmetry in the estuary.

O Estuário do Tejo situa-se na costa Oeste de Portugal e é o maior estuário da Península Ibérica, ocupando uma área de aproximadamente 320 km2, em que cerca de 40% corresponde a regiões intertidais. O estuário é composto por um canal relativamente estreito e profundo com cerca de 15 km de extensão e por uma região interior, mais larga e menos profunda, com cerca de 25 km de extensão. A região interior caracteriza-se por uma topografia de fundo complexa, com dois canais principais (Cala de Samora e Cala do Norte) e extensas regiões intertidais. O presente trabalho teve como objectivo geral descrever alguns aspectos da oceanografia física do Estuário do Tejo, com base em observações in situ, no sentido de contribuir para uma melhor compreensão da sua dinâmica, nomeadamente a propagação da maré no estuário, os padrões termohalinos e de circulação e o papel dos principais mecanismos forçadores (a maré, o vento e a descarga do rio) da dinâmica estuarina. O conjunto de dados observacionais usados neste trabalho inclui perfis de temperatura, salinidade e velocidade da corrente ao longo de secções longitudinais e transversais ao estuário, assim como perfis repetidos em posições fixas (com sondas de Condutividade, Temperatura, Pressão – CTD) e séries temporais obtidas com diverso equipamento de autoregisto (correntómetros e cadeias de termístores) em amarrações. Os dados foram obtidos no âmbito de campanhas observacionais realizadas em diferentes estações do ano e em diferentes fases do ciclo quinzenal de maré. Em Setembro de 1985 (TEJO85) realizaramse perfis de hidrologia em condições de maré viva e obtiveram-se séries temporais de hidrologia e velocidade da corrente com cerca de um mês de duração. Em Fevereiro de 1988 (TEJO88/1) realizaram-se perfis de hidrologia em condições de maré morta. Durante os meses de Agosto de 1988 (TEJO88/2) e de Novembro de 1989 (TEJO89) obtiveram-se séries temporais de hidrologia e velocidade da corrente. Em Agosto de 2007 (INTAGUS07) e em Janeiro de 2008 (INTAGUS08) realizaram-se perfis de hidrologia e velocidade da corrente durante um ciclo quase completo de maré semi-diurna e em condições de maré viva e de maré morta. Estes dados foram complementados com dados contemporâneos do nível da água medido com marégrafos instalados em vários locais das margens do Estuário do Tejo, velocidade e direcção do vento medidos numa estação meteorológica próxima do estuário, e descarga do rio em Almourol, a cerca de 130 km da sua foz. Morfologicamente, o Estuário do Tejo é categorizado como um “estuário de planície costeira”, classificando-se como “mesotidal” no que diz respeito à altura da maré (entre 2 e 4 m). Quanto à estratificação, pode ser classificado como “parcialmente misturado”. Verificou-se que, em condições de maré morta conjugadas com uma elevada descarga do rio, o estuário pode ser classificado como “estratificado”. Os dados obtidos no Estuário do Tejo apontam para a existência de um padrão de circulação típico de um estuário parcialmente misturado (escoamento para jusante na camada superficial e para montante na camada profunda). Os resultados das observações indicam, em certos casos, a existência de vórtices, muito provavelmente gerados pelo efeito da morfologia do estuário sobre o escoamento. Estas estruturas mostraram ser afectadas pela acção do vento e/ou pelas variações de estratificação associadas ao ciclo quinzenal da maré. No que diz respeito à estrutura termohalina, a água mais salgada é encontrada junto ao fundo, sendo a salinidade tanto maior quanto maior a profundidade, como seria de esperar. Por outro lado, a água proveniente do rio ocupa a camada superficial, encontrando-se os valores mais baixos de salinidade geralmente mais próximos da margem norte ao longo de todo o estuário. Em particular, no canal de entrada do estuário, a água do mar, junto ao fundo, encontra-se mais perto da margem sul, enquanto a água proveniente do rio, na camada superficial, se encontra mais próxima da margem norte. Estas observações são compatíveis com o efeito a acção da força de Coriolis no escoamento. Apesar de a morfologia do estuário (orientação da linha de costa e relevo do fundo) poder ser considerada um mecanismo forçador “estático”, tem um papel activo na variabilidade espacial dos padrões de circulação residual observados e dos efeitos do atrito devido à proximidade de fronteiras laterais. Considerando a maré semi-diurna, o relevo do fundo é mesmo o principal factor de influência na direcção da corrente de maré. A maré mostra-se claramente como sendo o principal mecanismo forçador da dinâmica no Estuário do Tejo, sendo a frequência semi-diurna a dominante em termos de variabilidade, como demonstrado pela análise harmónica e espectral das séries temporais de hidrologia e de velocidade da corrente. Esta frequência é modulada pelo ciclo quinzenal de maré, que exerce a sua acção na estratificação da coluna de água e, consequentemente, na circulação residual, através da variação da intensidade da mistura vertical turbulenta. A maré propaga-se com um comportamento misto de onda progressiva/estacionária, verificando-se, no entanto, o aumento da contribuição estacionária em direcção ao interior. A propagação da maré no Estuário do Tejo revela a existência de uma assimetria, com a vazante geralmente mais curta e mais forte do que a enchente. Este domínio da enchente intensifica-se em direcção ao interior do estuário, associado à existência de extensas áreas intertidais nessa região. A assimetria é principalmente causada por acelerações advectivas não-lineares, as quais dão origem ao constituinte harmónico de águas pouco profundasM4. O aumento da amplitude deste em direcção ao interior do estuário leva à intensificação do domínio da vazante. A montante de Cabo Ruivo observa-se um aumento significativo da amplitude do constituinte harmónico de águas pouco profundas M6, a que parece corresponder uma mudança no sentido da assimetria da maré, com domínio da enchente. Uma experiência teórica mostrou que, dependendo da razão entre as amplitudes deM2 eM6 e da sua fase relativa, o constituinteM6 poderá desempenhar um papel importante na assimetria, originando mesmo uma mudança de sentido. A descarga do rio tem a sua acção principal numa escala de tempo sazonal, exercendo uma forte influência na salinidade da camada superficial do estuário e portanto na estratificação da coluna de água. Regimes de descarga do rio típicos de Inverno terão tendência para intensificar a estratificação no Estuário do Tejo. As observações apenas mostraram os efeitos remotos do vento na estrutura termohalina do estuário, através da relação de alterações significativas da temperatura da água com a ocorrência de afloramento na região costeira adjacente, em consequência de episódios de vento intenso de norte. Os dados mostraram ainda que a acção directa do vento no estuário é também relevante para a circulação residual. O presente estudo contribuiu para clarificar alguns aspectos da dinâmica do Estuário do Tejo, nomeadamente a relação entre algumas características dos padrões termohalinos e de circulação e os respectivos mecanismos forçadores. Este trabalho permitiu também clarificar alguns aspectos da assimetria da maré no estuário.

I acknowledge the following research projects, in the frame of which the observational data used in this study was obtained: “Hydrodynamics of Estuaries and Coastal Waters”, supported by the Junta Nacional de Investigação Científica e Tecnológica (JNICT), the Instituto Nacional de Investigação Científica (INIC) and the Bundesministerium für Forschung und Technologie, in the frame of the Portugal-Federal Republic of Germany bilateral cooperation; “Dynamical Response of the Tagus Estuary to the Forcing Mechanisms”, supported by JNICT and INIC; “ Integrated physical and biological study of the Tagus Estuary and adjacent coastal waters”, supported by Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT); Fundação para a Ciência e a Tecnologia, SFRH/BD/13759/2003.