Wind-driven currents in the coastal and equatorial upwelling regions
Authors:   , Castellanos Ossa Paola 
Published: August 2023

During the last two decades the scientific community has recognised the importance of the tropical Atlantic Ocean and the upwelling regions on the Earth's climate. This recognition has opened new questions such as: ¿What are the mechanisms for the ocean to adjust to variations in atmospheric forcing?, ¿Is there any indirect relation between the atmospheric seasonal cycle and the response of the surface ocean?, ¿How are the meridional boundary flows connected with the zonal jets in the interior ocean?, ¿What is the relevance of these processes in the redistribution of properties such as water mass, heat and fresh water?

In this dissertation we explore several elements that determine the effect of the surface wind stress onto the processes within the near-surface ocean. The work focuses on recognizing the (subinertial) response mechanisms of the ocean surface to the spatial and temporal wind variations in two upwelling regions: a coastal region off Northwest Africa, in the area near Cape Blanc, and an oceanic region, in the equatorial Atlantic. With this purpose we use in situ and satellite data as well as numerical data from a high-resolution circulation model. The analysis of these data has been done with several methodologies, in some cases requiring substantial developments and tuning for local applications.

The implementation of the Maximum Cross-Correlation Method has allowed determining some of the characteristics of the instantaneous and mean surface fields, during winter and spring, in the upwelling region north and south of Cape Blanc. We have identified three regions which are characterized by different responses to short-time changes of the along-shore wind stress. North of Cape Blanc stands out the intensity of the coastal baroclinic jet, in the Cape Verde basin the mesoscalar structures are relatively weak and large, and off Cape Blanc there is along-shore convergence which traduces in the formation of a normal-to-shore giant surface filament.
The analyses of time series corresponding to several upwelling indexes show that the atmospheric forcing and the oceanic response are different north and south of Cape Blanc and during the first and second trimester of the year. The total subinertial flux may be represented as the combination of a surface Ekman flux (calculated as the Ekman transport divided by the thickness of the surface mixed layer) and the surface geostrophic current (deduced from altimetry satellite images). One of the most relevant results is that the temporal and spatial changes in the normal-to-shore Ekman transport influence the intensity of the geostrophic (baroclinic) coastal jet, therefore affecting the corresponding along-shore convergence (e.g. becoming intensified off Cape Blanc) and the offshore transport of upwelled waters.

The dissertation has also aimed at understanding the patterns of seasonal variability in the equatorial Atlantic Ocean through the statistical analysis of time series of sea level pressure, sea surface wind stress, sea surface height, and the circulation of the near-surface ocean. The data reveals a predominant annual component in all these variables, closely related to the latitudinal oscillation of the Inter-Tropical Convergence Zone. The equatorial divergence of the Ekman transport is well correlated with the intensity of the zonal system of equatorial currents, which includes the Equatorial Undercurrent and its northern and southern branches. Additionally, the seasonal appearance of the North Equatorial Counter Current during (boreal) summer and fall is related to the meridional convergence of the Ekman transport during those same seasons, which leads to a temporal rise of sea level and the generation of an eastward current in geostrophic balance. In general, the divergence/convergence of meridional Ekman transport is dominant in the northern hemisphere and of lesser relevance in the southern hemisphere.
Durante las últimas dos décadas la comunidad científica internacional ha pasado a reconocer la importancia del Océano Atlántico tropical y las regiones de afloramiento en el clima terrestre. Este reconocimiento ha abierto nuevos interrogantes, tales como: ¿Cuáles son los mecanismos de ajuste del océano a las variaciones en el forzamiento atmosférico?, ¿Existe algún tipo de relación indirecta entre el ciclo estacional atmosférico y la respuesta del océano superficial?, ¿Cómo se conectan los flujos oceánicos meridionales en los contornos con los flujos zonales en el océano interior?, ¿Cuál es la importancia de estos procesos en la redistribución de propiedades tales como masa, calor y agua dulce? En esta tesis se exploran diversos elementos que determinan el efecto del esfuerzo del viento superficial sobre los procesos que ocurren en el océano superficial. El trabajo se centra en reconocer cuales son los mecanismos (subinerciales) de respuesta de la superficie del océano a las variaciones espaciales y temporales del viento en dos regiones de afloramiento: una costera al Noroeste de África, en el área cercana a Cabo Blanco, y otra oceánica, en el Atlántico ecuatorial. Para ello se emplean observaciones in situ, datos satelitales y datos numéricos provenientes de un modelo de circulación de alta resolución. El análisis de estos datos se ha realizado con diversas metodologías, cuya aplicación en algunos casos ha requerido un esfuerzo substancial de desarrollo y puesta a punto.
La implementación del método de Máximas Correlaciones Cruzadas ha permitido determinar algunas de las características de los campos instantáneos y medios de velocidades superficiales, durante invierno y primavera, en la región del afloramiento de Cabo Blanco. Se han identificando tres regiones
caracterizadas por tener respuestas distintas a los cambios que el viento paralelo a la costa experimenta en escalas temporales cortas. Al norte de Cabo Blanco destaca la intensidad del chorro baroclino costero, en la cuenca de Cabo Verde se aprecian estructuras mesoscalares relativamente débiles y grandes, y frente a Cabo Blanco existe convergencia paralela a costa que se traduce en flujo normal a costa en forma de un gran filamento superficial. El análisis de las series temporales de diversos índices de afloramiento muestra que los forzamientos atmosféricos y las respuestas oceánicas son distintas al norte y sur de Cabo Blanco y durante el primer y segundo trimestre del año. El flujo subinercial resultante se puede representar como la combinación de un flujo superficial de Ekman (calculado como el transporte de Ekman dividido por la profundidad de la capa de mezcla) y la corriente geostrófica superficial (deducida a partir de imágenes satelitales de altimetría). Uno de los resultados más relevantes es que los cambios espaciales y temporales en el transporte de Ekman perpendicular a costa influyen sobre la intensidad del chorro geostrófico (baroclíno) costero, y por tanto afectan su convergencia a lo largo de la costa intensificándose, por ejemplo, frente a Cabo Blanco) y la transferencia neta de aguas afloradas hacia el océano interior.
La tesis también se ha encaminado a investigar los patrones de variabilidad estacional del Océano Atlántico ecuatorial, a través del análisis estadístico de series temporales de presión a nivel de mar, esfuerzo cortante del viento sobre la superficie oceánica, elevación del océano superficial, y la circulación
oceánica superficial. Los datos revelan una fuerte componente anual en estas variables, estrechamente vinculada con la oscilación meridional de la Zona de Convergencia Intertropical. La divergencia ecuatorial del transporte de Ekman se correlaciona adecuadamente con la intensidad del sistema de corrientes zonales ecuatoriales, que incluyen la Corriente Ecuatorial Subsuperficial y sus ramales norte y sur. Asimismo, la aparición estacional de la Contra-Corriente Ecuatorial durante verano y otoño (boreal) se relaciona con la convergencia meridional en el transporte de Ekman que tiene lugar durante estas épocas, lo cual conduce a una subida del nivel del mar y la generación de una corriente hacia el este en balance geostrófico. En general se aprecia que los procesos de divergencia/convergencia del transporte meridional de Ekman son dominantes en el hemisferio norte y de menor relevancia en el hemisferio sur.
Finalmente, con el fin de comprender mejor la dinámica ecuatorial, se ha desarrollado un modelo sencillo que permite cuantificar el aporte de la divergencia de Ekman al flujo zonal en varias bandas zonales características. Se han identificado dos condiciones típicas extremas, en primavera y otoño, y se han calculado la divergencia/convergencia meridional a través de líneas definidas por un máximo en la elevación de la superficie del mar. Bajo la suposición de que el transporte zonal cerca del contorno oriental (aquí tomada a una longitud de 0º) es nulo, se estima que la franja ecuatorial presenta, en su margen occidental, valores máximos de transporte correspondientes a 58 Sv en primavera y 27 Sv durante otoño, cuyo origen es el sistema de corrientes de frontera oeste.