Modelling the Minho river plume intrusion into the rias baixas

Abstract

The Minho River, situated 30 km south of the Rias Baixas is the most important freshwater source flowing into the Western Galician Coast (NW of the Iberian Peninsula). This discharge is important to determine the hydrological patterns adjacent to its mouth, particularly close to the Galician coastal region. The buoyancy generated by the Minho plume can flood the Rias Baixas for long periods, reversing the normal estuarine density gradients. Thus, it becomes important to analyse its dynamics as well as the thermohaline patterns of the areas affected by the freshwater spreading. Thus, the main aim of this work was to study the propagation of the Minho estuarine plume to the Rias Baixas, establishing the conditions in which this plume affects the circulation and hydrographic features of these coastal systems, through the development and application of the numerical model MOHID. For this purpose, the hydrographic features of the Rias Baixas mouths were studied. It was observed that at the northern mouths, due to their shallowness, the heat fluxes between the atmosphere and ocean are the major forcing, influencing the water temperature, while at the southern mouths the influence of the upwelling events and the Minho River discharge were more frequent. The salinity increases from south to north, revealing that the observed low values may be caused by the Minho River freshwater discharge. An assessment of wind data along the Galician coast was carried out, in order to evaluate the applicability of the study to the dispersal of the Minho estuarine plume. Firstly, a comparative analysis between winds obtained from land meteorological stations and offshore QuikSCAT satellite were performed. This comparison revealed that satellite data constitute a good approach to study wind induced coastal phenomena. However, since the numerical model MOHID requires wind data with high spatial and temporal resolution close to the coast, results of the forecasted model WRF were added to the previous study. The analyses revealed that the WRF model data is a consistent tool to obtain representative wind data near the coast, showing good results when comparing with in situ wind observations from oceanographic buoys. To study the influence of the Minho buoyant discharge influence on the Rias Baixas, a set of three one-way nested models was developed and implemented, using the numerical model MOHID. The first model domain is a barotropic model and includes the whole Iberian Peninsula coast. The second and third domains are baroclinic models, where the second domain is a coarse representation of the Rias Baixas and adjacent coastal area, while the third includes the same area with a higher resolution. A bi-dimensional model was also implemented in the Minho estuary, in order to quantify the flow (and its properties) that the estuary injects into the ocean. The chosen period for the Minho estuarine plume propagation validation was the spring of 1998, since a high Minho River discharge was reported, as well as favourable wind patterns to advect the estuarine plume towards the Rias Baixas, and there was field data available to compare with the model predictions. The obtained results show that the adopted nesting methodology was successful implemented. Model predictions reproduce accurately the hydrodynamics and thermohaline patterns on the Minho estuary and Rias Baixas. The importance of the Minho river discharge and the wind forcing in the event of May 1998 was also studied. The model results showed that a continuous moderate Minho River discharge combined with southerly winds is enough to reverse the Rias Baixas circulation pattern, reducing the importance of the occurrence of specific events of high runoff values. The conditions in which the estuarine plume Minho affects circulation and hydrography of the Rias Baixas were evaluated. The numerical results revealed that the Minho estuarine plume responds rapidly to wind variations and is also influenced by the bathymetry and morphology of the coastline. Without wind forcing, the plume expands offshore, creating a bulge in front of the river mouth. When the wind blows southwards, the main feature is the offshore extension of the plume. Otherwise, northward wind spreads the river plume towards the Rias Baixas. The plume is confined close to the coast, reaching the Rias Baixas after 1.5 days. However, for Minho River discharges higher than 800 m3 s-1, the Minho estuarine plume reverses the circulation patterns in the Rias Baixas. It was also observed that the wind stress and Minho River discharge are the most important factors influencing the size and shape of the Minho estuarine plume. Under the same conditions, the water exchange between Rias Baixas was analysed following the trajectories particles released close to the Minho River mouth. Over 5 days, under Minho River discharges higher than 2100 m3 s-1 combined with southerly winds of 6 m s-1, an intense water exchange between Rias was observed. However, only 20% of the particles found in Ria de Pontevedra come directly from the Minho River. In summary, the model application developed in this study contributed to the characterization and understanding of the influence of the Minho River on the Rias Baixas circulation and hydrography, highlighting that this methodology can be replicated to other coastal systems.

O Rio Minho, situado a 30 km a sul das Rias Baixas, é o rio mais importante que desagua na costa ocidental Galega (NO da Península Ibérica). A descarga da água doce proveniente deste rio é importante para a determinação dos padrões hidrológicos adjacentes à sua foz, particularmente perto das regiões costeiras galegas. Esta água doce pode inundar as Rias Baixas por períodos prolongados, invertendo a distribuição normal de densidade. Deste modo, é fundamental caracterizar a dinâmica da pluma do Rio Minho, assim como os padrões termohalinos das áreas afetadas pela sua dispersão. Assim, os principais objetivos deste trabalho consistiram no estudo da propagação da pluma estuarina do Minho em direção às Rias Baixas, e na deteção das condições nas quais esta afeta a circulação e as características hidrográficas destes sistemas costeiros, através do desenvolvimento e aplicação do modelo numérico MOHID. Com este propósito avaliaram-se inicialmente as características hidrográficas das embocaduras das Rias Baixas. Verificou-se então que, no caso das embocaduras norte, devido à sua reduzida profundidade, os fluxos de calor entre a atmosfera e o oceano são o forçamento principal que determina a temperatura da agua, enquanto que nas embocaduras sul os eventos de afloramento costeiro e a descarga de água doce são os fatores determinantes mais frequentes. Observou-se ainda um aumento de salinidade de sul para norte, o que indica que os menores valores detetados poderão ser explicados pela descarga de água doce proveniente do Rio Minho. Seguidamente efetuou-se uma avaliação de dados de vento na costa Galega, com o objetivo de verificar a sua aplicabilidade no estudo da dispersão da pluma estuarina do Minho. Inicialmente compararam-se ventos medidos ao longo da costa em estações meteorológicas terrestres, com ventos medidos ao largo pelo satélite QuikSCAT. Esta análise permitiu estabelecer que os dados do satélite são uma boa aproximação no estudo de fenómenos costeiros induzidos pelo vento. No entanto, visto que para forçar o modelo numérico MOHID são necessários dados de vento com grande resolução espácio-temporal perto da costa, acrescentou-se ao estudo anterior dados resultantes de simulações de um modelo de previsão (WRF). Da comparação com os dados provenientes de boias oceanográficas, conclui-se que a melhor base de dados para representação do vento perto da costa provém do modelo WRF. Para efetuar o estudo da influência da pluma estuarina do Minho nas Rias Baixas, foi desenvolvido e implementado um sistema de modelação integrado de três níveis encaixados, baseado na utilização do modelo numérico MOHID. O primeiro domínio é um modelo de maré barotrópico, englobando toda a costa da Península Ibérica. O segundo e o terceiro domínios são modelos baroclínicos tridimensionais, sendo o segundo uma representação grosseira das Rias Baixas e da costa adjacente, enquanto que o terceiro domínio inclui a mesma área com maior resolução. Neste âmbito, foi também implementado em modo 2D um modelo para o estuário do Minho, de forma a quantificar o fluxo (e as suas propriedades) que o estuário injeta no oceano. Devido à disponibilidade de dados foi escolhido o período de maio de 1998 para a validação da implementação numérica desenvolvida, efetuando a simulação da propagação da pluma estuarina do Minho para este período. Note-se que durante esta época foi detetada uma descarga elevada do Rio Minho, bem como ventos favoráveis à dispersão da pluma em direção as Rias Baixas. Os resultados obtidos mostraram que a metodologia de modelos encaixados foi implementada com sucesso, uma vez que os modelos reproduzem com precisão aceitável os padrões hidrodinâmicos e termohalinos do estuário do Minho e das Rias Baixas. Também foi avaliada a importância da descarga do Rio Minho e do vento no evento de maio de 1998. Os resultados revelaram que uma descarga moderada e contínua combinada com ventos de sul é suficiente para inverter o padrão de circulação das Rias Baixas, reduzindo a importância da existência de eventos específicos de elevado caudal. No âmbito do objetivo princial deste estudo, foram avaliadas as condições nas quais a pluma estuarina do Minho afeta a circulação e hidrografia das Rias Baixas. Os resultados numéricos indicaram que a dispersão da pluma estuarina do Minho responde rapidamente as variações do vento e às variações de batimetria e morfologia da linha de costa. Sem vento, a pluma expande-se para o largo, criando um bojo em frente da embocadura do rio. Sob condições de vento de norte, a pluma estende-se numa maior dimensão para o largo. Por outro lado, sob condições de vento de sul, a pluma fica confinada junto à costa, chegando às Rias Baixas ao fim de um dia e meio. No entanto, para descargas do Rio Minho superiores a 800 m3 s-1, a pluma estuarina do Minho inverte os padrões de circulação das Rias Baixas. Verificou-se também que a variabilidade do vento e da descarga do Rio Minho são os fatores que mais influenciam o tamanho e forma da pluma. Sob as mesmas condições analisou-se a troca de água nas Rias Baixas seguindo a trajetória de partículas lancadas perto da embocadura do estuário do Minho. Para descargas do Rio Minho superiores a 2100 m3 s-1 combinadas com ventos de sul de 6 m s-1 e numa escala superior a cinco dias, observou-se uma intensa troca de água entre as Rias. Cerca de 20% das partículas detetadas na Ria de Pontevedra provêm diretamente do Rio Minho. Em suma, a aplicação do modelo desenvolvido neste trabalho contribuiu para o conhecimento da influencia do Rio Minho na circulação e hidrografia das Rias Baixas, evidenciando que esta metodologia também pode ser replicada para outros sistemas costeiros.