The Douro estuarine plume: detection, processes and dynamics

Abstract

O Douro é um dos maiores rios da Península Ibérica, constituindo a maior descarga de água doce para o Oceano Atlântico na costa noroeste portuguesa. A sua pluma estuarina tem particular relevância na dinâmica costeira e na modulação de fenómenos biogeoquímicos. São objetivos desta dissertação contribuir para a compreensão dos processos físicos associados à geração e propagação da pluma estuarina do Rio Douro no oceano, assim como para o conhecimento dos seus padrões de dispersão e da forma como estes alteram a hidrologia e a circulação costeira, considerando os agentes forçadores típicos deste fenómeno (caudal fluvial, vento e maré) e índices climáticos relevantes. Para concretização destes objetivos foram desenvolvidas e aplicadas metodologias inovadoras de processamento de dados de deteção remota, assim como novas implementações estuarinas e costeiras de modelos numéricos. Através de imagens MODIS, otimizadas para o estudo de fenómenos costeiros, efetuou-se uma deteção rigorosa da pluma. Identificou-se uma relação entre o sinal túrbido nLw555 e o caudal, demonstrando-se este produto como um bom proxy para a observação da pluma no oceano. As escalas temporais e espaciais da pluma foram caraterizadas através destas imagens, combinadas com dados de caudal fluvial, maré, vento e precipitação, e também com índices climáticos relevantes. Para compreender a propagação da pluma e caracterizar a sua dinâmica e impacto na circulação costeira, foi desenvolvida uma aplicação 3D de modelos estuarinos e costeiros com malhas aninhadas de resolução variável. Definiramse e analisaram-se diferentes cenários de vento e descarga fluvial. A interação da pluma do Rio Douro e do Minho foi ainda analisada através dos resultados de simulações baseadas num evento de inverno. Os compósitos túrbidos mostraram que a pluma é facilmente detetada quando o caudal é maior que 500 m3 s􀀀1. A descarga fluvial e o vento são os principais forçadores da sua propagação, enquanto a maré é apenas importante na região próxima à embocadura do estuário. Observaram-se relações a uma escala interanual entre a turbidez da pluma e os índices climáticos East Atlantic e NAO, com uma correlação máxima identificada com 1 e 3 meses de desfasamento, respetivamente. Com base nos resultados das simulações efetuadas, a pluma é classificada como de larga escala e de adveção superficial, apresentando características de uma pluma prototípica. Em condições de caudal moderado a elevado, a descarga estuarina é suficiente para gerar uma corrente costeira para norte sem ação do vento. Em eventos de ventos leste, a propagação da pluma é similar ao caso sem vento, com um aumento da velocidade da corrente. Uma corrente costeira para sul é unicamente identificada sob condições de forte vento de oeste. Ventos de norte tendem a estender a pluma para o largo, com uma inclinação na direção sudoeste, enquanto ventos de sul intensificam a corrente para norte, sendo a mistura das plumas do Douro e do Minho uma consequência possível. A análise desta interação apontou a contribuição do Douro como importante na estabilização da WIBP e nas trocas de água entre o oceano e as Rias Baixas. A interação da pluma do Douro com estuários localizados a sul da sua foz e a confirmação in situ da recirculação observada nos resultados numéricos afiguram-se como temas relevantes para investigações futuras.

The Douro is one of the largest rivers of the Iberian Peninsula, representing the most important freshwater input into the Atlantic Ocean (on the northwestern Portuguese coast). Its estuarine plume has particular relevance on coastal dynamics and biogeochemistry. The main goal of this dissertation is to contribute to increase knowledge on physical processes associated with the generation and propagation of the Douro estuarine plume. The general patterns of dispersion in the ocean and how the plume change hydrography and coastal circulation were also evaluated, considering the typical drivers involved (river discharge, wind and tide) and relevant climate indices. Innovative methodologies to process remote sensing data, as well as new implementations of high-resolution estuarine and coastal numerical models have been developed and applied. The plume was detected through MODIS images, optimized for coastal studies. The relation between the turbid nLw555 signal and river discharge was identified, demonstrating that this product is a good proxy for the observation of the Douro estuarine plume in the coastal ocean. An interconnected approach, combining these images, river discharge, tide, wind and precipitation data, as well as relevant climate indices, was used to study the temporal and spatial scales of the plume. The implementation of estuarine and coastal models with nested domains of variable resolution was developed to understand the plume propagation and characterize its dynamics and impact on coastal circulation. Using these applications, different scenarios of wind and river discharge were defined and analysed. The interaction of the Douro and the Minho estuarine plumes was further evaluated through simulations based on a winter event. Turbid composites showed that the plume is easily detected when river discharge is greater than 500 m3 s􀀀1. River discharge and wind are the main driver acting on the plume propagation, whilst tidal effect is only important near the estuary mouth. A relation between turbid plume and climate indices East Atlantic (EA) and North Atlantic Oscillation (NAO) was observed at inter-annual scale, with a maximum correlation identified at 1 and 3-month lags, respectively. The Douro estuarine plume is classified as large-scale and surface-advected, presenting characteristics of a prototypical plume, based on the results of the numerical simulations. The estuarine outflow is sufficient to generate a northward coastal current without wind action under moderate-to-high river discharge conditions. Under easterly winds, the propagation pattern is similar to the case without wind forcing, with a slight increase in the northward current. A southward coastal current is only generated by strong westerly winds. Under upwellingfavourable winds, the plume extends offshore with tilting towards southwest. Southerly winds increase the velocity of the northward current, being the merging of the Douro and Minho estuarine plumes a likely consequence. The analysis of this interaction pointed out the Douro as an important contributor to the WIBP stabilization and in the water exchange between ocean and Rias Baixas. The interaction of the Douro estuarine plume with estuaries located south of its inlet and the in situ confirmation of the re-circulation bulge observed in numerical results seem as relevant for future research topics.