Circulation and transport processes during an extreme freshwater discharge event at the Tagus Estuary

Abstract

Numerical models developed over the past years are useful tools to analyze multidisciplinary aspects of estuarine environments, namely hydrodynamic and transport processes, induced by specific forcing events. From March 20 to April 11 of 2013, the central region of Portugal, which includes the Tagus estuary and near coastal waters, was under the influence of intense southern winds and extreme freshwater discharge (almost 9000 m³/s). These forcings acted to change the hydrodynamics and heat and salt transport during the referred period. This period was used as a reference to characterize specific variations and, moreover, in this dissertation, the impact of potential future changes in air temperature and sea level rise (SLR) in extreme events like the occurred in winter of 2013 was studied. The followed approach was the use of the Delft3D hydrodynamic model. For that, six idealized scenarios were developed and applied, considering the new results of the CMIP6 report. Before the event, the Tagus estuary presents normal values of water temperature (about 16ºC), consistent with the year season. The mixing area of the estuary pre sented well-mixed conditions (low Brunt-Väisälä frequency values). In the marine area of the estuary, some stratification was present, with a vertical gradient of 2 km¯¹ in this region. During the event, which was characterized by a large increase in the freshwater inflow, the estuary was filled with freshwater (with salinity values lower than usual), and the mixing region was advected toward the coast. This leads to the estuary water temperature being lower than the conditions previously to the freshwater event. Nine days later, on April 11, some event effects (as low salinity) remaining inside of the estuary, but some of the original features started to appear again (e.g., well-mixed conditions in the mixing region of the estuary). SLR has a more intense impact than the air temperature increase, in the salinity and Brunt-Väisälä frequency patterns. In opposition, the response of water temperature is directly related to the increase of the air temperature. In the first 20 km from the Tagus river mouth, the three study variables will not change their values, due to the influence of the extreme freshwater discharge. From 20 km to the estuary mouth, the increase of air temperature and the SLR will increase salinity, water temperature, and water column mixing. The estuary mouth and the shallow regions will be more prone to changes than the upstream region, in terms of salinity, water temperature, and water column stratification. As expected, the projected changes are greater for the scenario SSP5-8.5 (high greenhouse gas (GHG) emissions scenario) and considerably smaller for the SSP1- 2.6 (low GHG emissions scenario). The model implementation developed in this dissertation contributed to the understanding of the hydrodynamics of the Tagus estuary and the coastal adjacent region, as well the impact of predicted future change scenarios on salinity, water temperature, and stratification, in conditions of high freshwater discharge.

Os modelos numéricos desenvolvidos ao longo dos últimos anos são ferramentas úteis na análise multidisciplinar dos aspetos estuarinos, nomeadamente de processos hidrodinâmicos e de transporte, induzidos por eventos de forçamentos específicos. De 20 de março a 11 de abril de 2013, a região centro de Portugal, que incluí o rio Tejo e as zonas costeiras próximas, esteve sob influência de ventos intensos de sul e elevado caudal fluvial (quase 9000 m³/s). Estes forçamentos atuaram na alteração da hidrodinâmica e transporte de calor e sal durante o período referido. Este período foi usado como referência para caracterizar variações especificas e, além disso, nesta dissertação, foi estudado o impacto de potenciais alterações futuras na temperatura do ar e na subida do nível do mar em eventos extremos como o que ocorreu no inverno de 2013. A abordagem seguida foi o uso do modelo hidrodinâmico Delft3D. Para tal, seis cenários idealizados foram desenvolvidos e aplicados, considerando os novos resultados do relatório do CMIP6. Antes do evento, o estuário do Tejo apresentava valores normais de temperatura da água (cerca de 16ºC), consistente com a época do ano. A zona de mistura do estuário apresentava condições de mistura na coluna de água (valores baixos de frequência de Brunt-Väisälä). A região marinha do estuário apresentava alguma estratificação, com um gradiente vertical de 2 km¯¹ nesta região. Durante o evento, que foi caracterizado pelo elevado aumento do fluxo de água doce, o estuário estava cheio de água doce (com valores de salinidade abaixo do habitual), e a região de mistura foi advectada em direção à costa. Isto levou a que a temperatura da água do estuário se tornasse mais baixa do que nas condições que antecederam o evento de descarga fluvial. Nove dias mais tarde, no dia 11 de abril, alguns efeitos do evento (como a baixa salinidade) permaneciam na região dentro do estuário, mas algumas características iniciais voltaram a aparecer (por exemplo, condições de mistura, na região de mistura do estuário). A subida do nível do mar tem impactos mais intensos do que o aumento da temperatura do ar, nos padrões de salinidade e de frequência de Brunt-Väisälä. Por outro lado, a resposta da temperatura da água está diretamente relacionada com o aumento da temperatura do ar. Nos primeiros 20 km desde a embocadura do rio Tejo, as três variáveis em estudo não mudarão os seus valores, devido à influência da descarga fluvial extrema. A partir dos 20 km até à embocadura do estuário, o aumento da temperatura do ar e a subida do nível do mar aumentarão a salinidade, temperatura da água e mistura da coluna de água. A embocadura do estuário e as regiões pouco profundas serão mais propensas a alterações do que as regiões a montante, em termos de salinidade, temperatura da água e estratificação da coluna de água. Conforme esperado, as alterações projetadas são maiores para o cenário SSP5-8.5 (cenário de emissões elevadas de gases com efeito de estufa (GEE)) e consideravelmente menores para o SSP1-2.6 (cenário de baixas emissões de GEE). A implementação do modelo desenvolvida nesta dissertação contribui para a compreensão da hidrodinâmica do estuário do Tejo e a região costeira adjacente, assim como o impacto dos cenários de alterações futuras previstas na salinidade, temperatura da água e estratificação, em condições de elevada descarga fluvial.