Estimación de patrones de circulación superficial en el Golfo de California a partir de imágenes de sensores remotos pasivos

Abstract

Las corrientes marinas superficiales influyen en la distribución de material suspendido y disuelto, por lo que el estudio de la circulación oceánica como mecanismo de dispersión, es un tópico relevante en la oceanología. Las primeras descripciones de la circulación superficial en el Golfo de California se basaron en reportes de deriva de embarcaciones, posteriormente a partir de datos hidrográficos, con mediciones lagrangianas y más recientemente interpretando imágenes de satélite y con el desarrollo de modelos hidrodinámicos. Este trabajo examina el potencial de las estimaciones de velocidad superficial utilizando un método de seguimiento de rasgos aplicado a imágenes de temperatura superficial del mar para generar campos vectoriales de alta resolución espacial. De manera complementaria, se analizaron imágenes de color del mar con la finalidad de detectar estructuras de mesoescala. Con este propósito se desarrolló un algoritmo de reconocimiento de patrones entre pares de sub-imágenes correspondientes a regiones comunes en escenas secuenciales, lo que permitió inferir las velocidades de desplazamiento de múltiples sub-imágenes. Para implementar este algoritmo se conformó una base de datos de 360 imágenes de temperatura superficial del mar. Los valores de temperatura corresponden a datos diarios (2009-2010) de 6 satélites, interpolados a 1 km de resolución espacial para eliminar la cobertura de nubes. Adicionalmente se procesaron ~5500 imágenes (2004-2008) de color del mar MODIS/Aqua, a las que se aplicaron algoritmos para estimar la distribución relativa de material suspendido total (MST), con resolución espacial de 500 m. Como resultado del algoritmo de seguimiento de rasgos se obtienen en promedio ~18,000 vectores por cada par de escenas de temperatura superficial. A partir de estos datos se calculan los promedios mensuales de dirección y velocidad por ubicación geográfica, generando una malla de alta resolución espacial con la que es posible trazar trayectorias de transporte advectivo. Las trayectorias trazadas reproducen algunos de los patrones de circulación descritos por otros autores que utilizan modelos numéricos y las velocidades son del mismo orden de magnitud. Comparadas con algunos desplazamientos de boyas de deriva, las velocidades estimadas con el método de seguimiento de rasgos son aproximadamente 30% menores. Los campos vectoriales obtenidos pueden ser incorporados como el estado inicial de modelos numéricos, así como en la simulación de transporte advectivo superficial de partículas. Las estructuras detectadas con las imágenes MODIS son más evidentes durante los periodos de mayor escorrentía desde las cuencas de drenaje, revelando plumas de MST que alcanzan extensiones de hasta 44,000 km2 , filamentos que cruzan el golfo de Este a Oeste, así como giros ciclónicos y anticiclónicos del orden de 10 a 100 km de diámetro. Estas observaciones son soportadas con datos de trayectorias de boyas de deriva rastreadas por satélite. Abstract Ocean surface currents play influence in the distribution of suspended and dissolved material, so the study of the ocean circulation as a dispersal mechanism is a relevant topic in Oceanology. The first estimations of the surface circulation in the Gulf of California were based on reports of drifting ships, and later estimated from hydrographic data, lagrangian measurements, and more recently interpreting satellite images and the development of numerical models. Here is examined the potential of estimating surface velocities using a feature tracking method applied to sea surface temperature images to generate high spatial resolution vector fields. Ocean color images were also analyzed in order to detect mesoscale structures. For this purpose a pattern recognition algorithm applied to pairs of sub-images corresponding to common regions in sequential scenes was developed, which allowed inferring displacement speeds of such sub-images. To implement this algorithm, a database of 360 images of sea surface temperature was formed. The temperature values correspond to daily data (2009-2010) from 6 satellites, interpolated at 1 km spatial to eliminate cloud cover. In addition, ~5500 (2004-2008) ocean color images from MODIS/Aqua sensor were processed, applying algorithms to estimate the relative distribution of total suspended material (TSM), with a spatial resolution of 500 m. As a result of the feature tracking algorithm an average of ~18,000 vectors for each pair of scenes of surface temperature were obtained. Based on these data, monthly averages of direction and speed by geographic location were calculated, generating a spatially dense grid in order to trace trajectories of advective transport. The traced trajectories reproduced some circulation patterns described with numerical models, and speeds are of the same order of magnitude. Compared with displacements of drifting buoys, estimated speeds with this method were ~30% lower. The obtained vector fields can be incorporated as the initial state of numerical models, as well as the simulation of particle surface advective transport. Structures detected with MODIS images were most evident during periods of increased runoff from the drainage basins, revealing TSM plumes that reach extensions up to 44,000 km2 , filaments crossing the Gulf from East to West, as well as cyclonic and anticyclonic gyres on the order of 10 to 100 km in diameter. These observations were supported with data of trajectories of drift buoys tracked by satellite.