master isazatoro 2010
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COMPLEMENTO AL ESTUDIO DEL AFLORAMIENTO
DE LA PENÍNSULA DE LA GUAJIRA Y SANTA
MARTA (CARIBE COLOMBIANO) MEDIANTE
DATOS ADQUIRIDOS CON SATÉLITES
ARTIFICIALES
por
ESTEFANIA ISAZA TORO
Director: Prof. Dr. J. J. ALONSO DEL ROSARIO.
DEPARTAMENTO DE FISICA APLICADA.
UNIVERSIDAD DE CÁDIZ.
AÑO 2010.
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al Título Propio del Máster Oficial en Oceanografía.
2
3
Facultad de Ciencias del Mar y Ambientales CASEM 11510 Puerto Real (Cádiz)
D. José Juan Alonso del Rosario, Profesor Titular de Universidad del Departamento de Física Aplicada de la Facultad de Ciencias del Mar y Ciencias Ambientales de la Universidad de Cádiz
HACE CONSTAR,
Que el trabajo recogido en la Tesis de Máster, titulada: "COMPLEMENTO AL ESTUDIO DEL AFLORAMIENTO DE LA PENÍNSULA DE LA GUAJIRA Y SANTA MARTA (CARIBE COLOMBIANO)
MEDIANTE DATOS ADQUIRIDOS CON SATÉLITES ARTIFICIALES", presentada por la alumna Dña. Estefanía Isaza-Toro, ha sido realizada bajo mi dirección.
Considerando que su trabajo de investigación reúne todos los requisitos legales, autorizo su presentación y defensa para la obtención del Máster de Oceanografía por la Universidad de Cádiz.
En Puerto Real, a 22 de Noviembre de 2010
Prof. Dr. José J. Alonso del Rosario
4
Agradecimientos
Gracias, a quienes de corazón no dejaron de dudar de mis
capacidades y mi determinismo en esta nueva etapa de mi
vida.
5
TABLA DE CONTENIDO
Pág Lista de Figuras …………………………………………………………………………………………………… 6
Pág RESUMEN …………………………………………………………………………………………………………………………… 7 1. INTRODUCCIÓN ……………………………………………………………………………………………………… 9
1.1 Surgencias Costeras ……………………………………………………………………… 9
1.2 Antecedentes ………………………………………………………………………………………… 10
2. MARCO TEÓRICO, HIPÓTESIS Y OBJETIVOS ……………………………………… 24
2.1 Temperatura superficial del mar ………………………………………… 24
2.2 Clorofila-α ……………………………………………………………………………………………… 24
2.3 Imágenes Satelitales ……………………………………………………………………… 25
2.4 Hipótesis de trabajo ……………………………………………………………………… 26
2.5 Hipótesis metodológicas ……………………………………………………………… 26
2.6 Objetivo General ………………………………………………………………………………… 26
2.7 Objetivos Específicos …………………………………………………………………… 27
3. MATERIALES y MÉTODOS ………………………………………………………………………………… 28
3.1 Área de estudio …………………………………………………………………………………… 28
3.2 Obtención de datos …………………………………………………………………………… 29
3.3 Técnicas de Análisis de datos ……………………………………………… 29
3.4 Modelo de Predicción ……………………………………………………………………… 37
4. RESULTADOS y DISCUSIÓN……………………………………………………………………………… 38
4.1 Temperatura ……………………………………………………………………………………………… 38
4.2 Clorofila-α ……………………………………………………………………………………………… 44
4.3 Predicciones …………………………………………………………………………………………… 51
5. CONCLUSIONES ……………………………………………………………………………………………………… 53
6. BIBLIOGRAFÍA ……………………………………………………………………………………………………… 54
6
LISTA DE FIGURAS
Pág FIGURA 1 y 2: Mapa del Caribe Colombiano ………………………………… 10,28
FIGURA 3: Diagrama de flujo del procesado de datos 36 FIGURA 4: Promedio de la TSM ……………………………………………………… 40
FIGURA 5: Representación gráfica de los modos de oscilación de la TSM ………………………………………………… 42
FIGURA 6: Espectro de la TSM ……………………………………………………… 42
FIGURA 7: Principales modos de oscilación de TSM Vs. MEI …………………………………………………………………………………… 44
FIGURA 8: Promedio de la Chl- α ……………………………………………… 46
FIGURA 9: Representación gráfica de los modos de oscilación de la Chl- α ………………………………………… 48
FIGURA 10: Espectro de la Chl-α ………………………………………………… 48
FIGURA 11: Principales modos de oscilación de Chl-α Vs. MEI …………………………………………………………………………………… 49
FIGURA 12: Predicción de TSM para Abril de 2010………… 51 FIGURA 13: Predicción de Chl-α para Abril de 2010…… 52
7
RESUMEN
Las surgencias, o afloramientos son fenómenos que juegan un
papel muy importante, tanto para los ecosistemas costeros
como para los de aguas abiertas. Consisten, básicamente, en
el intercambio de masas de aguas con características
nutricionales, térmicas y de densidades diferentes,
favoreciendo así el enriquecimiento temporal de diferentes
regiones. Las surgencias en la costa colombiana han sido
estudiadas en detalle desde hace varios años, estableciendo
una fuerte relación entre las épocas en las cuales se
desarrollan dichas corrientes y la abundancia pesquera.
Este estudio ha permitido verificar la periodicidad de
los afloramientos en la zona de estudio y, en el caso de la
temperatura superficial del mar, la influencia que tiene el
fenómeno de El Niño en esta variable. En el caso de la Chl-
α, dicha influencia también es importante pero aún falta
por estudiar más a fondo esta relación.
Se desarrolló un modelo de predicción para la
ocurrencia de afloramientos, obteniéndose resultados de
alta fiabilidad. Este modelo aún debe someterse a mejoras.
Palabras clave: Oceanografía, surgencia costera, imágenes
satelitales, temperatura superficial del mar, concentración
de clorofila-α, Transformada de Karhunen-Lóeve, Guajira y
Santa Marta.
8
ABSTRACT
The upwelling systems are phenomena that play a very
important role for the coastal and open waters ecosystems.
Basically they consist of the water masses exchange with
different nutritional and thermal characteristics and
different densities. The direct consequences are the
temporary enrichment of the affected areas. These systems
occur at the Colombian coast, being studied since several
years and establishing a strong relationship between
fisheries and the frequency and intensity of the currents.
This study allowed checking the periodicity of the
upwelling events in the area and, in case of the sea
surface temperature, the influence of El Niño. In case of
the Chl-α, it is also important but the developing of more
accurate studies is needed.
A high confidence prediction model for the occurrence
of the upwelling events has been also developed with
reliable results. This model must be improved yet.
Keywords: Oceanography, coastal upwelling, satellite
imagery, sea surface temperature, chlorophyll-α, Karhunen-
Lóeve transform, Guajira and Santa Marta Peninsulae.
9
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES 1.1 Surgencias
Una de las corrientes de surgencia costera que se ha estado
reportando desde hace varios años, pero que aún no ha sido
estudiada profundamente, es la que se observa en la
Guajira y Santa Marta (Fig. 1). Esta corriente viaja
paralela a la península colombiana de la Guajira, y es
desencadenada por la presencia de los vientos alisios
provenientes del Noreste (Pujos et al. 1986, Andrade y
Barton 2005).
El desarrollo de afloramientos (costeros y oceánicos)
consiste en un proceso de ascenso de aguas semiprofundas,
las cuales al ser más frías y ricas en nutrientes,
reemplazan masas de aguas superficiales, cálidas y pobres
en nutrientes. En las surgencias costeras, estas variables
están directamente relacionadas con procesos de producción
primaria, pesca abundante y exportación de larvas y huevos
de peces desde zonas cercanas a las costas, hacia mar
abierto (Andrade y Barton 2005).
Debido a que la región de la Guajira es afectada por
las corrientes marinas y los vientos que circulan durante
todo el año, y que de igual manera se ve influenciada por
la desembocadura de ríos como el Magdalena, es importante
el estudio de las surgencias costeras que allí tienen
lugar. De ellas depende muchas veces el intercambio de
nutrientes y clorofila, así como la adecuada explotación de
recursos pesqueros, los cuales son más abundantes bajo la
presencia de éstas. Adicionalmente, los estudios que se
centran o mencionan de manera significativa a las
corrientes marinas de la Guajira son muy escasos, como los
realizados por Fajardo (1979) y Andrade (1993). Gracias a
los adelantos tecnológicos es posible realizar estudios más
completos de las corrientes de la zona, así como de sus
efectos en el entorno, la influencia que pueda tener en
otras corrientes marinas y los mecanismos que la
determinan.
1.2 Antecedentes
•••• Surgencias o afloramientos en
basados en imágenes satelitales.
Los afloramientos o surgencias se
cuando las corrientes se encuentra
continentes, actuando éstas como b
mismo tiempo se presentaban c
determinadas que inducen un defect
ser compensado. Estos fenómenos se
se pueden considerar privilegiada
pesquerías importantes. Las corr
encuentran afloramientos, siendo
estudios, son las Corrientes de Cal
Figura 1.
Mapa del Caribe Colombiano sobre el cual se empezaron a hacer estudios en los años 60.
10
los océanos y estudios
dan, fundamentalmente,
n con las costas de los
arreras naturales, y al
ondiciones de vientos
o local de masa que debe
encuentran en zonas que
s pues traen asociados
ientes en las que se
por ello motivo de
ifornia, Perú, Canarias,
11
Benguela, pasando esta última por el margen occidental del
Océano Índico (Mann y Lazier 1996).
Por ejemplo, estudios sobre la Corriente del Perú, han
permitido establecer que se trata de un afloramiento
continuo, aunque hay épocas en las cuales es mínimo. Por lo
tanto la producción primaria disminuye a pesar de haber
disponibilidad de luz y nutrientes. Como consecuencia hay
una influencia negativa en el desarrollo de grandes
cardúmenes y en estos casos, la producción pesquera se
reduce. La Corriente de California, a diferencia de la del
Perú, tiene un tiempo de desarrollo medio de seis meses.
Hay periodos de 4 o 5 episodios consecutivos e intensos,
pero también hay épocas en las cuales su intensidad
disminuye o es prácticamente nula (Mann y Lazier 1996).
Es posible encontrar en la bibliografía diferentes
estudios sobre afloramientos de aguas sub-superficiales,
como el llevado a cabo en Venezuela, Colombia y Trinidad
(Castellanos et al. 2002). Con base en imágenes satelitales
adquiridas con el sensor AVHRR (Advanced Very High
Resolution Radiometer), examinaron la variación espacio-
temporal de la Temperatura Superficial del Mar (TSM) del
Caribe comprendido entre las costas de Venezuela, Colombia
(parcialmente) y Trinidad, durante 1996. Se encontró que
las aguas costeras fueron más frías que las oceánicas,
concluyéndose que la causa de dicho fenómeno son los
afloramientos que se desarrollan durante la primera parte
del año en estas zonas. El mes de Marzo de 1996 fue cuando
se registraron valores máximos en las regiones orientales y
occidentales de Venezuela, con áreas asociadas de 120E3 y
110E3 Km2 respectivamente, lo cual contrasta con los meses
de Septiembre y Octubre del mismo año donde no se
encontraron regiones de aguas más frías para las mismas
zonas (Castellanos et al. 2002).
12
Marín et al. (2001) analizaron el período entre
Octubre de 1998 y Octubre de 1999 en la Península de
Mejillones al Sur de Chile, fuertemente influenciado por el
Sistema de la Corriente Humboldt. Además de establecer que
este sistema es dominado por el flujo superficial con
dirección ecuatorial sobre otro flujo en dirección norte,
también se hicieron caracterizaciones de filamentos de
aguas afloradas basadas en imágenes obtenidas mediante el
AVHRR. Finalmente concluyen que las condiciones
oceanográficas mencionadas crean un ambiente costero de
rápida recirculación, alta concentración de clorofila-a
(Chl-α) y producción primaria elevada, favorecido
adicionalmente por la morfología de la costa (Marín et al.
2001).
Las costas noroccidentales de África de caracterizan
por ser escenario de afloramientos costeros de amplio
desarrollo, siendo este punto uno de los sistemas de aguas
afloradas más representativos del mundo. McGregor et al
(2007) realizaron un estudio sobre los cambios a largo
plazo en la intensidad del afloramiento que se desarrolla
al Noroeste de África. A partir de muestras tomadas a 355 m
de profundidad obtenidas en Cabo Ghir, en las costas de
Marruecos, la información se complementó con los registros
sedimentológicos, que comprenden desde el Holoceno tardío
hasta finales del siglo XX, con bases de datos adquiridas
con los sensores del AVHRR. Respecto a lo relacionado a
surgencias costeras, concluyeron que el afloramiento de
agua sub-superficial al Noroeste de África seguirá
intensificándose según el aumento del calentamiento global
y la concentración de CO2 (McGregor et al. 2007).
•••• Surgencias en el Caribe Colombiano
Perlroth (1968), citado por Fajardo (1979), menciona que
según el análisis histórico de la temperatura superficial
13
del Caribe para los meses de Agosto y Enero, se pueden
identificar dos zonas de afloramientos. La primera se
desarrolla frente a las costas venezolanas (61-67º O) y la
segunda se extiende desde Punta Gallinas, en la Guajira,
hasta los 75º O (Fig. 1).
En Colombia los estudios del mar Caribe se iniciaron
propiamente con los cruceros OCEANO (OCEANO I en 1969 hasta
OCEANO IX en 1984) y entre 1972 y 1973 se llevaron a cabo
tres cruceros más (CICAR I, II y III). En ellos se
realizaron mediciones de las variables físicas de
temperatura y salinidad, construyendo perfiles y gráficos
de distribución vertical y horizontal. Se identificaron
regiones de mayor salinidad y bajas temperaturas en
cercanías a Punta Gallinas y Cabo de la Aguja, lo cual
indicaría la presencia de surgencias en la zona (Cabrera-
Luna y Donoso 1993).
Corredor-García (1981) analizó la circulación costera
en el Caribe Noroccidental colombiano, indicando que el
transporte superficial de masas de agua cerca de la
Península de la Guajira está dominado de forma alterna por
una corriente ciclónica en el extremo suroccidental del Mar
Caribe y por episodios inducidos por los vientos Alisios.
Las masas de agua afloradas presentaron mayor salinidad y
una deriva en dirección noroccidental, siguiendo la teoría
de transporte de masas de agua de Ekman. Cuando la época de
lluvias se desarrolló durante los meses de Septiembre,
Octubre y Noviembre, hubo poco viento y, según
observaciones oceanográficas realizadas, se registró la
presencia de masas de agua turbia provenientes del río
Magdalena. Por contra, en los primeros meses del año, las
aguas costeras estuvieron más frías y más claras a
comparación de las observadas en los meses de lluvias, lo
cual, según Corredor-García (1981), coincide o se relaciona
14
con los fuertes vientos Alisios que se desarrollan entre
Enero y Marzo.
Siguiendo con los estudios en el Caribe colombiano,
Pujos et al. (1986) durante la misión CARACOLANTE,
establecieron también la dirección que toma la deriva
estacional de las aguas del río Magdalena. Dependiendo de
la época del año, la pluma turbia del río, que desemboca en
Santa Marta, se orientó marcadamente hacia el Occidente en
los primeros meses del año, mientras durante los meses de
lluvia las aguas del Magdalena se desplazaron hacia el
Oriente (Pujos et al. 1986).
•••• Estudios en el Caribe Colombiano basados en imágenes
satelitales
Andrade (1993), en su estudio sobre la velocidad del viento
en el mar Caribe, mencionó que la estación de vientos
coincide con la señal más intensa de afloramiento en el
Norte de la costa suramericana. Este análisis es uno de los
primeros hechos en Colombia que tuvo datos provenientes
sensores remotos. Para estudiar el comportamiento del
viento en el Caribe utilizaron los datos obtenidos durante
1987 y 1988 en la misión GEOSAT. Calcularon la altura de
las olas y valores de velocidad del viento; sobre estos
últimos, Andrade (1993) concluye que el viento es fuerte
entre los meses de Noviembre a Marzo y luego disminuye
entre Marzo y Mayo. La velocidad del viento vuelve a
aumentar durante Junio y Septiembre, pero su fuerza baja
hasta Noviembre, donde se completa el ciclo e inicia la
temporada de vientos fuertes otra vez. De esta manera
Andrade (1993) sugiere que la velocidad del viento tiene
una variación bimodal estacional a lo largo de toda la
cuenca del mar Caribe y que este fenómeno coincide con
afloramientos intensos que se desarrollan al Norte de la
costa Suramericana.
15
Nuevamente, Andrade (1995) hizo una investigación de
diferentes áreas del Caribe occidental con base en
observaciones del color del mar hechas con el radiómetro
Coastal Zone Color Scanner (CZCS) durante 1979. Su objetivo
consistió en relacionar dichas observaciones con estudios
realizados anteriormente y continuar con la caracterización
del Caribe occidental mediante la estimación de la
concentración de clorofila (indicada por fitoplancton),
carbón orgánico disuelto y sus productos a causa de su
degradación. Los resultados obtenidos indican bajas
concentraciones fitoplancton a nivel oceánico durante el
mes de Enero, lo cual contrasta con valores más altos de
pigmentos restringidos a la costa de la Guajira. La mayor
concentración de pigmentos está asociada con los procesos
de afloramiento de agua que se dan en la región en los
primeros meses del año. Concluye finalmente que según las
imágenes tomadas con el CZCS, el afloramiento en la Guajira
es casi permanente a lo largo del año y que su intensidad
varía según la presencia de los vientos alisios del Norte
(Andrade 1995).
Anduckia et al (2003) realizaron de la TSM mediante
observaciones in situ e imágenes satelitales. Aunque no
menciona explícitamente resultados asociados o enfocados a
análisis de episodios costeros, es importante mencionar
este trabajo pues su objetivo consistió en comparar
mediciones remotas de radiómetros de alta resolución
(AVHRR), con muestras obtenidas durante el crucero
oceanográfico “Caribe 2003”, a bordo del ARC “Malpelo”
entre Marzo y Abril del 2003 desde el Golfo de Morrosquillo
hasta la alta Guajira. Según los datos obtenidos, el
promedio global de la diferencia de la temperatura tomada
in situ y la tomada mediante sensores embarcados en
satélites (∆T) fue de -0.66 ± 0.65 ºC. Debido a que el
muestreo con ambas técnicas se realizó a lo largo del
16
Caribe colombiano, se concluye, gracias a comparaciones con
otros cruceros oceanográficos que muestrearon en zonas
cercanas, que las mediciones con sensores remotos tienden a
ser más cercanas a la realidad bajo condiciones de poca
nubosidad como las de la alta Guajira (Anduckia et al.
2003).
Andrade y Barton (2005) realizaron uno de los primeros
estudios enfocados exclusivamente en los episodios de
afloramientos de la Guajira. Estos autores mencionan la
escasez de observaciones previas in situ de esta zona y
basan su análisis en registros históricos, mediciones in
situ (desde 1994 hasta 1998), imágenes satelitales (desde
1979 hasta 1998) y altimetría con el fin de complementar la
información sobre el ciclo anual de los episodios de la
Guajira y las causas de su variabilidad. Se concluye que la
zona donde se da el afloramiento de aguas es de
productividad alta y que este sistema se ve favorecido en
gran medida por la orientación de la costa con respecto al
los vientos que predominan en la zona. Pétus et al. (2007)
analizaron la variabilidad de los episodios que se
desarrollan en la Guajira con base en imágenes tomadas del
sensor remoto AVHRR. Se analizaron varios periodos de
tiempo, siendo el primero de 20 años (1985 a 2005), el
segundo de 9 años (1991 a 2000) y el tercero de 6 años
(1999 a 2005).
En orden de establecer la variabilidad del
afloramiento de aguas, determinaron la velocidad y
dirección del viento, la extensión de la surgencia y los
valores mínimos y medios de temperatura del agua, a partir
de varios transectos desde las costas de la Guajira y
Venezuela hasta las costas de República Dominicana y Haití.
Así, como se mencionó anteriormente, el desarrollo de los
afloramientos está fuertemente ligado a los alisios, el
cual durante la temporada de Diciembre a Febrero (época de
17
vientos) alcanza su máxima intensidad y se desplaza
paralelo a las costas. También se comenta, pero no
demuestra, sobre la posibilidad de que exista una relación
entre la intensidad de dichos episodios y el fenómeno de El
Niño. Aparentemente la reducción que se registra en la
intensidad de los alisios, está relacionada con la
presencia de El Niño en el año anterior, lo cual termina
afectando el desarrollo de la surgencia hasta el punto de
no registrarse en ese año siguiente al Niño. De forma
contraria, aparentemente La Niña, estaría asociada con el
desarrollo de afloramientos intensos en el Caribe, puesto
que los alisios estarían fluyendo con mayor fuerza (Pétus
et al. 2007).
Chollet y Klein (2007) utilizaron mapas de TSM
obtenidos a partir de sensores remotos con el fin de
identificar de manera más exacta los focos de surgencias
presentes en el Sur del mar Caribe. Este estudio permitió
establecer nueve focos de los cuales dos se encuentran en
el Caribe colombiano, uno en Punta Gallinas (PG) en la
Península de la Guajira (12.37º N - 71.92º O) y el otro en
Cabo de la Aguja (CA), Santa Marta (74.17º N - 11.38º O).
El foco de Punta Gallinas resultó ser el más extenso y de
mayor intensidad a comparación de los otros focos, esto a
causa posiblemente de la presencia de vientos alisios
intensos y persistentes que pasan por esta zona.
Isaza-Toro (2008) mediante el análisis de datos
satelitales, continuó con la caracterización de los
afloramientos de la Guajira y Santa Marta entre 2004 y
2007, encontrando que los mayores y más intensos
afloramientos se registraron durante el primer trimestre de
cada año, especialmente para el año 2007 mientras que en el
año 2005, la intensidad de los afloramientos fue baja. En
algunos casos también se presentaron afloramientos de agua
a mediados de año. La aparición de estas surgencias se
asoció pero no se comprobó, con un fenómeno conocido como
el “Veranillo de San Juan Bautista” el cual se caracteriza
por cambios en la velocidad y dirección del viento, así
como lluvias moderadas y tiempo seco durante los meses de
Junio a Agosto.
De la misma forma, en Isaza-Toro (2008), se analizaron
los registros de Temperatura, Chl-α y viento provenientes
de la página del Observatorio Oceanográfico Digital de
Venezuela < http://ood.cbm.usb.ve/wiki/>. Se estudiaron los
focos de surgencias en el caribe colombiano establecidos
por Chollet y Klein (2007), pero a pesar de tener
disponibilidad de datos desde Octubre del 2003 hasta
Diciembre de 2007, el estudio abarco desde el 15 de Enero
del 2004 y el 2 de Noviembre del 2007. La causa de esto fue
una considerable ausencia de datos de las tres variables
estudiadas, principalmente en el último trimestre del año.
Para los datos diarios de temperatura y pigmentos
fotosintéticos, se utilizaron ventanas tipo MODIS-Scar y
para los registros de viento, los datos analizados fueron
obtenidos con el dispersómetro Quikscat. Debido a ausencia
de datos por nubosidad, para intentar completar las series
temporales de temperatura, clorofila y viento, se utilizó
el promedio móvil calculado para 15 días. Debido a la
cercanía a la costa, fue necesario reubicar las coordenadas
del foco de surgencia para obtener series de datos de
viento más completos, tanto para Punta Gallinas en la
Guajira, como para Cabo de la Aguja en Santa Marta (Fig.
1). Las nuevas coordenadas de viento para este punto
fueron:
• 12.62 ºN (+0.25º al Norte)
• 71.92 ºO (permanece constante)
• 11.63 ºN (+0.25º al Norte)
• 74.17 ºO (permanece constante)
PuntaGall
Cabo de la Aguja
inas
18
19
Después de obtener los datos de temperatura y Chl-α,
la metodología utilizada por Isaza-Toro (2008) consistió en
aplicar el análisis de Fourier, la prueba estadística U-
Mann-Whitney, hacer una correlación cruzada entre los datos
de temperatura y clorofila y finalmente para encontrar los
umbrales de temperatura para la surgencia, hacer la
Regresión por Partes (Piecewise Regression).
La tensión tangencial del viento se define como la
tensión producto de la transferencia de energía del viento
a la superficie del océano (Coca et al 2006), y los
componentes zonal (u), meridional (v) y la velocidad del
viento, fueron la base para calcular el estrés de cada uno
de dichos componentes τu y τv, sobre la zona (Isaza-Toro
2008).
Con los datos de TSM, Chl-α se construyeron matrices
en EXCEL 2007 y las pruebas utilizadas para determinar el
tipo de distribución de los datos se hicieron con el
software STATISTICA 7. Se encontró que no existe
homogeneidad de varianzas entre la temperatura en Punta
Gallinas y Cabo de la Aguja (F=0.87, p=0.007), ni entre la
concentración de Chl-α entre ambos sitios (F=1.54, p =
4,74℮-16). Además, los datos para ambas variables (TSM y
Chl-α), no presentaron una distribución normal, según la
prueba de Kolmogorov-Smirnov (p<0.001) para los dos sitios
de estudio. La prueba de Mann-Whitney, utilizada para
comparar el comportamiento de las variables en ambos
sitios, mostró diferencias significativas para ambas
variables entre Punta Gallinas y Cabo de la Aguja
(UTSM=607,38, pTSM = 0,000 y UChl-α = 588,562, pChl- α =
0,000) (Isaza-Toro 2008).
Con el fin de determinar los días de estrés de viento
constante sobre la superficie del mar para activar un
proceso de surgencia, Isaza-Toro (2008) calculó el
20
coeficiente de Correlación de Spearman y Correlaciones
Cruzadas. Con el método de Spearman se trabajó con los τu y
τv acumulados desde tres días hasta 35 días, el mismo
procedimiento se hizo con la clorofila. La función de
Correlaciones Cruzadas se usó para corroborar los
resultados obtenidos por la Correlación de Spearman. Se
escogió el valor de correlación más alto entre los τ del
viento y TSM y la Chl- α, para un tiempo de 60 días (Isaza-
Toro 2008).
Isaza-Toro en el 2008 también utilizó el Análisis
Espectral de Fourier para determinar si los datos de
viento, TSM y Chl- α presentaban alguna periodicidad y
finalmente la Regresión por Partes se realizó para todos
los meses de los años de estudio, para las variables de
temperatura y pigmentos fotosintéticos con el fin de
calcular la extensión de la pluma de surgencia. En el caso
de TSM, el cálculo se hizo progresivamente con variación de
0,1 ºC, desde los 21 ºC hasta los 26 ºC. Para la Chl- α, el
procedimiento fue el mismo, sólo que a partir de
concentraciones de 0,1 mg/m3 hasta 3 mg/m3.
Con los puntos de inflexión calculados con la
Regresión por Partes, se hizo un promedio para cada una de
las variables en cada uno de los lugares de estudio y se
escogió la TSM más baja para asegurar mayor precisión en la
definición de la pluma de surgencia. En el caso de la Chl-
α, se eligió la mayor concentración de pigmentos pues sería
indicio de afloramiento de nutrientes desde capas sub-
superficiales. De la página del Observatorio Oceanográfico
Digital de Venezuela http://ood.cbm.usb.ve/wiki , se
descargaron las imágenes de surgencia utilizando los puntos
de corte calculados anteriormente y las coordenadas
descritas por Chollet y Klein (2007) (Isaza-Toro 2008).
21
A pesar de que existen amplios estudios que analizan a
profundidad variables meteorológicas (temperatura, viento,
concentración de pigmentos fotosintéticos, concentración y
flujo de CO2, niveles de O2, entre otros) uno de los
objetivos de Isaza-Toro (2008) era hacer una calibración de
los datos adquiridos mediante sensores instalados en
satélites artificiales con aquellos tomados in situ, con el
fin de tener un buen soporte metodológico y analítico, pero
el acceso a tal información era restringido y no fue
posible.
A pesar de ello, el trabajo de Isaza-Toro (2008) permitió
concluir lo siguiente:
v Existen variaciones espacio-temporales en las surgencias de las zonas estudiadas, las cuales responden a cambios en la dirección e intensidad de los vientos.
v Durante el primer trimestre del año se registraron fuertes vientos en dirección occidental, los cuales estuvieron ausentes en el último trimestre anual.
v El afloramiento de aguas sub-superficiales más frías está relacionado de manera directa con la presencia de aguas enriquecidas.
v La dinámica superficial de las surgencias en la Guajira y Santa Marta se caracteriza por extensos afloramientos con tendencia nororiental durante los primeros meses del año.
v La ausencia de afloramientos se relacionó con la temporada de vientos débiles y lluvias en la zona.
v Se observó mas no se comprobó que la intensidad de los afloramientos podrían estar afectados por el fenómeno de El Niño.
El trabajo realizado por Isaza-Toro (2008), titulado
“Caracterización de la dinámica de surgencia costera de La
22
Guajira y Santa Marta, Caribe Colombiano, basada en
imágenes satelitales”, se realizó entre Abril y Junio de
2008, enmarcado en una pasantía en el Laboratorio de
Sensores Remotos del Centro de Biodiversidad Marina del
INTECMAR de la Universidad Simón Bolívar en Caracas-
Venezuela bajo la dirección del profesor y director del
laboratorio Eduardo Klein. Este trabajo de grado era
requisito parcial para optar al título de Bióloga en la
Universidad del Valle (Cali-Colombia).
Es importante continuar con la caracterización de los
episodios de afloramientos de la Guajira y Santa Marta,
complementando estudios anteriores realizados en la zona
con diferentes herramientas, ya que las aguas afloradas
juegan un papel importante en la explotación pesquera y
hacen parte de todo un sistema de circulación marina en el
Caribe. También es relevante el continuar afianzando los
conocimientos y el manejo de las bases de datos satelitales
pues proporcionan una visión más global tanto de procesos
como distribución de carbono orgánico disuelto, producción
primaria oceánica, explosiones demográficas de fitoplancton
y la duración y extensión de afloramientos costeros de
aguas sub-superficiales.
Este trabajo ha sido organizado de la siguiente forma:
en el presente capítulo de introduce el trabajo y se
detallan los antecedentes de los estudios en la zona. En el
Capítulo 2 se presenta el marco teórico, las Hipótesis del
Trabajo y Metodológicas, así como los Objetivos General y
Específicos. La Metodología utilizada para obtener y
analizar los datos y la ubicación de la zona de estudio se
presentan en el Capítulo 3. El Capítulo 4 expone los
resultados de las variables analizadas junto con la
discusión de los mismos. La última parte del trabajo,
comprendida por los Capítulos 6 y 7, presentan las
23
conclusiones de este trabajo y la literatura citada,
respectivamente.
A pesar de que en este documento se presentan las
imágenes necesarias para facilitar la comprensión del
texto, se optó por presentar en anexos las imágenes
analizadas con el objetivo de mostrar la secuencia completa
de ellas, los resultados completos de los análisis
aplicados y desarrollar una lectura más entendible.
24
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO, HIPÓTESIS Y
OBJETIVOS
2.1 Temperatura Superficial del Mar (TSM)
La radiación electromagnética localizada en la banda del
infrarrojo (IR) es básicamente la transmisión de calor y la
responsable del incremento de temperatura.
Tanto el viento como la lluvia afectan a la
temperatura del agua, especialmente el viento el cual al
fluir cerca de la superficie tomando parte de la energía
térmica del agua. Las nubes juegan un papel importante
porque absorben la radiación infrarroja, funcionando como
un filtro de energía lo cual impide que la temperatura de
la tierra, en general, alcance valores más altos. Además
del viento, fenómenos como la evaporación influyen en la
pérdida de energía y enfriamiento del agua (Mann y Lazier
1996).
2.2 Clorofila-α (Chl- α)
El fitoplancton al estar compuesto por algas unicelulares o
pequeñas agrupaciones de las mismas, contienen pigmentos
como clorofila-α para poder realizar la fotosíntesis con
lo cual se da inicio al proceso de producción primaria y en
sí a la cadena alimenticia. Debido a que la fotosíntesis
requiere de la radiación solar para activarse, los
pigmentos fotosintéticos transforman dicha energía, lo cual
le da características al fitoplancton de material
particulado activado con la luz con espectro de absorción
específico de 440 nm para la Chl-α. Estas características
pueden variar acorde con las especies componentes del
fitoplancton y/o la edad del mismo (Robinson 1994).
25
2.3 Imágenes satelitales
En un principio las imágenes tomadas desde sensores
embarcados en satélites artificiales eran herramientas
complementarias que se utilizaban para analizar el océano y
sus cambios, pero a medida que los adelantos tecnológicos
fueron mejorando la calidad de la información disponible,
se pasó al análisis del las mismas. El rango de parámetros
oceanográficos que puede medirse desde el espacio es lo
suficientemente amplio como para abarcar la temperatura y
la altura de la superficie de todo el océano entre otros.
Las imágenes satelitales consisten básicamente en la
medición de energía absorbida por sensores especialmente
diseñados, que dependiendo de la información que se desee,
se filtra o clasifica. Como es posible analizar diferentes
variables simultáneamente, cada variable tiene su espectro
de absorción pues es posible diseñar sensores que respondan
a una longitud de onda, o un rango estrecho de ella, de la
radiación electromagnética. Esta energía es producto de la
radiación electromagnética procedente del sol que al no ser
absorbida, se refleja y es captada por los sensores
embarcados en los satélites (Robinson 1994).
Tradicionalmente, los afloramientos costeros del
Caribe, son gobernados por la acción de los vientos
alisios. Siendo la Guajira una zona expuesta abiertamente a
la acción de dichos vientos, los episodios deben responder
en buena medida a los cambios en la intensidad y dirección
de éstos. Igualmente, al iniciarse el proceso de la
surgencia, los mecanismos de producción primaria asociados
al incremento de nutrientes se deben desarrollar
rápidamente, por lo que la respuesta de la Chl-α debería
mostrar cambios consecutivos con el descenso de la TSM.
Con esto se deben considerar hipótesis de trabajo y
metodológicas.
26
2.4 Hipótesis de trabajo
1. Los episodios de afloramiento en la Guajira responden
a la presencia de los vientos alisios en la zona.
2. La intensidad de los episodios es proporcional a la
intensidad y persistencia de los vientos alisios.
3. La extensión, duración y gradiente de temperatura son
indicadores de la potencia de los fenómenos de
afloramientos.
4. Existe una relación entre la temperatura y la
concentración de clorofila-a, aunque presentan un
desfase que debe ser determinado.
5. Existe una relación funcional entre el fenómeno de El
Niño y la potencia de los episodios de afloramiento.
2.5 Hipótesis metodológicas
1. Las imágenes satelitales son un reflejo fiel de los
fenómenos y observables que son detectados.
2. Las técnicas de análisis poseen capacidad suficiente
para la extracción de la información necesaria para
interpretar correctamente el fenómeno estudiado, con
sesgos en las estimas inferiores a los niveles de
error inherentes en las técnicas de recolección de de
datos.
3. Es posible efectuar una separación formal de los sub-
espacios señal y ruido sobre el espacio formado por el
ensemble de datos a analizar.
2.6 Objetivo General
El objetivo general de la presente propuesta es redefinir
la caracterización previa, detallada en Isaza-Toro (2008),
27
y estudiar las variaciones temporales y espaciales del
afloramiento de la Guajira y Santa Marta.
2.7 Objetivos Específicos
• Determinar y estudiar la evolución de la evolución de
las oscilaciones de los patrones espaciales y
temporales inmersos en la información de las imágenes
de TSM y Chl-α.
• Establecer relación entre los periodos de afloramiento
y en Fenómeno de El Niño.
• Proponer un modelo de predicción para la ocurrencia de
los afloramientos en la zona de estudio.
CAPÍTULO 3
MATERIALES Y MÉTODOS 3.1 Área de estudio
El Mar Caribe, conocido también como Mar de las Antillas,
es un cuerpo de agua semicerrado, considerado oligotrófico
e influenciado por descargas de ríos como en Magdalena,
Orinoco y Amazonas (Müller-Karger et al. 1989). La
Península de la Guajira se localiza al extremo Noreste de
Colombia sobre el Mar Caribe y se caracteriza por ser una
zona semidesértica y de poca elevación. En ella se
encuentra Punta Gallinas, ubicada entre 11º 45’ N-12º 40’ N
y 71º 20’ O - 72º 45’ O, siendo el punto más al Norte del
Continente Suramericano (Cuignon 1987). Más hacia el
Suroccidente en cercanías a Santa Marta, se encuentra Cabo
de la Aguja. La zona que comprende Santa Marta y Cabo de la
Aguja se define como seca y, junto con Punta Gallinas, es
influenciada por los Alisios que fluyen en dirección Nor-
Noreste (Fig. 2).
Figura 2. Mapa del lugar de estudio. Ubicación de los puntos de muestreo: Cabo de la Aguja y Punta Gallinas. Tomado de la National Geophysical Data Center (NGDC <http://rimmer.ngdc.noaa.gov/>
28
29
3.2 Obtención de datos
Para la obtención de todos los datos diarios de TSM y Chl-α
se escogió la ventana temporal más adecuada para que las
series de tiempo estuvieran completas y así obtener un
estudio más preciso. Para TSM y Chl-α se utilizaron series
de tiempo extraídos de imágenes satelitales tipo MODIS-SCAR
(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer South
Caribbean) para un área de 11000 km2, en cuyo centro se
encontraban los focos de surgencia descritos por Chollet y
Klein (2007). El tiempo de estudio está comprendido entre
Octubre de 2003 y Marzo de 2010.
Temperatura y Clorofila- α: Para este estudio se utilizaron
datos de TSM y concentración Chl-α descargados de la página
de Internet del Observatorio Oceanográfico Digital de
Venezuela (Observatorio Oceanográfico Digital de Venezuela,
OODV <http://ood.intecmar.usb.ve>.
Las coordenadas utilizadas fueron las propuestas por
Chollet y Klein (2007):
• Punta Gallinas: 12º37’ N - 71º92’O
• Cabo de la Aguja: 11º38’ N - 74º17’O
3.3 Técnicas de análisis
Posterior a la obtención de los datos y teniendo presente
los objetivos planteados, las técnicas de análisis a
emplear son:
3.3.1 Análisis espectral clásico y moderno: Debido a que
ésta técnica es muy común en el análisis de series
temporales, se ha preferido no presentar la teoría de la
misma, esto con el fin de dejar espacio para la
presentación y discusión de resultados.
30
Transformada Z: Convierte una señal que está definida en
el dominio temporal discreto, en una representación mixta
en el dominio del tiempo y la frecuencia gracias a uso
recurrente de funciones trigonométricas básicas. Dicho
dominio se localiza a medio camino entre el temporal y el
frecuencial y es llamado, en Análisis Matemático y en
Teoría de la Señal, dominio intermedio o dominio de
Dirichlet. Se emplea en técnicas de análisis espectral
moderno.
3.3.2 Transformación de Hotelling: Bajo esta denominación
general se agrupan todas las técnicas orientadas a la
descomposición del espacio de datos en sub-espacios señal y
ruido. Suele ser denominada de manera muy general como
análisis de componentes principales, pero su aplicación a
campos bidimensionales recibe el nombre de transformación
discreta de Karhunen-Lóeve.
La Transformada Discreta de Karhunen-Lóeve (DKLT)
ha sido desarrollada para procesos aleatorios continuos,
basado en las propiedades estadísticas de las imágenes,
favoreciendo la compresión y rotación de la imagen. Para
este trabajo, la principal aplicación consiste en la
descomposición en modos de oscilación espacial
bidimensionales de una serie de imágenes de TSM y Chl-α.
Muchos fenómenos presentan una evolución temporal de
comportamiento cuasi-repetitivo, lo cual significa que una
serie de eventos empieza y se vuelve a repetir cierto
intervalo de tiempo después. Dichos eventos poseen un
patrón reconocible que se repite muchas veces en el
transcurso de las observaciones, lo cual hace que a menudo
se haga referencia a “fenómeno episódico”. Estos se
caracterizan porque el patrón que poseen varía en
intensidad y duración, como las olas al romper en la
orilla de la playa o las oscilaciones de TSM en cierta
zona determinada; siempre se deberá observar un comienzo
31
del fenómeno a estudiar, una evolución y un final, para
luego volver a repetir dicho ciclo.
Una de las aplicaciones de la DKLT al procesamiento de
imágenes digitales fue la eliminación de ruido en imágenes
y el rellenado de líneas y pixeles perdidos. En medicina se
ha aplicado en el estudio de eco-cardiogramas pero en este
trabajo se aplicará a imágenes de TSM y Chl-α. Manteniendo
la terminología usual a la hora de introducir la KLDT, una
serie temporal de imágenes (en este caso de temperatura y
pigmentos fotosintéticos) está compuesta por muchas
instantáneas o snapshots, siendo la serie total un super-
snapshot que debe ser descompuesto.
Sea un super-snapshot, compuesto una colección de
snapshots de temperatura de brillo de la superficie del
mar, denotado por:
),( txφφ = (17)
Donde t es el tiempo y xes el vector posición. Esta
descripción se asemeja a una formulación Euleriana en la
que cada componente de las oscilaciones presentes es vista
en un marco de referencia fijo determinado por el nivel
digital de los píxeles de la imagen. Si se construyera un
video con la secuencia de imágenes se obtendría una
descripción Lagrangiana, en la que el nivel digital de cada
píxel va variando en el tiempo, siendo posible seguir una
traza del fenómeno, por ejemplo un filamento de agua de
temperatura distinta a la de su alrededor.
El algoritmo de la KLDT: En el conjunto de transformadas
existen las transformadas directas e inversas. El primer
paso es la determinación de la transformada directa de KL
del super-snapshot ),( txφφ = . Así, sea la descomposición
directa de Karhunen-Lóeve del campo escalar ),( txφφ = :
32
∑=n
nnn xtatx )()(),( ψµφ (18)
Donde las funciones espaciales y temporales son sistemas
ortonormales, esto es:
∫ == nmnmnm xdxxxx δψψψψ )()()()( (19)
∫ == nmnmnm xdtatatata δ)()()()( (20)
De este tipo de representación se tiene que el sistema de
funciones espaciales, ,...}2,1){( =nxnψ , es el conjunto de
autofunciones del operador o núcleo (kernel) de covarianza:
ttytxyxK ),(),(),( φφ= (21)
Esto es:
)()(),( xdyyyxK nnn ψλψ =∫ (22)
El autovalor nλ se relaciona con el valor singular nµ
mediante
2nn µλ = (23)
Así, el modo temporal n-ésimo se puede escribir en la forma
n
xn
n taµ
φψ=)( (24)
De manera tal que el modo temporal es determinado solamente
una vez que el modo espacial es conocido. Alternativamente
se puede formar el núcleo de covarianza entre dos tiempos
xsxtxstC ),(),(),( φφ= (25)
33
Entonces los modos temporales son un conjunto ortogonal
generado por el auto-problema:
)()(),( tadssastC nnn λ=∫ (26)
Donde ahora, determinando primero los modos temporales se
determinan posteriormente los modos espaciales en la forma:
n
tn
n
a
µ
φψ = (27)
Las expresiones (22) y (26), (21) y (25) y (24) y (27)
se llaman duales. Cuando el número de elementos de imagen,
píxeles, excede el número de imágenes disponibles es
recomendable atacar el problema de la de la segunda manera,
si el número de imágenes es mayor entonces de la primera
forma. Ambas aproximaciones resuelven el mismo problema de
manera dual y equivalente. Así, la descomposición de
Karhunen-Lóeve representa los datos de partida en una
manera óptima y compacta en el sentido que el error
cuadrático
2
,
)()(),(txn
nnn xtatx ∑− ψµφ (28)
Es mínimo sobre la clase de todas las bases ortonormales en
cierto espacio funcional de Hilbert.
Normalmente se representan los autovalores en orden
descendente, que también son las potencias medias o
varianzas con las que cada autofunción contribuye a la
expansión de la función de partida.
La descomposición de Súper-Snapshots: Como uno de los
objetivos del presente trabajo reside en la determinación
de la estructura espacio-temporal del campo de temperatura
34
de la superficie del mar para los episodios que están
presentes en la serie de snapshots, es necesario tomar
algunos conceptos provenientes del Análisis Moderno de
Series Temporales. Supóngase que es posible determinar de
alguna manera los instantes en los que comienza un episodio
dado dentro de la serie temporal de imágenes. Tales
momentos se denotarán por }{ nT , donde ,...}2,1{ =n . La
diferencia nn TT −+1 será el número de imágenes entre el
episodio (n+1)-ésimo y n-ésimo. Con tales imágenes se puede
construir un super-snapshot, es decir una película o video
del evento episódico n-ésimo, en la forma:
))(*,(),( 1 nnnn TTtTxsx −+=Φ +φ (29)
Aplicando el formalismo de la DKLT se tiene que se busca
una base ortonormal )},({ sxmΨ , donde sus elementos son
iguales en tamaño y dimensión a la nΦ , y otra base )}({ pAn
tal que:
∑ Ψ=Φm
mmmp sxpAMsx ),()(),( (30)
Las dos bases satisfacen relaciones parecidas a las
expresiones (19) y (20):
nmsxmnmn dssxsxdx δ=ΨΨ=ΨΨ∫ ∫ ,
1
0
),(),( (31)
nmp
lkplk pApAAA δ==∑ )()( (32)
Donde p es el índice del último episodio. De las dos
últimas expresiones se obtienen directamente las estimas
duales:
35
sxpmn
m MpA
,
1)( ΦΨ= (33)
ppmm
m pAM
sx Φ=Ψ )(1
),( (34)
O resumiendo en un problema de autovalores:
∑=Λ'
' )'()(p
mppmm pACpA (35)
Donde el m-ésimo autovalor mΛ se relaciona con el m-ésimo
valor singular mM mediante 2mm M=Λ , y la matriz de
autocovarianza es:
sxppppC ,'' ΦΦ= (36)
Que es simétrica y definida no negativa. Sus autovalores se
ordenan de mayor a menor:
0...321 ≥Λ≥≥Λ≥Λ≥Λ P (37)
Procedimientos de tratamiento de imágenes digitales:
Consisten en el conjunto de técnicas físico-matemáticas
orientadas a manipular y extraer información de conjuntos
de imágenes digitales. El procedimiento se aplicó a datos
de TSM y Chl-α. El esquema de trabajo a aplicar se presenta
en el siguiente diagrama de flujo (Fig. 3):
36
Figura 3. Diagrama de flujo del procesado de datos. Procedimiento tomado de Alonso e Isaza (2010), artículo sometido a revisión en Septiembre de 2010 y titulado “Model analysis and prediction of upwelling events at the Colombian Coast from satellite MODIS-Sea Surface Temperature imagery” (Continental Shelf Research).
Anexos A y B
37
3.4.- Modelo de Predicción
Posterior a los resultados obtenidos por la KLDT, se ha
planteado un modelo de predicción basado en los resultados
obtenidos por este análisis: Modos espaciales, pesos
temporales y el espectro problema. El modelo de predicción
consiste en la descomposición de las series de pesos
temporales mediante la Transformada de Fourier y
posteriormente se hace la predicción armónica sobre cada
uno de ellos mediante un modelo armónico.
Detectando las frecuencias relevantes para este
estudio, se calculan las amplitudes del siguiente modelo
funcional siguiendo un ajuste armónico por mínimos
cuadrados:
( )∑=
++=N
iiiii tsenbtayty
10 )(·)·cos()( ωω (38)
Con esta información de frecuencias y amplitudes, es
posible reconstruir una serie temporal y generar las
predicciones a tantos tiempos se desee.
38
CAPÍTULO 4
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1 Temperatura
Las imágenes sin procesar permitieron dar una idea de los
meses en los cuales se estarían desarrollando afloramientos
en la zona de estudio, los cuales se asocian con el
registro de amplias masas de agua con menores temperaturas
superficiales en la zona, plumas de menor temperatura que
se desplazan paralelo a las costas colombianas en dirección
occidental. Con base en estas observaciones a priori, en
las imágenes correspondientes a los meses de Febrero-Marzo
del 2004, Enero de 2005, Febrero-Marzo del 2006, Enero-
Febrero- Marzo del 2007, Enero-Febrero-Marzo -Abril del
2008, Enero-Febrero-Marzo del 2009 y Enero de 2010, se
observa un área de color azul más intenso en cercanías a
Punta Gallinas, lo cual se interpreta como un afloramiento
de agua sub-superficial más fría (Fig. 2, 5, 8, 10, 11, 13,
14, 16,17 y 19 del Anexos A).
Isaza-Toro (2008) no sólo comprobó que los ciclos de
los afloramientos en la zona norte de Colombia son
bimodales dentro del año y que la mayor intensidad de
estos fenómenos es durante el primer trimestre del año.
Observando detalladamente las imágenes sin procesar y
presentadas en el Anexo A, las plumas de afloramientos,
corren paralelas a la costa colombiana debido al efecto de
los vientos Alisios sobre la zona y a la morfología de la
costa. Dichas plumas se empiezan a desarrollar frente a la
Península de la Guajira, puntualmente en Punta Gallinas,
debido que es el extremo Norte de Colombia, lugar idóneo
para que los vientos tenga un efecto directo y sin
interrupciones de tipo topográfico.
39
A medida que los afloramientos cubren un área más
extensa en dirección occidental, también se observan el
desarrollo de filamentos que se forman a partir de las
plumas de surgencia. Estos filamentos, también conocidos
como hileros, son plumas más delgadas de color azul intenso
que corren en dirección noroccidental debido a la dirección
de los vientos Alisios y a la presencia de la corriente del
Caribe, la cual se deriva de la corriente sur-ecuatorial.
Puede verse ejemplo de dichos filamentos en los meses de
Febrero de 2006, Enero-Febrero-Marzo de 2007, Enero-
Febrero-Marzo de 2008, Febrero de 2009 y Enero de 2010
(Fig. 8, 10, 11, 13, 14, 17, 19 del Anexo A).
Al aplicar la descomposición sintetizada en la Ec.
(30), se tuvo como primer resultado la distribución
espacial media de la TSM (Fig. 2) como el área de color
azul sobre la costa de Punta Gallinas. A pesar de que se
consideraron los dos focos de surgencia establecidos por
Chollet y Klein (2007), el foco asociado a Cabo de la Aguja
al parecer no presenta el mismo comportamiento que el de
Punta Gallinas, pues su estructura espacial no se registra
claramente en la Fig. 4. En las imágenes sin procesar se
observan meses en los cuales sólo se registró afloramientos
para Punta Gallinas, como lo visto en la Fig. 17 del Anexo
A. A pesar de que la pluma de surgencia alcance territorio
de Cabo de la Aguja, es posible que sea debido a la deriva
ocasionada por el viento y la corriente del Caribe, aunque
aún no hay pruebas de esto.
Otro aspecto importante que se observa en las imágenes
sin procesar, es la marcada diferencia que se registra en
los niveles de temperatura superficial entre el primer y el
último trimestre para cada año. En la parte teórica de este
trabajo (Capítulo 2), se mencionó la influencia que tenía
el viento en la disminución de temperatura superficial.
También Isaza-Toro (2008) apuntó que la disminución en la
intensidad de los Alisios y la presencia de lluvias,
característico de El Niño, juegan un papel importante en el
estado de la temperatura superficial del mar. Al no haber
corrientes de viento que disminuyan la temperatura, es de
esperarse que las imágenes del último trimestre muestren
valores de temperatura mucho más altos que los primeros
meses de cada año, tal como se observar y comparar en las
Fig. 10 del Anexo A, específicamente en los meses de
Octubre de 2006 y Enero de 2007. La Fig. 10 del anexo
mencionado muestra como el mes de Octubre presentó valores
de temperatura cercanos a los 30 ºC, especialmente en
cercanías a Cabo de la Aguja.
La
Aguja
Gallina
poco m
poco m
importa
Figura 4. Promedio de la anomalía superficial de la temperatura.
40
razón de que el foco de surgencia de Cabo de la
tenga un comportamiento diferente al de Punta
s, se debe a que geográficamente está ubicado un
ás hacia el Sur y las corrientes de viento llegan un
ás debilitadas a este punto. Otro aspecto muy
nte es que este punto coincide con el delta del Río
41
Magdalena (Fig. 4). La estructura promedio revela que el
afloramiento de Punta Gallinas es tan intenso que
condiciona la media de manera notable, mientras que el del
Cabo de la Aguja ni siquiera aparece. Se observa que la
descarga del río Magdalena afecta las condiciones físicas
de la zona de estudio. La presencia de agua dulce en la
zona, de diferente temperatura y con diferente
concentración de nutrientes, influye en los resultados.
Este planteamiento ya había sido considerado por otros
autores, como Isaza-Toro (2008), pero es necesario realizar
estudios más específicos, los cuales se dejan para futuros
trabajos.
Los resultados de la KLDT (Ec. 30) se pueden resumir
en: una colección de importancias de los distintos modos
espaciales en el tiempo, los modos espaciales y el espectro
del problema. Las estructuras de los modos espaciales de la
TSM muestran la mayor importancia de los datos concentrada
en los primeros dos modos de oscilación, puntualmente en la
zona correspondiente a Punta Gallinas, como puede verse en
área delimitada en la Fig. 5. La distribución de la energía
centrada principalmente en torno a Punta Gallinas, refuerza
la observación hecha en la Fig. 4, con respecto al
comportamiento diferente de Cabo de la Aguja.
A medida que se representan los demás modos, la
disminución de la importancia es importante y el aumento de
ruido también, llegando a convertirse en ruido de tipo
gaussiano y del tipo salt-and-pepper, se registra en las
imágenes del Anexo C como áreas poco definidas y poca
claridad.
El registro de una mayor importancia en el foco de
surgencia de Punta Gallinas en este trabajo, concuerda con
lo predicho por Chollet y Klein (2007), a pesar de haber
utilizado otros métodos, lo cual comprueba que
independientemente del método de estudio, la mayor
importancia se centra en Punta Gallinas.
Figura 5. Representación gráfica del modo espacial más importante de la descomposición del súper-snapshot de la TSM mediante la KLT. Obsérvese la ampliación realizada de la zona de Punta Gallinas a la derecha.
El espectro del problema se presenta en la Fig. 6 y
concuerda con la descripción anterior. Los valores más
altos de importancia corresponden a los primeros modos (de
derecha a izquierda), lo cual indica que los últimos modos
serán la representación del ruido de los datos.
Antes de emplear la información o
un modelo de predicción, es
cualitativamente si existe alguna
fenómeno de El Niño y los evento
Figura 6. Espectro del problema de los datos de TSM.
42
btenida para elaborar
posible comprobar
relación entre el
s de anomalías de
43
temperaturas. Para ello se recurrió a la representación
conjunta de los distintos pesos temporales (los dos modos
más importantes) junto con el índice climático MEI
(Moderated ENSO Index), de comportamiento más suave que el
ENSO (El Niño Southern Oscillation) en la Fig. 7. Se
observa que la curva correspondiente al Modo 1 presenta un
comportamiento oscilatorio periódico y relativamente con
poco ruido, o pocas componentes de período pequeño.,
pudiéndose considerar el más fiable para establecer la
presencia o no de los afloramientos. Teniendo en cuenta que
las imágenes y datos trabajados comprenden un intervalo de
tiempo desde Octubre de 2003 hasta Marzo de 2010, los
descensos en la curva de temperatura estarían indicando
desarrollo de surgencias. Los meses en los cuales se
estarían presentando estos fenómenos de afloramiento
corresponden generalmente al primer trimestre de los años
estudiados, aspecto que pudo apreciarse a priori en las
Fig. 1, 2, 4, 5, 8, 10, 14, 16 y 17 que se muestran sin
editar en el Anexo A.
Las fluctuaciones que se observan en la curva
correspondiente al MEI, indican que los valores negativos
hacen referencia a bajas temperaturas asociadas al fenómeno
de La Niña, mientras que valores mayores a cero,
corresponden al Fenómeno de El Niño. Se tiene una
correspondencia visual considerablemente marcada entre las
curvas del MEI y la del Modo 1, sugiriendo una relación
directa entre el fenómeno de la Niña y los afloramientos en
la zona. La relación entre el MEI y los demás modos de
oscilación es menos marcada progresivamente, tal como puede
verse en la Fig. 5. para el Modo 2 y en el Anexo E para los
demás modos.
44
Figura 7. Series temporales de los principales modos (línea verde) de la descomposición de la KLT de TSM y el Índice Mensual El Niño (línea punteada).
4.2 Clorofila- α
De manera similar a lo realizado con la TSM, a simple vista
se intentó identificar la presencia de afloramientos según
las imágenes sin procesar de la Chl- α en la zona de
estudio (Anexo B).
En el caso de los pigmentos fotosintéticos, la mancha
de color amarillo-naranja que se extiende a lo largo de la
costa caribe colombiana indicaría la presencia de altas
concentraciones de pigmentos como la Chl-α. Las imágenes
con áreas amarillas y naranjas más extensas corresponden a
los meses de Febrero-Marzo y Noviembre del 2004, Enero-
Febrero del 2005, Enero-Febrero-Marzo y Diciembre de 2006,
Enero-Febrero-Marzo y Julio de 2007, Enero-Febrero de 2008
y Enero y Diciembre de 2009 (Fig. 22, 24, 25, 27, 28, 30,
31, 32, 33, 34, 36 y 39 del Anexo B).
45
A diferencia de lo registrado para la temperatura, las
altas concentraciones de pigmentos y nutrientes no
solamente se presentaron en el primero trimestre del año,
sino también a finales del año, lo cual sugiere que existe
otro fenómeno distinto a los afloramientos que está
proporcionando nutrientes. Se mencionó anteriormente que en
Cabo de la Aguja parece presentar un comportamiento
distinto en cuanto a la temperatura, a causa de la cercanía
con la desembocadura del Río Magdalena. Con respecto a los
pigmentos también se presentó esta diferencia, tal como
pudo verse en el mes de Octubre de 2003 (Fig. 21 Anexo B).
Aquí puede distinguirse claramente una pluma de nutrientes
procedente del continente en el punto correspondiente al
delta del río mencionado, mientras que más hacia Punta
Gallinas, la concentración es considerablemente inferior.
Es importante recordar que el último trimestre de cada año
corresponde a la temporada de lluvias en Colombia, según la
página web del Instituto de Hidrología, Meteorología y
Estudios Ambientales (IDEAM www.ideam.gov.co ) y por lo
tanto, el aumento del caudal de este río, así como su
delta, tienden a aumentar en esta época.
La aplicación de la descomposición KLT al súper-
snapshot de la clorofila proporcionó como primer resultado
la posible presencia de pigmentos a lo largo de toda la
costa caribe colombiana durante todo el tiempo de estudio,
visualizándose un posible foco de mayor concentración hacia
la zona de Cabo de la Aguja (Fig. 8). Sin embargo hay una
marcada contaminación en la estructura espacial de la
clorofila debida a la presencia de las descargas del río
Magdalena, cuya pluma de clorofila asociada se observa
claramente.
46
Debido que la teoría propone una relación inversa
entre la concentración de nutrientes indicados por
pigmentos fotosintéticos y la temperatura superficial del
agua, tomando como ejemplo las imágenes sin procesar de
Enero de 2007 para ambas variables (Fig. 10 del Anexo A y
Fig. 30 del Anexo B), se observa que esta relación se
cumple pero no totalmente. La primera observación
importante a tener en cuenta es la diferencia en la calidad
de ambas imágenes, claramente se ve que los datos de
temperatura han sido manejados con más cuidado y por ende,
la reconstrucción de las imágenes promediadas mensualmente
son mucho más nítidas y por ende confiables que las de Chl-
α.
Respecto de la relación TSM-Chl-α, evidentemente las
bajas temperaturas registradas en este mes concuerdan con
altos niveles de pigmentos fotosintéticos, como puede verse
en la Fig. 30 (Anexo B), pero no hay que dejar de
considerar que la extensión de la pluma de nutrientes
podría estar transportando también material producto de
escorrentía, como pudo verse para el mes de Octubre de 2003
Figura 8. Promedio de la anomalía superficial de la Chl- α.
47
para ambas variables (Fig. 1 del Anexo A y Fig. 21 del
Anexo B).
Los modos espaciales no permiten una identificación
clara de las zonas más enriquecidas (ver Fig. 9). También
puede verse que la nitidez de las figuras que representan
los dos primeros modos de los datos fotosintéticos no es de
la misma calidad que las gráficas de temperatura, como pudo
verse en la Fig. 8. Los demás modos de oscilación de
clorofila (Anexo D), sólo refuerzan el hecho del aumento de
ruido y la baja calidad de los datos de partida. No es una
sorpresa que las gráficas de los modos espaciales presenten
baja calidad, pues ya se había observado en las imágenes
sin procesar que la reconstrucción mensual de las imágenes
de pigmentos fotosintéticos estarían presentando menor
calidad a comparación de la información de temperatura.
De igual forma que con la temperatura, también se
presentaron filamentos derivados de los filamentos de aguas
enriquecidas. Tienen las mismas características y dirección
que los hileros de menor temperatura, pero estos dos tipos
de filamentos no siempre coincidieron en el tiempo de
aparición tal y como puede verse claramente, por ejemplo,
en los meses de Octubre-Noviembre-Diciembre de 2003, Enero
y Mayo-Junio y Septiembre de 2004, Mayo, Julio de 2005,
Enero-Febrero de 2006, Febrero de 2007, Enero de 2008,
Febrero y Noviembre de 2009 y Marzo de 2010 (Fig. 21, 23,
25, 26, 27, 28, 31, 33, 36, 39 y 40 del Anexo B). Como se
mencionó, fenómenos como El Niño, aumento en el caudal de
los ríos y ausencia de vientos, pueden estar creando estas
diferencias.
48
Figura 9. Representación gráfica de los dos modos espaciales más importantes de oscilación de la Chl- α.
Al igual que con la curva de nutrientes
fotosintéticos, el espectro del problema (Fig. 10) indica
que los modos más importantes y adecuados para analizar y
predecir el comportamiento de la clorofila, son los
primeros, de lo contrario el estudio se estaría basando en
datos con alto contenido de ruido y los resultados no
serían confiables.
Figura 10. Curva que describe el espectro de la Chl-α.
Los modos principales producto del análisis de KDLT
para la clorofila también se compararon con el MEI,
observándose una relación difícil de identificar, pues en
algunos de los meses estudiados se notó una relación
49
directa con el MEI mientras en otros meses no. (Fig. 11).
Por ejemplo, en los primeros meses de estudio (al inicio de
la gráfica del Modo 1) la relación MEI-pigmentos se muestra
directa, mientras que para el mes 40, correspondiente a
Enero de 2007, la relación entre estas dos variables es
consideradamente inversa.
Los modos principales, producto del análisis de KDLT
para la clorofila, también se comparan con el MEI,
observándose fluctuaciones similares al índice climático
(Fig. 11). Este comportamiento no se conserva en la gráfica
del Modo 2, la cual presenta una correspondencia más
precisa que el Modo 1. Al observar las imágenes de la
clorofila antes del análisis, pueden identificarse algunos
meses con mayores concentraciones de pigmentos que otros,
pero dichas concentraciones varían de lugar: unos meses en
cercanías a Punta Gallinas y otros próximas a Cabo de la
Aguja (Anexo B).
Figura 11. Series temporales de los principales modos (línea verde) de la descomposición de la KLT de Chl-α y el Índice Mensual El Niño (línea punteada).
50
Con la nueva metodología implementada en este trabajo,
se ha verificado que la presencia del fenómeno de La Niña
tiene un efecto directo en el desarrollo de los
afloramientos, causado por una mayor intensidad en los
vientos del Noreste. La ausencia de afloramientos y la
presencia de lluvias y nubosidad, se debe a un
debilitamiento en los vientos durante la época de El Niño,
evento que se desarrolla generalmente a finales del año,
cada 3 a 8 años. El Niño podría ser la razón por la cual
hubo ausencia de datos en el estudio de Isaza-Toro (2008),
lo cual podría estar influyendo en la poca nitidez a partir
del tercer modo para ambas variables. Durante el tiempo de
estudio, se observó que el afloramiento correspondiente al
primer trimestre del año 2007 (Fig. 4 y 5 del Anexo A) fue
de menor intensidad que los demás años, pudiendo ser
explicado por el desarrollo de El Niño para este periodo.
La ausencia de vientos en la zona, favorecen el incremento
de lluvias y disminuyen la posibilidad de intercambio de
masas de agua entre las capas presentes en el mar.
Con la presencia de lluvias en la zona de estudio,
asociadas con la presencia de El Niño, es posible que los
valores de los pigmentos fotosintéticos no muestren
claramente la realidad de la situación con respecto los
afloramientos de nutrientes en la zona. También es posible
que los modos oscilatorios estén reflejando este fenómeno
al mostrar relación directa entre la temperatura y los
registros de La Niña y entre la Chl-α y El Niño,
especialmente al inicio de la curva del primer modo
temporal (Fig. 11). La cantidad de material de arrastre que
puede depositarse en cercanías a los focos de surgencia,
establecidos por Chollet y Klein (2007), estaría alterando
los datos de partida del estudio. La comparación de los
otros modos obtenidos para los pigmentos fotosintéticos se
presenta en el Anexo F.
51
4.3 Modelo de predicción
La aplicación de un modelo de predicción armónico (Sección
3.4, Ec. 38) es directa al trabajar sobre los pesos
temporales. Una vez calculados los espectros de potencia y
aisladas las frecuencias de las oscilaciones
constituyentes, se ejecutó el ajuste de mínimos cuadrados
para estimar las amplitudes correspondientes y se efectuó
la predicción en el tiempo. A modo resultado principal, y
para mostrar la bondad del procedimiento, se presenta la
predicción y su comparación con la imagen correspondiente
al mes de Abril de 2010 (Fig. 12). La imagen de Abril del
2010 no formó parte de este estudio para que sirviera de
comprobación a la teoría y procedimientos propuestos. Al
comparar ambas imágenes, se puede ver que el modelo predice
con bastante fiabilidad el comportamiento de la temperatura
superficial en la zona para este mes.
Figura 12. Predicción de temperatura superficial para el mes de Abril de 2010. *La imagen en tonos de gris corresponde al modelo de predicción, la imagen a color es la imagen proporcionada por la página del Observatorio Oceanográfico Digital de Venezuela http://ood.cbm.usb.ve/wiki .
Con el fin de estimar la veracidad del modelo para
predecir el comportamiento de la Chl-α, se realizó el mismo
52
procedimiento que con la temperatura y el resultado se
puede ver en la Fig. 13.
De igual manera que con lo observado para la
temperatura y a pesar de la baja calidad de los datos de
origen, aspecto discutido previamente, la imagen arrojada
por el modelo se asemeja considerablemente a la imagen de
Abril de 2010 descargada de la página del observatorio.
Figura 13. Predicción de clorofila superficial para el mes de Abril de 2010. *La imagen en tonos de gris corresponde al modelo de predicción, la imagen a color es la imagen proporcionada por la página del Observatorio Oceanográfico Digital de Venezuela http://ood.cbm.usb.ve/wiki
53
CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES
Las conclusiones del presente trabajo se pueden resumir en:
1. A pesar de haber obtenido buenos resultados en el trabajo anterior (Isaza-Toro 2008), las técnicas aplicadas en este nuevo estudio permitieron obtener resultados más fiables.
2. El comportamiento de la temperatura se asocia con procesos de afloramientos periódicos presentes en la zona y se ve fuertemente afectado por el desarrollo de El Niño.
3. El comportamiento de la Chl-α fue más difícil de analizar debido a que se ve más afectada por otros factores como desembocadura del Río Magdalena, lluvias y nubosidad en la zona y por la baja calidad de las imágenes disponibles.
4. Debido a la poca fiabilidad en los resultados obtenidos con la Chl-α, se sugiere modificar las técnicas de procesado de imágenes, reduciendo el área de estudio, por ejemplo.
5. El Fenómeno de El Niño influye notablemente en el desarrollo de los afloramientos en la zona.
6. En el momento de estudiar el comportamiento de los pigmentos fotosintéticos puede ser recomendable recurrir a fuentes de datos adicionales.
7. El modelo de predicción propuesto en este trabajo permite hacer estimaciones bastante confiables a partir de las cuales se pueden desarrollar otros estudios.
8. Es necesario hacer mejoras al modelo como refinamiento del método de ajuste y ejecución de un proceso de prueba y error para calcular el número de modos a tener en cuenta.
54
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