P R O F E S O R : D R . W A LT E R V I L L A L O B O S C U E VA

A L U M N O : I N G . J U A N M A N U E L E S P I N O M E N D O Z A L I M A - 2 0 1 1

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL ESCUELA UNIVERSITARIA DE POST GRADO

CURSO DE ANALISIS Y MODELACION DE SISTEMA

TEMA

MODELACION APLICA A LA OCEONOGRAFIA

CONTENIDO

1. Oceanografía: definición y temática

2. Importancia de la Física, Matemáticas y Estadística en la Oceanografía

3. Flujo de la información para la Modelación

4. La Modelación: definición

5. Ejemplos de modelación numérica

6. Perspectivas de modelación regional

7. Conclusiones

Dos terceras partes de la superficie de la Tierra están cubiertas por océanos, que constituyen una fuente de infinitos recursos: alimento, energía, agua, hidrocarburos y recursos minerales.

El mar, en interacción con la atmósfera, la litosfera y la biosfera, favorece unas condiciones que posibilitan las distintas formas de vida en el planeta.

De los océanos se obtienen toneladas de pescado cada año y sal. Además, el desarrollo de reservas petroleras y de gas natural en ellos abastece gran parte de la demanda mundial de hidrocarburos combustibles.

El día Mundial de los Océanos fue una iniciativa canadiense que tuvo lugar en 1992 en la Cumbre de la Tierra en Río de Janeiro y a partir el año 2009, es asignado el día 08 Junio, por la Asamblea General de las Naciones Unidas.

INTRODUCCION

1.- DEFINICION: La Oceanografía estudia el océano haciendo uso de varias ciencias básicas, la física, química, biología y geología, donde las matemáticas son utilizadas en parte de todas estas ramas. De manera general, la Oceanografía estudia las características físicas, químicas, biológicas y geológicas de los mares y océanos

TEMATICA

Afloramientos Frentes de quiebre de plataforma Corrientes costeras rápidas Giros/remolinos y filamentos Contracorrientes: ESCC Ondas costeras atrapadas Olas y mareas Dinámica y morfología de la playa Procesos de erosión y depositación (de transporte de

sedimentos) Dinámica costera Orilla rocosa, playa, planicie, manglares, estuarios y

comunidades bióticas costeras Migración de organismos Maricultura y pesquería en zonas costeras Contaminación, polución y recursos en la zona costera

2.- IMPORTANCIA DE LA FISICA, MATEMATICA Y ESTADISTICA

FísicaLeyes físicas básicas axiomáticas en el desarrollo de la dinámica del océano.1. Conservación de masa: en oceanografía es usada como

ecuación de continuidad de volumen2. Conservación de energía: formación de ondas3. Primera, segunda y tercera ley del movimiento de Newton: se

aplica en algunos casos en los que los movimientos en el océano ocurren bajo un sistema de fuerzas que están en balance por lo que no actúan fuerzas resultantes (i.e. movimiento sin aceleración)

4. Conservación del momento angular: referida a una cantidad relacionada llamada vorticidad

5. Ley de Gravitación de Newton: aplicada a la dinámica de las mareas astronómicas del océano así como a la distribución de presión hidrostática

Matemáticas: Ecuaciones

Estadística: Series de tiempo

PRECEPCION REMOTA(Satélites)

NUEVAS FORMAS DE COLECTAR Y

ANALIZAR DATOSCREACION DE MODELOS

MATEMATICOS

ESTACION HIDROGRAFICA(In situ)

TSM (°C)ProfundidadOxigeno DisueltoSalinidad

INFORMACION INSTRUMENTOS

TSM (°C)CORRIENTESPRODUCTIVIDAD PRIMARIAVIENTOS OLASTOPOGRAFIA DE FONDO

COLECTA, INGRESO Y PROCESAMIENTO DE

DATOS

3.- FLUJO DE INFORMACION PARA LA MODELACION

PERCEPCION REMOTA DEFINICION:Es una tecnología de muestreo de radiación electromagnética para adquirir e interpretar datos geoespaciales no inmediatos a partir de los cuales se obtiene información acerca de características y objetos sobre la superficie terrestre, océanos y atmósfera.SATELITE:Plataforma artificial con sensores del espectro electromagnético orbitando la Tierra en el espacio y lanzados desde ésta por cohetes.

APLICACIONES DE LA OCEANOGRAFIA SATELITAL

1. Procesos Oceanográficos Dinámicos

oCirculación de los océanos, giros.oMareasoFrentesoAfloramientosoDinámica de la capa de mezclaoDinámica costera y estuarina, fenómenos

topográficos

2. Ondas Oceánicas

3. Temperatura Superficial del Mar

4. Clorofila “a”

4. LA MODELACION

El campo de la oceanografía física ha madurado a un punto tal en el que ahora es concebible combinar modelos numéricos y observaciones vía asimilación de datos para proporcionar productos de predicción del océano en varias escalas espaciales y de tiempo.

DefiniciónEn ciencias puras y, sobre todo en ciencias aplicadas, la modelación, en su forma más amplia es una técnica que consiste en la generación de un modelo o adaptación de un fenómeno problemático dentro de una estructura abstracta que explique el alcance del fenómeno y sirva para encontrar una solución a un problema especificado dentro de algún contexto.Es una representación conceptual o física a escala de un proceso o sistema (fenómeno), con el fin de analizar su naturaleza, desarrollar o comprobar hipótesis o supuestos y permitir una mejor comprensión del fenómeno real al cual el modelo representa

MODELACION NUMERICA

Definición:Interpolación, discretización, convergencia, estabilidad Errores de truncación, exactitud en las soluciones numéricas, esquemas explícitos e implícitos, esquemas de Euler implícitos y explícitos.Álgebra Lineal.Ecuaciones Diferenciales Ordinarias: Método de Runge-Kutta.Ecuaciones Diferenciales Ordinarias.Ecuaciones Diferenciales Ordinarias.Ecuaciones Diferenciales Parciales: Ecuaciones Shallow water.

TIPOS

  Modelos de calidad de aguas

Modelos de circulación oceánica • The Princenton Ocean Model (POM) - (El modelo de mar).• Regional Ocean Modeling Systems (ROMS) – (Sistema

Regional del Mar)• Simple Ocean Data Assimilation (SODA) Model – (Modelo

simple de asimilación de datos del Océano)

Modelos de transporte de sedimentos (procesos de erosión costera)

MODELOS DE CALIDAD DE AGUAS

Evaluar el impacto ambiental generado por aguas negras o efluentes domésticos en cuerpos de agua cerrados (bahías) o semicerrados (ensenadas)

THE PRINCENTON OCEAN MODEL (POM)(EL MODELO DE MAR)

Es un modelo utilizado para estudiar una amplia variedad de problemas costeros. El POM es utilizado para simular condiciones de temperatura, corrientes y salinidad a lo largo de áreas costeras donde las pendientes topográficas son moderadamente graduales, tales como aquellas en mares semicerrados, puertos, bahías y estuarios. Debido a que este describe tanto la dinámica y termodinámica del océano, el POM es usado para estudiar un amplio rango de problemas costeros.

En el área de investigación ambiental, éste es utilizado para predecir la calidad ambiental de aguas costeras, para modelar el efecto de los derrames de petróleo y dar asistencia en otros pronósticos costeros.

REGIONAL OCEAN MODELING SYSTEM (ROMS) MODELSistema Regional del Mar

El modelo ROMS es un modelo del océano de ecuaciones primitivas para superficies libres que está siendo utilizado por una rápida y creciente comunidad de usuarios para aplicaciones que van desde la cuenca del océano hasta las escalas costeras y estuarinas.

Climatología y vientos Solo vientos Solo mareas

THE SIMPLE OCEAN DATA ASSIMILATION (SODA) MODEL  (Modelo simple de asimilación de datos del Océano)

El modelo SODA pronostica la física del océano basado en observaciones históricas de meteorología y del océano. El modelo es un producto de reanálisis del océano que combina observaciones con un modelo del océano para crear una grilla de datos de temperatura, salinidad y corrientes del océano que tratan de representar los océanos de la tierra entre 1958 y 2001. El SODA model fue creado por Carton et al 2000a en la Universidad de Maryland.

El modelo SODA usa un modelo del océano basado en la Dinámica Geofísica de fluídos.

Los datos asimilados incluyen perfiles de temperatura y salinidad del World Ocean Atlas-94 (MBT, XBT, CTD, y datos de estaciones), así como también hidrografía adicional, TSM y nivel del mar por altimetría. 

MODELACION DE DISPERSION DE CONTAMINANTES:DERRAME DE PETRÓLEO

GNOME (General NOAA Oil Modeling Environment) Modelo General de Petróleo en el medio ambiente, es un modelo para determinar la trayectoria de los derrames de petróleo usado por OR&R Emergency Response Division (ERD). Modeladores de trayectorias del ERD usan GNOME en Modo Diagnóstico para ajustar o configurar escenarios personalizados rápidamente. En Modo Standard, cualquiera puede usar GNOME (con un archivo Locación) para predecir como los vientos, corrientes y otros procesos pueden mover y expandir el petróleo derramado sobre el agua.Ver como el petróleo derramado es predecido a cambiar química y físicamente durante el tiempo que éste permanece sobre la superficie del agua

MODELACION DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS

Modelos hidrodinámicos

Estos modelos son utilizados típicamente en sistemas acuáticos complejos para representar patrones de transporte detallados; también son utilizados para predecir transporte de sedimento el cual incluye químicos o metales que son adsorbidos a los sedimentos.

Los sedimentos (arena gruesa o fango fino) localizados en el fondo del mar, bajo la influencia de la fricción del agua con el fondo del piso del mar (“bottom stress”), serán erosionados y llevados en suspensión, dentro de la columna de agua. Este bottom stress es la consecuencia de corrientes mareas y olas

Los modelos computacionales de 2 y 3 dimensiones calculan el transporte de diferentes sedimentos bajo la influencia de corrientes y olas.

Para cada tipo de sedimento, se calcula cuanto material estará en suspensión y cuanto en el fondo, así, como el material en suspensión será transportado y cuanto material será erosionado o depositado.

MODELACION ESTADISTICA (IOS vs IOP): series de tiempo

  Mediante un modelo estadístico (ARIMA), un modelo empírico basado en el volumen de agua cálida (VAC) del Pacífico Ecuatorial y un modelo basado en tablas de contingencia (TC), se realizaron previsiones del Índice de Oscilación Peruano (IOP), actualizado hasta el mes de Setiembre del 2010.

Fuente: Quispe, C., S. Purca y J. Tam. 2006. Opinión científica sobre previsión de efectos de El Niño y la Oscilación del Sur (ENOS). IMARPE – Callao.

Presiones atmosféricas de Tahiti, Darwin y Paita, e índices IOS e IPD

5. EJEMPLOS DE MODELACION NUMERICA

SIMULACION MAREAL

Hidrodinámica mareal básica diaria simulada en el estrecho de Singapur. Los datos obtenidos son capaces de responder rápidamente a una situación de emergencia, e.g. derrame de petróleo. La simulación hace uso de valor mareal previsto por análisis armónico alrededor del perímetro del estrecho como la fuerza gobernante del modelo.

MODELACION DE CIRCULACION (Temperatura Superficial del Mar)

Fuente: Morón, O., J. Quispe, J., I. Ramirez& J. Tenorio. 2006.Simulación hidrodinamicaen la Bahiade Paracas (Pisco, Perú) utilizando forzantes ambientales. Estudio conjunto Perú(IMARPE) –México (CICESE).

MODELACION DE CIRCULACION (Corrientes)

Fuente:Morón, O., J. Quispe, I. Ramirez& J. Tenorio. 2006.Simulaciónhidrodinamicaen la Bahiade Paracas (Pisco, Perú) utilizandoforzantesambientales. Estudio conjunto Perú(IMARPE) –México (CICESE).

SEGUIMIENTO DE LA PARTÍCULA

Simulación de seguimiento de partículaUn módulo de seguimiento de la partícula ha sido desarrollado para proveer simulación de transporte de partícula cuando sea necesario. El módulo emplea una aproximación La gran giana 3D para calcular el movimiento de partículas discretas en el estrecho.

Impactos que pudieran producir estructuras en la línea de costa tales como espolones, rompeolas y en general

estructuras de protección costera

Animación mostrando la dispersión de fango descargado en cierto lugar del mar

PERFIL OCEANOGRAFICO

Registro mensual de parámetros hidrográficos e indicadores biológicos en una sección de 50 mn

Estación 4 Salinidad, Estación 7

Salinidad, Estación 4

METEOROLOGIA

Estaciones Meteorológicas

Construcción e instalación de red de estaciones meteorológicas automáticas en la región, con la finalidad de monitorear microclimas y su aplicación en la agricultura y sector pesquero

CONCLUCIONES

Con la modernización y sofisticación de la informática, en la Oceanografía, hoy en día se puede prevenir mediantes Diseños de Modelación, todo tipo de contaminación ambiental y prevenir riegos climatológicos que pueden ocurrir en los mares.

¡Gracias!