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¿Quién vigila al vigilante?
Investigadores del Instituto Mediterráneo de Estudios Avanzados (UIBCSIC) fueron los encargados de calibrar, en aguas de Menorca y de
Eivissa, uno de los instrumentos del satélite ENVISAT, su radar
altímetro. Los datos que éste recoja permitirán conocer los cambios en
el nivel del mar y deducir la dirección y la velocidad de las corrientes
marinas
PALABRAS CLAVE:
ENVISAT, altimetría
satelitaria, dinámica
marina
KEYWORDS:
ENVISAT, satellite
altimetry, marine
dynamics
El satélite
ENVISAT en su
órbita sobre el
planeta Tierra.
La imagen es
una
reconstrucción
artística
realizada por la
Agencia Espacial
Europea.
Algunos satélites que orbitan el planeta son auténticos
Avanzados (IMEDEA), un centro mixto dependiente de
vigilantes. Éste es el caso del ENVISAT, una inmensa
la Universitat de les Illes Balears y el Consejo Superior
plataforma instrumental diseñada y lanzada por la
de Investigaciones Científicas. Dirigido por el doctor
Agencia Espacial Europea (ESA) que registra a todas
Damià Gomis, este grupo de investigadores ha llevado
horas cientos de parámetros ambientales. Pero,
a cabo la calibración de uno de los instrumentos del
¿quién vigila al vigilante? ¿Quién se encarga de
ENVISAT, su radar altímetro, con el cual es posible
confirmar que los datos que nos envía el satélite son
conocer en todo momento la altura que alcanza el
correctos? Existen equipos científicos en todo el
nivel del mar. Además, el grupo del IMEDEA participa
mundo que no sólo han ayudado a calibrar los
en el seguimiento del satélite, una labor constante de
instrumentos del satélite después de ser lanzado, sino
calibración a largo plazo.
que llevan a cabo una constante tarea de seguimiento.
Mediante la acción sinérgica de tres universidades y
con la financiación de la ESA, el radar altímetro del
Uno de esos equipos está formado por oceanógrafos
ENVISAT fue calibrado en el Mediterráneo occidental,
físicos del Instituto Mediterráneo de Estudios
desde un punto situado al noroeste de la isla de
tan distintos como el tipo de vegetación en distintas
áreas, la temperatura en la superficie del mar o el
contenido de ozono en la atmósfera.
Fue lanzado por la ESA el día 1 de marzo de 2002 y
colocado en una órbita situada a 800 kilómetros de
altitud. Hace, pues, dos años que gira alrededor del
planeta con un período de 95 minutos.
Entre el instrumental del ENVISAT cabe destacar un
radiómetro avanzado (AATSR) que le permite registrar
la temperatura superficial del mar; un espectrómetro
de mediana resolución (MERIS), con el que es posible
medir la concentración de pigmentos (clorofila, por
ejemplo) o el transporte de sedimentos por las
corrientes marinas; y un radar altímetro que le permite
medir el nivel del mar, el instrumento que
precisamente nos interesa porque ha sido en su
calibración donde se ha producido la participación
activa de los investigadores del IMEDEA.
¿Cómo puede medir el ENVISAT el nivel del mar?
El satélite envía una señal (un paquete de ondas
electromagnéticas) sobre un kilómetro cuadrado de la
superficie del mar. Esta señal "rebota" y regresa al
satélite. Lo que mide exactamente el radar altímetro
Principales
instrumentos con
aplicaciones
oceanográficas
del ENVISAT.
1. AATSR,
radiómetro.
2. MERIS,
espectrómetro de
mediana
resolución.
3. RA-2, radar
altímetro.
4. LRR, láser
retrorreflector.
5. ASAR, radar
avanzado de
abertura
sintética.
La imagen
corresponde a la
fase de pruebas
del satélite en el
centro de la ESA
en Holanda
(ESTEC).
Menorca y también desde Eivissa. Las observaciones
del ENVISAT es el tiempo transcurrido entre que la
del nivel del mar desde el satélite servirán para
señal es enviada y es recibida de nuevo. Suponiendo
calcular la dirección y la velocidad de las corrientes
que se conoce la velocidad de la señal y el tiempo
marinas. En el futuro, cuando la serie de datos sea
utilizado por ésta en "ir y venir", puede deducirse la
representativa, nos proporcionará información esencial
distancia entre el satélite y la superficie del mar. Y
para conocer los cambios que el calentamiento global
suponiendo que la órbita del satélite es conocida de
del planeta puede causar en la circulación marina.
forma precisa, es posible deducir finalmente el nivel
del mar respecto a una referencia terrestre.
Introducción
Dicho así el principio físico es muy sencillo. Ahora
El ENVISAT es básicamente un satélite de
bien, para que las medidas sean precisas no se puede
observación de la Tierra. Su misión es el registro de
suponer que la velocidad de las ondas
datos sobre muy distintos parámetros ambientales,
electromagnéticas es la de la luz en el vacío.
tanto oceanográficos, como atmosféricos o terrestres;
Previamente se tendrán que controlar ciertos
no en vano su acrónimo corresponde a las primeras
parámetros de la columna de aire que atraviesa la
letras de Environmental Satellite. Se trata del satélite
señal, como por ejemplo el contenido en vapor de
de observación más grande que se ha puesto nunca
agua y, a partir de éstos, deducir la velocidad real.
en órbita. El ENVISAT no es un satélite específico para
medir un determinado parámetro; es una inmensa
De otra parte, debe conocerse con exactitud la órbita
plataforma constituida por instrumental con muy
del satélite. Pensemos que si el ENVISAT fluctúa al
diversas funciones. El satélite envía a la Tierra datos
orbitar, se podrían confundir esas fluctuaciones con
desniveles del mar. Determinar la altitud exacta de un
satélite situado a, más o menos, 800 kilómetros con
Tierra ya ha girado sobre su eje y, por tanto, el satélite
una precisión de centímetros no es una labor trivial.
no vuelve a pasar en su siguiente recorrido por encima
Para conseguirlo se cuenta con una serie de
de las mismas zonas del planeta. La combinación
estaciones terrestres que pueden calcular la situación
entre la rotación terrestre y la órbita del ENVISAT hace
del ENVISAT. Cuando el satélite pasa por encima de
que el satélite "barra" toda la superficie del planeta,
dichas estaciones, desde éstas es enviado un rayo
traza a traza, hasta que al cabo de treinta y cinco
láser que debe impactar en un espejo de unos 20
minutos el ciclo se cierra habiendo barrido toda la
centímetros de lado (retrorreflector láser, LRR).
esfera. La Tierra es analizada, por tanto, en trazas con
Cuando el rayo alcanza el espejo es reflejado y
una separación entre ellas de cien kilómetros (en
retorna a las estaciones. A partir del tiempo que tarda
latitudes medianas, por ejemplo en el Mediterráneo).
el rayo en ir y venir de las estaciones se deduce
Además del ENVISAT, otro satélite altímetro de la
l'altura real de la órbita.
NASA y el CNES (Francia), el JASON, realiza la
Debe tenerse en cuenta que cuando hablamos aquí de
misma tarea pero con un ciclo más corto, de diez días,
diferencias en el nivel del mar no nos referimos al
aunque con una distancia entre trazas mucho mayor y
oleaje causado por el viento. El paquete de ondas que
por tanto con menos detalle. Ambos satélites se
envía el satélite "rebota" sobre un área de 6 x 6 km2
complementan.
de la superficie marina. Por tanto, lo que deduce el
satélite es el nivel medio de esta área. El interés de
La necesaria calibración del instrumental
los investigadores es localizar amplias zonas donde el
mar está más arriba o más abajo de un nivel
Para que las medidas que recoge el satélite sean
llamémosle "normal". Esta zonas se corresponden con
correctas se debe calibrar todo el instrumental. En el
áreas de alta y baja presión en el interior del océano,
caso del radar altímetro esta calibración corrió a cargo
áreas que darán lugar a distintos regímenes de
de científicos de las universidades de Munich y
corrientes.
Dresden y del IMEDEA.
¿Cómo registra los datos el satélite?
Antes de pasar a la calibración conviene establecer
algunas nociones sobre el nivel del mar del planeta
El ENVISAT sigue una órbita casi polar. Vuela de polo
que quizás sean poco conocidas. Todo el mundo sabe
a polo y necesita una hora y media para dar una
que la Tierra no es exactamente una esfera, ni es
vuelta entera al planeta. Transcurrido ese tiempo la
perfectamente homogénea. El campo gravitatorio, por
En la imagen de
la izquierca
aparece la
trayectoria del
ENVISAT en su
órbita. El satélite
tarda una hora y
media en dar
una vuelta
entera. Al volver
al inicio, el
planeta ya se ha
desplazado por
la rotación. De
esta manera el
ENVISAT va
"barriendo" la
superficie de la
Tierra cada
treinta y cinco
días. En el
gráfico de la
derecha, las
líneas oblicuas
en azul señalan
por donde ha
pasado el
satélite. Son
inclinadas de SE
a NO cuando el
satélite va en
sentido
ascendente y de
NE a SO cuando
lo hace en
sentido
descendente.
Las líneas rojas
corresponden al
satélite JASON,
de la NASA y el
CNES (al
contrario del
ENVISAT, este
satélite viaja
hacia el este y,
por tanto, sus
trazas
ascendentes van
de SW a NE,
mientras que las
ascendentes van
de NW a SE).
tanto, no tiene simetría esférica en la medida que
diversidad de escalas:
depende directamente de la distribución de masa. Es
evidente que las masas no están distribuidas
Olas de viento: fenómenos de pequeña escala
uniformemente repartidas en el globo; en un lugar nos
horizontal que pueden alcanzar hasta unos 10 metros
encontramos con grandes masas montañosas, pero en
de desnivel. Como se ha dicho antes, el nivel del mar
otro lugar existen inmensas fosas abisales. Así pues,
medido por el radar altímetro no es representativo de
la Tierra no atrae al mar con la misma intensidad en
estas ondas.
todos los puntos del planeta. Si el mar estuviera
absolutamente quieto podríamos ver como presenta
Mareas: desniveles provocados por la atracción de la
desniveles de unos 120 metros respecto a la curva
Luna y el Sol y que dependen de los movimientos
matemática que se toma como referencia: un
relativos del sistema Tierra-Luna-Sol. Presentan
elipsoide.
escalas horizontales de miles de kilómetros y pueden
ser de unos cuantos metros de altura según las zonas.
Un ejemplo más cercano nos ilustra: entre el
En el Mediterráneo las mareas tan solo alcanzan entre
archipiélago balear y las costas catalanas el mar está
los 10 y los 30 centímetros. En cualquier caso, se trata
unos dos metros por debajo del nivel que presenta en
de oscilaciones muy bien determinadas y predecibles,
ambos litorales. ¿Cómo puede explicarse esto? Cerca
a causa de su regularidad y, por tanto, no son el
de la costa el campo gravitatorio es más intenso ya
objetivo prioritario del radar altímetro.
que hay más masa terrestre. En mitad del mar, entre
Recreación con
la escala vertical
exagerada del
geoide de la
Tierra. Las
depresiones y
los abultamientos
no son tan
evidentes, pero
las diferencias
entre unos
puntos y otros
del planeta
pueden alcanzar
los 120 metros
respecto al
elipsoide de
referencia.
las Baleares y la Península, la tierra se encuentra a
dos kilómetros de profundidad; por tanto, hay menos
masa terrestre y el campo gravitatorio es menor.
Podríamos decir que el mar se acomoda a las masas
terrestres. Este hecho es sabido y debe tenerse en
La calibración del radar altímetro del
ENVISAT fue encargada a científicos
de las universidades de Munich y
Dresden y del IMEDEA
cuenta a la hora de estudiar la dinámica marina.
Lo que interesa estudiar no son los desniveles
producidos por el campo magnético gravitatorio (que
Los ciclones y los anticiclones: fenómenos que se
son constantes en el tiempo) sino los causados por la
producen a escalas intermedias, afectando a áreas de
dinámica marina. Estos desniveles "dinámicos" se
entre 10 y 1.000 kilómetros, con desniveles que se
superponen a los anteriores y tienen una gran
sitúan entre los 0,1 y 1 metros. Es bastante conocido
que el régimen de vientos y lluvias en nuestras
latitudes está determinado por la sucesión de
anticiclones y ciclones en la atmósfera. Lo que quizá
no sea tan conocido es que en el mar también se
forman este tipo de estructuras, que son precisamente
el objetivo principal del radar altímetro.
Al igual que ocurre en la atmósfera, en el mar las
zonas de alta presión y de baja presión son
provocadas por el hecho de que la densidad no es
constante. Allí donde el agua del mar es menos densa
(quizás porque está más caliente o por su menor
contenido en sales), el nivel está por encima del nivel
medio y se origina una zona de alta presión en el
interior del fluido. Contrariamente, en una zona de alta
densidad, el nivel del mar se halla por debajo del nivel
medio, lo cual origina bajas presiones en el interior del
fluido.
La calibración del radar altímetro del satélite debe ser
muy precisa si se quieren apreciar y medir desniveles
cumple. Necesitamos, por lo tanto, saber en todo
debidos a la presión. Como hemos dicho antes, es
momento dónde se encuentra la línea de flotación.
fundamental medir bien la órbita desde las estaciones
en tierra. El área mediterránea es una de las zonas del
Un barómetro situado en la parte sumergida de la
planeta mejor equipadas en este tipo de estaciones.
boya: proporciona medidas de presión de las que es
Por este motivo la calibración del radar altímetro del
posible deducir hasta donde está sumergida la boya.
ENVISAT se realizó en mitad de la cuenca, en aguas
Por tanto, el problema de conocer la distancia entre la
de las Islas Baleares.
antena GPS y la superficie del mar estaría resuelto…,
si no fuera porque la boya también se inclina.
La calibración en aguas de las Islas Baleares
Un sensor de inclinación: capaz de detectar en cada
Simultáneamente al paso del satélite sobre las Islas
momento la desviación respecto a la vertical del palo
Baleares, se tuvieron que tomar medidas muy exactas
de la antena. Nos proporciona, por tanto, el último
del nivel de la superficie del mar. El equipo del
parámetro necesario para calcular la posición del nivel
IMEDEA, dirigido por el doctor Damià Gomis, se
del mar respecto al elipsoide de referencia.
encargó en primer lugar de dar apoyo logístico para la
instalación de boyas instrumentalizadas por la
Con la conjunción de todos estos datos registrados por
Universidad de Munich. Se escogió como punto
los tres instrumentos segundo a segundo, se pudo
principal un lugar situado al noroeste de Menorca que
determinar el nivel del mar durante cada barrido el
coincidía con un nudo en el paso del satélite, es decir,
satélite. Las boyas (cuatro), equipadas con baterías
un punto por encima del cual el satélite pasaba en
alimentadas con energía solar, ponían en
órbita ascendente y descendente. El punto estaba
funcionamiento todos los instrumentos una hora antes
situado en mar abierta para evitar cualquier
del paso del satélite por la vertical y los inactivaban
"contaminación" de los datos debida a la proximidad
una hora después. Estos datos se complementaron
de la costa, pero a la vez lo suficientemente cercano
con otras medidas con mareógrafos, dos situados en
para facilitar el mantenimiento del instrumental.
el fondo marino, justo debajo de las boyas, y dos más
ubicados en Eivissa, uno en el puerto de Sant Antoni y
¿Cómo es posible medir el nivel del mar en mar
abierto, sin tener un punto de referencia como tienen
los mareógrafos situados en los puertos? En principio
puede parecer difícil hacerlo desde una boya que
asciende y desciende según la dinámica de las
corrientes y el oleaje. Sin embargo, puede conseguirse
mediante la sinergia de tres instrumentos
convenientemente colocados en boyas de tres
toneladas y lastradas con hormigón. Estos
instrumentos son los siguientes:
Una antena GPS: proporciona en todo momento la
posición vertical de la boya respecto al elipsoide de
referencia. El promedio de dos horas continuadas de
datos proporciona a los investigadores una idea muy
aproximada de la altura media a la que se encuentra
la antena. Conociendo la posición de la antena y
sabiendo la distancia entre la antena y la línea de
flotación de la boya, se puede deducir el nivel del
mar…, eso si el mar estuviera en calma y la línea de
flotación se mantuviera constante, extremo que no se
En el gráfico se
puede observar
como el satélite
envía una señal
electromagnética
a la superficie
del mar.
Calculando la
velocidad de
retorno del rayo,
puede deducirse
la altura media
del nivel del mar.
otro junto al islote del Vedrà. También se utilizaron
radiómetros, tanto en Menorca como en Eivissa, para
saber las condiciones de la columna de aire y ajustar
así la velocidad de propagación de la onda
electromagnética utilizada por el satélite.
La posición de las boyas era seguida en red (internet).
Los datos eran transmitidos primero por radio a una
estación costera y desde allí a Alemania vía telefónica.
Además, quedaban registrados en el ordenador que
formaba parte del equipo de cada boya.
Además de participar en la fase intensiva de
calibración, en la actualidad el equipo del IMEDEA
realiza una calibración a largo plazo,
fundamentalmente mareógrafos y radiómetros, y que
se llevará a cabo durante toda la vida útil del satélite.
Las corrientes
Como se ha dicho antes, una de las razones por las
que es necesario conocer la situación del nivel del mar
es la localización de esas zonas de alta y baja presión
y cartografiarlas, es decir, contar con "mapas de
presión". Dado que los desniveles debidos a la presión
son de pocos centímetros, el satélite ha de ser capaz
de diferenciar estos desniveles de otros como los
debidos a las mareas o los del mismo geoide. Estos
En la imagen
superior aparece
el barco García
del Cid, del
CSIC, desde
donde se izaron
las boyas. En el
centro, una de
las boyas situada
en la zona del
experimento. En
el gráfico inferior
se observan los
parámetros que
tuvieron que ser
controlados para
saber el nivel
medio del mar
(NM):
A: posición de la
antena GPS
respecto al
elipsoide de
referencia.
P: presión del
agua como
medida del grado
de inmersión de
la boya.
Alfa: ángulo de
inclinación de la
boya.
"mapas de presión" son esenciales para poder
establecer la fuerza y la dirección de las corrientes que
generan.
Se trata de un mecanismo idéntico al que sucede en la
atmósfera. Los anticiclones, zonas de alta presión,
generan corrientes de aire que tienden a huir de la
zona. En cambio, los ciclones son zonas de baja
presión que tienden a "aspirar" el aire que las
circunda. En el mar sucede exactamente lo mismo,
solo que el fluido no es aire, sino agua.
Estas serían, por tanto, las direcciones que tomarían
tanto el aire en la atmósfera como el agua en el mar si
la Tierra no girara, pero el movimiento rotatorio
incorpora fuerzas que modifican la trayectoria de los
fluidos: se trata del llamado efecto de Coriolis. Así,
cualquier cuerpo que se mueve en el hemisferio norte
se desvía hacia la derecha a causa de la rotación
terrestre. Para apreciarlo cabe que el movimiento
Como ejemplo, el doctor Damià Gomis recuerda la
tenga una duración continuada (mínimo de 24 horas).
formación de un remolino anticiclónico durante el mes
de septiembre de 1998 al norte de las Islas Baleares.
La fuerza bárica que impulsa a todo fluido a
Durante seis meses el remolino en cuestión modificó
abandonar un área de alta presión es modificada por
el régimen de corrientes marinas en la zona. El origen
la fuerza de Coriolis que desvía este fluido hacia la
del fenómeno fue el ascenso de agua atlántica hacia el
derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en
norte de las Baleares, en lugar de seguir su camino
el hemisferio sur. La resultante de ambas fuerzas es
habitual desde Gibraltar a lo largo de la cuenca de
un estado de equilibrio (llamado equilibrio geostrófico)
Argelia. Una vez llegó el agua atlántica, mucho menos
que mantiene al fluido girando en el sentido de las
densa que la del Mediterráneo, al norte de las Islas, la
agujas del reloj (hemisferio norte).
Tramontana hizo el resto, alimentando el remolino
En el caso de una zona de baja presión, la corriente
durante meses. El satélite, afirma el doctor Gomis,
generada en equilibrio geostrófico girará en el sentido
puede seguir estos fenómenos casi en tiempo real,
contrario a las agujas del reloj (siempre en el
puede deducir la dirección de las corrientes generadas
hemisferio norte).
y su velocidad.
La tarea del ENVISAT es proporcionar datos con el
Otra aplicación evidente será la medida del incremento
objeto de calcular la fuerza bárica. Esta fuerza se
del nivel del mar atribuible al calentamiento global del
puede conocer a partir de los desniveles del mar entre
planeta. Se sabe, según las últimas medidas, que el
zonas de alta y baja presión. Una vez que se conoce
ritmo de aumento alcanza los 3 milímetros anuales, lo
la fuerza bárica, ésta se puede igualar a la fuerza de
que supondría un desnivel de entre 20 centímetros y
Coriolis, ya que como hemos dicho tienden ambas a
un metro a finales del siglo XXI. En este sentido, el
equilibrarse. A partir de aquí es posible calcular la
estudio de las corrientes marinas es primordial para
velocidad de las corrientes, porque la fuerza de
poder realizar un seguimiento del cambio climático.
Coriolis es directamente proporcional a la velocidad
"Pensemos, afirma el doctor Gomis, que una pequeña
del fluido.
alteración de la corriente del Golfo que lleva agua de
los trópicos y que calienta los vientos del oeste que
soplan sobre Europa atemperando el clima del
continente, podría acarrear variaciones climáticas
importantes".
A lo anterior cabe añadir que el conocimiento de las
corrientes también es de gran valor para los grandes
barcos que pueden ahorrar combustible evitándolas o
aprovechándolas.
En el gráfico de
la izquierda se
pueden apreciar
las fuerzas que
actúan en
situaciones de
alta presión (A) y
baja presión (B)
y que al
igualarse acaban
originando el
equilibrio
geostrófico.
Fb: fuerza bárica
Fc: fuerza de
Coriolis.
En el gráfico de
la derecha
aparecen las
isobaras de un
remolino
originado al norte
de las Islas
Baleares, una
situación de alta
presión y fuertes
corrientes
totalmente
anómala en esta
zona.
Proyecto financiado
Referencia: ESTEC-15507/01/NL/SF
Títulol: ENVISAT Calibration around the Balearic Islands
Acrónimo: ECBI
Entidad financiadora: Agencia Espacial Europea (ESA)
Instituciones y entidades participantes
Agencia Espacial Europea
Instituto de Geodesia y Navegación, Universidad de Munich
Universidad Técnica de Dresden
Instituto Mediterráneo de Estudios Avanzados (UIB-CSIC)
Investigador responsable en el IMEDEA
Dr. Damià Gomis Bosch.
Departamento de Física. Grupo de
Oceanografía
Edificio Mateu Orfila i Rotger, campus de la UIB
07071 Palma (Islas Baleares)
Tel.: 971 17 32 36
Instituto Mediterráneo de Estudios Avanzados
Esporles
Tel.: 971 61 17 58
E-mail: [email protected]
Otros miembros del equipo
Dr. Sebastià Monserrat, professor del Departamento de Física de la UIB y adscrito al IMEDEA
Dr. Simón Ruiz, con un contrato Marie Curie en el CLS (Collecte Localisation Satellite), Tolouse (Francia)
Dra. Ananda Pascual, actualmente con un contrato Marie Curie en el CLS (Collecte Localisation Satellite),
Tolouse (Francia)
Sra. Marta Marcos, becaria del proyecto, adscrita al IMEDEA
Webs de interés
Proyecto ECBI:
http://www.imedea.uib.es/natural/goi/oceanography/html/research/Projects/WEB_ecbi/
ESA:
http://www.esa.int
Instituto de Geodesia y Navegación, Universidad de Munich:
http://ifen.bauv.unibw-muenchen.de/tmp/index.htm
Universidad Técnica de Dresden
http://www.tu-dresden.de/fghgipg/
Instituto Mediterráneo de Estudios Avanzados (UIB-CSIC)
http://www.imedea.uib.es
Trabajos relacionados con el proyecto
ENVISAT 2002. Ready for launch.
DVD divulgativo con imágenes de todas las aplicaciones del ENVISAT. Editado por la ESA.
ENVISAT Validation Workshop (ISBN: 92-9092-841-7).
CD que recoge las ponencias de la reunión final de calibración del ENVISAT. Editado por la ESA.
ENVISAT: respuestas desde el cielo, por Eva van den Berg.
National Geographic, junio de 2003.
Publicaciones
A. Pascual, B. Buongiorno Nardelli, G. Larnicol, M. Emelianov, D.Gomis. A case of an intense anticyclonic eddy in
the Balearic Sea studied from satellite and in situ data. J. Geophys. Res. 107(C11), 3183, doi:
10.1029/2001JC000913. (2001)
A. Pascual, D. Gomis. Use of surface data to estimate geostrophic transport. J. Atmos. Ocean Tech. 20, 912-926.
(2003)