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UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA GEODÉSICA DEPARTAMENTO DE GEODESIA SUPERIOR LABORATORIO DE GEODESIA FÍSICA Y SATELITAL TÓPICOS DE GEODESIA GEOMÉTRICA Volumen 3, Número 1, Enero 2013 GENERACIÓN DE SERIES DE TIEMPO DEL NIVEL DEL MAR MEDIANTE ALTIMETRÍA SATELITAL MULTIMISIÓN EN LOS PRINCIPALES MAREÓGRAFOS DE VENEZUELA Prof. Gustavo Acuña Laboratorio de Geodesia Física y Satelital (www.lgfs.luz.edu.ve) Dpto. de Geodesia Superior – Facultad de Ingeniería – Universidad del Zulia Apartado 526, Maracaibo 4001-A, Venezuela E-mail: [email protected] – Telefax: +58-261-412.88.18(70) LGFS/DGS – Universidad del Zulia, 2013 Tópicos de Geodesia Geométrica Vol. 3, No. 1, Enero 2013 GENERACIÓN DE SERIES DE TIEMPO DEL NIVEL DEL MAR MEDIANTE ALTIMETRÍA SATELITAL MULTI-MISIÓN EN LOS PRINCIPALES MAREÓGRAFOS DE VENEZUELA Gustavo Acuña CA Laboratorio de Geodesia Física y Satelital (www.lgfs.luz.edu.ve) Dpto. de Geodesia Superior – Facultad de Ingeniería – Universidad del Zulia Apartado 526, Maracaibo 4001-A, Venezuela E-mail: [email protected] – Telefax: +58-261-412.88.18(70) RI RESUMEN Datos CORSSHs de las misiones TOPEX/Poseidon, ERS-1/2, GFO, Jason-1 y Envisat [AVISO, 2010] se utilizaron en la generación de las series [Acuña, 2011a]. Para eliminar de éstas el ruido de alta frecuencia introducido por la elevada resolución de muestreo de los datos altimétricos, las series fueron filtradas por oscilaciones con periodo menor a 30 días [Acuña, 2012]. Esto también facilita en las series la observación de las estructuras temporales de la variabilidad del nivel del mar. Así, las series muestran valores medios mensuales del nivel del mar, producto del filtraje, y los usuales valores medios diarios derivados del método de extrapolación. Las series reflejan valores absolutos de altura elipsoidal de los niveles del mar, estando todas referidas a un único y geocéntrico elipsoide, el GRS80 [Moritz, 1980], orientado y posicionado según el marco de referencia global ITRF2000 [http://itrf.ensg.ign.fr/]; lo que permite la directa comparación de las series registradas en locaciones distintas. DE S 1. INTRODUCCIÓN IA GE OM ÉT Series de tiempo del nivel instantáneo del mar son generadas empleando datos satelitales altimétricos multimisión (i.e., TOPEX/Poseidon, ERS-1/2, GFO, Jason-1 y Envisat) para las locaciones de 16 importantes mareógrafos de Venezuela, cubriendo el periodo 1992-2009. Las series sirven para caracterizar in-situ la variabilidad del mar en la costa venezolana. En ellas se identifica un claro ciclo anual en la oscilación del nivel del mar Caribe venezolano con amplitud ~30 cm y variabilidad RMS de ± 7 cm. Las tasas de variación anual reportadas por las series, +2 mm/año en promedio, verifican el aumento secular del nivel del mar en la región. El procedimiento empleado para la generación de las series demuestra que, prácticamente en cualquier lugar de la costa venezolana y a partir de datos satelitales altimétricos multi-misión, es posible producir relevante información espacio-temporal sobre el estado del mar local con una exactitud en el orden pocos centímetros (5-6 cm). Palabras clave: altimetría satelital, mareógrafo, series de tiempo del nivel del mar, costa de Venezuela. PI CO SD EG EO El trabajo trata la construcción de series de tiempo del nivel del mar a lo largo de la costa de Venezuela a partir de datos altimétricos multimisión registrados en el periodo 1992-2009 [Acuña, 2011a]. Su generación corresponde a la posición de conocidos mareógrafos venezolanos (ver Tabla 1 en [Acuña, 2012]), tanto los aún operativos como aquellos ya desinstalados. Las series permitirán observar la evolución de largo periodo y características temporales de la superficie del mar costero durante los últimos 17 años, particularmente en zonas que hasta el momento carecen de ese tipo de información. 2. DATOS Y MÉTODOS 2.1 Sobre la construcción de las series de tiempo altimétricas del nivel del mar TÓ Series de tiempo del nivel del mar fueron generadas por altimetría satelital para 16 mareógrafos venezolanos, a saber, 8 del IGVSB (Amuay, Pto. Cabello, La Guaira, Cumaná, Pta. de Piedras, Carúpano, Güiria y Pto. Hierro); 6 del INC (Maracaibo, Malecón, Pta. Diablo, Pta. Palmas, Zapara y el Tablazo); y 3 de PDVSA (Las Morochas, Pueblo Viejo y La Ceiba), ver [Acuña, 2012]. El procedimiento de extrapolación de datos altimétricos hacia posiciones costeras, descrito p.ej. en [Acuña et al., 2002], [Acuña y Bosch, 2004] y [Acuña, 2012], fue aplicado para tal fin. LGFS/DGS – Universidad del Zulia, 2013 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Las Figuras 1 a 9 muestran, a manera de ejemplo, una secuencia de series de tiempo del nivel del mar generadas/registradas a todo lo largo de la costa de Venezuela. Construidas para 9 de los mareógrafos más importantes del país, desde Maracaibo en el 1 Tópicos de Geodesia Geométrica Vol. 3, No. 1, Enero 2013 occidente, hasta Pto. Hierro en el oriente del país, las series describen en detalle la variabilidad temporal y espacial del nivel del mar en esa región geográfica. La series de originales de datos medios diarios se grafican en azul mientras que en rojo se representan las series filtradas a valores medios mensuales. Además de los gráficos de las series de tiempo para los mareógrafos, se exhiben respectivas figuras que indican las ubicaciones geográfico-costeras de esas estaciones de marea y la posición relativa de los datos altimétricos utilizados. Estos se muestran como pasos por misión dispuestos en un área de 1° alrededor del mareógrafo en cuestión. Estadísticas para cada serie de tiempo (i.e., número de mediciones utilizadas, valor medio del nivel del mar, RMS de las observaciones y rata de cambio anual) se presentan en la descripción de cada figura. GE OM ÉT RI CA Mareógrafo INC Maracaibo IA Figura 1. Posición geográfica, distribución de datos altimétricos multimisión y serie de tiempo del nivel del mar, periodo 1992-2009 (Nmed. = 29838 ; NMM = -14,356 m ; RMS = ± 0,089 m ; DRIFT = +0,4 mm/año), en el mareógrafo Maracaibo. PI CO SD EG EO DE S Mareógrafo IGVSB Amuay Figura 2. Posición geográfica, distribución de datos altimétricos multimisión y serie de tiempo del nivel del mar, periodo 1992-2009 (Nmed .= 29827; NMM = -21,143 m ; RMS = ± 0,078 m ; DRIFT = +1,2 mm/año), en el mareógrafo Amuay. TÓ Mareógrafo IGVSB Puerto Cabello Figura 3. Posición geográfica, distribución de datos altimétricos multimisión y serie de tiempo del nivel del mar, periodo 1992-2009 (Nmed. = 15179 ; NMM = -17,651 m ; RMS = ± 0,065 m ; DRIFT = +0,6 mm/año), en el mareógrafo Pto.Cabello. LGFS/DGS – Universidad del Zulia, 2013 2 Tópicos de Geodesia Geométrica Vol. 3, No. 1, Enero 2013 RI CA Mareógrafo IGVSB La Guaira OM ÉT Figura 4. Posición geográfica, distribución de datos altimétricos multimisión y serie de tiempo del nivel del mar, periodo 1992-2009 (Nmed. = 31013 ; NMM = -18,722 m ; RMS = ± 0,075 m ; DRIFT = +4,2 mm/año), en el mareógrafo La Guaira. EO DE S IA GE Mareógrafo IGVSB Cumaná Mareógrafo IGVSB Punta de Piedras TÓ PI CO SD EG Figura 5. Posición geográfica, distribución de datos altimétricos multimisión y serie de tiempo del nivel del mar, periodo 1992-2009 (Nmed. = 17963 ; NMM = -29,568 m ; RMS = ±0,078 m ; DRIFT = +0,7 mm/año), en el mareógrafo Cumaná. Figura 6. Posición geográfica, distribución de datos altimétricos multimisión y serie de tiempo del nivel del mar periodo, 1992-2009 (Nmed. = 33422 ; NMM = -29,474 m ; RMS = ± 0,071 m ; DRIFT = +1,9 mm/año), en el mareógrafo Pta.Piedras. LGFS/DGS – Universidad del Zulia, 2013 3 Tópicos de Geodesia Geométrica Vol. 3, No. 1, Enero 2013 RI CA Mareógrafo IGVSB Carúpano OM ÉT Figura 7. Posición geográfica, distribución de datos altimétricos multimisión y serie de tiempo del nivel del mar, periodo 1992-2009 (Nmed. = 19969 ; NMM = -32,603 m ; RMS = ± 0,075 m ; DRIFT = +4,6 mm/año), en el mareógrafo Carúpano. EO DE S IA GE Mareógrafo IGVSB Güiria Mareógrafo IGVSB Puerto Hierro TÓ PI CO SD EG Figura 8. Posición geográfica, distribución de datos altimétricos multimisión y serie de tiempo del nivel del mar periodo, 1992-2009 (Nmed. = 22907 ; NMM = -39,453 m ; RMS = ± 0,052 m ; DRIFT = -2,2 mm/año), en el mareógrafo Güiria. Figura 9. Posición geográfica, distribución de datos altimétricos multimisión y serie de tiempo del nivel del mar, periodo 1992-2009 (Nmed. = 23419 ; NMM = -39,708 m ; RMS = ± 0,062 m ; DRIFT = +0,5 mm/año), en el mareógrafo Pto.Hierro. LGFS/DGS – Universidad del Zulia, 2013 4 Tópicos de Geodesia Geométrica Vol. 3, No. 1, Enero 2013 CA RI ÉT OM 4. CONCLUSIONES Series de tiempo del nivel del mar generadas por altimetría satelital para el periodo 1992-2009, fueron construidas en las locaciones de 16 mareógrafos venezolanos. Las series sirvieron para caracterizar in-situ la variabilidad del mar costero venezolano. Fue posible entonces identificar la magnitud y periodo de las oscilaciones máxima y secundarias del nivel del mar a lo largo de las costas del país. El estado del mar en Venezuela muestra niveles máximo en Septiembre y mínimo en Febrero, con un claro ciclo anual. La magnitud de la oscilación anual es ~30 cm en el occidente del país, que disminuye a ~20 cm en el oriente. La variabilidad del mar registrada en la costa por las mediciones altimétricas es, en términos generales, pequeña, aprox. ± 7 cm RMS. Las tasas de variación anual reportadas por las series verificaron el aumento secular del nivel del mar en la región. Aunque las series presentaron valores extremos en las tasas anuales de -2,2 y +4,6 mm/año, en promedio, una variación anual de +2 mm/año fue obtenida. Esta media es bastante próxima al valor estimado para toda la región del Caribe por altimetría, i.e., +2,8 mm/año. En mareógrafos como La Guaira, la tasa anual estimada (+4,2 mm/año) fue significativamente mayor a la media general. Esto es indicativo de la magnitud de los cambios locales en el aumento secular del nivel del mar a lo largo de la costa venezolana. Considerando la tasa anterior, en La Guaira el nivel del mar experimentó un ascenso de ~7 cm durante el periodo 1992-2009, y probablemente, de ~42 cm en los últimos 100 años. TÓ PI CO SD EG EO DE S IA Observando los gráficos de las series se identifica la principal característica de la variabilidad del mar en la costa venezolana, la oscilación anual. Las mayores variaciones observadas en el nivel del mar local, en todas las locaciones analizadas, muestran un claro periodo anual de recurrencia, directamente relacionado con el ciclo anual de calentamiento solar en el hemisferio norte. Éste causa que las temperaturas máxima y mínima alcanzadas por las capas superficiales de los océanos del norte, tengan lugar poco después de concluir el verano y finalizando la temporada de invierno, respectivamente. Precisamente, y debido a la expansión termal de las masas de agua oceánica, el estado del mar en nuestras regiones muestra niveles máximo en Septiembre y mínimo en Febrero. En cualquiera de los gráficos anteriores se aprecia bastante bien este comportamiento. Es clara también la amplitud total de la oscilación anual. Ésta muestra un valor (entre máximos y mínimos) de aprox. de 30 cm en la costa occidental que tiende a disminuir hacia la zona oriental, donde alcanza valores cercanos a 20 cm. Se observan también cambios del estado del mar con periodo de aprox. 3 meses generando niveles máximo y mínimo secundarios a mediados de cada año, entre los meses Febrero y Septiembre. Esta es otra característica identificable en la mayoría de los registros. La variabilidad del mar en la región, registrada por las observaciones altimétricas, es en términos generales pequeña, aprox. ± 7 cm. Su magnitud es una medida del impacto de las fluctuaciones irregulares en la temperatura, salinidad, vientos, presión atmosférica y corrientes oceánicas de la región costera venezolana sobre el nivel del mar. De nuevo, los mayores valores se observan en la costa occidental (± 9 cm en Maracaibo y ± 8 en Amuay), probablemente relacionados con la mayor dinámica de las aguas del Golfo de Venezuela y del estrecho del lago de Maracaibo. En esas zonas suelen también ser inexactas importantes correcciones a los datos altimétricos, p.ej., las pertinentes a mareas oceánicas, troposfera húmeda y barómetro inverso [Acuña, 2011b]. Respecto a la tasa de cambio anual del nivel del mar regional, en todos los lugares, con la excepción del mareógrafo en Güiria, las series de tiempo registran un aumento permanente (sostenido) en el nivel del mar. Los mareógrafos de La Guaira, Pta. de Piedras y Carúpano son los más consistentes con los estimados regionales derivados en [Acuña, 2011a]. Por ejemplo, la tasa determinada en La Guaira (+4,2 mm/año) representa una elevación del nivel del mar en ese lugar de aprox. 7 cm en el periodo 1992-2009, y de 42 cm en los últimos 100 años. En promedio, las series del nivel del mar en la costa de Venezuela reportan para el periodo 19922009 un aumento menor al observado en La Guaira de +2 mm/año, muy próximo al valor estimado para toda la región del Caribe por altimetría multimisión de +2,8 mm/año [Acuña, 2011a]. Sin embargo, como puede apreciarse en la Figura 15 de [Acuña, 2011a], a lo largo de la costa ocurren variaciones espaciales en la tasa de aumento secular que oscilan entre +1 y +5 mm/año. Las anteriores estimaciones tienen aplicación en para calcular las áreas de tierra continental sujetas a inundación en las zonas costeras, debido al efecto del sostenido aumento del nivel del mar observado en la región durante las 2 últimas décadas por las misiones satelitales altimétricas, ver p.ej., [Acuña, 2011c]. GE 3.1 Interpretando las variaciones observadas del nivel del mar LGFS/DGS – Universidad del Zulia, 2013 5 Tópicos de Geodesia Geométrica Vol. 3, No. 1, Enero 2013 CA RI ÉT EO REFERENCIAS DE S IA Este trabajo fue desarrollado con financiamiento del Fondo Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación (FONACIT) como parte del proyecto de investigación No. S1-2002000563, “Estudio de las variaciones del nivel del mar en las costas venezolanas y sus implicaciones en la gestión de riesgos, redefinición del sistema de alturas y determinación del geoide”, ver [Acuña et al., 2009]. OM AGRADECIMIENTO LGFS/DGS – Universidad del Zulia. Vol. 1, No. 3, Julio-Septiembre 2011. Acuña G. (2011c): Determinando el aumento secular del nivel medio del mar en Venezuela. Mapping. No. 146, Febrero-Marzo 2011. Págs. 58-75. Acuña G. (2012): Comparación de datos satelitales altimétricos y registros mareográficos en Venezuela y el Caribe. Tópicos de Geodesia Geométrica. LGFS/DGS – Universidad del Zulia. Vol. 2, No. 1, Enero-Marzo 2012. AVISO (2010): DT_CorSSH and DT_SLA Product Handbook. Aviso Altimetry user handbook CLS-DOSNT-08.341, Issue: 1 rev 7, 08 June 2010. Moritz H. (1980): Geodetic Reference System 1980. Bulletin Géodésique, Vol. 54:3. GE El procedimiento desarrollado en el proyecto para la generación de series de tiempo del nivel del mar en locaciones costeras, prácticamente en cualquier lugar de la costa venezolana y a partir de datos altimétricos multimisión, demostró la capacidad de producir relevante información espacio-temporal sobre el estado del mar local con una exactitud en el orden pocos centímetros (5-6 cm); bastante aceptable si se considera que tal información contiene los errores de las mediciones altimétricas, del modelo geoidal y del método de extrapolación. Su aplicación, por ejemplo, en el monitoreo del nivel del mar en zonas costeras desprovistas de mareógrafos, en la recuperación de las variaciones del nivel del mar en mareógrafos con pérdidas de datos, en la reparación/corrección de los registros de mareógrafos con funcionamiento anormal, y en la gestión de riesgos costeros, es por lo tanto, recomendable. TÓ PI CO SD EG Acuña G., Bosch W., Meissel B. (2002): Correlation between multimission altimeter time series and time gauge registrations in the Caribbean Sea. International Association of Geodesy Symposia, Vol. 124. SpringerVerlag, pp. 231-237. Acuña G., W. Bosch (2004): Absolute comparison of satellite altimetry and tide gauge registrations in Venezuela. IAG Symposium 126: Satellite Altimetry for Geodesy, Geophysics and Oceanography, Springer-Verlag, pp. 261-269. Acuña G., M. Hoyer, M. Barrios, V. Cioce, A. López, G. Royero, E. Wildermann (2009): Estudio de las variaciones del nivel del mar en las costas venezolanas y sus implicaciones en la gestión de riesgos, redefinición del sistema de alturas y determinación del geoide. Reporte Técnico del 3er. (y final) año del proyecto FONACIT No. S1-2002000563. Laboratorio de Geodesia Física y Satelital. Dpto. de Geodesia Superior. Universidad del Zulia. Agosto, 2009. 152 p. Acuña G. (2011a): Aplicación de la altimetría satelital para el estudio de la variabilidad del nivel del mar en el Caribe venezolano. Tópicos de Geodesia Geométrica. LGFS/DGS – Universidad del Zulia. Vol. 1, No. 2, Abril-Junio 2011. Acuña G. (2011b): Extrapolación de datos altimétricos multi-misión sobre regiones costeras de Venezuela y del caribe oriental. Tópicos de Geodesia Geométrica. LGFS/DGS – Universidad del Zulia, 2013 6