Coastal Surface Circulation of the Gulf of Cadiz from Satellite Altimetry Measurements

L'obiettivo principale di questa tesi è di contribuire alla comprensione delle dinamiche della zona costiera utilizzando dati altimetrici ad alta risoluzione. Lo studio mira a investigare la circolazione superficiale a “mesoscala” nelle aree costiere, in particolare nel Golfo di Cadice, in Spagna, utilizzando dati altimetrici ad alta risoluzione con una frequenza di campionamento di 20 Hz dalla missione CryoSat-2 (CS2). A questo scopo, è stata sviluppata una specifica strategia di filtraggio per le aree costiere insieme all’utilizzo di correzioni ageostrofiche per il vento e dell’attrito sul fondale con l'obiettivo di migliorare l'accuratezza e il realismo dei risultati. I benefici di questa metodologia e delle correzioni sono stati valutati mediante un confronto con le misurazioni fornite dal radar ad alta frequenza (HFR). La correzione degli effetti ageostrofici ha notevolmente aumentato la correlazione tra l'altimetria e i dati HFR, passando da 0,61 (senza correzione) a 0,72 (con correzione). Inoltre, l'errore quadratico medio (RMSE) è diminuito da 12,54 cm/s a 7,35 cm/s. Lo studio si prefigge anche di valutare la qualità e il possibile utilizzo delle stime della velocità del vento derivate dall'altimetria (WS) per la validazione/calibrazione dei modelli numerici di previsione del tempo (NWPM), in particolare nel caso del modello WRF nella complessa area del Golfo di Cadice. Per valutare l'applicabilità dei dati altimetrici a questo scopo, lo studio confronta i dati WS di Sentinel-3A/B con misurazioni in situ e convalida il modello WRF con dati da varie stazioni nell'area. I risultati mostrano che i dati WS di S3A/B riproducono le misurazioni in situ e dimostrano l’utilizzo per la calibrazione/validazione del modello. La variabilità spaziale del WS derivato dal modello WRF viene confrontata con il WS derivato dall'altimetria lungo la traiettoria per condizioni di vento, mostrando un buon accordo tra i due set di dati anche in condizioni di vento variabili. Ciò conferma che la copertura spaziale dell'altimetria satellitare può convalidare efficacemente i modelli di previsione del tempo ad alta risoluzione in aree costiere complesse. Sulla base delle metodologie precedentemente validate per ottenere stime di altimetria satellitare ad alta risoluzione delle velocità delle correnti, insieme a dati di vento ad alta risoluzione dal modello WRF, lo studio fornisce una caratterizzazione completa della circolazione superficiale sulla piattaforma settentrionale del Golfo di Cadice. Vengono confrontate le correnti zonali superficiali basate sull'altimetria satellitare ad alta risoluzione, corrette per l'attrito sul fondo e gli effetti del vento, con un set di dati altimetrici disponibile pubblicamente (prodotto CMEMS generico) e con misurazioni in situ da ADCP. I risultati indicano che il prodotto altimetrico corretto è più accurato del prodotto CMEMS generico utilizzando metriche statistiche, catturando in modo accurato la direzione della circolazione superficiale in confronto alle misurazioni in situ. I risultati sottolineano l'importanza di considerare sia i componenti guidati dal vento che quelli geostrofici della circolazione in settori diversi del Golfo di Cadice. Nel bacino occidentale, le correnti superficiali positive (verso Est) sono principalmente guidate dai venti di ponente, mentre i flussi occasionali verso Ovest sono dominati principalmente dalle forze geostrofiche. Al contrario, nel bacino orientale, sia i flussi verso Est che quelli verso Ovest sono principalmente guidati dai venti favorevoli. Inoltre, l'analisi dei valori della ADT lungo l'intero bacino evidenzia la presenza di gradienti ADT sia trasversali che lungo la costa, con una maggiore importanza attribuita ai gradienti lungo la costa. I risultati suggeriscono che metodologie migliorate e misurazioni altimetriche ad alta risoluzione spazial possono migliorare significativamente la nostra comprensione delle dinamiche delle zone costiere.

The main objective of this thesis is to contribute to the understanding of coastal zone dynamics using high-resolution altimetry data. The study evaluates the possibility of studying mesoscale surface circulation in coastal areas, particularly in the Gulf of Cadiz, Spain, using high-resolution altimetry data with a posting rate of 20 Hz from CryoSat-2 (CS2). For this purpose, a specific filtering strategy for coastal areas was developed along with wind and bottom friction ageostrophic corrections to enhance the accuracy and realism of the outputs. The benefits of such methodology and corrections were assessed by comparison with measurements from high-frequency radar (HFR). The correction of these ageostrophic effects substantially enhanced the correlation between altimetry and HFR data, increasing from 0.61 (no correction) to 0.72 (corrected). Furthermore, the root mean square error (RMSE) decreases from 12.54 cm/s to 7.35 cm/s. Additionally, the research evaluates the quality and capabilities of altimetry-derived wind speed (WS) retrievals for validation/calibration of numerical weather prediction models (NWPM), specifically the Weather Research and Forecasting (WRF) model over the complex area of the Gulf of Cadiz. To assess the applicability of altimetry data for this purpose, the study compares Sentinel-3A/B (S3A/B) WS data with in-situ measurements and validates the WRF model with data from multiple stations in the area. The results show that S3A/B WS data align well with in-situ measurements and are trustworthy for model calibration/validation. The spatial variability of WS derived from the WRF model is compared with the along-track altimetry-derived WS under different wind conditions, demonstrating good agreement between the two datasets even under varying wind conditions. This illustrates that the spatial coverage of satellite altimetry can effectively validate high-resolution numerical weather prediction models in complex coastal areas. Based on the previously validated methodologies to obtain high-resolution satellite altimetry estimates of current velocities, along with high-resolution wind data from the WRF model, the research provides a comprehensive characterization of surface circulation over the northern shelf of the Gulf of Cadiz. The study compares high-resolution satellite altimetry-based surface zonal currents, corrected for bottom-drag and wind effects, with a publicly available altimetry dataset (generic CMEMS product) and validates them with in-situ measurements from Acoustic Doppler Current Profilers (ADCP). The findings indicate that the corrected altimetry product outperforms the generic CMEMS product in terms of statistical metrics, accurately capturing surface circulation direction when compared with in-situ measurements. The research emphasizes the importance of considering both wind-driven and geostrophic components of the circulation in different sectors of the Gulf of Cadiz. It reveals that in the western basin, positive (eastward) surface currents are mainly driven by westerly winds, while occasional westward flows are mostly dominated by geostrophic forces. In contrast, in the eastern basin, both eastward and westward flows are primarily driven by favourable winds. Additionally, the analysis of Absolute Dynamic Topography (ADT) values along the entire basin highlights the presence of ADT gradients both cross and along-shore, with a greater significance attributed to the along-shore gradients. The research also conducts a seasonal analysis, showing that eastward circulation dominates during the spring and summer months, associated with upwelling and westerly winds. Conversely, westward flows prevail during the winter months, related to easterly winds and the effect of the along-shore sea level gradient during unfavourable upwelling conditions. the results suggest that improved methodologies and higher-resolution altimetry measurements can significantly enhance our understanding of coastal zones