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Title: Detection and tracking of mesoscale eddies in the algerian basin from altimetric data and in-situ measurements
Other Titles: Individuazione e determinazione della traiettoria dei vortici di mesoscala nel bacino algerino mediante dati altimetrici e misurazioni in-situ
Authors: Pessini, Federica
Keywords: Mesoscale eddies;Tracking;Altimetric data;Algerian basin;Vortici di mesoscala;Traiettoria;Dati altimetrici;Bacino algerino;BIO/07
Issue Date: 15-Jun-2017
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato di ricerca. 29. ciclo
Abstract: 
The circulation of the Western Mediterranean Sea (WMED) is dominated by
highly variable and inhomogeneous mesoscale circulation. It is affected by the
formation of Algerian Eddies (AEs), mainly in the Algerian Basin. These strong
and large propagating structures can be both cyclonic and anticyclonic. Due
to the short lifespan of cyclonic eddies, only anticyclonic ones are considered
in this work.
In order to investigate the spatial and temporal distribution of eddy generation
and their respective paths in the WMED, we use an automated detection
and tracking method applied to 22 years of daily altimetric (SLA, Sea Level
Anomalies) data (AVISO merged, delayed-time, SLA data).
The tracking algorithm provides information about the lifetime of each detected
eddy, and permits the evaluation of their mean properties, such as radius, kinetic
energy and translational velocity.
We treat separately the eddies with lifetime respectively under and over 100
days. We find that short-life eddies mostly occur in the northern part of the
domain, above 39 N, along the North Balearic Front and we refer to them
as Frontal Anticyclonic Eddies (FAEs). Most are formed in fall and winter.
By contrast, longer-life eddies tend to arise in the southern part of the basin,
along the Algerian Current, mainly in spring and summer. A clear spatial and
seasonal complementarity of the two kinds of structures is evident.
We observe two preferred areas of formation along the Algerian slope, at 5 E
and at 7 E. The southern long-life AEs are more energetic and move eastward
along the coast to the Sardinia Channel. We suppose that high salinity on
the surface layer hinders the transit of the eddies through the channel, forcing
them to deviate northward with the cyclonic circulation. From the perspective of eddy kinetic energy (EKE), we find that the daily
MEKE in the south is higher than in the north of the domain, and has an
annual periodicity, due to the seasonality of heat fluxes, and a periodicity of
4:4 years. The latter should be more comprehensively examined with a larger
data set.
In order to investigate the vertical extension of the eddies and the water masses
involved, we use CTD data sampled in the course of three oceanographic cruises
in the WMED. We superimpose the CTD transects on the SLA maps in each
eddy location. Two transects intersect southern AEs and a third intersects a
FAE. In all cases, we measure a minimum level of salinity in the sub-surface
layer (50-70 m depth) co-located with the eddy core. It points to the presence
Atlantic Water trapped by the structure. The CTD data also provide the
physical characteristics (potential temperature, salinity and potential density
anomaly) of the water masses in the AEs. We found that southern AEs reach
1200 􀀀 1500 m depth and the FAEs 600 􀀀 700 m depth.
The detection and tracking method is a powerful instrument to study the eddies
and their variability, and the combination with in-situ data allows a more complete
characterization of these structures. Finally, this work helped to find the
preferred areas of eddy formation and their main pathways within the basin.
The interaction with the intermediate layer suggests that eddies are transported
by the Algerian Gyre in a cyclonic loop below 39 N.
Several studies have shown a strong correlation between the deflection of the
isopycnals, due to the eddies, and the distribution of the nutrients in the euphotic
layer. The study of the relationship between hydrodynamic processes
and the dynamics of the first trophic levels acquire importance in highly dynamic
seas such as the WMED. The complete description of mesoscale circulation
in the Algerian Basin provided by this dissertation is of fundamental
importance to examine the bio-ecological processes in the WMED.

La circolazione del Mar Mediterraneo occidentale (WMED) è dominata da una
circolazione di mesoscala altamente variabile e inomogenea. Questa risente
della formazione di vortici (AEs), soprattutto nel Bacino Algerino. Tali strutture,
grandi e intense, che si propagano nel bacino, possono essere sia cicloniche
sia anticicloniche. A causa della breve durata dei vortici ciclonici, in questo lavoro
verranno presi in considerazione solo quelli anticiclonici.
Al fine di studiare la distribuzione spaziale e temporale delle formazioni dei vortici
e le traiettorie che essi compiono nel WMED, abbiamo utilizzato un metodo
automatico di individuazione e identificazione delle traiettorie e lo abbiamo applicato
a 22 anni di dati altimetrici giornalieri (SLA, Sea Level Anomalies)
messi a disposizione da Aviso (AVISO merged, delayed-time, SLA data).
L’algoritmo di identificazione delle traiettorie fornisce informazioni riguardo la
durata di ciascun vortice e permette la valutazione delle loro proprietà medie,
come il raggio, l’energia cinetica e la velocità traslazionale.
Abbiamo trattato separatamente i vortici di durata inferiore e superiore rispettivamente
a 100 giorni. Abbiamo trovato che i vortici cosiddetti brevi si formano
principalmente nella parte nord del dominio, sopra i 39 N, lungo il fronte
nord-balearico, e ci riferiremo a tali strutture con il nome Frontal Anticyclonic
Eddies (FAEs). La maggior parte si formano in autunno e inverno. Al contrario,
i vortici cosiddetti lunghi tendono a formarsi nella parte meridionale
del bacino, lungo la corrente algerina., principalmente in primavera ed estate.
Si evidenzia chiaramente una complementarità delle strutture sia dal punto di
vista spaziale, sia da quello stagionale.
Abbiamo individuato due aree di formazione preferenziali lungo la costa algerina,
a 5 E e a 7 E. I vortici lunghi della zona sud sono più energetici e si muovono verso est lungo la costa fino al Canale di Sardegna. Noi supponiamo
che l’alta salinità superficiale in questa zona ostacoli il passaggio dei vortici
attraverso il canale, deviandoli a nord in una circolazione ciclonica.
Riguardo all’energia cinetica, abbiamo trovato che l’energia cinetica puntuale
dei vortici nel sud del bacino è maggiore rispetto al nord del bacino e presenta
una periodicità annuale, legata alla stagionalità dei flussi di calore, e una di
4:4 anni. Quest’ultima richiede uno studio più approfondito per mezzo di una
serie di dati più lunga.
Al fine di ricavare informazioni riguardo all’estensione verticale dei vortici e
alle masse d’acqua coinvolte, abbiamo utilizzato dati CTD raccolti durante tre
campagne oceanografiche nel WMED. Abbiamo sovrapposto i transetti CDT
sulle mappe di SLA elaborate con il metodo di individuazione dei vortici. Due
transetti intersecano i vortici meridionali e il terzo interseca un FAE. In tutti
e tre i casi rileviamo un minimo di salinità a livello sub-superficiale (50-70 m)
in corrispondenza del centro del vortice. Si tratta di acqua di origine atlantica
intrappolata dalla struttura ciclonica. I dati CDT forniscono inoltre le proprietà
fisiche delle masse d’acqua all’interno dei vortici, quali la temperatura
potenziale, la salinità e la densità poteziale. I vortici meridionali si estendono
fino a profondità di 1200􀀀1500 m mentre quelli a nord del dominio si fermano
a 600 􀀀 700 m.
Il metodo di individuazione e identificazione delle traiettorie è uno strumento
molto potente per lo studio dei vortici e della loro variabilità e la combinazione
del metodo con dati in-situ permette una più completa caratterizzazione delle
strutture. Infine, questo lavoro ha permesso di individuare le aree di formazione
e le traiettorie preferenziali all’interno del dominio. L’interazione con le acque
del livello intermedio suggeriscono che i vortici siano trasportati nella loro circolazione
ciclonica dal cosiddetto Algerian Gyre che si muove ciclonicamente a
livello intermedio al di sotto dei 39 N.
Numerosi studi hanno mostrato una forte correlazione tra la deflessione delle
isopicne, dovuta alle strutture cicloniche, e la distribuzione di nutrienti nella
zone eufotica. Lo studio delle relazione tra i processi idrodinamici e la dinamica
del primo livello trofico acquisisce importanza in mari altamente dinamici
come il WMED. La completa descrizione della circolazione di mesoscala nel bacino algerino fornita da questo studio, è di fondamentale importanza per la
comprensione dei processi bio-ecologici nel WMED.
Description: 
Dottorato di ricerca in Ecologia e gestione sostenibile delle risorse ambientali
URI: http://hdl.handle.net/2067/3102
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