Energy balance and time-scales of mixing and stratification in the Jaboatão estuary, NE-Brazil

Araujo, Moacyr; Medeiros, Carmen; Ribeiro, Cesar

doi:10.1590/S1413-77391999000200004

Abstracts

Estuarine systems undergo different physical processes that simultaneously control their stratification and mixing dynamics. This energy balance determines both, the estuarine hydrodynamics and the dynamics of water. This article presents a quantitative and comparative analyses between the forces maintaining stratification (surface heating; rainfall precipitation; and differential advection of the longitudinal density gradient due to the vertical velocity field) and those responsible for the vertical mixing (mechanical stirring of bottom tidal stress; mechanical stirring ofsurface wind stress; and surface evaporation) in the lower estuary ofthe Jaboatão River (JE), Pemambuco, NE-Brazil. The energy available to mix the water column at the' lower Jaboatão was 2.2 and 2.0-fold greater than that available to promote stratification, during the dry and rainy seasons, respectively. The bottom shear turbulence caused by the tides was the major source of energy for the vertical mixing. A theoretical analyses revealed that the turbulence decay time-scale io both seasons was much greater (dry=29min; rainy=25 min) than the stratification time-scale (dry=8 mio; rainy=7 min) and than the slack water time-scale (15 min). Thus the estuary was vertically well-mixed even during slack water periods during both, dry and rainy seasons. Theoretical results were confirmed by field data and are in agreement with earlier numerical simulations.

Energy balance; Turbulence-stratification; Tropical estuary; Jaboatão

Sistemas estuarinos estão sujeitos à influência simultânea de processos fisicos que controlam tanto sua dinâmica de estratificação quanto de mistura. Este balanço energético determina seu comportamento hidrodinâmico e a dinâmica das propriedades da água. O presente artigo apresenta uma análise quantitativa e comparativa das forças de manutenção da estratificação (aquecimento superficial; precipitação pluviométrica e advecção diferencial do gradiente longitudinal da densidade devida ao campo vertical da velocidade), e daquelas responsáveis pela mistura vertical (turbulência de fimdo devido às marés; turbulência de superficie devida à ação dos ventos e evaporação superficial) no baixo estuário do Rio Jaboatão (JE), Pemambuco, NE-Brasil. A quantidade de energia disponível para misturar a coluna d'água foi 2,2 e 2 vezes maior que aquela disponível para manter a estratificação durante as estações seca e chuvosa, respectivamente. O atrito turbulento de fimdo pelas marés foi a principal fonte de energia do sistema para a mistura da coluna d'água. Uma análise teórica revelou que a escala de tempo para o decaimento turbulento nas duas estações sazonais foi superior (seca=29 min; chuvosa=25min) que a escala de tempo para estratificação (seca=8min; chuvosa=7 min) e que a escala de tempo dos estofos de maré (15 min). Assim, o estuário apresentou-se verticalmente bem misturado mesmo durante os estofos de preamar e baixa-mar tanto na estação seca quanto chuvosa. Os resultados teóricos foram confirmados pelos dados de campo e estão em concordância com aqueles obtidos em estudos prévios de simulação numériCa.

Balanço energético; Turbulência-estratificação; Estuário tropical; Jaboatão

RESEARCH ARTICLES

Energy balance and time-scales of mixing and stratification in the Jaboatão estuary, NE-Brazil

Moacyr Araujo^I; Carmen Medeiros^I,II; Cesar Ribeiro^I

^IUniversidade Federal de Pemambuco -LOFEC/DOCEAN/UFPE. Laboratório de Oceanografia Física Estuarina e Costeira, Departamento de Oceanografia (Av. Arquitetura s/n, 50739-540, Campus Universitário, Recife, PE, Brasil) e-mails: moa@npd.ufpe.br; cmedeiros@npd.ufpe.br & char@npd.ufpe.br

^IICNPq fellow

ABSTRACT

Estuarine systems undergo different physical processes that simultaneously control their stratification and mixing dynamics. This energy balance determines both, the estuarine hydrodynamics and the dynamics of water. This article presents a quantitative and comparative analyses between the forces maintaining stratification (surface heating; rainfall precipitation; and differential advection of the longitudinal density gradient due to the vertical velocity field) and those responsible for the vertical mixing (mechanical stirring of bottom tidal stress; mechanical stirring ofsurface wind stress; and surface evaporation) in the lower estuary ofthe Jaboatão River (JE), Pemambuco, NE-Brazil. The energy available to mix the water column at the' lower Jaboatão was 2.2 and 2.0-fold greater than that available to promote stratification, during the dry and rainy seasons, respectively. The bottom shear turbulence caused by the tides was the major source of energy for the vertical mixing. A theoretical analyses revealed that the turbulence decay time-scale io both seasons was much greater (dry=29min; rainy=25 min) than the stratification time-scale (dry=8 mio; rainy=7 min) and than the slack water time-scale (15 min). Thus the estuary was vertically well-mixed even during slack water periods during both, dry and rainy seasons. Theoretical results were confirmed by field data and are in agreement with earlier numerical simulations.

Descriptors: Energy balance, Turbulence-stratification, Tropical estuary, Jaboatão.

RESUMO

Sistemas estuarinos estão sujeitos à influência simultânea de processos fisicos que controlam tanto sua dinâmica de estratificação quanto de mistura. Este balanço energético determina seu comportamento hidrodinâmico e a dinâmica das propriedades da água. O presente artigo apresenta uma análise quantitativa e comparativa das forças de manutenção da estratificação (aquecimento superficial; precipitação pluviométrica e advecção diferencial do gradiente longitudinal da densidade devida ao campo vertical da velocidade), e daquelas responsáveis pela mistura vertical (turbulência de fimdo devido às marés; turbulência de superficie devida à ação dos ventos e evaporação superficial) no baixo estuário do Rio Jaboatão (JE), Pemambuco, NE-Brasil. A quantidade de energia disponível para misturar a coluna d'água foi 2,2 e 2 vezes maior que aquela disponível para manter a estratificação durante as estações seca e chuvosa, respectivamente. O atrito turbulento de fimdo pelas marés foi a principal fonte de energia do sistema para a mistura da coluna d'água. Uma análise teórica revelou que a escala de tempo para o decaimento turbulento nas duas estações sazonais foi superior (seca=29 min; chuvosa=25min) que a escala de tempo para estratificação (seca=8min; chuvosa=7 min) e que a escala de tempo dos estofos de maré (15 min). Assim, o estuário apresentou-se verticalmente bem misturado mesmo durante os estofos de preamar e baixa-mar tanto na estação seca quanto chuvosa. Os resultados teóricos foram confirmados pelos dados de campo e estão em concordância com aqueles obtidos em estudos prévios de simulação numériCa.

Descritores: Balanço energético, Turbulência-estratificação, Estuário tropical, Jaboatão.

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Acknowledgements

Funding for this project carne ftom the CNPq/APQ program under the grant No. 400155/974. The authors are indebted to lsaac Cristiano de Freitas and José Vidal de Freitas for their invaluable assistance during field works.

(Manuscript received 28 January 1999; revised 30 August 1999; accepted March 2000)

Anis, A & Moun, J. N. 1992. The superadiabatic surface layer of the ocean during convection. J. Phys. Ocean., 22(10):1221-1227.
Araujo, M. 1998. Hidrodinâmica de sistemas estuarinos: Caracterização experimental, modelagem matemática e simulação numérica. Aplicação ao Sistema Jaboatão, Pernambuco. Relatório Técnico APQ 400155/97-4. Recife, CNPq. 89p.
Araujo, M.; Medeiros, C.; Ribeiro, C. & Freitas, I. 2000a. Testing surface boundary conditions for turbulence modeling in tidal systems. In: Redondo, J. M. & Babiano, A eds Turbulence diffusion in the environment. Barcelona, CIMNE. p.25-38.
Araujo, M.; Medeiros, C.; Ribeiro, C.; Freitas, I. & Bezerra, M. O. 2000b. Turbulence modeling in a stirring tropical estuary. In: Redondo, J. M. & Babiano, A. eds. Turbulence diffusion in the environment. Barcelona, CIMNE. p.59-66.
CPRH Companhia Pemambucana de Controle da Poluição Ambiental e de Administração dos Recursos Hídricos. 1995. Monitoramento das bacias hidrográficas do Estado de Pemambuco, Projeto CPRH-DRN-GMO-URHi. 174 p.
CPRH Companhia Pemambucana de Controle da Poluição Ambiental e de Administração dos Recursos Hídricos. 1996. Avaliação do impacto da poluição sobre os recursos pesqueiros do Rio Jaboatão - PE. Projeto CPRH-PJ-UFRPe.-FAS. 129 p.
Hansen, D. V. & Rattray, M. 1965. Gravitational circulation in straits and estuaries. J. mar. Res., 23:104-122.
Nunes Vaz, R A. & Simpson, 1. H. 1985. Axial convergence in a well-mixed estuary. Estuar. coast. ShelfSci., 20(5):637-649.
Nunes Vaz, R A. & Lennon, G. M. 1987. Episodic stratification and gravity currents in a marine environrnent of modulated turbulence. J. geophys. Res., 92(C5):5465-5480.
Nunes Vaz, R A.; Lennon, G. M. & Samarasinghe, J. R S. 1989. The negative role ofturbulence in estuarine mass transporto Estuar. coast. Shelf Sei., 28(4):361-377.
Phillips, O. M. 1977. The dynamics of the upper oceano 2nd Cambridge, Cambridge University Press. 336 p.
Shay, T. J. & Gregg, M. C. 1986. Convectively driven turbulent mixing in the upper oceano J. Phys.Oceanogr.,16(11):1777-1798.
Simpson, J. H. & Bowers, D. G. 1981. Models of stratification and frontal movement in shelf seas. Deep-Sea Res., 28(7):727-738.
Simpson,J. H.; Sharples, J. & Rippeth, T. P. 1991. A prescriptive model of stratification induced by freshwater runoff. Estuar. coast. Shelf Sei., 33(1 ):23-35.

Publication Dates

Publication in this collection
22 Apr 2013
Date of issue
1999

History

Received
28 Jan 1999
Reviewed
30 Aug 1999
Accepted
Mar 2000

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

[1] Anis, A & Moun, J. N. 1992. The superadiabatic surface layer of the ocean during convection. J. Phys. Ocean., 22(10):1221-1227.

[2] Araujo, M. 1998. Hidrodinâmica de sistemas estuarinos: Caracterização experimental, modelagem matemática e simulação numérica. Aplicação ao Sistema Jaboatão, Pernambuco. Relatório Técnico APQ 400155/97-4. Recife, CNPq. 89p.

[3] Araujo, M.; Medeiros, C.; Ribeiro, C. & Freitas, I. 2000a. Testing surface boundary conditions for turbulence modeling in tidal systems. In: Redondo, J. M. & Babiano, A eds Turbulence diffusion in the environment. Barcelona, CIMNE. p.25-38.

[4] Araujo, M.; Medeiros, C.; Ribeiro, C.; Freitas, I. & Bezerra, M. O. 2000b. Turbulence modeling in a stirring tropical estuary. In: Redondo, J. M. & Babiano, A. eds. Turbulence diffusion in the environment. Barcelona, CIMNE. p.59-66.

[5] CPRH Companhia Pemambucana de Controle da Poluição Ambiental e de Administração dos Recursos Hídricos. 1995. Monitoramento das bacias hidrográficas do Estado de Pemambuco, Projeto CPRH-DRN-GMO-URHi. 174 p.

[6] CPRH Companhia Pemambucana de Controle da Poluição Ambiental e de Administração dos Recursos Hídricos. 1996. Avaliação do impacto da poluição sobre os recursos pesqueiros do Rio Jaboatão - PE. Projeto CPRH-PJ-UFRPe.-FAS. 129 p.

[7] Hansen, D. V. & Rattray, M. 1965. Gravitational circulation in straits and estuaries. J. mar. Res., 23:104-122.

[8] Nunes Vaz, R A. & Simpson, 1. H. 1985. Axial convergence in a well-mixed estuary. Estuar. coast. ShelfSci., 20(5):637-649.

[9] Nunes Vaz, R A. & Lennon, G. M. 1987. Episodic stratification and gravity currents in a marine environrnent of modulated turbulence. J. geophys. Res., 92(C5):5465-5480.

[10] Nunes Vaz, R A.; Lennon, G. M. & Samarasinghe, J. R S. 1989. The negative role ofturbulence in estuarine mass transporto Estuar. coast. Shelf Sei., 28(4):361-377.

[11] Phillips, O. M. 1977. The dynamics of the upper oceano 2nd Cambridge, Cambridge University Press. 336 p.

[12] Shay, T. J. & Gregg, M. C. 1986. Convectively driven turbulent mixing in the upper oceano J. Phys.Oceanogr.,16(11):1777-1798.

[13] Simpson, J. H. & Bowers, D. G. 1981. Models of stratification and frontal movement in shelf seas. Deep-Sea Res., 28(7):727-738.

[14] Simpson,J. H.; Sharples, J. & Rippeth, T. P. 1991. A prescriptive model of stratification induced by freshwater runoff. Estuar. coast. Shelf Sei., 33(1 ):23-35.