Abstract Submesoscale eddies (1-10 km diameter) were identified using surface velocity observations obtained from a high-frequency radar system (HFR) operated in Todos Santos Bay (TSB), Baja California, Mexico. Eddies were detected through a special case of the Okubo-Weiss parameter for divergent flows in the form of eigenvalues of the Jacobian matrix. The detection method, applied for a surface velocity grid, shows encouraging results in the recognition and tracking of submesoscale features in TSB. The detection method is rapid and efficient. Results show the formation and persistence of an eddy structure inside the Bay in December 6, 2010, displaying a trajectory from NE to SW until disappearing at the center of the Bay. The eddy is approximately 4 km in diameter with a frequency of ~0.1f (f is the Coriolis parameter). The real part of the Okubo-Weiss parameter ranged between − 4 × 10 − 9 to − 1 × 10 − 9 s − 2, and outlined the eddy for approximately 9 hours. Although it is difficult to identify the origin of the detected submesoscale eddy, its appearance coincided with a drop in relative atmospheric humidity suggesting land-ocean Santa Ana winds as a possible generating mechanism.

ABSTRACT The influence of easterly and northeasterly dry and warm Santa Ana winds (SAw) on the surface circulation of Todos Santos Bay, Mexico, is studied from surface currents and wind data measured during the most extreme periods of activity (autumn-winter season). Sea surface currents were measured using a system of coastally-based HF radar stations between 2009 and 2015. Winter-mean surface circulation showed a cyclonic tendency. Atmospheric variables allowed the grouping of ~122 SAw events, 23% of which caused a noticeable change in the background circulation. Event-mean current patterns showed dissimilar responses to the acting winds, with some SAw events driving weak offshore currents, another that developed an eddy-pair circulation inside the bay, and one rather intense (winds of 8-10 m s-1) that developed a clockwise circulation overturning the cyclonic long-term winter-mean. In general, changes in the circulation were related to an offshore transport of surface waters into the open ocean.

RESUMEN Se utilizan datos de vientos y corrientes superficiales para estudiar la influencia de vientos de Santa Ana (SAw), relativamente secos y cálidos del este y noreste, sobre la circulación superficial de la Bahía de Todos Santos, México. El análisis se realiza para periodos de vientos intensos en la época de otoño-invierno. Las corrientes superficiales fueron medidas entre 2009 y 2015 usando un sistema de estaciones de radar HF sobre la costa. La circulación superficial promedio durante el invierno mostró una tendencia ciclónica. Las variables atmosféricas permitieron identificar ~122 eventos SAw, de los cuales 23% causó un cambio notable en la circulación media. Los patrones de circulación promedio durante los eventos cálidos mostraron respuestas diferentes a los vientos forzantes. En algunos eventos la influencia de los vientos generó corrientes débiles hacia afuera de la costa, mientras que en otros se desarrolló una circulación de dos remolinos ciclónicos dentro de la bahía. Un evento intenso (8-10 ms-1) desarrolló una circulación anticiclónica, opuesta a la circulación ciclónica promedio de invierno. En general, los cambios en la circulación mostraron relación con un transporte en la misma dirección del viento hacia el océano abierto.

Fetch-limited wave growth was analyzed using high spatial and temporal resolution measurements obtained with high-frequency (HF) radars. To calculate the wave spectrum, the second-order echo (S2N) was extracted from the Doppler spectrum and mapped to the wave frequency domain. The conversion of S2N to the wave frequency spectrum was carried out using a linear parametric model dependent on wind speed. Wave growth, represented by the dimensionless energy and peak frequency as a function of dimensionless fetch, was determined from the spectra calculated for 25 cells (~400 km²) in the vicinity of a moored Air-Sea Interaction Spar buoy. The buoy data were used as reference and to provide the wind information required for the wave growth analysis. The simultaneous data from the buoy and HF radars showed a suitable agreement with the wave growth curves. The analysis of the 25 cells showed an adequate agreement and certain dispersion around the growth curves. Possible causes of this dispersion are related to errors in the estimation of the frequency spectrum and fetch, and the assumption of homogeneous wind conditions. From the limited data set used, it was not possible to prove any impact of swell on wave growth; however, it is possible that analysis over a wider range of swell heights may provide this evidence. Nevertheless, the results suggest that the linear parametric model is able to reproduce fetch-limited wave growth. This work represents the first effort focused on fetch-limited wave growth using HF radars.

Se analizó el crecimiento del oleaje limitado por el fetch utilizando mediciones de alta resolución espaciotemporal obtenidas con radares de alta frecuencia (HF). Para calcular el espectro del oleaje, el eco de segundo orden (S2N) fue extraído del espectro Doppler y mapeado al dominio de las frecuencias del oleaje. La conversión de S2N al espectro del oleaje se realizó mediante un modelo paramétrico lineal que depende de la velocidad del viento. El crecimiento del oleaje local, representado por la energía y la frecuencia asociada al pico espectral adimensional en función del fetch adimensional, se determinó a partir de los espectros del oleaje calculados para 25 nodos (~400 km²) alrededor del sitio de anclaje de una boya Air-Sea Interaction Spar. Los datos de la boya se utilizaron como referencia y para proveer la información del viento necesaria para el análisis del crecimiento del oleaje. Los datos simultáneos de la boya y los radares HF presentaron una concordancia adecuada con las curvas de crecimiento del oleaje. El análisis en el dominio de los 25 nodos mostró una correlación significativa y cierta dispersión alrededor de las curvas de crecimiento. Las causas probables de esta dispersión están asociadas con errores en el cálculo del espectro del oleaje y del fetch, y a la suposición de condiciones de viento homogéneo. No fue posible determinar la influencia del swell en el crecimiento del oleaje con el set limitado de datos utilizado; sin embargo, es posible que un análisis con mayor variación de la altura del swell podría proveer esta evidencia. No obstante, los resultados sugieren que, con el modelo paramétrico lineal, es posible reproducir el crecimiento del oleaje limitado por el fetch. Este trabajo representa el primer esfuerzo enfocado al análisis del crecimiento del oleaje utilizando mediciones de radares HF.

A three-dimensional numerical model was adapted to study the circulation, stratification and mixing patterns inside the port of El Sauzal. Salinity, temperature and density field data were measured, showing that density variations were mainly due to the temperature field with a very small contribution from salinity. The model simulated surface currents and the temperature field. The simulation was compared against field data showing that the model reproduces satisfactorily the circulation, stratification and mixing patterns. Surface circulation and vertical mixing were mainly forced by the tide, although winds greater than 6 m s-1 became the main forcing of vertical mixing and surface circulation. The surface currents traveled outside the port during ebb tide and vice versa during flood tide; however, with winds greater than 6 m s-1, the surface velocity followed the wind direction. When a discharge of 0.2 m³ s-1 was introduced into the system, the simulation showed an increase of 0.5 cm s-1 in the surface current velocity, during ebb tide. The vertical temperature structure increased as much as the discharge temperature (17.2°C). This result verifies that a controlled discharge could improve circulation and mixing, reducing the residence time and improving the levels of oxygen in the water.

Con la finalidad de conocer el patrón de circulación, estratificación y mezcla dentro del puerto de El Sauzal, se adaptó un modelo numérico tridimensional. Paralelamente se obtuvieron datos hidrográficos en el puerto de El Sauzal, en los que se encontró a la temperatura como el agente que modifica el campo de densidad, ya que la salinidad tiene poca variación en este sistema. Debido a lo anterior, el modelo simuló solamente el patrón de distribución de temperatura y corrientes. La simulación fue validada con datos de campo, demostrando que el modelo reproduce adecuadamente el patrón de circulación, estratificación y mezcla. El principal forzamiento de la circulación superficial y mezcla vertical en este sistema fue la variación del nivel de mar; sin embargo, el viento superior a 6 m s-1 se convirtió en el principal forzamiento del patrón de circulación y mezcla. Durante la bajamar la dirección de la corriente superficial fue hacia afuera del puerto y viceversa durante la pleamar; sin embargo, cuando el viento tuvo velocidades superiores a 6 m s-1, la dirección de las corrientes siguió la dirección del viento. Durante la bajamar, al introducir una descarga de 0.2 m³ s-1 al sistema, la simulación presentó un incremento de 0.5 cm s-1 en la velocidad de las corrientes superficiales. La estructura vertical de temperatura presentó un incremento generalizado hasta igualar la temperatura de la descarga (17.2°C). Este resultado indica que una descarga controlada puede ser capaz de mejorar la circulación y mezcla, lo que podría reducir los tiempos de residencia y mejorar los niveles de oxígeno en el agua.