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Tal día como hoy...

...en 2004, el manuscrito que se convertiría en uno de los artículos más citados de la historia de la oceanografía física era aceptado para su publicación el 16 de agosto. Sus autores eran Alexander F. Shchepetkin y James C. McWilliams, ambos en el Instituto de Geofísica y Física Planetaria de la Universidad de California, Los Ángeles. El artículo, titulado "The Regional Oceanic Modeling System (ROMS): a split-explicit, free-surface, topography-following-coordinate oceanic model", apareció en Ocean Modelling en 2005 y ha acumulado más de 4.800 citas en las dos décadas transcurridas desde entonces, una cifra que lo sitúa entre las contribuciones técnicas más influyentes de la literatura de las ciencias oceánicas. Es la referencia fundacional de uno de los modelos de circulación oceánica más utilizados del mundo.

Sistema de la Corriente de California, una de las principales regiones de aplicación de ROMS

Para entender lo que lograron Shchepetkin y McWilliams es útil comprender el problema que estaban resolviendo. A finales de los años noventa, la modelización numérica del océano había avanzado hasta el punto en que las simulaciones realistas de la circulación oceánica regional estaban al alcance, pero los modelos existentes tenían dificultades con dos conjuntos de problemas que comprometían su precisión exactamente en los entornos costeros y de plataforma continental donde la física es más compleja y las implicaciones prácticas más altas. El primer problema era numérico: los algoritmos de integración temporal utilizados en la mayoría de los modelos para separar los modos rápidos (barótropos) y lentos (baroclinos) de la circulación oceánica introducían errores que se acumulaban a lo largo de integraciones prolongadas y degradaban la calidad de las soluciones. El segundo era geométrico: representar con precisión la topografía inclinada de las plataformas y taludes continentales requería un sistema de coordenadas verticales que siguiera el fondo oceánico, pero las implementaciones existentes de coordenadas siguiendo el terreno generaban errores espúreos en el gradiente de presión en regiones de batimetría abrupta que podían producir corrientes ficticias de magnitud comparable a los rasgos de circulación reales. Ambos problemas eran conocidos desde hacía años. Lo que hicieron Shchepetkin y McWilliams fue resolverlos simultáneamente, mediante una combinación de rigor matemático e innovación algorítmica que produjo un modelo con un comportamiento numérico cualitativamente superior al que había estado disponible hasta entonces.

La contribución central del artículo fue una nueva familia de algoritmos de integración temporal que combinaban la retroalimentación hacia adelante y hacia atrás con las mejores propiedades de los esquemas sincrónicos clásicos, permitiendo un paso de tiempo mayor sin sacrificar precisión ni estabilidad. La idea clave era que tras calcular un paso de tiempo para la ecuación de cantidad de movimiento, las velocidades resultantes debían participar inmediatamente en el cálculo de los trazadores y la continuidad, en lugar de mantenerse constantes durante la duración del paso. Este cambio aparentemente menor en el orden de las operaciones eliminó una clase de inestabilidades numéricas que habían limitado los enfoques anteriores de separación de modos, y lo hizo manteniendo las propiedades de conservación que requieren las simulaciones oceánicas físicamente significativas. Combinado con un tratamiento cuidadoso de la formulación del gradiente de presión que reducía las velocidades espúreas generadas por los modelos de coordenadas sigma sobre topografía abrupta, el resultado fue un modelo que podía ejecutarse a alta resolución en regiones de batimetría compleja sin los artefactos numéricos que habían hecho poco fiables tales aplicaciones.

El contexto científico inmediato del ROMS era el estudio de los sistemas de afloramiento de contorno oriental, y la Corriente de California en particular. Los sistemas de afloramiento costero, donde el transporte de Ekman impulsado por el viento arrastra agua fría y rica en nutrientes desde la profundidad hacia la superficie, se encuentran entre los entornos marinos más productivos de la Tierra, representando menos del uno por ciento del área oceánica global pero aproximadamente el veinte por ciento de la captura mundial de peces. Son también de los más dinámicamente complejos: su circulación está moldeada por interacciones entre el forzamiento del viento, los remolinos de mesoescala, los frentes de submesoescala, el control topográfico y el intercambio entre la plataforma continental y el océano abierto, todo a escalas espaciales que los modelos oceánicos globales no pueden resolver. El ROMS fue diseñado desde el principio para manejar esta complejidad, y el Sistema de la Corriente de California se convirtió tanto en el banco de pruebas principal de su desarrollo como en una de sus aplicaciones más intensamente estudiadas. En pocos años tras la publicación del artículo de 2005, las simulaciones basadas en ROMS de la Corriente de California estaban produciendo resultados que coincidían con las observaciones con una fidelidad que no había sido alcanzable anteriormente, captando el ciclo estacional del afloramiento, la generación de remolinos y filamentos de mesoescala, el transporte transversal a la plataforma de nutrientes y la dinámica física-biogeoquímica acoplada de una de las regiones oceánicas más estudiadas del mundo.

Desde esos orígenes, el ROMS se expandió para convertirse en un estándar global de la modelización oceánica regional. El modelo ha sido aplicado a todas las grandes cuencas oceánicas y a todas las clases de problemas de circulación regional: los sistemas de afloramiento de Humboldt y Benguela, la Corriente del Golfo y sus extensiones, el Atlántico Sur y sus corrientes de contorno, el Mediterráneo y sus mares marginales, el Ártico y sus plataformas cubiertas de hielo, los sistemas de arrecifes de coral del Pacífico tropical, los estuarios y zonas costeras de todos los continentes habitados. Ha sido acoplado a modelos atmosféricos, modelos de hielo marino, modelos biogeoquímicos, modelos de transporte de sedimentos y modelos de oleaje. Ha sido utilizado para estudiar la variabilidad climática, la acidificación oceánica, las inundaciones costeras, la dinámica pesquera, la dispersión de contaminantes y la planificación de áreas marinas protegidas. La comunidad de usuarios del ROMS, centrada en la plataforma myroms.org, abarca cientos de grupos de investigación en docenas de países y ha producido miles de publicaciones en oceanografía física, oceanografía biológica, biogeoquímica marina e ingeniería costera.

Las contribuciones de Shchepetkin y McWilliams (2005) a la ciencia oceánica pueden agruparse en varias dimensiones interrelacionadas:

  • Solución del problema de separación de modos en los modelos oceánicos: La nueva familia de algoritmos de integración temporal introducida en el artículo eliminó las inestabilidades numéricas asociadas a la descomposición barótropica-baroclínica que habían limitado los modelos oceánicos de superficie libre anteriores, permitiendo pasos de tiempo mayores, soluciones más precisas e integraciones prolongadas más fiables en dominios regionales complejos.
  • Coordenadas que siguen el terreno precisas sobre topografía abrupta: El tratamiento del gradiente de presión en los modelos oceánicos de coordenadas sigma presentado en el artículo redujo sustancialmente las velocidades espúreas generadas sobre batimetría abrupta, haciendo numéricamente fiables por primera vez las simulaciones de alta resolución de plataformas continentales, taludes y montes submarinos.
  • Fundamento de la modelización oceánica costera y regional de alta resolución: Al combinar estos avances numéricos en un único sistema de modelización bien documentado y distribuido abiertamente, Shchepetkin y McWilliams crearon la infraestructura técnica que ha sustentado dos décadas de progreso en la simulación de la circulación oceánica costera, de plataforma y regional en todo el mundo.
  • Plataforma para la ciencia oceánica física-biogeoquímica acoplada: La precisión y flexibilidad del ROMS lo convirtieron en el modelo de elección de toda una generación de simulaciones física-biogeoquímicas acopladas, desde los sistemas de afloramiento de contorno oriental hasta los ecosistemas de arrecifes de coral, permitiendo el estudio de la acidificación oceánica, la desoxigenación, el ciclo de nutrientes y la productividad marina a resoluciones y en regiones inaccesibles para los modelos globales.
  • Estándar comunitario para la predicción oceánica regional: El marco del ROMS, construido sobre las bases algorítmicas del artículo de 2005, ha sido adoptado por centros de predicción operacional, programas de investigación climática y agencias de gestión costera de todo el mundo, convirtiéndolo en una de las principales herramientas mediante las cuales la ciencia oceánica informa la gestión de los recursos costeros y la predicción del cambio ambiental marino.

El artículo de Shchepetkin y McWilliams pertenece a una categoría específica de contribución científica: el trabajo técnico que no descubre un nuevo fenómeno ni propone una nueva teoría, sino que elimina un obstáculo que había estado limitando lo que el resto de la comunidad podía hacer. Su número de citas no refleja la fama de los procesos físicos que describe, sino la amplitud de la comunidad que depende del modelo que construyó. Cada estudio de dinámica del afloramiento, hipoxia costera, interacción remolino-plataforma de mesoescala o nivel del mar regional que utiliza el ROMS traza su fundamento numérico hasta los algoritmos desarrollados en el artículo aceptado el 16 de agosto de 2004.

Fuentes

Reference date
16 Ago

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