Diurnal Tidal Currents in the Gulf of Tonkin and the Qiongzhou Strait: Regime Characterization with Implications for Navigation and Tidal-Stream Energy

Resumen Técnico: Corrientes de Marea Diurnas en el Golfo de Tonkín y el Estrecho de Qiongzhou

Planteamiento del Problema
El Golfo de Tonkín representa un entorno hidrodinámico único donde los constituyentes de marea diurnos ($K_1$ y $O_1$) predominan sobre el semidiurno $M_2$, una condición atribuida a la respuesta de resonancia cercana de la cuenca a las frecuencias diurnas. A pesar de la naturaleza bien establecida de este régimen en estaciones costeras individuales, ha existido una falta de descripciones espacialmente continuas que caractericen el régimen de marea en toda la cuenca. Además, la distribución de la energía cinética de las corrientes superficiales permanece insuficientemente delimitada, particularmente respecto a la discrepancia entre las estimaciones derivadas de modelos de marea globales y las de los reanálisis oceánicos. Esta brecha dificulta el cribado preciso de recursos para energía de corrientes de marea y la programación precisa de la navegación marítima en una región con intenso tráfico de embarcaciones, incluyendo el crítico Estrecho de Qiongzhou.

Metodología
Este estudio caracteriza el régimen diurno y la energía de las corrientes superficiales utilizando únicamente conjuntos de datos globales de acceso abierto, evitando la necesidad de un modelo hidrodinámico regional. La metodología integra:

• Constantes Armónicas de Marea: Derivadas del modelo de marea global empírico EOT20 (resolución de 0.125°) para sintetizar elevaciones y estimaciones de corrientes de primer orden.
• Datos de Corrientes: Corrientes superficiales diarias del reanálisis GLORYS12 (2020) y corrientes superficiales operativas horarias del producto CMEMS SMOC (noviembre 2020 – octubre 2021).
• Validación: Comparación de las elevaciones sintetizadas contra registros de mareógrafos horarios de Hon Dau (Vietnam, 1995) y Beihai (China, 1997).
• Análisis:
  • Cálculo del Factor de Forma ($F$) para mapear espacialmente la clasificación del régimen de marea.
  • Aplicación de un escalamiento de onda progresiva en aguas someras ($U = A_\eta \sqrt{g/h}$) para estimar las corrientes de marea a partir de las elevaciones de EOT20.
  • Análisis armónico (UTide) de registros de corrientes horarios en cuatro sitios representativos para comparar las amplitudes de los constituyentes ($K_1, O_1, M_2$) frente al escalamiento de onda progresiva.
  • Computación de la densidad de potencia superficial media ($P = \frac{1}{2}\rho \langle |U|^3 \rangle$) tanto para las corrientes de marea escaladas como para las corrientes de reanálisis.

Contribuciones Clave y Resultados

1. Caracterización Espacialmente Continua del Régimen:
   El estudio presenta el primer mapa del Factor de Forma espacialmente continuo para el Golfo de Tonkín. El análisis revela que la dominancia diurna es una condición a escala de la cuenca, no meramente un rasgo costero. El contorno $F=3$ (que separa los regímenes mixtos principalmente diurnos de los regímenes diurnos) cruza la cuenca cerca de los 19°N, con valores de $F$ que alcanzan un máximo de 12.7 en el interior septentrional.

2. Validación de las Mareas Sintetizadas:
   La síntesis armónica EOT20 fue validada contra registros de mareógrafos independientes. En Hon Dau, la síntesis logró una eficiencia de Nash–Sutcliffe (NSE) de 0.916 y un índice de habilidad de Willmott de 0.980. Las amplitudes de los constituyentes para los términos diurnos dominantes ($K_1, O_1$) coincidieron con las observaciones dentro de un margen del 3–5%, con una diferencia vectorial total de aproximadamente el 7% a través de ocho constituyentes resolubles.

3. Cuantificación de la Brecha en la Estimación de Energía:
   Se identificó una discrepancia significativa entre las estimaciones de densidad de potencia superficial media: 2.86 W/m² del reanálisis diario GLORYS12 frente a 121.35 W/m² del escalamiento de onda progresiva de EOT20 (una diferencia de ~42 veces). El estudio demuestra que esta brecha no es un simple factor de fricción puntual, sino que resulta de dos factores físicos:

   • Promedio Temporal: El promedio diario en los productos de reanálisis elimina la mayor parte de la varianza de la banda de marea, suprimiendo la densidad de potencia por factores de 3.8–8.9 en comparación con los datos horarios.
   • Estructura de Onda Estacionaria: El Golfo actúa como un resonador de un cuarto de longitud de onda. El escalamiento de onda progresiva asume que la velocidad y la elevación están en fase, pero en una onda estacionaria, los máximos de velocidad ocurren cerca del nodo de entrada (donde la elevación es baja), y los máximos de elevación ocurren en la cabeza antinodal (donde las corrientes son débiles). En consecuencia, el escalamiento sobreestima las corrientes cerca de la cabeza norte (por factores de 2.3–2.6) y subestima las corrientes cerca de la entrada y el Estrecho de Qiongzhou (por factores de 0.1–0.2).

4. Identificación del Estrecho de Qiongzhou como un Punto Caliente de Recursos:
   El análisis armónico de corrientes horarios en el Estrecho de Qiongzhou (P1) muestra amplitudes diurnas combinadas que se aproximan a 1.3 m/s. Esta es la única área en el Golfo que cumple con los umbrales de cribado de primer orden (0.5 m/s) para la energía de corrientes de marea. El estudio identifica esta ubicación como el único candidato para una evaluación de Etapa-1 bajo las directrices de la IEC (2015).

5. Variabilidad Estacional:
   El estudio destaca que los dos reservorios de energía (circulación impulsada por el monzón y corrientes de marea) alcanzan su máximo en diferentes estaciones. El reanálisis (impulsado por el monzón) alcanza su máximo en otoño, mientras que la potencia de marea escalada alcanza su máximo en invierno, reflejando la modulación semianual de las mareas diurnas de declinación.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que la relación entre el forzamiento de marea astronómica y la energía cinética superficial realizada en el Golfo de Tonkín está gobernada por la estructura de onda estacionaria de la oscilación diurna de resonancia cercana. El principal resultado físico es que la relación entre el escalamiento de onda progresiva y las amplitudes de marea realizadas está organizada espacialmente, sirviendo como un diagnóstico del modo de resonancia de la cuenca en lugar de una corrección de fricción uniforme.

Prácticamente, el estudio establece que:

• Navegación: El ciclo único de pleamar diaria y la concentración de corrientes fuertes en el Estrecho de Qiongzhou dictan ventanas de programación específicas para buques de gran calado, distintas de los regímenes semidiurnos.
• Cribado de Energía: Los productos de reanálisis diarios son fundamentalmente inadecuados para el cribado de recursos de corrientes de marea, ya que eliminan el recurso mismo. Un cribado preciso requiere productos horarios con forzamiento de marea explícito o una síntesis armónica validada.
• Potencial de Recursos: Aunque el Golfo posee un fuerte régimen diurno, la energía de corrientes de marea viable se confina al acceso del Estrecho de Qiongzhou, donde la amplificación del canal y la dinámica de la onda estacionaria se combinan para producir corrientes cercanas a las velocidades de corte tecnológico.

Los autores concligen que el estudio proporciona una reconciliación física necesaria de diferentes fuentes de datos, ofreciendo una base robusta para la planificación de la navegación y una evaluación realista, aunque localizada, del potencial de energía de marea en el Golfo de Tonkín.