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Este estudo aborda uma analise completa da recarga dos aquíferos, assim como os seus factores climáticos e hidrológicos, dentro de um pequeno sistema de bacias hidrográficas em Portugal, na região semiárida do Algarve. Foram coletados na região durante os meses de maior pluviosidade vários diferentes conjuntos de dados derivados, obtidos entre novembro de 2020 e abril de 2021. Dentro das séries de dados há factores como, temperatura, precipitação e evapotranspiração, assim como medidas piezométricas em campo. A distribuição dos factores climáticos foi estudada com o uso de métodos de interpolação de dados em grelha, revelando uma mínima variação espacial na região estudada. O estudo estatístico demonstra uma forte correlação entre os factores climáticos e medidas dos níveis dos aquíferos, sugerindo que há uma resposta rápida dos aquíferos às flutuações climáticas. Os coeficientes de correlação foram 0.7 a 0.8 para precipitação e -0.3 a -0.4 para temperatura e potencial de evapotranspiração. Além disso, foi observado que o próprio sistema do aquífero é bem conectado na região estudada, com coeficientes de correlação maiores que 0.9 para as medidas piezométricas. Ainda, utilizando os dados coletados, múltiplas técnicas foram implementadas na área de estudo para estimar o valor de recarga do aquífero durante o período de observação, resultando em dois modelos de recarga que apresentaram um bom desempenho. Os métodos e as incertezas dos dois modelos, BALSEQ e LUMPREM, foram comparados em detalhes a fim de avaliar a significância e as imprecisões em suas simulações do período de observação. O modelo BALSEQ sugere que a recarga varia de 81.58 a 160.32 mm, e de acordo com o modelo LUMPREM, a recarga varia de 16.97 a 93.67 mm. No entanto, a avaliação do desempenho dos modelos sugere que, nas duas abordagens, a variação dos resultados de sobreposição, entre 80 e 90 mm de recarga, é a mais significativa. This study includes a thorough examination of groundwater recharge, as well as its hydrogeological and climatic drivers, within a small watershed system in Portugal’s semi-arid Algarve region. Several different derived data sets were collected over the region’s most significant rain months, over a 5-month period between November 2020 and April 2021. Among the data sets are climate factors including temperature, precipitation, and evapotranspiration, as well as various in field piezometric measurements. Using interpolation methods of gridded data, the geographical distribution of climatic drivers was studied, visualizing and describing the minimal spatial variation within the research region. The statistical study of the climatic factors and measured groundwater levels indicated a strong relationship, suggesting rapid groundwater responses to climate fluctuations, with correlations coefficients of 0.7 to 0.8 regarding the precipitation and -0.3 to -0.4 regarding temperature and potential evapotranspiration. Furthermore, it showed that the groundwater system itself is well connected throughout the region, with most corelation coefficients above 0.9 between the piezometric measurements. Utilizing the gathered data, multiple techniques to estimate the recharge value during the observation period were implemented on the study location, resulting in two distinct recharge models with good performance. The methods and uncertainties of the two models, BALSEQ and LUMPREM were compared in detail in order to assess the significance and inaccuracies in their simulations of the observation period. According to the BALSEQ model, recharge varies from 81.58 to 160.32 mm, and according to the LUMPREM model, recharge ranges from 16.97 to 93.67 mm. However, the evaluation of performances of the models suggests that the overlapping result range of the two approaches, between 80 and 90 mm of recharge, is the most significant.

Em diversas partes do mundo já foi observado o aumento da taxa de sismicidade associada aos efeitos de cargas hidrológicas na crosta (Bollinger et al. 2007; Craig et al. 2017; Dumont et al. 2020). Desta forma, este trabalho investiga a conexão entre cargas atmosféricas e hidrológicas e a deformação crustal na região dos Açores, procurando por modulações sazonais e inter-anuais na taxa de ocorrência de sismos, que podem ser causadas pela variação atmosférica e hidrológica. O presente estudo envolve a manipulação e o declustering do catálogo sísmico dos Açores, de 2008 a 2018 e uma análise estatística dos dados. A metodologia utilizada nos dados dos Açores foi primeiro testada no sistema de falhas de Nova Madrid (EUA), seguindo o artigo de Craig et al. 2017, onde foi descoberta uma conexão entre o aumento da sismicidade e a baixa taxa de chuva no final do Verão. Isto ocorre, pois durante o Inverno, a carga hidrológica do rio Mississippi que é cortado pelo sistema de falhas exerce pressão sobre a crosta. Durante o Verão, a crosta soergue devido ao alívio de carga e então desencadeia uma alta atividade sísmica. Os resultados obtidos neste trabalho se mostraram compatíveis aos resultados encontrados pelo autor. Sendo assim, a metodologia utilizada foi aplicada aos Açores. A análise dos dados dos Açores foi realizada separadamente, para a região oceânica e para as ilhas, já que diferentes processos físicos ocorrem em ambos locais. As ilhas sofrem com as marés terrestres, precipitação e variação nas águas subterrâneas, enquanto o oceano sofre com o peso da coluna d’água. Assim, de forma a analisar melhor a sazonalidade e os possíveis mecanismos atuantes, o catálogo foi divido. A janela temporal dos dados (de 2008 a 2018) foi escolhida de forma que mudanças nas redes sísmicas e trocas de equipamento não afetassem os dados. O primeiro passo neste estudo foi eliminar eventos sísmicos dependentes de um evento principal, através de um processo chamado declustering, de modo que apenas restasse os eventos independentes, chamados de mainshocks. O declustering é essencial na análise de sazonalidade dos dados, já que eventos dependentes poderiam tendenciar os dados. Antes da análise de sazonalidade, foi calculada a razão entre o número de eventos que ocorrem nos meses de Inverno e aqueles que ocorrem nos meses de Verão. Esta razão mostrou que mais eventos estavam ocorrendo no Verão quando comparados com o período de Inverno. Na análise de sazonalidade foram empregues métodos estatísticos como a simulação de Monte Carlo e a abordagem Jack-Knife. A simulação de Monte Carlo foi utilizada para gerar 10 mil catálogos aleatórios baseados nos catálogos originais. A razão Inverno/Verão de cada um dos 10 mil catálogos foi calculada assim como os intervalos de confiança de 99% e 95%, com a finalidade de se observar uma razão Inverno/Verão ao acaso semelhante à razão observada. Os resultados desta análise mostraram que para a sismicidade oceânica, considerando os intervalos de magnitude de 2.0 a 2.7 e de 3.5 a 4.8, a probabilidade de se observar a mesma razão Inverno/Verão é menor que 1%, confirmando que a sazonalidade é genuína. Já para as ilhas, a razão Inverno/Verão caiu dentro dos intervalos de confiança, o que indica que a sazonalidade está ocorrendo por acaso. A abordagem de Jack-Knife, foi realizada para confirmar os resultados obtidos na simulação. Durante esta etapa, todo o processo anterior de geração dos 10 mil catálogos e cálculo das razões é repetido, mas agora removendo ano a ano dos dados, um de cada vez. Esta abordagem permite identificar eventos climáticos extremos que podem ter ocorrido durante os anos e interferiram na sazonalidade. Não foram encontrados eventos anômalos para região oceânica, confirmando que ao longo de 11 anos a sazonalidade se mostrou genuína. Sendo assim, a taxa sísmica oceânica mensal foi calculada e comparada com as séries temporais mensais de precipitação, altura total das ondas, pressão atmosférica e pressão média ao nível do mar. As componentes principais que mais contribuem para cada série temporal foram escolhidas durante a Análise Espectral Singular, que decompõe e reconstrói os sinais das séries, em seguida correlacionadas com as componentes principais da taxa sísmica. Os resultados da correlação mostraram que a taxa sísmica oceânica está correlacionada negativamente com a taxa de precipitação por um coeficiente de correlação de -0.69, por -0.77 com a altura total das ondas, e positivamente com a pressão atmosférica (0.40) e com a pressão a nível do mar (0.39). Em sequência, foi realizado o teste de t-student, que confirmou que os resultados da correlação são significativos. Os resultados deste estudo demonstram que a modulação sazonal da taxa de sismicidade oceânica é presente em cada ano (de 2008 a 2018). Assim como no sistema de falhas de Nova Madrid, a taxa de sismicidade oceânica dos Açores é maior durante o Verão (nos meses de J-A-S-O) e menor durante o Inverno (nos meses de J-F-M-A). Estudos futuros devem focar em quantificar as tensões causadas pelas cargas hidrológicas mencionadas, a fim de que se confirme a influência delas na sismicidade, além de investigar outros possíveis mecanismos, como as marés. Os resultados fornecem uma avaliação de variações cíclicas na sismicidade e sua relação com perturbações hidrológicas e atmosféricas na região dos Açores. Além disso, proporciona uma primeira abordagem da precipitação e da altura total das ondas como possíveis mecanismos de desencadeamento da atividade sísmica oceânica na região, contribuindo para melhorar a nossa compreensão sobre os mecanismos de desencadeamento dos sismos em sistemas vulcano-tectônicos ativos e para a previsão de períodos onde há aumento da sismicidade. This work investigates the connection between atmospheric and hydrological loads and crustal deformation in the Azores region, looking in particular for seasonal and inter-annual modulations of the earthquake occurrence rate which can be caused by atmospheric and hydrological variations. The work involves the manipulation and declustering of the Azores seismic catalogue, from 2008 to 2018, and statistical analysis of the data. The New Madrid Seismic Zone (NMSZ, USA), where a connection between enhanced seismicity and low rainfall rate in late summer had already been recognized, is used as a benchmark study site to test the methodology. The analysis of the Azores data was carried out separately, for the oceanic region and for the islands, and also considering earthquakes with magnitude above 2.0 (the magnitude of completeness). Just as for the NMSZ, the oceanic seismicity rate of the Azores is higher during Summer/fall (J-A-S-O months) and lower during Winter/Spring (J-F-M-A months). Monte Carlo simulations, used to check if the seasonal and inter-annual variations found in the seismicity pattern are statistically significant and not observed by chance, show that the probability of observing such seasonality by chance is less than 1% for magnitude bands from 2.0 to 2.7 and from 3.8 to 4.5. The influence of extreme climatic events is investigated using a Jack-knife approach. The results demonstrate that the seasonal modulation of the ocean seismicity rate is present at each calendar year (from 2008 to 2018) and is not the consequence of single extreme climatic deviations. Unlike the ocean region, where the seasonality is more evident and genuine in both catalogues, the islands presented a seasonality that was statistically genuine only in the full catalogue. The study of the seasonal modulation investigated using methods of decomposition and reconstruction of geophysical time series (SSA – Singular Spectrum Analysis) show that the principal components of the Azores ocean seismicity rate is negatively correlated with the principal components of rainfall (-0.69) and the significant height of wind waves and swell (-0.77) and positively correlated with atmospheric pressure (0.40) and mean sea level pressure (0.39). The results provide a first assessment of cyclic variations in seismicity and its relationship with atmospheric and hydrological disturbances in the Azores region.

Aquifers are a fundamental source of freshwater, yet they are particularly vulnerable in coastal Mediterranean regions due to climate and anthropogenic pressures. This comparative study examines the interrelationships between ocean-atmosphere teleconnections, groundwater levels and precipitation in coastal aquifers of California and Portugal, deepening the understanding of climate variability coupling behaviors across mirrored Mediterranean climates. Piezometric and precipitation records (1982-2019) are analyzed using singular spectral analysis, wavelet transform and lag correlation methods. Additionally, the development of a groundwater sustainability index (GSI) exposes vulnerability to drought and provides useful insights for future groundwater management and security. Singular spectral analysis identify signals consistent with the six dominant climate patterns, the Pacific Decadal Oscillation (PDO), the El Niño-Southern Oscillation (ENSO), and the Pacific/North American Oscillation (PNA) in California, and the North Atlantic Oscillation (NAO), the Eastern Atlantic Oscillation (EA) and the Scandinavian Pattern (SCAND) in Portugal. Lower frequency oscillations have a greater influence on hydrologic patterns, with PDO (52.75%) and NAO (46.25%) accounting for the largest amount of groundwater level variability. Wavelet coherences show non-stationary covariability between climate patterns and groundwater levels in distinct period bands; 4-8 years for PDO, 2-4 years for ENSO, 1-2 years for PNA, 5-8 years for NAO, 2-4 years for EA and 2-8 years for SCAND, presenting some dispersion of the low frequency signals. Wavelet coherence patterns also show that coupled climate patterns (NAO+ EA- and paired PDO and ENSO phases) are associated with major drought periods in both regions. Finally, the GSI classify highly vulnerable and low sustainability aquifers in southern California and in northern Portugal, warranting further policy and mitigation measures in these at-risk areas. The current work shows how pairing hydro-climatological knowledge with a GSI can provide insightful knowledge, which can be used to enrich and inform effective sustainable groundwater management policies. Os aquíferos são uma fonte fundamental de água doce, mas são particularmente vulneráveis nas regiões costeiras do Mediterrâneo devido a pressões climáticas e antropogénicas. Este estudo comparativo examina as inter-relações entre as teleconexões oceano-atmosfera, os níveis de água subterrânea e a precipitação, em aquíferos costeiros da Califórnia e Portugal. Desta forma visa contribuir para a compreensão acerca dos sinais acoplados de variabilidade climática em climas mediterrâneos. Foram analisados registos piezométricos e de precipitação (1982-2019) utilizando métodos de análise espectral singular, transformada wavelet e correlações. Adicionalmente, calculou-se um índice de sustentabilidade da água subterrânea (GSI) que avalia a vulnerabilidade à seca e fornece informações úteis para a futura gestão e segurança das águas subterrâneas. A análise espectral singular identifica sinais consistentes com os seis padrões climáticos dominantes, a Oscilação Decadal do Pacífico (PDO), Oscilação Meridional – El Ninho (ENSO) e a Oscilação do Pacífico / América do Norte (PNA) na Califórnia e a Oscilação do Atlântico Norte (NAO), a Oscilação do Atlântico Este (EA) e o Padrão Escandinavo (SCAND) em Portugal. As oscilações de baixa frequência apresentam maior influência nos padrões hidrológicos, com PDO (52,75%) e NAO (46,25%) sendo responsáveis pela maior parte da variabilidade do nível de água subterrânea. As coerências wavelet mostram relações não estacionárias com covariabilidade entre os padrões climáticos e o os níveis piezométricos em bandas de período distintas; 4-8 anos para PDO, 2-4 anos para ENSO, 1-2 anos para PNA, 5-8 anos para NAO, 2-4 anos para EA e 2-8 anos para SCAND, apresentando alguma dispersão na influência dos padrões de baixa frequência. Os padrões de coerência wavelet também mostram que os padrões climáticos acoplados (NAO+ EA- e fases PDO e ENSO conjuntas) estão associados a períodos de seca severos em ambas as regiões. Finalmente, o GSI permite classificar os aquíferos no sul da Califórnia e no norte de Portugal como altamente vulneráveis e com baixa sustentabilidade, alertando para a importância de políticas e medidas de mitigação nestas áreas de risco. O trabalho desenvolvido demonstra como a junção do conhecimento hidro-climatológico com um GSI pode fornecer informação importante para enriquecer e delinear políticas eficazes para a gestão sustentável de águas subterrâneas.

Upwelling in the Eastern Boundary Currents is wind-driven. Ekman transport off the coast of the Canary Current Upwelling System (CCUS) is induced by equatorward, alongshore trade winds leading to persistent upwelling of cooler subsurface water throughout the year. This study uses Upwelling Indices (UI) between 25 and 35°N to assess upwelling in the CCUS and relates it to the changes in the upper ocean structure as well as climate indices. Upwelling was determined using different approaches such as differences in the Sea Surface Temperature (SST) at the coast and offshore (UISST), and the prevailing wind conditions with the resulting Ekman transport (UIw). Within the study area, the detection of upwelling varies on a temporal and spatial scale depending on the different determination methods of the UI’s. These results imply that the existing indices need an adaptation to be more reliable. Nevertheless, all indices revealed strong upwelling events along a wider shelf between 25 and 33°N and some downwelling events along a narrow shelf between 33 and 35°N. A significant correlation was found between the UI’s and the vertical structure of the upper ocean which is especially represented by the isothermal layer depth (ILD). In regards to the prevailing climate, the North Atlantic Oscillation (NAO) influences the location and strength of the westerly and trade winds in the study area. Its strong signal during winter (December to March) is reflected in significant correlations between the NAO and all parameters, however, when considering the correlations for the whole year, its signal is ambiguous. The NAO correlates well with the UI’s and the ILD. During its positive phase, cooler temperatures can be observed at the coast indicating upwelling. Simultaneously, the ILD deepens at the coast and becomes shallower offshore which is reversed in NAO- years and enhanced during coupled, opposite phases with the East Atlantic pattern. Still, upwelling occurs in years of a neutral NAO so it cannot be ascribed as the main driver for upwelling processes in the area. The interplay of upwelling, vertical structure and climate is rather due to a complex system of different forcings and cause-effect relationships. Ocean dynamics related to the kinetic and potential energy as well as the thermohaline circulation in its long-term variability may have an impact on these variables on different temporal and spatial scales. O afloramento nas fronteiras leste dos oceanos é induzido pelo vento. O transporte de Ekman ao largo da costa do Canary Current Upwelling System (CCUS) é induzido por ventos alísios ao longo da costa, em direção ao equador, que levam ao afloramento persistente de águas subsuperfícies mais frias ao longo do ano. Este estudo usa índices do afloramento (UI) entre 25 e 35°N para avaliar o afloramento no CCUS e relaciona-o com as mudanças na estrutura das camadas superiores do oceano, bem como os índices climáticos. O afloramento foi inferido usando diferentes abordagens, como as diferenças na temperatura da superfície do mar (SST, UISST), as condições de vento prevalecentes e o transporte de Ekman resultante (UIw). Na área de estudo, a deteção do afloramento varia com a escala temporal e espacial dependendo dos diferentes métodos de determinação dos UI. Esses resultados implicam que os índices existentes necessitam de uma adaptação para serem mais confiáveis. No entanto, todos os índices revelaram fortes eventos do afloramento ao longo de uma plataforma mais ampla entre 25 e 33°N e alguns eventos do afloramento ao longo de uma plataforma estreita entre 33 e 35°N. Foi encontrada uma correlação significativa entre a UI e a estrutura vertical da camada superior do oceano que é especialmente representada pela profundidade da camada isotérmica (ILD). Em relação ao clima predominante, a Oscilação do Atlântico Norte (NAO) influência a localização e intensidade dos ventos de oeste e alísios na área de estudo. A sua maior intensidade no inverno (dezembro a março) se reflete em correlações significativas entre o NAO e a IU e a ILD. Durante a sua fase positiva, temperaturas podem ser observadas mais baixas na costa indicando afloramento. Simultaneamente, a ILD torna-se mais profunda ao longo da costa e mais superficial ao largo, o que é revertido em anos NAO- e mais intensificado durante as fases opostas acopladas ao padrão do Atlântico Leste. A correlação entre o NAO e as UI’s e a ILD não é clara quando olha-se para o ano todo e o afloramento ocorre mesmo em anos de NAO neutra, portanto NAO não pode ser considerado a principal causa dos processos de afloramento na área. A interação entre o afloramento, a estrutura vertical do oceano e o clima é mais devida a um sistema complexo de diferentes forças e relações de causa-efeito, como a dinâmica do oceano em relação à energia cinética e potencial, bem como a circulação termohalina e sua variabilidade de longo prazo em diferentes períodos de tempo e escalas espaciais.