Effects of climate change on wave climate and consequent coastal impacts : application to the Catalan coast (NW Mediterranean Sea)

Abstract

Climate change is a hot research topic due to the consequent impacts on our environment in the near future. The last report of the International Panel on Climate Change' the leading international body for assessment of climate change' highlights a lack of information on the potential changes in wave climate and, consequently, on their coastal impacts. The problem is largely complicated because wave forcing is affected by a number of uncertainty factors, being the choice of the climate model one of the most relevant. The main purpose of this thesis is to provide a better understanding of the future wave climate in the area of interest: the Catalan coast, which is located in the NW part of the Mediterranean Sea, a basin particularly exposed to climate change. Based on previous studies, three methodological approaches are explored to address this issue: trend analysis, dynamical modelling and statistical modelling. The thesis work results in the generation and analysis, for the first time in this area, of a high temporal and spatial resolution database of future wave projections. The use in this thesis of atmospheric projections obtained by five combinations of regional-global climate models enables the study of the inter-model variability in terms of wave parameters. The results illustrate, for the winter season, the large variability associated to the parent global circulation model (particularly for the wave direction, a wave variable that seems to be especially affected by climate change in this area). In most of the domain, wave height and wave period tend to generally decrease for both mean and stormy conditions but extremes are associated to a large uncertainty. As expected, these changes are closely related to those of the (wave forcing) surface wind speed but fetch also plays an important role. For favourable fetch conditions (waves coming from east) wave climate changes are more accentuated and to the percentage of mixed sea states tends to increase. The second important contribution of this thesis is related with the methodology. New approaches of trend analysis that take into consideration the nature of the data are presented. Also, especial emphasis is given to the uncertainty analysis in order to detect statistically significant changes. In this regard, bootstrapping is shown to be a simple but effective method if adequately modified. Nevertheless, the most significant methodological contribution is perhaps the development of a new (computationally inexpensive) statistical method to model wave heights, that greatly improves the model performance at nearshore areas. The frequency and directional dispersion theory of wave propagation is used to explicitly model swell waves, making use of the principal component analysis to simplify the forcing into a set of representative atmospheric patterns. Finally, from an engineering perspective, this thesis reviews and quantifies the main physical impacts that changes in ocean wave patterns can have on coastal areas. It is found that mild variations of forcing wave conditions can greatly affect coastal processes, due to their non-linear relation. For example, longshore sediment transport can vary at a rate higher than 100% caused by a rotation of the mean wave direction of only 10º. Getting into more detail, a couple of case studies on the Catalan coast analyse the affectation on harbour agitation and longshore sediment transport on beaches.

El canvi climàtic és una àrea de recerca d'extrema actualitat degut als impactes quepot tenir sobre el nostre medi en un futur no gaire llunyà. A part de la famosa pujadadel nivell del mar, els canvis que es generaran en els patrons atmosfèrics afectaran molt probablement el clima d'onatge. Encara hi ha un gran desconeixement sobre aquesta afectació. De fet, l’últim informe del Panell Internacional sobre el Canvi Climàtic l'organisme internacional que lidera la investigació del canvi climàtic| posa en evidència que hi ha una llacuna d’informació pel que fa als canvis potencials del clima d'onatge i, conseqüentment, en els seus impactes costaners. El problema es complica perquè els agents dinamitzants de l'onatge es veuen afectats per un seguit de factors d'incertesa, essent la tria del model climàtic un dels més rellevants.El principal propòsit d'aquesta tesi és comprendre millor com seria el clima d'onatgefutur a l'àrea d’interès: la costa catalana, que es troba a la part nord-oest del Mediterrani, un mar que està particularment exposat al canvi climàtic. Partint d'estudisprevis, s'utilitzen tres metodologies per tal d'abordar aquesta problemàtica: l’anàlisi detendències, la modelització dinàmica i la modelització estadística. L’anàlisi de tendències estudia de manera senzilla els possibles canvis que pot patir l'onatge a base d'avaluar les tendències de sèries temporals de llarg termini del clima d'onatge passat. Tant la modelització dinàmica com la estadística fan servir projeccions atmosfèriques futures per tal d'obtenir el clima d'onatge corresponent. La primera tècnica utilitza models numèrics d'onatge que es basen en l’equació de balanç d'energia espectral, mentre que la segona empra una relació empírica. Per tant, la modelització estadística redueix considerablement el cost computacional associat però pot no reproduir correctament certs patrons complexes d'onatge. El treball d'aquesta tesi resulta en la generació i l’anàlisi, per primer cop per a aquesta àrea d'estudi, d'una base de dades d'alta resolució temporal i espacial de projeccions futures d'onatge. A més, l’ús de projeccions atmosfèriques obtingudes a partir de cinc combinacions de models climàtics regionals i globals permet caracteritzar la variabilitat deguda als models en termes de paràmetres de l'onatge. Els resultats il·lustren, per a l’estació d'hivern, una gran variabilitat associada al model de circulació global (sobretot pel que fa a la direcció de l'onatge, una variable que sembla veure's especialment afectada pel canvi climàtic a aquesta àrea). A la majoria del domini, l’alçada i el període d'ona tendeixen a disminuir tant per a condicions de clima mig com de tempesta però els extrems estan associats a una incertesa considerable (en alguns casos es projecta un increment al nord de la costa catalana). Tal i com era d'esperar,aquests canvis estan íntimament lligats als que es produeixen pel clima de ventsuperficial (principal agent dinamitzador) però el fetch també té un rol important. Quan les condicions de fetch són favorables (onatge provinent de l'est) els canvis en l'onatgesón més accentuats i es tendeix a incrementar el percentatge d'estats de mar mixtos.La segona contribució a destacar d'aquesta tesi està relacionada amb la metodologiaemprada. Es presenta una nova metodologia d’anàlisi de tendències que té en comptela naturalesa de les dades. Per exemple, s'investiga l’evolució de la distribució de ladirecció d'ona en base a freqüències anuals d’ocurrència associades a sectors direccionals, que són prèviament tractades com a dades composicionals. També es fa especial èmfasi en l’anàlisi de la incertesa per tal de detectar canvis estadísticament significants. En aquest sentit, s'observa com el bootstrapping, sempre i quan es modifiqui adequadament, és una tècnica simple però efectiva. No obstant, l’aportació metodològica més rellevant d'aquesta tesi és potser el desenvolupament d'un nou mètode de modelització estadística de l’alçada d'ona, que millora notablement la modelització en àrees properes a la línia de costa, en comparació amb estudis previs. En destaca la incorporació explícita del mar de fons basada en la teoria de la dispersió de freqüències i direccions de la propagació de les ones, que addicionalment fa servir l’anàlisi de components principals per a simplificar l'agent dinamitzant en un conjunt de patrons atmosfèrics representatius.Finalment, es du a terme una valoració preliminar dels impactes costaners deguts al'onatge. Amb una perspectiva enginyeril i sense especificar per a cap cas en concret,aquesta tesi revisa i quàntica els principals impactes físics que els canvis en els patrons d'onatge poden causar sobre les àrees costaneres. S'observa com una variació moderada de les condicions d'onatge pot afectar en gran mesura als processos costaners, degut a la relació no-lineal entre aquests. Per exemple, el transport longitudinal de sediments pot veure's afectat en més d'un 100% degut a una rotació de només 10° de la direcció mitjana de l'onatge. Entrant en més detall, s'analitzen un parell de casos d'estudi a la costa catalana que avaluen l'impacte sobre l’agitació portuària i el transport longitudinal de sediments a les platges. Aquests processos estan relacionats, respectivament, amb la inoperativitat portuària i l’erosió de les platges, problemàtiques ja presents avui dia a la costa catalana.