Exploring the climate variability of sea surface dynamics: extremes and climate change impact

Esta tesis doctoral plantea nuevos métodos y genera nuevos productos climáticos con el fin mejorar la caracterización de las dinámicas superficiales marinas. En concreto, esta investigación se centra en analizar el comportamiento del nivel del mar y del oleaje. Estas dinámicas marinas juegan un papel clave en la evaluación de impactos tanto en mar abierto como en la zona costera. Estos impactos son causados principalmente por eventos extremos, por lo que el análisis extremal del nivel del mar y del oleaje tiene un papel protagonista dentro de esta tesis. Además, se evalúan las variaciones climáticas de estas dinámicas, con especial interés en la variabilidad a largo plazo inducida por el efecto del cambio climático

Evaluación global de las condiciones extremas del oleaje ante escenarios de cambio climático

Ponencia presentada en: XII Congreso de la Asociación Española de Climatología celebrado en Santiago de Compostela entre el 19 y el 21 de octubre de 2022.[ES]El clima del oleaje puede verse afectado por el cambio climático, ya que ciertas variables directamente vinculadas a la generación y propagación del mismo (cobertura de hielo marino, viento sobre el mar) se están viendo alteradas por el calentamiento global del planeta. En este sentido, el estudio de posibles cambios futuros en las condiciones del oleaje extremo (temporales marítimos) son de especial interés, ya que pueden causar impactos relevantes en la navegación, así como en la erosión e inundación costera. Este estudio analiza cambios que pueden ocurrir en el oleaje extremal ante escenarios de cambio climático para el fin del siglo XXI. Para ello se ha elaborado, en primer lugar, una base de datos global multi-modelo de proyecciones climáticas del oleaje. Posteriormente, se ha evaluado la calidad de las simulaciones climáticas mediante la comparativa con datos históricos y se ha aplicado una corrección del sesgo, con especial atención a la cola superior de la distribución. Las series horarias resultantes de la variable altura de ola significante han sido utilizadas para caracterizar los valores extremos asociados a ciertos periodos de retorno. Finalmente, se han analizado los cambios detectados en estos eventos extremos, así como las diferencias con respecto a las condiciones medias del oleaje. Aunque ciertos patrones de cambio del oleaje medio se mantienen para los extremos, se han localizado regiones donde las condiciones extremas serán más severas a pesar de que las proyecciones indican un descenso en el clima medio.[EN]The wave climate may be affected by climate change, as certain variables directly linked to the generation and propagation of waves (marine sea ice coverage and wind) may be altered by the global warming. In this sense, the study of possible future changes in extreme wave conditions (sea storms) are of special interest, as they can cause relevant impacts on navigation, as well as on coastal erosion and flooding. This study analyses changes that may occur in extreme waves under climate change scenarios for the end of the 21st century. To this end, a global multi-model database of climate projections of waves has been developed. The quality of the climate simulations has been then assessed, by comparison with historical data, and a bias correction has been applied, with special focus on the upper tail of the probability distribution. The resulting hourly time series of the significant wave height variable have been used to characterize the extreme values associated with return periods. Finally, the changes detected in these extreme events have been analyzed, as well as the differences with respect to the mean wave conditions. Although certain patterns of mean wave change are also observed for the extreme wave conditions, regions of more severe wave storms, even though projections indicate a decrease in mean climate, are detected.Ayuda RTI2018-096449-B-I00 del proyecto EXCEED, financiado por MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033

Future behavior of wind wave extremes due to climate change

ABSTRACT: Extreme waves will undergo changes in the future when exposed to different climate change scenarios. These changes are evaluated through the analysis of significant wave height (Hs) return values and are also compared with annual mean Hs projections. Hourly time series are analyzed through a seven-member ensemble of wave climate simulations and changes are estimated in Hs for return periods from 5 to 100 years by the end of the century under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios. Despite the underlying uncertainty that characterizes extremes, we obtain robust changes in extreme Hs over more than approximately 25% of the ocean surface. The results obtained conclude that increases cover wider areas and are larger in magnitude than decreases for higher return periods. The Southern Ocean is the region where the most robust increase in extreme Hs is projected, showing local increases of over 2 m regardless the analyzed return period under RCP8.5 scenario. On the contrary, the tropical north Pacific shows the most robust decrease in extreme Hs, with local decreases of over 1.5 m. Relevant divergences are found in several ocean regions between the projected behavior of mean and extreme wave conditions. For example, an increase in Hs return values and a decrease in annual mean Hs is found in the SE Indian, NW Atlantic and NE Pacific. Therefore, an extrapolation of the expected change in mean wave conditions to extremes in regions presenting such divergences should be adopted with caution, since it may lead to misinterpretation when used for the design of marine structures or in the evaluation of coastal flooding and erosion

Estudio de los valores extremos de nivel del mar en costa a partir de datos de altimetría satelital

RESUMEN: El desarrollo de la altimetría de satélite en la década de los 90 permite disponer en la actualidad de una base de datos global multi-misión inter-calibrada con un registro de 25 años. En este trabajo se propone el empleo de dicha información con el objetivo principal de analizar el régimen extremal en costa, especialmente en aquellos lugares en los que no se dispone de sistemas instrumentales de medida in situ. Para lograrlo, se propone una metodología que describa, primero, el tratamiento de la información altimétrica para la obtención de los máximos mensuales en costa y, segundo, la aplicación de un modelo de extremos no estacionario. La finalidad de este modelo es, por un lado analizar la variabilidad climática asociada a los eventos extremos de nivel del mar ante distintas escalas de tiempo (dentro del año, a medio plazo y tendencias a largo plazo) y por otro lado caracterizar el régimen extremal asociado al nivel del mar (por ej. el valor asociado a un periodo de retorno de 50 años) La metodología propuesta es aplicada a la costa este de Estados Unidos para la variable NTR (Non-Tidal-Residual, anomalía del nivel del mar que no es causada por la marea astronómica), cubriendo un tramo costero de más de 3000km. Esta región presenta una amplia variación y complejidad espacial en cuanto a aspectos climáticos y geográficos, lo que permite valorar la extensión de este trabajo a escala global. A su vez, se han utilizado datos instrumentales en la región procedentes de 16 mareógrafos, lo que ha permitido comparar y validar los resultados obtenidos a partir de información satelital. Los resultados indican claros patrones en cuanto a variabilidad climática. Con respecto a las variaciones dentro del año se han determinado dos zonas climáticas; la zona más septentrional, en la que los máximos registrados se deben fundamentalmente a ciclones extra-tropicales y los valores máximos se presentan durante los meses de invierno (de Noviembre a Febrero), y la zona meridional, que tiene sus máximos durante la estación de ciclones tropicales, entre los meses de agosto a octubre. En cuanto a la variación inter-anual cabe destacar la influencia encontrada entre los niveles del mar extremos costeros de la variable NTR y los patrones de circulación climática AO (Oscilación del Ártico) y TNA (índice climática del Atlántico Norte Tropical). Por último, la determinación de tendencias en los niveles del mar extremos indica que esta región del mundo presenta un incremento por encima de las tendencias globales relevante. Finalmente, con el fin de que la metodología propuesta sea directamente aplicable para la estimación de valores asociados a altos periodos de retorno en el diseño ingenieril en costa, se han analizado que factores condicionan las diferencias en estas estimaciones entre medidas procedentes de mareógrafos y de satélites (el grado de exposición, la anchura de la plataforma continental, la profundidad local media y el rango de marea astronómica). Después de modelar la relación entre diferentes fuentes de medidas ante estos factores se concluye que el grado de exposición y la anchura de la plataforma son los factores determinantes y se propone un modelo semi-empírico para estimar un factor de escala que permita caracterizar el régimen extremal del nivel del mar extremo en la costa a partir de datos de altimetría satelital.ABSTRACT: The development of satellite altimetry in the 1990s now allows an inter-calibrated multi-mission global database with a 25-year record. In this paper we propose the use of such information with the main objective of analyzing the extremal regime on coast, especially in those places where instrumental systems of measurement in situ are not available. To achieve this, a methodology is proposed that describes, first, the treatment of the altimetry information to obtain the monthly maximums in the coast and, secondly, the application of a non-stationary extremes model. The purpose of this model is, on the one hand, to quantify the climatic variability associated with extreme sea level events at different timescales (within the year, medium term and long term trends) and on the other hand to characterize the extreme regime associated with sea level (eg the value associated with a return period of 50 years) The proposed methodology is applied to the east coast of the United States for the variable NTR (Non-Tidal-Residual, anomaly of the sea level that is not caused by the astronomical tide), covering a coastal stretch of more than 3000km. This region presents a wide variation and spatial complexity in terms of climatic and geographical aspects, which makes it possible to assess the extent of this work on a global scale. At the same time, instrumental data have been used in the region from 16 tide gauges, which has allowed to compare and validate the results obtained from satellite information. The results indicate clear patterns in terms of climate variability. With regard to variations within the year, two climatic zones have been determined; the northernmost area, where the maxima recorded are mainly due to extra-tropical cyclones and the maximum values occur during the winter months (from November to February), and the southern zone, which has its maxima during the season tropical cyclones, between the months of August to October. As for the inter-annual variation, it is worth noting the influence of the NTR variable on the sea level extremes and the circulation patterns of the Arctic Oscillation (AO) and TNA (Tropical North Atlantic Climate Index). Finally, the determination of trends in extreme sea levels indicates that this region of the world presents an increase above the relevant global trends. Finally, in order that the proposed methodology is directly applicable for the estimation of values associated with high return periods in the engineering design in coast, we have analyzed that factors condition the differences in these estimates between measurements from tide gauges and satellites (the degree of exposure, the width of the continental shelf, the average local depth and the astronomical tidal range). After modeling the relationship between different sources of measures against these factors, it is concluded that the degree of exposure and the width of the platform are the determining factors and a semi-empirical model is proposed to estimate a scale factor that allows characterizing the extreme regime of the extreme sea level on the coast from satellite altimetry data.Máster en Ingeniería costera y portuari

Proyecto básico de estructura flotante para aerogeneradores offshore

Grado en Ingeniería civi

Validación de un modelo numérico tipo Boussinesq para el estudio de wake waves y su aplicación en la Bahía de Algeciras

RESUMEN: El oleaje generado por el paso de embarcaciones (o wake waves) ha sido estudiado en el último medio siglo por muchos investigadores. El objetivo perseguido era, no solo la comprensión de este tipo de oleaje, sino también su predicción de forma analítica o, más recientemente, mediante modelos numéricos. El presente Trabajo de Fin de Máster tiene como propósito fundamental la validación de un modelo numérico basado en las ecuaciones de Boussinesq en su empleo para la predicción de wake waves. Para ello, se emplean tres parámetros multiplicadores, alpha, beta y gamma, cada uno de los cuales irá aplicado sobre una dimensión básica del barco, eslora, manga y calado, respectivamente. La validación finalizará con unas leyes generales para la obtención de esos parámetros, aplicables a cualquier barco. Realizada la validación, se buscará la aplicación del modelo numérico a un emplazamiento particular, la Bahía de Algeciras. No obstante, el número de barcos que entran en este lugar es demasiado gr ande como para simularlos todos, será necesario, por tanto, desarrollar previamente una metodología que nos permita seleccionar un número reducido de embarcaciones representativas del resto y, dentro de ellas, un número limitado de rutas para simular. Finalmente, este trabajo concluye con la simulación de un caso real, a partir de los datos obtenidos tras la aplicación de la metodología diseñada para la clasificación de embarcaciones y, mediante el empleo de los coeficientes alpha, beta y gamma extraídos de las leyes generales obtenidas tras la validación.ABSTRACT: The waves generated by passing vessels (or wake waves) has been studied in the past half century by many researchers. The objective was not only an understanding of this type of wave, but also his prediction analytically or, more recently, using numerical models. This Master’s Degree final project has the main aim of validating a Boussinesq-type numerical model in its use to the prediction of wake waves. For that purpose, three multiplier factors will be used, alpha, beta and gamma, each of which will be applied to a basic dimension of the ship, length, beam and draft, respectively. Validation ends with a general law that will allow us to obtain those parameters independently of the ship. Realized validation, application of the numerical model to a particular location be sought, the Bay of Algeciras. However, the number of ships entering this place is too big to simulate all, it is necessary, therefore, previously developed a methodology that allows us to select a small number of boats representing the remaining number and, within these, a number limited to simulate routes. Finally, this paper concludes with a simulation of a real case, from the data obtained after the application of the methodology designed for the classification of ships and, by using the alpha coefficients, beta and gamma extracted from the general laws obtained after validation.Máster en Ingeniería de Caminos, Canales y Puerto

A global evaluation of the JONSWAP spectra suitability on coastal areas

ABSTRACT: Wave spectra provide comprehensive information on wave energy for different directions and frequencies. Integrated sea state parameters, however, are more commonly used for wave climate characterization. Many engineering applications estimate spectral conditions from these parameters using theoretical spectra. One of the theoretical spectra of widest practical use is the JONSWAP. Here, the wave spectra for the hindcasted 30 years covering coastal areas worldwide are studied. We first compare the simulated historical spectra against measurements from 39 buoys. Several approaches are raised in order to provide different information, such as a directional and frequency distribution and climate evaluation. The suitability of the JONSWAP spectrum is then analysed by exploring the best fit of the peak-enhancement factor from hourly sea states. Results show a peak-enhancement factor below 2.4, lower than the standard JONSWAP (i.e a value of 3.3), in most coastal areas and especially in the east coast of the continents, even for energetic hourly sea states. Tropical areas on the west coasts provide values close to the standard JONSWAP. Seasonal and inter-annual variations in the peak parameter are also investigated.This work is funded by the Spanish State Research Agency through the project EXCEED (RTI2018-096449-B-I00). H.L. acknowledges the financial support from the Spanish Ministry of Universities (Grant 578 FPU17/06203). We thank the reviewers for their valuable comments and suggestions