Do climate models reproduce complexity of observed sea level changes ?

International audienceThe ability of Atmosphere–Ocean General Circulation Models (AOGCMs) to capture the statistical behavior of sea level (SL) fluctuations has been assessed at the local scale. To do so, we have compared scaling behavior of the SL fluctuations simulated in the historical runs of 36 CMIP5 AOGCMs to that in the longest (>100 years) SL records from 23 tides gauges around the globe. The observed SL fluctuations are known to manifest a power-law scaling. We have checked if the SL changes simulated in the AOGCM exhibit the same scaling properties and the long-term correlations as observed in the tide gauge records. We find that the majority of AOGCMs overestimates the scaling of SL fluctuations, particularly in the North Atlantic. Consequently, AOGCMs, routinely used to project regional SL rise, may underestimate the part of the externally driven SL rise, in particular the anthropogenic footprint, in the projections for the 21 st century. AOGCMs overestimate long-term correlations in sea level fluctuations in the North Atlantic The NCAR CESM1-CAM5-historical run gives the best fit to observed sea level scaling CMIP5 AOGCM can mask the part of sea level trend driven by external forcing

Impact of a shift in mean on the sea level rise: Application to the tide gauges in the Southern Netherlands

International audienceThe rates of sea level rise during 1940–2002 estimated in the Southern Netherlands at tide gauges of Vlissingen, IJmuiden, Maassluis and Hoek van Holland vary from 1.7 to 2.7 mm/yr despite a relatively small distance ðo140 kmÞ between these stations. We have supposed that the observed inconsistency between the sea level trends could be due to an abrupt shift in the mean level of the tidal records provoked by some natural or anthropogenic processes. A shift detector based on the decomposition of the observations in empirical orthogonal functions and on the generalized likelihood ratio statistic has been constructed to evaluate the probability of the presence of a shift in the observed tidal records. A rapid change of mean of 25 mm at Hoek van Holland during the 1972–1973 period and of 17 mm at Vlissingen between 1973 and 1976 have been found to be statistically significant. The estimates of the sea level rise after correcting for shifts in the Vlissingen and Hoek van Holland tidal records are highly coherent and range between 1.9 and 2.1 mm/yr

Mesures et modélisations des évolutions du niveau marin, des vagues, des tempêtes et des évolutions des littoraux pour une gestion durable des littoraux

Cet article fait une synthèse des résultats obtenus par notre équipe de recherche et présente quelques progrès récents dans le domaine de la mesure et de la modélisation des principaux facteurs d’évolution des littoraux, du niveau marin, des vagues et tempêtes, et des réponses morphologiques et stratigraphiques des côtes sédimentaires. Les mesures du niveau de la mer sont réalisées à la fois par altimétrie satellitaire et marégraphie et sont complémentaires tant par la distribution géographique des mesures que des durées des séries temporelles. Ainsi elles permettent à la fois d’estimer une valeur moyenne de l’élévation globale du niveau des océans (+ 1,7 mm par an sur le siècle passé) et de déterminer les variations relatives à la côte qui peuvent localement s’écarter notablement de la valeur moyenne (+10 mm par an dans certains secteurs du Golfe du Mexique, par exemple). La variabilité de la houle à long terme (60 ans) est évaluée à partir de modélisations validées par des mesures ponctuelles. Elle montre par exemple que, pour la zone nord-est Atlantique (au nord de 45° nord), la taille moyenne des vagues hivernales a augmenté de 0,70 m en 60 ans. Les conséquences de type de variation sont importantes, car le transport par les courants liés aux vagues est crucial dans l’évolution de nombreuses côtes et il varie entre autres en fonction de la hauteur des vagues. Les surcotes provoquées par les tempêtes en mer sont des causes majeures des submersions marines et de l’érosion des côtes. Seule leur modélisation permet d’explorer les processus physiques responsables de ces élévations locales et rapides du niveau de la mer, et d’évaluer leur rôle respectif. La modélisation de surcotes en Charente-Maritime a permis de quantifier les contributions respectives des couplages entre le vent, les vagues et le frottement sur le fond. Des améliorations de ces travaux en vue de prévisions à haute résolution sont en cours et utiliseront des données topographiques et des modèles à haute résolution grâce à l’emploi de codes de calcul parallélisés. Pour les périodes de temps plus longues (siècles à millénaires) les évolutions morphologiques et la stratigraphie des environnements côtiers sont utilisées pour leurs qualités en termes d’archivage sédimentaire des changements environnementaux. Ainsi les sédiments côtiers ont une mémoire des évolutions du niveau de la mer, des changements climatiques (climat de houle, débits des fleuves) et des perturbations d’origine anthropiques. Un exemple d’enregistrement sur plusieurs décennies à siècles des variations du climat de houle est apporté par l’analyse d’une flèche sableuse, la pointe d’Arçay en Vendée. Des études stratigraphiques comparatives de plusieurs systèmes estuariens et lagunaires actuels de France permettent de hiérarchiser les nombreux facteurs de contrôle de leurs évolutions. Elles soulignent en particulier le rôle prépondérant des variations du niveau marin et de la balance hydrodynamique entre la houle et la marée. Dans le cas des littoraux appauvris en sédiments, l’héritage géologique est également un paramètre important. Lorsque les variations du niveau marin sont modérées, ces systèmes sédimentaires sont sous le contrôle des changements climatiques et des activités anthropiques pour les périodes les plus récentes.This paper is a synthesis of some results obtained by our research team and showing recent advances in measurements and numerical modeling of sea level variations, wave climate, storm surges and their consequences on the morphology and stratigraphy of sedimentary coasts. Sea level measurements, obtained from satellite altimeters and tide gauges, are complementary. They allow to estimate the global mean sea level rise (+1,7 mm per year for the last century) and local relative sea level rise which can deviate from the mean value (+10 mm per year in some areas of the Gulf of Mexico). Long-term (60 years) wave climate variability is investigated by means of numerical modeling. Linear trend analysis over the studied period shows a significant increase of winter-mean wave height (up to 0.7 m in 60 years) at northern latitude (north of 45° north). Such long-term changes must be taken into account for coastline evolutions. Storm surges are major forcing events for coastal marine inundations and erosions. Numerical modeling allows understanding the physical processes responsible for those local and rapid sea level elevations. Storm surges modeling on the Charente-Maritime coast has allowed to quantify the respective contributions of coupling between wind, waves and bottom friction. Storm surge modeling improvement is in progress by using accurate topographic data and parallel numerical simulations. For long-term periods (centuries to millennia) morphological evolutions and high sedimentation rate of sedimentary coasts can be used to reconstitute past environment changes. Coastal sediments record sea level variations, climate changes (in terms of wave climate and river discharges) and human activities. An example of sediment record of the wave climate for the last decades and centuries is given by the Arçay sand spit. Comparison between stratigraphic records of modern estuaries and lagoons in France, allow unraveling the controlling factors of their evolutions. Sea level variations, hydrodynamic parameters (wave and tides) and morphology of the bedrock (in the case of sediment-starved coasts) are the main controlling parameters of estuaries and lagoons. When Sea level variations are moderate, evolutions of estuaries and lagoons area controlled by climate changes and humans activities for the most recent periods

Modélisation des marées et des surcotes dans les Pertuis charentais

Les variations du niveau marin lors des grandes tempêtes affectent le littoral en provoquant de sévères inondations. L objectif de cette thèse est d apporter, grâce à la modélisation numérique (chaîne TELEMAC), une meilleure compréhension des phénomènes d interaction entre surcote / marée / houle / vent dans la génération et la propagation des surcotes et des raz de marée dans les Pertuis Charentais, qui, grâce à une ligne de côte complexe et des faibles profondeurs, représentent un grand intérêt pour ce type d étude. Dans cette thèse, nous avons démontré que la prise en compte de ces interactions est indispensable pour un modèle qui prétend à une prédiction précise des surcotes dans les Pertuis CharentaisThe variations of sea level during strong storm surges affect the coast provoking the severe flooding. The aim of this thesis is to provide a better understanding, using numerical modelisation (TELEMAC), of interactions between storm surge / tide / wave / wind in the generation and propagation of storm surges and tidal waves in the Pertuis Charentais, which, by a complex coastal line and shallow waters, are a site of great interest for this type of study. In this thesis, we have demonstrated that taking into account of these interactions is necessary for any model which aims to forecast precisely the strorm surges in the Pertuis CharentaisLA ROCHELLE-BU (173002101) / SudocSudocFranceF

Uncertainties in Future Regional Sea Level Trends: How to Deal with the Internal Climate Variability?

International audienceToday, the Climate models (CM) are the main tools for forecasting sea level rise (SLR) at global and regional scales. The CM forecasts are accompanied by inherent uncertainties. Understanding and reducing these uncertainties is becoming a matter of increasing urgency in order to provide robust estimates of SLR impact on coastal societies, which need sustainable choices of climate adaptation strategy. These CM uncertainties are linked to structural model formulation, initial conditions, emission scenario and internal variability. The internal variability is due to complex non-linear interactions within the Earth Climate System and can induce diverse quasi-periodic oscillatory modes and long-term persistences. To quantify the effects of internal variability, most studies used multi-model ensembles or sea level projections from a single model ran with perturbed initial conditions. However, large ensembles are not generally available, or too small, and computationally expensive. In this study, we use a power-law scaling of sea level fluctuations, as observed in many other geophysical signals and natural systems, which can be used to characterize the internal climate variability. From this specific statistical framework, we (1) use the pre-industrial control run of the National Center for Atmospheric Research Community Climate System Model (NCAR-CCSM) to test the robustness of the power-law scaling hypothesis; (2) employ the power-law statistics as a tool for assessing the spread of regional sea level projections due to the internal climate variability for the 21st century NCAR-CCSM; (3) compare the uncertainties in predicted sea level changes obtained from a NCAR-CCSM multi-member ensemble simulations with estimates derived for power-law processes, and (4) explore the sensitivity of spatial patterns of the internal variability and its effects on regional sea level projections