Towards a robust assessment of coastal sea levels and wind-waves in the Mediterranean Sea

Abstract

Extreme sea levels, primarily driven by storm surges and wind-waves, pose significant threats to coastal regions worldwide. Storm surges result from atmospheric pressure and surface winds associated with atmospheric perturbations, which also generate wind-waves contributing to coastal extremes through wave setup — a process where waves dissipating and breaking in shallow waters cause a temporal rise above the mean sea level. This Thesis investigates the spatial and temporal variability of coastal extreme sea levels in the Mediterranean Sea in the context of ongoing climate change. Various approaches, encompassing numerical ocean modelling and statistical calculations, are used to assess the contributions of storm surges and wave setup to coastal extreme sea levels, evaluate the implications for coastal hazard assessments, and project future wave climate changes, with a particular focus on extreme events.

A new ocean hindcast covering the period 1950-2021 was generated using a coupled hydrodynamic-wave model to simulate storm surges and wind-waves with high temporal (1-hour) and spatial (up to 200 meters along coastlines) resolution. The model's performance was validated against tide gauges, wave buoys, and satellite data. Additionally, wave setup representation at the Mediterranean scale was compared using both numerical and empirical methods, investigating the impact of associated uncertainties on the frequency and magnitude of coastal extreme sea levels through the computation of return levels. Future wave climate projections were obtained using a large ensemble of climate simulations, evaluating changes in mean, intense and extreme wave climates. The studies also examined the oceanic response to Mediterranean hurricanes (medicanes) under present-day and future climate conditions using synthetic datasets derived from global climate models and atmospheric reanalyses.

The hindcast model demonstrated good agreement with observed data, indicating that regions with wide continental shelves and shallow waters are more susceptible to coastal extreme sea levels generated by storm surges. In these areas, the model effectively captured wave setup contributions to extreme sea levels. Notably, wave setup can significantly enhance maximum sea levels, with increases of up to 120%. However, spatial resolution limits wave setup representation in regions with narrow shelves and steep slopes, where wave setup is expected to be dominant over wind setup contribution to coastal sea level. Comparisons between numerical and empirical methods to estimate wave setup revealed high spatial variability and significant differences. The study highlighted the limitations of wave setup modeling at the Mediterranean scale and emphasized the need for caution when applying regionally empirical formulations that were designed for local applications.

Future wave climate projections indicated an overall reduction in wave climate intensity. Despite uncertainties associated with a multi-model ensemble, some regions (mainly central and eastern Mediterranean) showed statistically significant decreases in mean and intense (quantile 0.95) seasonal significant wave height and peak wave period, along with notable changes in wave direction. Statistical analyses of the most extreme events indicated an overall increase in return periods of significant wave height towards the end of the century, underscoring the importance of analyzing both the entire statistical distribution and the extreme episodes. Finally, assessments of the oceanic response to medicanes showed that the highest current medicane-induced waves occur in the central and western Mediterranean, along with the highest medicane-induced storm surges found in the Adriatic Sea and the Gulf of Gabes. Future projections showed no robust changes in medicane-induced waves and storm surges overall, though significant intensity changes and model consensus were noted in some locations.

Els extrems de nivell del mar, originats principalment per ones de tempesta i onatge generat pel vent, representen amenaces importants per a les regions costaneres de tot el món. Les onades de tempesta són la resposta de l'oceà als canvis en la pressió atmosfèrica i els vents superficials associats amb pertorbacions atmosfèriques, que també generen onatge. L'onatge contribueix als extrems de nivell del mar a la costa mitjançant el "setup'' d'onatge, un procés en el qual les ones que es dissipen i trenquen en aigües someres causen un augment temporal per sobre del nivell mitjà del mar. Aquesta Tesi investiga la variabilitat espacial i temporal dels extrems de nivell del mar a la Mar Mediterrània en el context del canvi climàtic. S'utilitzen diverses tècniques, que inclouen modelatge numèric oceànic i càlculs estadístics, per estimar les contribucions de les onades de tempesta i del "setup'' d'onatge a aquests esdeveniments extrems, per avaluar les seves implicacions quant a riscos costaners, i també per projectar futurs canvis en el clima d'onatge, amb especial atenció al clima extrem.

En aquesta Tesi s'ha generat una nova re-anàlisi oceànica que abasta el període 1950-2021 utilitzant un model hidrodinàmic-onatge acoblat per simular onades de tempesta i onatge amb alta resolució temporal (1 hora) i espacial (fins a 200 metres al llarg de les costes). La precisió de les sortides del model s'ha validat amb dades de mareògrafs, boies d'onatge i dades satel·litals. A més, es va comparar la representació del "setup'' d'onatge a escala del Mediterrani utilitzant mètodes numèrics i empírics, investigant l'impacte de les incerteses associades a la freqüència i magnitud dels extrems de nivell del mar a través del càlcul de nivells de retorn. S'han obtingut projeccions del clima d'onatge futur utilitzant un gran conjunt de simulacions climàtiques, avaluant canvis en els climes mitjans, intensos i extrems de les onades. Els estudis inclosos en la Tesi també han examinat la resposta oceànica als huracans mediterranis (medicanes) sota condicions climàtiques actuals i futures utilitzant conjunts de dades sintètics derivats de models climàtics globals i reanàlisis atmosfèrics.

Els camps del reanàlisi van demostrar un bon acord amb les dades observades, indicant que les regions amb àmplies plataformes continentals i aigües someres són més susceptibles a generar extrems de nivell del mar. En aquestes àrees, el model va capturar eficaçment les contribucions del "setup'' d'onatge. En particular, el ``setup'' d'onatge pot augmentar significativament els nivells màxims, amb increments de fins a un 120%. No obstant això, la resolució espacial limita la representació del "setup'' d'onatge en regions amb plataformes estretes i pendents pronunciats, on s'espera que aquest efecte domini sobre la contribució del "wind setup'' al nivell del mar a costa. Les comparacions entre mètodes numèrics i empírics per estimar el "setup'' d'onatge van revelar una alta variabilitat espacial i diferències significatives. L'estudi va destacar les limitacions del modelatge del "setup'' d'onatge a escala del Mediterrani i va emfatitzar la necessitat de precaució en aplicar formulacions empíriques regionals dissenyades per a aplicacions locals.

Les projeccions del clima d'onatge futur van indicar una reducció general en la intensitat del clima d'onatge. Malgrat les incerteses associades a l'anàlisi d'un conjunt de models gran, algunes regions (principalment el Mediterrani central i oriental) van mostrar disminucions estacionals estadísticament significatives en l'alçada d'ona significativa i període pic d'ona, per a estats de mar mitjans i intensos (quantil 0.95), juntament amb canvis notables en la direcció de les ones. Les anàlisis estadístiques dels esdeveniments més extrems van indicar un augment general en els períodes de retorn de l'alçada d'ona significativa cap a finals de segle, emfatitzant la importància d'analitzar tant la distribució estadística completa com els episodis extrems. Finalment, l'avaluació de la resposta oceànica als medicanes van mostrar que les onades induïdes per medicanes més altes es produeixen actualment al Mediterrani central i occidental, juntament amb les majors onades de tempesta induïdes per medicanes que es troben a la Mar Adriàtica i el Golf de Gabès. En general, les projeccions futures no van mostrar canvis robustos en les ones induïdes per medicanes i les onades de tempesta, tot i que es van observar canvis significatius en la intensitat i cert consens entre models en algunes ubicacions.

Los extremos de nivel del mar, originados principalmente por ondas de tormenta y oleaje generado por el viento, representan importantes amenazas para las regiones costeras de todo el mundo. Las ondas de tormenta son la respuesta del océano a cambios en la presión atmosférica y los vientos superficiales asociados con perturbaciones atmosféricas, que también generan oleaje. El oleaje contribuye a los extremos de nivel del mar en la costa mediante el "setup'' de oleaje, un proceso en el cual las olas que se disipan y rompen en aguas someras causan un aumento temporal por encima del nivel medio del mar. Esta Tesis investiga la variabilidad espacial y temporal de los extremos de nivel del mar en el Mar Mediterráneo en el contexto del cambio climático. Se utilizan diversos enfoques, que abarcan modelado numérico oceánico y cálculos estadísticos, para estimar las contribuciones de las ondas de tormenta y del "setup'' de oleaje a estos eventos extremos, para evaluar sus implicaciones en cuanto a riesgos costeros, y también para proyectar futuros cambios en el clima de oleaje, con especial atención al clima extremal.

En esta Tesis se ha generado un nuevo re-análisis oceánico que abarca el período 1950-2021 utilizando un modelo hidrodinámico-oleaje acoplado para simular ondas de tormenta y oleaje con alta resolución temporal (1 hora) y espacial (hasta 200 metros a lo largo de las costas). La precisión de las salidas del modelo se han validado con datos de mareógrafos, boyas de oleaje y datos satelitales. Además, se comparó la representación del "setup'' de oleaje a escala del Mediterráneo utilizando métodos numéricos y empíricos, investigando el impacto de las incertidumbres asociadas a la frecuencia y magnitud de los extremos de nivel del mar a través del cálculo de niveles de retorno. Se han obtenido proyecciones del clima de oleaje futuro utilizando un gran conjunto de simulaciones climáticas, evaluando cambios en los climas medios, intensos y extremos de las olas. Los estudios incluidos en la Tesis también han examinado la respuesta oceánica a los huracanes mediterráneos (medicanes) bajo condiciones climáticas actuales y futuras utilizando conjuntos de datos sintéticos derivados de modelos climáticos globales y reanálisis atmosféricos.

Los campos del reanálisis demostró un buen acuerdo con los datos observados, indicando que las regiones con amplias plataformas continentales y aguas someras son más susceptibles a generar extremos de nivel del mar. En estas áreas, el modelo capturó eficazmente las contribuciones del "setup'' de oleaje. En particular, el "setup'' de oleaje puede aumentar significativamente los niveles máximos, con aumentos de hasta un 120%. Sin embargo, la resolución espacial limita la representación del "setup'' de oleaje en regiones con plataformas estrechas y pendientes pronunciadas, donde se espera que este efecto domine sobre la contribución del "wind setup'' al nivel del mar en costa. Las comparaciones entre métodos numéricos y empíricos para estimar el "setup'' de oleaje revelaron una alta variabilidad espacial y diferencias significativas. El estudio destacó las limitaciones del modelado del "setup'' de oleaje a escala del Mediterráneo y enfatizó la necesidad de precaución al aplicar formulaciones empíricas regionales diseñadas para aplicaciones locales.

Las proyecciones del clima de oleaje futuro indicaron una reducción general en la intensidad del clima de oleaje. A pesar de las incertidumbres asociadas al analizar un conjunto de modelos grande, algunas regiones (principalmente el Mediterráneo central y oriental) mostraron disminuciones estacionales estadísticamente significativas en la altura de ola significante y periodo pico de ola, para estados de mar promedios e intensos (cuantil 0.95), junto con cambios notables en la dirección de las olas. Los análisis estadísticos de los eventos más extremos indicaron un aumento general en los períodos de retorno de la altura de ola significante hacia finales de siglo, enfatizando la importancia de analizar tanto la distribución estadística completa como los episodios extremos. Finalmente, la evaluación de la respuesta oceánica a los medicanes mostraron que las olas inducidas por medicanes más altas ocurren actualmente en el Mediterráneo central y occidental, junto con las mayores ondas de tormenta inducidas por medicanes que se encuentran en el Mar Adriático y el Golfo de Gabes. En general, las proyecciones futuras no mostraron cambios robustos en las olas inducidas por medicanes y las ondas de tormenta, aunque se observaron cambios significativos en la intensidad y cierto consenso entre modelos en algunas ubicaciones.