Long-term extreme wave height events in the Balearic Sea: characterization, variability and prediction

Abstract

[eng] This Thesis is structured to guide the reader through an extensive work about wave climate in the Balearic Sea, its coastal areas and more generally the Western Mediterranean Sea. Specifically this Thesis studies and characterizes the oceanographic conditions obtained from different sources: numerical models or synthetic data and oceanographic instruments. This Thesis is structured as follows: Chapter 1 provides an introduction to the ocean surface waves, their characteristics as well as the available data gathered in the studied area. A comparison between the different sources of data has been also carried out to check the accuracy of the numerical models. A brief introduction on time series analysis applied to wind waves is presented in Chapter 2, with special emphasis on the specific methodologies used to analyze wave data. Chapter 3 introduces the study area through a preliminary characterization of the meteorological aspects and wave climate conditions in the Western Mediterranean. Moreover, this chapter presents a description of the wave energy distribution around the Balearic Islands and the joint distributions between wave heights and peak periods that defines the most probable energy conditions in an area. The first published study is presented in Chapter 4 where a characterization of the long-term extreme Significant Wave Height distributions in the Balearic Sea is made. In order to obtain the long-term extreme statistics the Peak Over Threshold (POT) method is used due to its efficiency with rare extremal populations. A 50-year return period quantile around the Balearic Islands has been determined through the probabilistic distribution of the most severe storms during the period ranging from 1958 to 2001. The second study, presented in Chapter 5, examines teleconnections between the North Atlantic Oscillation and the wave climate of the Northwestern Mediterranean Sea, defined by its monthly mean significant wave height and the 95th percentile significant wave height. This study makes use of the EOF encoding ability to split the temporal and spatial variability prior to search for teleconnections. The North Atlantic Oscillation has been found to drive some of the variability of the Northwestern Mediterranean wave climate with an instantaneous response at monthly time scales. Finally, the last study presented in Chapter 6 explores the suitability of a soft computing technique to predict Significant Wave Heights in the Mediterranean Sea. Using the HIPOCAS database that contains meteorological and oceanographic records from year 1958 to year 2001 a Genetic Algorithm was trained to reconstruct the 44- year time series of Significant Wave Height at different coastal points of the Balearic Islands. The equations obtained were used to predict Significant Wave Heights measured at several buoys. We obtained that SWH at each buoy can be predicted with a 1-hour ahead forecast time using only wind data from the previous 12 hours. A general conclusions and future work are presented at the end of this Thesis in Chapters 7 and 8.

[spa] Esta tesis est´a estructurada para guiar al lector a trav´es de un amplio trabajo sobre el clima mar´ıtimo en el Mar Balear, sus zonas litorales y en general el Mediterr´aneo occidental. En concreto, esta Tesis estudia y caracteriza las condiciones oceanogr´aficas obtenidas a trav´es de diferentes fuentes: modelos num´ericos o datos sint´eticos e instrumentos oceanogr´aficos. Esta tesis est´a estructurada de la siguiente manera: el Cap´ıtulo 1 proporciona una introducci´on a las ondas oce´anicas, sus caracter´ısticas principales as´ı como los datos disponibles para su estudio que se han logrado reunir en la zona del Mediterr´aneo occidental. Se ha realizado una comparaci´on de las diferentes fuentes de datos para comprobar y validar la exactitud de los datos proporcionados por los modelos num´ericos. El Cap´ıtulo 2 hace hincapi´e en el an´alisis de series temporales, con especial inter´es en el an´alisis del oleaje producido por el viento. El Cap´ıtulo 3 presenta el ´area de estudio a trav´es de una caracterizaci´on preliminar de los aspectos meteorol´ogicos y las principales caracter´ısticas del clima mar´ıtimo en el Mediterr´aneo occidental. Por otra parte, este cap´ıtulo presenta una breve descripci´on del contenido energ´etico del oleaje en las Islas Baleares a trav´es las funciones de distribuci´on conjuntas entre la altura de ola y el periodo de pico, que permiten definir el contenido energ´etico del oleaje estad´ısticamente m´as probable en el ´area de estudio. El Cap´ıtulo 4 recoge el primer estudio publicado durante esta Tesis. Este estudio consiste en la caracterizaci´on del r´egimen extremal del oleaje a trav´es de distintas funciones de distribuci´on en el Mar Balear. Para la caracterizaci´on estad´ıstica del r´egimen extremal se ha hecho uso de la funci´on de distribuci´on de Picos Sobre Umbral o ”Peaks Over Threshold” debido a su gran eficiencia en la caracterizaci´on de eventos extremos. A trav´es de este estudio se han obtenido los cuantiles correspondientes a un per´ıodo de retorno de 50 aos alrededor del Mar Balear, mediante el estudio de las tormentas mar´ıtimas m´as severas de los ´ultimos 45 aos. El segundo estudio publicado se presenta en el Cap´ıtulo 5, este estudio examina las teleconexiones entre la Oscilaci´on del Atl´antico Norte y el clima mar´ıtimo del Mediterr´aneo Noroccidental, caracterizado por la altura de ola media mensual y la altura de ola correspondiente al percentil 95 de la funci´on de distribuci´on emp´ırica. Este estudio hace uso de la habilidad de codificaci´on del an´alisis EOF antes realizar la b´usqueda de correlaciones, para de esta manera separar la variabilidad espacial y temporal del proceso. Se ha hallado que la Oscilaci´on del Atl´antico Norte afecta a la variabilidad tanto espacial como temporal del clima mar´ıtimo del Mediterr´aneo Noroccidental a una escala mensual. Finalmente, el ´ultimo estudio publicado y presentado en esta Tesis en el Cap´ıtulo 6 explora la oportunidad de realizar predicciones de oleaje mediante el uso de algoritmos

gen´eticos, una herramienta de bajo coste computacional. El uso de la base de datos HIPOCAS ha permitido el entrenamiento del algoritmo gen´etico gracias al amplio registro meteorol´ogico y oceanogr´afico que contiene. De esta manera ha sido posible reconstruir las propias series de oleaje presentes en la base de datos HIPOCAS as´ı como realizar predicciones a corto plazo basadas en las ecuaciones predictivas obtenidas a trav´es de los algoritmos gen´eticos. Se ha obtenido adem´as que la altura de ola significante puede ser predicha en las boyas con un horizonte de predicci´on de una hora utilizando s´olo el registro de viento de las 12 horas anteriores. Las conclusiones generales y las recomendaciones de futuro est´an incluidas al final de esta Tesis, en los Cap´ıtulos 7 y 8.