Surface wave dynamics effects at multiple scales in the Mediterranean Sea

Abstract

[eng] Wind generated waves are crucial to transfer energy and momentum from the atmosphere to the sea surface, redistributing and transporting such energy to remote areas of the ocean. Waves induce ventilation in the ocean upper layer, enhancing vertical mixing and producing vertical transport of biogeochemical tracers. When waves reach coastal areas they dissipate energy through viscous damping at the bottom and eventually by breaking, resulting in morphological changes of the bathymetry, sediment transport and erosion. The general objective of this Thesis is to perform a characterization of spatiotemporal variability of surface ocean waves, and to study their effect on the dynamics at the upper layers and at a coastal system. In particular, we analyze the large scale variability of the extreme wave climate in the Mediterranean Sea and the North Atlantic Ocean. We compute the monthly extreme waves analyzing their inter-annual variability. Then, at regional scale, we study the regional impact of the wind and wave induced velocity on the total surface dynamics at different sub-regions of the Mediterranean Sea from the Eulerian and Lagrangian standpoints. Finally, at coastal scale, the effects of extreme waves from storm groups on the sediment transport is assessed based on a multi-system approach combining remote and in situ data with numerical techniques. Seasonal signal accounts for 50% of the extreme wave height variability in the North Atlantic Ocean and up to 70% in some areas of the Mediterranean Sea. For the winter season, the North Atlantic Oscillation and the Scandinavian modes are the dominant large-scale atmospheric modes of variability that modulate extreme waves in the North Atlantic Ocean; and to a lesser extent, the East Atlantic Oscillation also controls extreme waves in the central part of the basin. In the Mediterranean Sea, the negative phase of East Atlantic Oscillation dominates the variability of extreme waves during winter season. At regional scale, ageostrophic currents substantially modulates the total mesoscale dynamics by two non-exclusive mechanisms; by providing a vigorous input of momentum (e.g. where regional winds are stronger) and/or by opposing momentum to the main direction of the geostrophic component. To properly characterize the spatiotemporal variability of the mesoscale dynamics induced by wind and wave, we propose a regionalization of the Mediterranean Sea based on the homogeneous variability of the coupled geostrophic and agesotrophic velocity components, combining self-organizing maps (SOM) and wavelet coherence analyses. We study the impact of the wind and waves induced motions on the mixing and transport properties of the surface marine flow. Transport pathways unveiled by the geostrophic Lagrangian coherent structures are significantly modified by the ageostrophic currents, often leading to a decrease of the retention capacity of the eddies. The ageostrophic component induces an increase in mixing activity up to 36% in some regions of the Mediterranean basin, finding the largest values during autumn and winter seasons. The study of the anisotropy in the separation scales between pairs of trajectories reveals that the zonal component of the flow plays an important role, determining the properties of the relative dispersion. The characterization of time scales evolution of sandy coasts has been a topic of wide interest over the past decades, since sandy beaches and dune systems are the first natural lines of coastal defense against floods and erosion hazards. The results of this work show that sandy systems have two characteristic time scales: the eroding process associated with the extreme waves generated by the storm is of the order of hours, while the time scale of the transition to the equilibrium is of the order of months. This different behavior provides the basis for a more efficient beach management strategy.

[spa] El oleaje generado por el viento es crucial a la hora de transferir energ´ıa y momento desde la atm´osfera a la superficie marina, redistribuyendo y transportando esta energ´ıa a zonas lejanas. Adem´as, favorece la ventilaci´on en las capas superficiales del oc´eano, mejorando as´ı la mezcla y provocando un transporte efectivo de trazadores biogeoqu ´ımicos a lo largo de la columna de agua. Cuando el oleaje llega a la costa, su energ´ıa es disipada por efecto de la viscosidad en el fondo y por la rotura de las olas, lo que da lugar a cambios morfol´ogicos en la batimetr´ıa por el transporte de sedimentos y la erosi´on. El objetivo general de esta Tesis es caracterizar la variabilidad del oleaje y estudiar su efecto sobre la din´amica superficial del oc´eano. En particular, se analiza el clima mar´ıtimo extremal en el mar Mediterr´aneo y en el Atl´antico Norte. Se estudian los valores mensuales de oleaje extremo analizando su variabilidad interanual. Posteriormente, a escala regional, se eval´ua el impacto regional de la velocidad inducida por el viento y el oleaje en la din´amica superficial de las diferentes subcuencas del mar Mediterr´aneo desde una perspectiva euleriana y lagrangiana. Finalmente, a escala costera, se analizan los efectos del oleaje extremo asociado a grupos de tormentas en el transporte de sedimentos desarrollando una herramienta multi-plataforma que combina datos remotos e in situ junto con modelos num´ericos. La estacionalidad representa un 50% de la variabilidad de la altura de ola extrema en el Norte del Oc´eano Atl´antico, y hasta un 70% en algunas zonas del mar Mediterr ´aneo. Durante el invierno, la Oscilaci´on del Atl´antico Norte y el ´Indice Escandinavo dominan los forzamientos atmosf´ericos a larga escala que modulan el oleaje extremal en el Atl´antico Norte; y en menor medida, la Oscilaci´on del Atl´antico Este tambi´en controla el oleaje extremo en la parte central de la cuenca. En el mar Mediterr´aneo, la fase negativa de la Oscilaci´on del Atl´antico Este domina la variabilidad del oleaje extremal durante el invierno. A escala regional, las corrientes inducidas de Ekman y Stokes modulan sustancialmente la din´amica total de mesoescala mediante dos mecanismos no excluyentes: proporcionando una gran cantidad de momento (por ejemplo, en zonas donde los vientos son m´as intensos) y/o por oposici´on a la direcci´on principal de momento de la componente geostr´ofica. Para caracterizar adecuadamente la variabilidad espacial y temporal de la din´amica de mesoescala, se propone una regionalizaci´on del mar Mediterr´aneo basada en la variabilidad homog´enea del acomplamiento de las componentes geostr´ofica y ageotr´ofica de la velocidad, combinando mapas autoorganizados (SOM) y an´alisis de “wavelets”. Continuando con el an´alisis a escala regional del Mediterr´aneo, se estudia el impacto de los movimientos inducidos por el viento y las olas en las propiedades de mezcla y transporte del flujo oce´anico superficial. Las l´ıneas de transporte desveladas por las estructuras coherentes lagrangianas geostr´oficas son modificadas significativamente por las corrientes ageostr´oficas, lo que a menudo conduce a una disminuci´on de la capacidad de retenci´on de los remolinos. La componente ageostr´ofica induce un aumento de la actividad de mezcla de hasta el 36% en algunas regiones de la cuenca mediterr´anea, encontrando los valores m´as altos durante las estaciones de oto˜no e invierno. El estudio de la anisotrop´ıa en las escalas de separaci´on entre pares de trayectorias revela que la componente zonal del flujo juega un papel importante en la determinaci´on de las propiedades de la dispersi´on relativa. La evoluci´on de las playas de arena a diferentes escalas temporales ha sido un tema de gran inter´es durante las ´ultimas d´ecadas, ya que estas playas y los sistemas dunares son las primeras l´ıneas naturales de defensa costera contra los peligros de las inundaciones y la erosi´on. Los resultados de este trabajo muestran que los sistemas costeros de arena responden a los forzamientos del oleaje en dos escalas temporales caracter´ısticas: el proceso de erosi´on asociado al oleaje extremo generado por las tormentas corresponde a una escala temporal con un orden de magnitud horario, mientras que la escala de la transici´on al equilibrio es del orden de meses. Este comportamiento tan diferente proporciona una base para estrategias eficientes en la gesti´on costera.

[cat] L’onatge generat pel vent ´es cabdal a l’hora de transferir energia i moment des de l’atmosfera a la superf´ıcie marina, ja que redistribueix i transporta aquesta energia a zones allunyades. A m´es a m´es, afavoreix la ventilaci´o en les capes superficials de l’oce`a i millora la mescla de masses d’aigua, el que acaba provocant un transport vertical dels trac¸adors biogeoqu´ımics. Quan l’onatge arriba a la costa, la seva energia es dissipa per efecte de la viscositat en el fons i pel trencament de les onades. Tot plegat es tradueix en canvis morfol`ogics en la batimetria, aix´ı com en el transport de sediments i en l’erosi´o. L’objectiu general d’aquesta Tesi ´es caracteritzar la variabilitat de l’onatge i estudiar el seu efecte sobre la din`amica superficial de l’oce`a. En particular, s’analitza el clima mar´ıtim extremal a la mar Mediterr`ania i a l’Atl`antic Nord. S’estudien els valors mensuals d’onatge extrem i s’analitza la seva variabilitat interanual. Despr´es, a escala regional, s’avalua l’impacte regional de la velocitat indu¨ıda pel vent i l’onatge en la din`amica superficial de les diferents subconques de la mar Mediterr`ania des d’una perspectiva euleriana i lagrangiana. Per acabar, a escala costanera, s’analitza els efectes de l’onatge extrem dels grups de tempestes en el transport de sediments, tot desenvolupant una eina multi-sistema que combina dades remotes i dades in situ amb models num`erics. L’estacionalitat representa un 50% de la variabilitat de l’alc¸ `aria d’ona de l’onatge extrem al Nord de l’oce`a Atl`antic, i fins a un 70% en algunes zones de la mar Mediterr`ania. Durant l’hivern, l’Oscil·laci´o de l’Atl`antic Nord i l’´Index Escandinau dominen els forc¸aments atmosf`erics a llarga escala que modulen l’onatge extremal a l’Atl`antic Nord; i en menor mesura, l’Oscil·laci´o de l’Atl`antic Est tamb´e controla l’onatge extrem a la part central de la conca. A la mar Mediterr`ania, la fase negativa de l’Oscil·laci´o de l’Atl`antic Est domina la variabilitat de l’onatge extrem durant l’hivern. A escala regional, els corrents indu¨ıts d’Ekman i Stokes (component ageostr`ofica) modulen substancialment la din`amica total de mesoescala mitjanc¸ant dos mecanismes no excloents: d’una banda indueixen una gran aportaci´o de moment (per exemple all`a on els vents regionals s´on m´es forts), i per altra banda, modulen la din`amica per l’oposici´o a la direcci´o principal de moment de la component geostr`ofica. Per caracteritzar de forma escaient la variabilitat espacial i temporal de la din`amica a mesoescala, es proposa una regionalitzaci´o del mar Mediterr`ania basada en la variabilitat homog`enia de l’acoblament de les components geostr`ofica i ageostr`ofica de la velocitat, tot combinant mapes auto-organitzats (SOM) i an`alisi de coher`encia d’ones. S’estudia l’impacte dels moviments indu¨ıts pel vent i les onades a les propietats de mescla i transport del flux oce`anic superficial. Les l´ınies de transport revelades per les estructures coherents lagrangianes geostr`ofiques s´on modificades significativament pels corrents ageostr`ofics, el que tot sovint condueix a una disminuci´o de la capacitat de retenci´o dels remolins. La component ageostr`ofica indueix un augment de l’activitat de mescla de fins el 36% en algunes regions de la conca mediterr`ania, els valors m´es alts es donen durant els per´ıodes de tardor i hivern. L’estudi de l’anisotropia en les escales de separaci´o entre parells de traject`ories revela que la component zonal del flux juga un paper important en la determinaci´o de les propietats de la dispersi´o relativa. L’evoluci´o de les platges de sorrad’arena a diferents escales temporals ha estat un tema de gran inter`es durant les ´ultimes d`ecades, ja que aquestes les platges i els sistemes dunars s´on les primeres l´ınies naturals de defensa costanera contra front ael risc de s perills de lles inundacions i l’erosi´o. Els resultats d’aquest treball mostren que els sistemes costaners de sorraarenosos presenten responen als forc¸ament de l’onatge en dues escales temporals caracter´ıstiques: el proc´es d’erosi´o associat a l’onatge extrem generat per les tempestes est`a en l’ordre d’horescorrespon a una escala temporal amb un ordre de magnitud horari, mentre que l’escala de la transici´o a l’equilibri ´es de l’ordre de mesos. Aquest comportament tan diferent proporciona una base per implementar estrat`egies m´es eficients de gesti´o costanera.