Coastal hazards under climate change. The case of the Balearic Islands

Abstract

[eng] Coastal areas are of vital importance for the socio-economic development of coastal regions due to their role in providing food, trade, tourism, transportation, and recreation. In addition, coastal ecosystems are essential for biodiversity, climate regulation, and protection against natural disasters such as storm surges. The coast is particularly vulnerable to the impacts of climate change, especially due to the risks of flooding and erosion resulting from mean sea level rise and the possible increase in frequency and intensity of extreme events. Obtaining robust projections of coastal flooding is therefore crucial for the effective management of coastal regions. Despite several studies have addressed the generation of future beach flooding projections, there is still a lack of knowledge in several aspects of those projections. Firstly, the uncertainties associated to the modelling of these projections are not yet understood. Secondly, regional scale projections often rely on assumptions that may compromise the quality of the results. Finally, the optimal approach to protect the coastal areas in a context of sea level rise. The main goal of this thesis is to improve the understanding we have on coastal impacts induced by a changing climate. In particular, the thesis focuses on the impact of marine storms on sandy beaches, which are a key environmental and economic asset for many Mediterranean countries. To reach that goal, a combination of observational data and numerical models are used to address three specific objectives: (1) to quantify the uncertainties associated to state-of-the-art approaches to the modelling of beach flooding, (2) to develop and apply a new methodology able to quantify beach flooding at regional scale and (3) to assess if submerged vegetation (i.e. seagrass meadows) can offer a nature-based solution to reduce coastal impacts. The work has been conducted using the Balearic Islands, located in the Western Mediterranean, as a paradigmatic case study. Three chapters constitute the core of the thesis, each one addressing one of the specific objectives. In chapter 2, we quantify the uncertainties associated to wave runup computations on sandy beaches. The strategy followed has been to implement different approaches based on numerical models and empirical equations and to compare the results with multi-year wave runup observations on two sandy beaches, Playa de Palma and Cala Millor, located in the South and Northeast of the Mallorca Island, respectively. The results show that depending on the modelling strategy chosen, the uncertainty in the wave runup estimates can range between 12% and 30% of the total value. These results imply that the uncertainty associated with the wave runup calculation is comparable to the uncertainty associated to mean sea level rise projections. In chapter 3, a cost-efficient and accurate methodology is developed to quantify the flood level along the coasts of the Balearic Islands. Once the methodology is implemented and validated at different locations, it is used to quantify the projected flooding in more than 800 beaches of the Balearic Islands under different climate scenarios. The results show, on average, that more than 50% of beach area will be permanently lost at the end of the century under a high emissions scenario. During storm conditions, the loss of beach area would reach up to 80% under the same scenario. In chapter 4, a regional assessment of the reduction of coastal impacts induced by the presence of seagrass meadows, particularly Posidonia Oceanica, is performed under present and future climate conditions. In order to address this goal, a numerical modelling system able to reproduce the wave-seagrass interactions is first implemented and validated with field observations. Next, an analysis of the past evolution of seagrass characteristics in the region during the last decades is carried out in order to set up realistic scenarios of future seagrass evolution. Finally, different simulations are performed to quantify the total water level reduction under different scenarios of climate and seagrass evolution. The results show that, under present climate conditions, a complete loss of seagrass would imply an increase in the extreme flood level of 0.7 m, thus highlighting the present role of the seagrass meadows for coastal protection. Under future scenarios, the results show that sea level rise and the expected reduction of seagrass abundance will equally contribute to a large increase in total water level during storm conditions. In particular, under a scenario of large emissions (RCP8.5) and assuming a total loss of seagrass by the end of the century (2080-2100), the extreme flood level would be 1.5 m higher than it is at present.

[spa] Las zonas costeras son de vital importancia para el desarrollo socioeconómico de las regiones adyacentes por su papel en la alimentación, el comercio, el turismo, el transporte y la recreación. Además, los ecosistemas costeros son esenciales para la biodiversidad, la regulación del clima y la protección contra desastres naturales como las tormentas marinas. La costa es especialmente vulnerable a los impactos del cambio climático debido particularmente por los riesgos de inundación y erosión costera derivados del aumento del nivel medio del mar y el posible aumento de la frecuencia e intensidad de los eventos climáticos extremos. Obtener, por tanto, proyecciones fiables de inundación costera es crucial para la gestión adecuada de las regiones costeras. A pesar de que varios estudios han abordado la generación de proyecciones futuras de inundaciones costeras, todavía hay una falta de conocimiento en varios aspectos. En primer lugar, todavía hay una falta de conocimiento en las incertidumbres asociadas a la modelización de estas proyecciones. En segundo lugar, las proyecciones a escala regional a menudo se basan en asunciones que pueden comprometer la calidad de los resultados. Por último, es necesario un enfoque óptimo y realista para proteger las áreas costeras en un contexto de aumento del nivel del mar. El principal objetivo de esta tesis es profundizar en el conocimiento de los impactos costeros inducidos por el cambio climático. Concretamente, la tesis se centra en el impacto de las tormentas marinas sobre las playas de arena, las cuales tienen un valor medioambiental y económico de gran importancia para muchos países del Mediterráneo. Para alcanzar dicho objetivo, se hace uso de observaciones y modelos numéricos con el objeto de abordar tres tareas específicas: (1) cuantificar las incertidumbres asociadas en el cálculo de la modelización de la inundación en playas, (2) desarrollar y aplicar una nueva metodología capaz de cuantificar la inundación en playas a escala regional y (3) evaluar si la vegetación en el fondo marino (por ejemplo, las praderas marinas) ofrece una solución natural para reducir los impactos costeros. El trabajo ha sido llevado a cabo en las Islas Baleares, situadas en el Mediterráneo Occidental, como caso paradigmático. Tres capítulos constituyen el cuerpo principal de la tesis, abordando cada uno de los cuales los objetivos específicos. En el capítulo 2, cuantificamos las incertidumbres asociadas al cálculo del wave runup en playas. La estrategia seguida ha sido implementar diferentes aproximaciones basadas en modelos numéricos y ecuaciones empíricas y comparar los resultados obtenidos con observaciones multianuales de wave runup en dos playas de arena, Playa de Palma y Cala Millor, situadas en el Sur y Noreste de la isla de Mallorca, respectivamente. Los resultados muestran que, dependiendo de la aproximación considerada, la incertidumbre en el cálculo del wave runup abarca entre el 12 y el 30% del valor total. Estos resultados implican que la incertidumbre asociada a la estimación del wave runup es comparable a la incertidumbre asociada a las proyecciones del nivel medio del mar. En el capítulo 3, se desarrolla una precisa y eficiente metodología con el objeto de cuantificar el nivel de inundación a lo largo de la costa de las Islas Baleares. Una vez la metodología es implementada y validada en diferentes localizaciones, se usa para cuantificar las proyecciones de inundación en más de 800 playas del archipiélago bajo diferentes escenarios climáticos. Los resultados muestran en promedio que, más del 50% del área de playa se perderá permanentemente a final de siglo bajo un escenario de altas emisiones. En condiciones de tormenta, el área de playa perdida alcanzaría el 80% bajo el mismo escenario. En el capítulo 4, se cuantifica a escala regional la reducción de los impactos costeros inducidos por la presencia de las praderas marinas, particularmente Posidonia Oceánica, en condiciones de clima presente y futuro. Para abordar este objetivo, como primer paso, se implementa un sistema de modelado numérico capaz de reproducir las interacciones del oleaje con la vegetación marina, validado con observaciones. Seguidamente, se caracteriza la evolución de las praderas marinas en la región de estudio durante las últimas décadas con el objeto de definir escenarios realistas de la evolución de las praderas a lo largo del presente siglo. Finalmente, se llevan a cabo diferentes simulaciones para cuantificar la reducción del nivel del mar total bajo diferentes escenarios climáticos y de evolución de las praderas. Los resultados muestran que, bajo condiciones de clima presente, una pérdida completa de las praderas marinas implicaría un incremento en el nivel del mar extremo de 0.7 m, destacando así el papel actual de las praderas marinas en la protección costera. Bajo escenarios futuros, los resultados obtenidos muestran que el incremento del nivel del mar y la reducción de la abundancia de las praderas marinas contribuirán de igual manera en el nivel del mar durante condiciones de tormenta. En particular, bajo un escenario de altas emisiones (RCP8.5) y asumiendo una pérdida total de las praderas marinas para finales de siglo (2080-2100), el nivel de inundación en condiciones extremas sería 1.5 m más alto que en el presente.

[cat] Les zones costaneres són de vital importància per al desenvolupament socioeconòmic de les regions adjacents pel seu paper en l'alimentació, el comerç, el turisme, el transport i la recreació. A més, els ecosistemes costaners són essencials per a la biodiversitat, la regulació del clima i la protecció contra desastres naturals com les tempestes marines. La costa és especialment vulnerable als impactes del canvi climàtic degut particularment pels riscos d'inundació i erosió costanera derivats de l'augment del nivell mitjà del mar i el possible augment de la freqüència i intensitat dels esdeveniments climàtics extrems. Obtenir, per tant, projeccions fiables d'inundació costera és crucial per a la gestió adequada de les regions costaneres. Malgrat que diversos estudis han abordat la generació de projeccions futures d'inundacions costaneres, encara hi ha una manca de coneixement en diversos aspectes. En primer lloc, encara hi ha una manca de coneixement en les incerteses associades a la modelització d'aquestes projeccions. En segon lloc, les projeccions a escala regional sovint es basen en assumptes que poden comprometre la qualitat dels resultats. Finalment, és necessari un enfocament òptim i realista per protegir les àrees costaneres en un context d'augment del nivell del mar. L'objectiu principal d'aquesta tesi és aprofundir en el coneixement dels impactes costaners induïts pel canvi climàtic. Concretament, la tesi se centra en l'impacte de les tempestes marines sobre les platges, que tenen un valor mediambiental i econòmic de gran importància per a molts països de la Mediterrània. Per assolir aquest objectiu, es fa ús d'observacions i models numèrics per abordar tres tasques específiques: (1) quantificar les incerteses associades en el càlcul de la modelització de la inundació a platges, (2) desenvolupar i aplicar una nova metodologia capaç de quantificar la inundació en platges a escala regional i (3) avaluar si la vegetació al fons marí (per exemple, les praderies marines) ofereix una solució natural per reduir els impactes costaners. El treball es centra en les Illes Balears, situades a la Mediterrània Occidental, com a cas paradigmàtic. Tres capítols constitueixen el cos principal de la tesi, abordant cadascun dels quals els objectius específics. Al capítol 2, quantifiquem les incerteses associades al càlcul del wave runup a platges. L'estratègia seguida ha estat implementar diferents aproximacions basades en models numèrics i equacions empíriques i comparar els resultats obtinguts amb observacions multianuals de wave runup a dues platges de sorra, Platja de Palma i Cala Millor, situades al Sud i Nord-est de l'illa de Mallorca , respectivament. Els resultats mostren que, depenent de l’aproximació considerada, la incertesa en el càlcul del wave runup es mou entre el 12 i el 30% del valor total. Aquests resultats impliquen que la incertesa associada a l'estimació del wave runup és comparable a la incertesa associada a les projeccions del nivell mitjà del mar. Al capítol 3, es desenvolupa una metodologia precisa i eficient per tal de quantificar el nivell d'inundació al llarg de la costa de les Illes Balears. Un cop la metodologia és implementada i validada en diferents localitzacions, es fa servir per quantificar les projeccions d'inundació a més de 800 platges de l'arxipèlag sota diferents escenaris climàtics. Els resultats mostren de mitjana que, més del 50% de l'àrea de platja, es perdrà permanentment a final de segle sota un escenari d'altes emissions. En condicions de tempesta, l'àrea de platja perduda arribaria al 80% sota el mateix escenari. Al capítol 4, es quantifica a escala regional la reducció dels impactes costaners induïts per la presència de les praderies marines, particularment Posidònia Oceànica, en condicions de clima present i futur. Per abordar aquest objectiu, primerament, s'implementa un sistema de modelatge numèric capaç de reproduir les interaccions de l'onatge amb la vegetació marina, validat amb observacions. Després, es caracteritza l'evolució de les praderies marines a la regió d'estudi durant les darreres dècades per tal de definir escenaris realistes de l'evolució de les praderies al llarg d'aquest segle. Finalment, es duen a terme diferents simulacions per quantificar la reducció del nivell del mar total sota diferents escenaris climàtics i d’evolució de les praderies. Els resultats mostren que, sota condicions de clima present, una pèrdua completa de les praderies marines implicaria un increment al nivell del mar extrem de 0.7 m, destacant així el paper actual de les praderies marines en la protecció costanera. Sota escenaris futurs, els resultats obtinguts mostren que l'increment del nivell mitjà del mar i la reducció de l'abundància de les praderies marines contribuiran de la mateixa manera al nivell d’inundació durant condicions de tempesta. En particular, sota un escenari d'altes emissions (RCP8.5) i assumint una pèrdua total de les praderies marines per a finals de segle (2080-2100), el nivell d'inundació en condicions extremes seria 1.5 m més alt que en el present.