Surface wave dynamics effects at multiple scales in the mediterranean sea
- Autores: Verónica Morales Márquez
- Directores de la Tesis: Ismael Hernández Carrasco (dir. tes.), Alejandro Orfila Förster (dir. tes.), Gonzalo Simarro Grande (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de les Illes Balears ( España ) en 2021
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Anne Molcard (presid.), Ananda Pascual Ascaso (secret.), Anna Rubio Compañy (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad de las Illes Balears
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RepositoriUIB
- Resumen
- español
El oleaje generado por el viento es crucial a la hora de transferir energía y momento desde la atmósfera a la superficie marina, redistribuyendo y transportando esta energía a zonas lejanas. Además, favorece la ventilación en las capas superficiales del océano, mejorando así la mezcla y provocando un transporte efectivo de trazadores biogeoquímicos a lo largo de la columna de agua. Cuando el oleaje llega a la costa, su energía es disipada por efecto de la viscosidad en el fondo y por la rotura de las olas, lo que da lugar a cambios morfológicos en la batimetría por el transporte de sedimentos y la erosión.
El objetivo general de esta Tesis es caracterizar la variabilidad del oleaje y estudiar su efecto sobre la dinámica superficial del océano. En particular, se analiza el clima marítimo extremal en el mar Mediterráneo y en el Atlántico Norte. Se estudian los valores mensuales de oleaje extremo analizando su variabilidad interanual.
Posteriormente, a escala regional, se evalúa el impacto regional de la velocidad inducida por el viento y el oleaje en la dinámica superficial de las diferentes subcuencas del mar Mediterráneo 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 numéricos.
La estacionalidad representa un 50% de la variabilidad de la altura de ola extrema en el Norte del Océano Atlántico, y hasta un 70% en algunas zonas del mar Mediterráneo. Durante el invierno, la Oscilación del Atlántico Norte y el Índice Escandinavo dominan los forzamientos atmosféricos a larga escala que modulan el oleaje extremal en el Atlántico Norte; y en menor medida, la Oscilación del Atlántico Este también controla el oleaje extremo en la parte central de la cuenca. En el mar Mediterráneo, la fase negativa de la Oscilación del Atlántico Este domina la variabilidad del oleaje extremal durante el invierno.
A escala regional, las corrientes inducidas de Ekman y Stokes modulan sustancialmente la dinámica total de mesoescala mediante dos mecanismos no excluyentes: proporcionando una gran cantidad de momento (por ejemplo, en zonas donde los vientos son más intensos) y/o por oposición a la dirección principal de momento de la componente geostrófica. Para caracterizar adecuadamente la variabilidad espacial y temporal de la dinámica de mesoescala, se propone una regionalización del mar Mediterráneo basada en la variabilidad homogénea del acomplamiento de las componentes geostrófica y ageotrófica de la velocidad, combinando mapas autoorganizados (SOM) y análisis de ``wavelets".
Continuando con el análisis a escala regional del Mediterráneo, se estudia el impacto de los movimientos inducidos por el viento y las olas en las propiedades de mezcla y transporte del flujo oceánico superficial. Las líneas de transporte desveladas por las estructuras coherentes lagrangianas geostróficas son modificadas significativamente por las corrientes ageostróficas, lo que a menudo conduce a una disminución de la capacidad de retención de los remolinos. La componente ageostrófica induce un aumento de la actividad de mezcla de hasta el 36% en algunas regiones de la cuenca mediterránea, encontrando los valores más altos durante las estaciones de otoño e invierno. El estudio de la anisotropía en las escalas de separación entre pares de trayectorias revela que la componente zonal del flujo juega un papel importante en la determinación de las propiedades de la dispersión relativa.
La evolución de las playas de arena a diferentes escalas temporales ha sido un tema de gran interés durante las últimas décadas, ya que estas playas y los sistemas dunares son las primeras líneas naturales de defensa costera contra los peligros de las inundaciones y la erosión. Los resultados de este trabajo muestran que los sistemas costeros de arena responden a los forzamientos del oleaje en dos escalas temporales características: el proceso de erosión 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 transición al equilibrio es del orden de meses. Este comportamiento tan diferente proporciona una base para estrategias eficientes en la gestión costera.
- English
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 interannual 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 spatio-temporal 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.
- català
L'onatge generat pel vent és cabdal a l'hora de transferir energia i moment des de l'atmosfera a la superfície marina, ja que redistribueix i transporta aquesta energia a zones allunyades. A més a més, afavoreix la ventilació en les capes superficials de l'oceà i millora la mescla de masses d’aigua, el que acaba provocant un transport vertical dels traçadors biogeoquímics. 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 morfològics en la batimetria, així com en el transport de sediments i en l'erosió.
L'objectiu general d'aquesta Tesi és caracteritzar la variabilitat de l'onatge i estudiar el seu efecte sobre la dinàmica superficial de l'oceà. En particular, s’analitza el clima marítim extremal a la mar Mediterrània i a l'Atlàntic Nord. S’estudien els valors mensuals d'onatge extrem i s’analitza la seva variabilitat interanual. Després, a escala regional, s'avalua l'impacte regional de la velocitat induïda pel vent i l'onatge en la dinàmica superficial de les diferents subconques de la mar Mediterrània 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 numèrics.
L'estacionalitat representa un 50% de la variabilitat de l'alçària d’ona de l’onatge extrem al Nord de l'oceà Atlàntic, i fins a un 70% en algunes zones de la mar Mediterrània. Durant l'hivern, l'Oscil·lació de l'Atlàntic Nord i l'Índex Escandinau dominen els for\c ca-ments atmosfèrics a llarga escala que modulen l'onatge extremal a l'Atlàntic Nord; i en menor mesura, l'Oscil·lació de l'Atlàntic Est també controla l'onatge extrem a la part central de la conca. A la mar Mediterrània, la fase negativa de l'Oscil·lació de l'Atlàntic Est domina la variabilitat de l'onatge extrem durant l'hivern.
A escala regional, els corrents induïts d'Ekman i Stokes (component ageostròfica) modulen substancialment la dinàmica total de mesoescala mitjançant dos mecanismes no excloents: d’una banda indueixen una gran aportació de moment (per exemple allà on els vents regionals són més forts), i per altra banda, modulen la dinàmica per l’oposició a la direcció principal de moment de la component geostròfica. Per caracteritzar de forma escaient la variabilitat espacial i temporal de la dinàmica a mesoescala, es proposa una regionalització del mar Mediterrània basada en la variabilitat homogènia de l’acoblament de les components geostròfica i ageostròfica de la velocitat, tot combinant mapes auto-organitzats (SOM) i anàlisi de coherència d'ones.
S’estudia l'impacte dels moviments induïts pel vent i les onades a les propietats de mescla i transport del flux oceànic superficial. Les línies de transport revelades per les estructures coherents lagrangianes geostròfiques són modificades significativament pels corrents ageostròfics, el que tot sovint condueix a una disminució de la capacitat de retenció dels remolins. La component ageostròfica indueix un augment de l'activitat de mescla de fins el 36% en algunes regions de la conca mediterrània, els valors més alts es donen durant els períodes de tardor i hivern. L'estudi de l’anisotropia en les escales de separació entre parells de trajectòries revela que la component zonal del flux juga un paper important en la determinació de les propietats de la dispersió relativa.
L'evolució de les platges de sorrad’arena a diferents escales temporals ha estat un tema de gran interès durant les últimes dècades, ja que aquestes les platges i els sistemes dunars són les primeres línies naturals de defensa costanera contra front ael risc de s perills de lles inundacions i l'erosió. Els resultats d'aquest treball mostren que els sistemes costaners de sorraarenosos presenten responen als forçament de l’onatge en dues escales temporals característiques: el procés d'erosió associat a l'onatge extrem generat per les tempestes està en l'ordre d'horescorrespon a una escala temporal amb un ordre de magnitud horari, mentre que l'escala de la transició a l'equilibri és de l'ordre de mesos. Aquest comportament tan diferent proporciona una base per implementar estratègies més eficients de gestió costanera.
- español
