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

• Autores: Miguel Agulles Gámez
• Directores de la Tesis: Gabriel Jordà Sánchez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat de les Illes Balears ( España ) en 2023
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Núria Marbà Bordalba (presid.), María de los Ángeles Fernández Mora (secret.), Cesar Mösso Aranda (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad de las Illes Balears
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: RepositoriUIB
• Resumen
  • español

    Las zonas costeras son de vital importancia para el desarrollo socioeconómico de las regiones adyacentes. Además, son esenciales la protección contra desastres naturales como las tormentas marinas. La costa es especialmente vulnerable a los impactos del aumento del nivel medio del mar debido al calentamiento global.

    Por tanto, obtener proyecciones robustas de inundación costera es crucial para la gestión costera. Sin embargo, todavía existe una falta de conocimiento en las incertidumbres asociadas a la modelización de estas proyecciones y las proyecciones a escala regional que a menudo se basan en asunciones que pueden comprometer la calidad de los resultados para una adecuada gestión costera.

    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. Para alcanzar dicho objetivo se plantean tres tareas específicas: (1) cuantificar las incertidumbres asociadas en el cálculo de la modelización de la inundación en playas, (2) desarrollar una nueva metodología que cuantifique la inundación en playas a escala regional y (3) evaluar si la vegetación en el fondo marino reduce los impactos costeros. El trabajo ha sido llevado a cabo en las Islas Baleares, situadas en el Mediterráneo Occidental, como caso paradigmático.

    Siguiendo los objetivos, en el capítulo 2, cuantificamos las incertidumbres asociadas al cálculo del wave runup en playas. Se implementan diferentes aproximaciones basadas en modelos numéricos, ecuaciones empíricas y observaciones 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 validada, se usa para cuantificar las proyecciones de inundación en más de 800 playas del archipiélago. Los resultados muestran en promedio que, más del 50% del área de playa se perderá permanentemente a final de siglo. En condiciones de tormenta, el área de playa perdida alcanzaría el 80%.

    En el capítulo 4, se cuantifica a escala regional la reducción de los impactos costeros inducidos por la presencia de Posidonia Oceánica, en condiciones de clima presente y futuro. Para abordar este objetivo, primero, 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 cuantifica el nivel del mar total bajo diferentes escenarios climáticos y de evolución de las praderas. Los resultados muestran que, considerando clima presente, una pérdida completa de las praderas marinas implicaría un incremento en el nivel del mar extremo de 0.7 m, destacando el papel actual de las praderas marinas en la protección costera. Bajo escenarios futuros, 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 bajo eventos extremos.

  • català

    Les zones costaneres són de vital importància per al desenvolupament socioeconòmic de les regions adjacentes. A més, són essencials per a la protecció contra desastres naturals com les tempestes marines. La costa és especialment vulnerable als impactes de l'augment del nivell mitjà del mar a causa de l'escalfament global. Per tant, obtenir projeccions robustes d'inundació costanera és crucial per a la gestió costanera. No obstant això, encara existeix una manca de coneixement en les incerteses associades a la modelització d'aquestes projeccions i les projeccions a escala regional que sovint es basen en assumptes que poden comprometre la qualitat dels resultats per a una adequada gestió costanera.

    El principal objectiu d'aquesta tesi és aprofundir en el coneixement dels impactes costaners induïts pel canvi climàtic. Concretament, la tesi es centra en l'impacte de les tempestes marines sobre les platges. Per assolir aquest objectiu es plantegen tres tasques específiques: (1) quantificar les incerteses associades en el càlcul de la modelització de la inundació a les platges, (2) desenvolupar una nova metodologia que quantifiqui la inundació a les platges a escala regional i (3) avaluar si la vegetació al fons marí redueix els impactes costaners. El treball ha estat dut a terme a les Illes Balears, situades al Mediterrani Occidental, com a cas paradigmàtic.

    Seguint els objectius, al capítol 2, quantifiquem les incerteses associades al càlcul del wave runup a les platges. S'implementen diferents aproximacions basades en models numèrics, equacions empíriques i observacions del wave runup en dues platges de sorra, Platja de Palma i Cala Millor, situades al Sud i al 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 abasta 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 precisa i eficient metodologia amb l'objecte de quantificar el nivell d'inundació al llarg de la costa de les Illes Balears. Un cop validada, s'utilitza per quantificar les projeccions d'inundació en més de 800 platges de l'arxipèlag. Els resultats mostren en promig que, més del 50% de l'àrea de platja es perdrà permanentment a final de segle. En condicions de tempesta, l'àrea de platja perduda arribaria al 80%.

    Al capítol 4, es quantifica a escala regional la reducció dels impactes costaners induïts per la presència de Posidonia Oceànica, en condicions de clima present i futur. Per abordar aquest objectiu, primer, s'implementa un sistema de modelat numèric capaç de reproduir les interaccions del onatge amb la vegetació marina, validat amb observacions. Seguidament, es caracteritza l'evolució dels prats marins a la regió d'estudi durant les últimes dècades amb l'objecte de definir escenaris realistes de l'evolució dels prats al llarg del present segle. Finalment, es quantifica el nivell del mar total sota diferents escenaris climàtics i d'evolució dels prats. Els resultats mostren que, considerant clima present, una pèrdua completa dels prats marins implicaria un increment en el nivell del mar extrem de 0,7 m, destacant el paper actual dels prats marins en la protecció costanera. Sota escenaris futurs, l'increment del nivell del mar i la reducció de l'abundància dels prats marins contribuiran de la mateixa manera en el nivell del mar sota esdeveniments extrems.

  • English

    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 and besides, provide protection against natural disasters such as storm surges. The coast is particularly vulnerable to the impacts of mean sea level rise due to global warming.

    Coastal flood projections are therefore crucial for coastal management purposes. However, there is still a lack of knowledge in this field. For instance, the uncertainties of these projections are not yet understood, and regional scale projections often rely on assumptions that may compromise the quality of the results for an optimal coastal management.

    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. To reach that goal, we propose 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.

    Following the objectives, in chapter 2, we quantify the uncertainties associated with wave runup computations on sandy beaches. We implement different approaches based on numerical models and empirical equations and to compare the results with 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 new methodology is developed to quantify the flood level along the coasts of the archipelago. Then, we 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 areas will be permanently lost at the end of the century. During storm conditions, the loss of beach area would reach up to 80%.

    In chapter 4, a regional assessment of the reduction of coastal impacts induced by the presence of 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, sea level rise and the expected reduction of seagrass abundance will equally contribute to a large increase in total water level during storm conditions.