Cambio climático en la costa

Transcripción

1 Cambio climático en la costa Fernando J. Méndez Instituto de Hidráulica Ambiental IH Cantabria Grupo de Ingeniería Oceanográfica y de Costas Universidad de Cantabria

2 Efectos del cambio climático en el litoral español ( ) Oficina Española de Cambio Climático (Ministerio de Medio Ambiente, ESPAÑA) Fase I: Evaluar cambios en el nivel del mar y en el clima marítimo a lo largo del litoral español Fase II: Evaluar cambios en la costa: playas, puertos, estuarios Fase III: Establecimiento de estrategias

3 Clima marítimo Cúal es la forma en planta de estas playas? CP 1 α min Predominant Waves (Mean energy flux) N 12º E N 2º E CP 2 Po 2 Po 1

4 Clima marítimo Cómo estimamos el transporte de sedimentos longitudinal? Tordera River? m 3 /year North

5 Clima marítimo Con qué frecuencia se produce la inundación de esta playa?

6 Clima marítimo Cuál debe ser el tamaño de los bloques de este dique de bloques?

7 Clima marítimo Cuántas horas al año la agitación en el interior de la dársena es superior a 30 cm?

8 Clima marítimo Cuán frecuente es el rebase del oleaje en este dique de protección de las instalaciones pesqueras?

9 Clima marítimo Cúal es la forma en planta de estas playas? Cómo estimamos el transporte de sedimentos longitudinal? Con qué frecuencia se produce la inundación de esta playa? Cuántas horas al año la agitación es superior a 30 cm? Cuál debe ser el tamaño de los bloques de este dique de bloques? Cuán frecuente es el rebase del oleaje en este dique de protección de las instalaciones pesqueras? Necesitamos determinar el clima marítimo en las inmediaciones de la obra, obteniendo los regímenes medio y extremal de diversos parámetros del estado de mar

10 Clima marítimo Wave climate R.O.M. (Recomendaciones para Obras Marítimas, Puertos del Estado 2001) Capítulo 2: Criterios generales de proyecto Toda obra marítima se construye para satisfacer, durante un determinado intervalo de tiempo, diversos requerimientos de fiabilidad, funcionalidad y operatividad fiablidad Condiciones extremas Régimen extremal de clima marítimo funcionalidad y operatividad Condiciones medias Régimen medio de clima marítimo

11 Clima marítimo Clima marítimo FIABILIDAD Régimen extremal W = f(h,t,θ) Ru = f(h,t,θ)

12 Clima marítimo Clima marítimo FUNCIONALIDAD y OPERATIVIDAD Régimen medio Agitación = f(h,t,θ) Operatividad depende también de la duración De excedencia de H Transporte de sedimentos = f(h,t,θ) Forma en planta depende la dirección del flujo medio de energía

13 Clima marítimo Clima marítimo Curva de estados de mar Parámetros estadístico/espectrales del estado de mar: Hs,Tp, θ

14 Clima marítimo Clima marítimo Régimen medio Distribución estadística de un parámetro de estado de mar en un Hs tiempo determinado mensual estacional anual Periodo de tiempo en el cual las condiciones energéticas Son cuasi-estacionarias (en general entre 1 y 3 horas) H o R. escalar de Hs en 2 μ = σ = Papel probabilístico Lognormal 2.00 H o H s (m) P(Hs Hs0) Sea state time series t PROBABILIDAD ACUMULADA CDF F H (H) Prob

15 Clima marítimo Clima marítimo NNW N NNE Rosa de oleaje NW NE WNW W WSW 0% 2% 4% 6% ENE E 8% ESE metros. > > > > >1-1.5 >1.5-2 >2-3 >3 SW SE SSW SSE S Averaged H s -Direction distribution on deep waters

16 Clima marítimo Clima marítimo NNW N NNE Variabilidad interanual WNW NW NE ENE m. metros. Daily averaged Significant Hs media diaria wave height Años Years WNW W WSW NW SW W N NNW NNE WSW NE SW 0% 2% 4% 6% ENE E 8% ESE NW SE WNW SSW SSE S W SSW NNW E 0% 2% 4% 6% ESE SE SSE S 1962 N NNE NE ENE E 0% 2% 4% 6% 8% > > > > >1-1.5 >1.5-2 >2-3 >3 m. metros. > > > > >1-1.5 >1.5-2 >2-3 >3 WSW ESE SW SE SSW S 1978 SSE

17 1. Motivación Tendencias recientes Está siendo afectado el clima marítimo por el cambio climático?

18 1. Motivación Un pequeño cambio en la SST puede inducir cambios en la frecuencia e intensidad de los eventos extremos

19 1. Motivación están Plataformas petrolíferas Fiabilidad de las obras marítimas playas Ecosistemas marinos Operatividad de puertos Riesgo de inundación siendo afectados por cambios en el clima marítimo? Estamos interesados en tendencias de nivel medio del mar régimen medio de Hs dirección n del flujo de energía intensidad y frecuencia de eventos extremos (Hs( Hs,, marea meteorológica, viento) niveles extremos y riesgo de inundación

20 1. Motivación HERRAMIENTAS: registros históricos Instrumentales mareógrafos ( ) boyas ( ) Obtenidos numéricamente ( ) Reanalisis de oleaje Reanálisis de nivel del mar Buenos cuantitativamente Dispersos en espacio Registros cortos Buenos cualitativamente Buena definición espacial Registros largos OBJECTIVOS Calibrar espacialmente los modelos de reanálisis Desarrollar herramientas estadísticas para estimar tendencias de cambio en parámetros de clima marítimo

21 Índice 1. Motivación 2. Calibración espacial 3. Escalas temporales de interés 4. Tendencias régimen medio 1. Variables escalares 2. Variables direccionales 5. Tendencias en régimen extremal 6. Efectos en el litoral español

22 CALIBRACION Project HIPOCAS (HIndcast of dynamic Processes of the Ocean and Coastal AreaS of Europe) Puertos del Estado 44-year reanalysis ( ) Hourly time resolution Spatial resolution 0.125º Homogeneous atmospheric forcing Data quality: very good qualitatively but slight differences quantitatively (comparing with existing buoys) EPPE, 2003

23 CALIBRACION

24 CALIBRACION Después de la calibración Cada punto se puede considerar como una boya direccional en profundidades indefinidas Tomas et al (2007)

25 Índice 1. Motivación 2. Calibración espacial 3. Escalas temporales de interés 4. Tendencias régimen medio 1. Variables escalares 2. Variables direccionales 5. Tendencias en régimen extremal 6. Efectos en el litoral español

26 Escalas temporales de interés Estacional Interanual Secular

27 Escalas temporales de interés Estacional Interanual Secular The NAO High Phase Stronger subtropical high Deeper Icelandic Low Increased pressure difference Stronger storms move north Warm & wet winters in Europe Cold & dry winters in Canada Mild & wet winters in East US Intense vortex (circumpolar winds in stratosphere) The NAO Low Phase Weak Icelandic low Weak subtropical high Less Pressure difference Fewer storms move west Mediterranean is moist Northern Europe is cold US east cost is cold & snowy Weak stratospheric polar vortex

28 Escalas temporales de interés Estacional Interanual Secular Higher rate of ocurrence of extreme events in the Mediterranean during a negative NAO phase N eventos acumulados

29 Escalas temporales de interés Estacional Interanual Secular

30 Índice 1. Motivación 2. Calibración espacial 3. Escalas temporales de interés 4. Tendencias régimen medio 1. Variables escalares 2. Variables direccionales 5. Tendencias en régimen extremal 6. Efectos en el litoral español

31 Tendencias régimen medio VARIABLES ESCALARES Distribución mensual de Lognormal Parametros: μ, σ. 2 1 (ln( Hs) μ) f( Hs; μσ, ) = exp 2 Hsσ 2π 2σ 5 [ β + β sen( kt) + β cos( kt) + β sen(2 kt) + β cos(2 kt) ] e β Unidad de tiempo = 1 mes Ajuste a modelo no lineal con estacionalidad y tendencia de largo plazo t

32 ajuste Tendencias régimen medio

33 Tendencias régimen medio Bondad ajuste

34 Tendencias régimen medio VARIABLES DIRECCIONALES uuu ur 1 uur 2 1 r r 2 FE = ρgh cg = ρgh cg(cosθhi + sin θhj) 8 8 uuur r r Joint pdf (Hs,θ) Proportion of energy against the direction

35 Tendencias régimen medio VARIABLES DIRECCIONALES Familias de oleaje

36 Tendencias régimen medio VARIABLES DIRECCIONALES p i = porcentaje de energía de cada familia. θ i = dirección representativa de cada familia. θ 1 θ 2 p 2 p 1

37 Tendencias régimen medio VARIABLES DIRECCIONALES θ = arctan n i= 1 n i= 1 pisinθi picosθ i

38 Índice 1. Motivación 2. Calibración espacial 3. Escalas temporales de interés 4. Tendencias régimen medio 1. Variables escalares 2. Variables direccionales 5. Tendencias en régimen extremal 6. Efectos en el litoral español

39 SELECCIÓN DE EXTREMOS 1-. Método de Máximos anuales Año 1 Año 2 Año RLO, r-máximos anuales 3-. POT, excedencias sobre un umbral Año 1 Año 2 Año Método de máximos en un bloque de tiempo Año 1 Año 2 Año 3

40 Tendencias régimen extremal x Umbral de corte umbral u y Time series: {(y 1,t 1,)(y 2,t 2 ),,(y N-1,t N-1 ),(y N,t N )}

41 Tendencias régimen extremal Distribución de Pareto Poisson (GPD P) y1, y2,..., yn excedencias independientes en T años Frecuencia: el número de excedencias en un año se distribuye según la distribución de Poison con media ν n ν ν e P ( n) = ν n! Intensidad:Las excedencias y1, y2,..., yn G( y;, ) 1 ( 1 y/ ) 1/ ξ σξ = + ξ σ se distribuyen según GPD

42 Tendencias régimen extremal Distribución GPD-P G( y;, ) 1 ( 1 y/ ) 1/ ξ Intensidad: σξ = + ξ σ Frecuencia: P ( n) Relación entre GPD-P y GEV (Generalized Extreme Value) ν ν = n! n ν e { } Yi x { N } { N n Y1 x Yn x} Pr max = Pr = 0 + Pr =,,... = 1 i N n= 1 1/ ξ n 1/ ξ n ν ν ν e x μ x μ e ξ = exp ν 1+ ξ n= 1 n! ψ ψ GEV H( x; μψ,, ξ) = exp 1+ ξ μ localizacion ψ escala ξ forma x μ ψ 1/ ξ σ = ψ + ξ( u μ) ξ( u μ) ν = 1+ ψ 1/ ξ

43 Tendencias régimen extremal Como calculamos tendencias de largo plazo? Modelo estacionario μ = μ ψ = ψ ξ = ξ GEV pdf 8 6 x t 0.5 0

44 Tendencias régimen extremal Como calculamos tendencias de largo plazo? t 10 3 t 7.5 x x μt = [ β 0 + β1 cos(2π t ) + β 2 sin(2π t ) + β 3 cos(4π t ) + β 4 sin(4π t ) ] e( β5t ) 0 ψ t =ψ 0 ξ = ξ0 0 Coles (2001), Smith(2001), Katz et al., (2002)

45 Tendencias régimen extremal Método Maxima verosimilitud θ = ( β0, β1, β2, β3, β4, β5, ψ0, ξ0) Vector de parámetros l ν ( t ) 1 y i ( θ) = η log ν( t ) η log σ( t ) η 1 log 1 ξ i i i ξ σ( ti ) i yt, t i t i t t( days) Maximización de la función log-verosimilitud ˆ θ = ( ˆ β, ˆ β, ˆ β, ˆ β, ˆ β, ˆ β, ψˆ, ˆ ξ )

46 Tendencias régimen extremal Mendez et al (2006) t t [ cos(2 t) sin(2 t) cos(4 t) sin(4 t) ] μ = β + β π + β π + β π + β π ψ = ψ ξ = ξ ( 5t e β ) + Long-term trend β SOI SOI() t Interdecadal variability #46005 Time-dependent 25-year return period

47 Tendencias régimen extremal Mendez et al (2007) Mareógrafo de San Francisco Régimen extremal mensual

48 Índice 1. Motivación 2. Calibración espacial 3. Escalas temporales de interés 4. Tendencias régimen medio 1. Variables escalares 2. Variables direccionales 5. Tendencias en régimen extremal 6. Efectos en el litoral español

49 Efectos en la costa española Efectos del cambio climático en el litoral español ( ) Oficina Española de Cambio Climático (Ministerio de Medio Ambiente, ESPAÑA) Fase I: Evaluar cambios en el nivel del mar y en el clima marítimo a lo largo del litoral español Fase II: Evaluar cambios en la costa: playas, puertos, estuarios Fase III: Establecimiento de estrategias

50 Efectos en la costa española WAM-Atl SIMAR-44: Hindcast model ( ) EPPE(2003) REMO: W c HAMSOM: MM c WAM: Hs c (Calibrado Tomás et al, 2007)

51 Efectos en la costa española Fase I: Evaluar cambios en el nivel del mar y en el clima marítimo a lo largo del litoral español Hs excedida 12 horas al año

52 Efectos en la costa española Fase I: Evaluar cambios en el nivel del mar y en el clima marítimo a lo largo del litoral español Dirección del flujo medio de energía - N θfe +

53 Efectos en la costa española Fase I: Evaluar cambios en el nivel del mar y en el clima marítimo a lo largo del litoral español Hs excedida 1 vez cada 50 años

54 Efectos en la costa española Fase I: Evaluar cambios en el nivel del mar y en el clima marítimo a lo largo del litoral español Ascenso del nivel medio del mar Nivel del mar (m) Escenarios A1B A1T A1FI A2 B1 B2 todo IS Años 2100 La franja gris muestra la banda de confianza a partir de varios modelos

55 Efectos en la costa española Variaciones obtenidas para las variables de régimen medio durante el periodo

56 Efectos en la costa española Variaciones obtenidas para las variables de régimen extremal durante el periodo

57 Efectos en la costa española Efectos del cambio climático en el litoral español ( ) Oficina Española de Cambio Climático (Ministerio de Medio Ambiente, ESPAÑA) Fase I: Evaluar cambios en el nivel del mar y en el clima marítimo a lo largo del litoral español Fase II: Evaluar cambios en la costa: playas, puertos, estuarios Fase III: Establecimiento de estrategias

58 Efectos en la costa española EFECTOS PRINCIPALES EN PLAYAS: REGIMEN MEDIO OLEAJE EXTREMAL NIVEL DEL MAR MAREA METEOROLÓGICA ELEMENTO MORFOLÓGICO ELEMENTOS ANALIZADOS ΔH s12 ΔH RMS Δθ ΔH s,t=50 años NM ΔMM COTA DE INUDACIÓN POSIBLE AUMENTO COTA DE INUNDACIÓN POSIBLE AUMENTO COTA DE INUDACIÓN POSIBLE AUMENTO COTA DE INUNDACIÓN PLAYAS PERFIL AUMENTO PROFUNDIDAD DE CORTE, POSIBLE RETROCESO EN PLAYAS COLMATADAS RETROCESO PLAYA FORMA EN PLANTA BASCULAMIENTO PLAYAS, POSIBLE RETROCESO CAMBIO EN TÓMBOLOS, SALIENTES Y DOBLES SALIENTES TRANSPORTE LITORAL VARIACIÓN CAPACIDAD DE TRANSPORTE VARIACIÓN CAPACIDAD DE TRANSPORTE

59 Efectos en la costa española VARIACIÓN DE LA COTA DE INUNDACIÓN CI = MA + MM + Ru PERTURBANDO MA: Marea astronómica MM: Marea meteorológica RU: Run-up CI: Cota de inundación CI RU MM Nivel de marea δci CI 2 gt δ H δmm + δη π H = T MA + MM H s 2π 0.5 s s 0.5 MA Nivel de referencia Run- up dado por Nielsen (1991) R u2% T p = H s 2π 0.5

60 Efectos en la costa española Fase II: Evaluar cambios en la costa: playas, puertos, estuarios Cota de inundación de 50 años de período de retorno Costa Gallega e Islas Canarias DATOS REPRESENTATIVOS Zona Mediterránea Golfo de Cádiz 35 cm 20 cm 10 cm Año Horizonte: 2050

61 Efectos en la costa española RETROCESO POR AUMENTO DEL NIVEL MEDIO DEL MAR -El ascenso del nivel del mar produce un ascenso del perfil de playa sin que la forma del perfil se vea modificado. - El ascenso debe producirse a costa de la arena existente. -El futuroperfil se ve retranqueado para cubrir el déficit de arena. Regla de Bruun: R =Δη * ( h + B) * w Dean (1987): R = Retroceso del perfil de playa Δ η = Variacion del nivel medio w* = anchura del perfil de playa h* = profundidad de corte B = altura de la berma R Δη = ( 1.57H ) s ( 0.51w 0.44 ) 2 ( 1.57Hs 12 + B)

62 Sea level rise (m) Efectos en la costa española IPCC: Variación del nivel del mar Año objetivo: Scenarios A1B A1T A1FI A2 B1 B2 All SRES envelope including land-ice uncertainty AII IS Year 2100 Bars show the range in 2100 produced by several models -Se ha considerado la tendencia media en el aumento del nivel medio del mar. Gran incertidumbre! Características de la playa tipo: -D mm -B= 1 m -Hs12: media de los valores proporcionados por el modelo HIPOCAS

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65 Efectos en la costa española Fase II: Evaluar cambios en la costa: playas, puertos, estuarios Retroceso de la linea de costa por variación del angulo del flujo medio de energía 1000 m longitude beaches! Obtained in 10 m water depth using Snell s Law Costa Brava, Sur de las Islas Baleares y Canarias DATOS REPRESENTATIVOS Norte de Galicia y Sur Mediterráneo Resto costa RE max = 70 m RE max = 10 m RE max = 20 m Año Horizonte: 2050

66 Efectos en la costa española Fase II: Evaluar cambios en la costa: playas, puertos, estuarios Variación del transporte longitudinal Obtained using Snell s Law DATOS REPRESENTATIVOS Costa Gallega, Costa Cantábrica Costa Mediterránea Golfo de Cádiz y Mar de Alborán 40 % % 40 % Año Horizonte: 2050

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69 Efectos en la costa española En estudios anteriores, el único indicador de cambio climático era el retroceso de la costa por efecto de la sobreelevación del nivel medio del mar. Se pone de manifiesto la importancia del oleaje y especialmente la variabilidad que la frecuencia e intensidades de los temporales pueden tener sobre la costa. Los reanálisis de oleaje y de nivel del mar (previa calibración) permiten realizar el análisis de tendencias y de variabilidad climática (44 años de datos) Las metodologías de análisis de tendencias desarrolladas son rigurosas Los resultados son una ayuda para la GIZC a largo plazo

70 Otros proyectos relacionados con cambio climático y variabilidad climática

71 Sistema innovador de AYuda a la planificación, construcción y explotación de Obras Marítimas (SAYOM) , (UC, CIMNE,Dragados) Integración de bases de datos de retroanálisis de variables meteo-oceanográficas con modelos numéricos de propagación de ondas e interacción oleaje-estructura de última generación para su aplicación metodológica en los proyectos de infraestructura del sistema portuario de titularidad estatal, , (UC) Escenarios regionales de cambio climático en Cantabria (varios grupos UC) Multidisciplinary research consortium on GRradual and Abrupt Climate Changes, and their Impacts on the Environment. (GRACCIE) CONSOLIDER Ingenio 2010, (13 Grupos) Development of an integrated EUropean approach for the assessment of VULNerability and resilience to coastal flooding in the perspective of risk scenarios worsened by climate change (VULNUS) En evaluación Reanálisis de corrientes oceánicas con el modelo DIECAST (financiado por la Fundación Marcelino Botín)

72 ESCENARIOS REGIONALES DE CAMBIO CLIMÁTICO EN CANTABRIA Generación de bases de datos de oleaje Forzamiento: Reanálisis atmosférico NCEP (cada 6 horas) WaveWatch-III Version 2.22

73 ESCENARIOS REGIONALES DE CAMBIO CLIMÁTICO EN CANTABRIA Predicción a largo plazo del clima marítimo Predicción Siglo XXI escenarios A1B etc (Campos 6-horarios) Downscaling dinámico Generación oleaje (WaveWatch-III) para cada escenario Predicción Régimen medio y extremal Reanálisis atmosférico SLP (Campos mensuales) Downscaling estadístico H=f(SLP) Series locales de H Predicción Siglo XXI escenarios A1B, etc.. (Campos mensuales) Propagación Predicc. Severidad

74 ESCENARIOS REGIONALES DE CAMBIO CLIMÁTICO EN CANTABRIA Modelos de extremos no paramétricos variabilidad del régimen extremal (representado con el cuantil de 100 años de período de retorno) para dos factores de suavizado: 5% del tiempo y 15% del tiempo. Datos: 10 máximos anuales de altura de ola significante de un nodo de reanálisis de oleaje situado en la costa de Oregón. El modelo atmosférico NCEP/NCAR que fuerza el modelo de oleaje WaveWatch-III simula las variaciones de CO2 del escenario A1B.

75 GRACCIE: Análisis estadístico de variables geofísicas Martrat et al (2004) SCIENCE

76 futuro?? t t Frecuencias (a) Intensidades (b) Serie temporal SST (c)

77 Cambios abruptos a calentamiento Cambios abruptos a enfriamiento

78 ESTUDIOS DE DETALLE: Clima marítimo en la costa Bases de datos Calibración Clasificación Propagación Simulación inundación Clima marítimo Energía del oleaje Riesgo de inundación Cambio climático

79 Calibración de bases de datos de reanálisis Validación de datos de satélite (TOPEX-POSEIDON, ERS-1, ERS- 2, etc.) con los registros instrumentales. Calibración paramétrica por familias de oleaje, utilizando la información de satélite y de las boyas instrumentales. Obtención de los coeficientes de transformación para cada familia de oleaje Validación posterior con conjunto de datos instrumentales no utilizados en la calibración

80 Propagación = Downscaling estadístico

81 Clasificación de estados de mar Objetivo:describir de manera multidimensional Clima Marítimo (H1, T1, θ1, H2, T2, θ2, W, θw, MM), aumentando de esta manera el número de parámetros en la definición de los estados de mar. Herramienta: Redes Neuronales Auto-organizativas (SOM), Kohonen (2001) H, T, θ s1 m o N H, T, θ s2 m o N o W 9 o W 8 o W 7 o W Nodo de reanálisis en indefinidas(simar-44) Camus et al (2007) H c T m

82 Reanálisis de corrientes oceánicas , modelo DIECAST 60 VIS 1/16º LATITUD (º) 40 GOM 1/8º MED 1/8º GIB 20 IBE 1/24º 1/8º NAB 1/4º LONGITUD (º) 0 20

83 Reanálisis de corrientes oceánicas , modelo DIECAST