Impact of large-scale atmospheric variability on sea level and wave climate

Abstract

This thesis aims at quantitatively characterizing the recent (last few decades) and future climate variability of marine climate in the Western Mediterranean Sea and the North Atlantic Ocean. Namely it focuses on sea level and wind-waves, as these are the variables with a larger potential impact on coastal ecosystems and infrastructures. We first use buoy and altimetry data to calibrate a 50-year wind-wave hindcast over the Western Mediterranean in order to obtain the best characterization of the wave climate over that region. The minimization of the differences with respect to observations through a non-linear transformation of the Empirical Orthogonal Functions of the modelled fields results in an improvement of the hindcast, according to a validation test carried out with independent observations. We then focus on the relationship between the large scale atmospheric forcing and our target variables. Namely we quantify and explore the cause-effect relations between the major modes of atmospheric variability over the North Atlantic and Europe, i.e. the North Atlantic Oscillation, the East Atlantic pattern, the East Atlantic Western Russian pattern and the Scandinavian pattern, and both the Mediterranean sea level and the North Atlantic wave climate. To do so, we use data from different sets of observations and numerical models, including tide gauges, wave buoys, altimetry, hydrography and numerical simulations. Our results point to the North Atlantic Oscillation as the mode with the largest impact on both, Mediterranean sea level (due to the local and remote influence on its atmospheric component) and the North Atlantic wave climate (due to its effect on both the wind-sea and swell components). Other climate indices have smaller but still meaningful contributions; e.g. the East Atlantic pattern plays a significant role in the wave climate variability through its impact on the swell component. Finally, we explore the performance of statistical models to project the future wave climate over the North Atlantic under global warming scenarios, including the large scale climate modes as predictors together with other variables such as atmospheric pressure and wind speed. Notably, we highlight that the use of wind speed as statistical predictor is essential to reproduce the dynamically projected long-term trends.

Esta tesis caracteriza cuantitativamente la variabilidad climática reciente (las últimas décadas) y futura del clima marino en el Mar Mediterráneo y en el Océano Atlántico Norte. Concretamente, se centra en el nivel del mar y en el oleaje, ya que éstas son las variables con un mayor impacto potencial en ecosistemas e infraestructuras costeras. En primer lugar, utilizamos datos de boyas y altimetría para calibrar un hindcast de oleaje de 50 años en el Mediterráneo Occidental, con el objetivo de obtener la mejor caracterización climática del oleaje sobre esta región. La minimización de las diferencias con respecto a las observaciones a través de una transformación no lineal de las Funciones Empíricas Ortogonales de los campos modelados se traduce en una mejora del hindcast, de acuerdo al test de validación llevado a cabo con observaciones independientes. Luego nos centramos en las relaciones entre el forzamiento atmosférico de gran escala y nuestras variables de interés. En concreto, cuantificamos y exploramos las relaciones causa-efecto entre los modos de variabilidad atmosférica más importantes del Atlántico Norte y Europa (la Oscilación del Atlántico Norte, el patrón del Atlántico Oriental, el patrón del Atlántico Oriental/Rusia Occidental y el patrón Escandinavo) y el nivel del mar del Mediterráneo y el oleaje del Atlántico Norte. Para ello, usamos datos de diferentes conjuntos de observaciones y modelos numéricos, incluyendo mareógrafos, boyas de oleaje, altimetría, hidrografía y simulaciones numéricas. Nuestros resultados señalan la Oscilación del Atlántico Norte como el modo de mayor impacto, tanto en el nivel del mar del Mediterráneo (debido a la influencia local y remota en su componente atmosférica) como en el oleaje del Atlántico Norte (debido a su efecto en las componentes de mar de viento y de mar de fondo). Otros índices climáticos tienen contribuciones más pequeñas pero todavía significativas; e.g. el patrón del Atlántico Oriental juega un papel importante en la variabilidad del oleaje a través de su impacto en la componente de mar de fondo. Finalmente, exploramos la capacidad de los modelos estadísticos de proyectar el clima futuro del oleaje sobre el Atlántico Norte bajo escenarios de calentamiento global, incluyendo los modos climáticos de gran escala como predictores junto con otras variables como la presión atmosférica y la velocidad del viento. En particular, destacamos que el uso de la velocidad del viento como predictor estadístico es esencial para reproducir las tendencias a largo plazo proyectadas de por los modelos dinámicos.