Estudio de los valores extremos de nivel del mar en costa a partir de datos de altimetría satelital

Abstract

RESUMEN: El desarrollo de la altimetría de satélite en la década de los 90 permite disponer en la actualidad de una base de datos global multi-misión inter-calibrada con un registro de 25 años. En este trabajo se propone el empleo de dicha información con el objetivo principal de analizar el régimen extremal en costa, especialmente en aquellos lugares en los que no se dispone de sistemas instrumentales de medida in situ. Para lograrlo, se propone una metodología que describa, primero, el tratamiento de la información altimétrica para la obtención de los máximos mensuales en costa y, segundo, la aplicación de un modelo de extremos no estacionario. La finalidad de este modelo es, por un lado analizar la variabilidad climática asociada a los eventos extremos de nivel del mar ante distintas escalas de tiempo (dentro del año, a medio plazo y tendencias a largo plazo) y por otro lado caracterizar el régimen extremal asociado al nivel del mar (por ej. el valor asociado a un periodo de retorno de 50 años) La metodología propuesta es aplicada a la costa este de Estados Unidos para la variable NTR (Non-Tidal-Residual, anomalía del nivel del mar que no es causada por la marea astronómica), cubriendo un tramo costero de más de 3000km. Esta región presenta una amplia variación y complejidad espacial en cuanto a aspectos climáticos y geográficos, lo que permite valorar la extensión de este trabajo a escala global. A su vez, se han utilizado datos instrumentales en la región procedentes de 16 mareógrafos, lo que ha permitido comparar y validar los resultados obtenidos a partir de información satelital. Los resultados indican claros patrones en cuanto a variabilidad climática. Con respecto a las variaciones dentro del año se han determinado dos zonas climáticas; la zona más septentrional, en la que los máximos registrados se deben fundamentalmente a ciclones extra-tropicales y los valores máximos se presentan durante los meses de invierno (de Noviembre a Febrero), y la zona meridional, que tiene sus máximos durante la estación de ciclones tropicales, entre los meses de agosto a octubre. En cuanto a la variación inter-anual cabe destacar la influencia encontrada entre los niveles del mar extremos costeros de la variable NTR y los patrones de circulación climática AO (Oscilación del Ártico) y TNA (índice climática del Atlántico Norte Tropical). Por último, la determinación de tendencias en los niveles del mar extremos indica que esta región del mundo presenta un incremento por encima de las tendencias globales relevante. Finalmente, con el fin de que la metodología propuesta sea directamente aplicable para la estimación de valores asociados a altos periodos de retorno en el diseño ingenieril en costa, se han analizado que factores condicionan las diferencias en estas estimaciones entre medidas procedentes de mareógrafos y de satélites (el grado de exposición, la anchura de la plataforma continental, la profundidad local media y el rango de marea astronómica). Después de modelar la relación entre diferentes fuentes de medidas ante estos factores se concluye que el grado de exposición y la anchura de la plataforma son los factores determinantes y se propone un modelo semi-empírico para estimar un factor de escala que permita caracterizar el régimen extremal del nivel del mar extremo en la costa a partir de datos de altimetría satelital.

ABSTRACT: The development of satellite altimetry in the 1990s now allows an inter-calibrated multi-mission global database with a 25-year record. In this paper we propose the use of such information with the main objective of analyzing the extremal regime on coast, especially in those places where instrumental systems of measurement in situ are not available. To achieve this, a methodology is proposed that describes, first, the treatment of the altimetry information to obtain the monthly maximums in the coast and, secondly, the application of a non-stationary extremes model. The purpose of this model is, on the one hand, to quantify the climatic variability associated with extreme sea level events at different timescales (within the year, medium term and long term trends) and on the other hand to characterize the extreme regime associated with sea level (eg the value associated with a return period of 50 years) The proposed methodology is applied to the east coast of the United States for the variable NTR (Non-Tidal-Residual, anomaly of the sea level that is not caused by the astronomical tide), covering a coastal stretch of more than 3000km. This region presents a wide variation and spatial complexity in terms of climatic and geographical aspects, which makes it possible to assess the extent of this work on a global scale. At the same time, instrumental data have been used in the region from 16 tide gauges, which has allowed to compare and validate the results obtained from satellite information. The results indicate clear patterns in terms of climate variability. With regard to variations within the year, two climatic zones have been determined; the northernmost area, where the maxima recorded are mainly due to extra-tropical cyclones and the maximum values occur during the winter months (from November to February), and the southern zone, which has its maxima during the season tropical cyclones, between the months of August to October. As for the inter-annual variation, it is worth noting the influence of the NTR variable on the sea level extremes and the circulation patterns of the Arctic Oscillation (AO) and TNA (Tropical North Atlantic Climate Index). Finally, the determination of trends in extreme sea levels indicates that this region of the world presents an increase above the relevant global trends. Finally, in order that the proposed methodology is directly applicable for the estimation of values associated with high return periods in the engineering design in coast, we have analyzed that factors condition the differences in these estimates between measurements from tide gauges and satellites (the degree of exposure, the width of the continental shelf, the average local depth and the astronomical tidal range). After modeling the relationship between different sources of measures against these factors, it is concluded that the degree of exposure and the width of the platform are the determining factors and a semi-empirical model is proposed to estimate a scale factor that allows characterizing the extreme regime of the extreme sea level on the coast from satellite altimetry data.