Advanced coastal dynamics prediction for sustainable management: integrating ensemble forecasting and 3D hydrodynamic modeling

Abstract

L’objectiu principal d’aquesta tesi és aportar suport als enfocaments basats en conjunts i orientar millores cap a un sistema operatiu de predicció i alerta primerenca d’inundacions i erosió costanera a Barcelona. La tesi aplica el sistema acoblat COAWST (ROMS i SWAN) per avaluar la dinàmica costanera al llarg del litoral de Barcelona durant la Tempesta Celia (març de 2022), centrant-se en la capacitat predictiva d’una configuració determinista en comparació amb un conjunt sinòptic de 10 membres construït a partir de petites pertorbacions realistes de les condicions inicials i de contorn atmosfèriques, amb validació contra observacions al punt F2 de la campanya MARLIT davant de la Barceloneta. L’estudi compara l’alçada significativa de l’onatge, els períodes de pic i mitjà, la direcció de l’onatge, els corrents, el nivell del mar, la temperatura i la salinitat. Els resultats indiquen que les variables de SWAN tendeixen a subestimar l’energia de l’onatge al pic de la tempesta i a presentar un retard de fase, mentre que les variables de ROMS (corrents i temperatura) s’ajusten més a les observacions. L’objectiu final de l’estudi és donar suport a l’ús d’enfocaments basats en conjunts i orientar millores per a un sistema operatiu d’alerta primerenca d’erosió i inundació costanera a Barcelona. A curt termini, pretén ajudar a comprendre les simulacions, identificar com millorar-les i donar suport a futurs estudis relacionats.

El objetivo principal de esta tesis es aportar apoyo a los enfoques basados en conjuntos y orientar mejoras hacia un sistema operativo de predicción y alerta temprana de inundaciones y erosión costera en Barcelona. La tesis aplica el sistema acoplado COAWST (ROMS y SWAN) para evaluar la dinámica costera a lo largo del litoral de Barcelona durante la Tormenta Celia (marzo de 2022), centrándose en la capacidad predictiva de una configuración determinista frente a un conjunto sinóptico de 10 miembros construido a partir de pequeñas perturbaciones realistas en las condiciones iniciales y de contorno atmosféricas, con validación frente a observaciones en el emplazamiento F2 de la campaña MARLIT frente a La Barceloneta. Este estudio compara la altura significativa del oleaje, los períodos pico y medio, la dirección del oleaje, las corrientes, el nivel del mar, la temperatura y la salinidad. Los resultados indican que las variables de SWAN tienden a subestimar la energía del oleaje en el pico de la tormenta y a presentar un desfase, mientras que las variables de ROMS (corrientes y temperatura) concuerdan más estrechamente con las observaciones. El objetivo final del estudio es respaldar el uso de enfoques basados en conjuntos y orientar mejoras para un sistema operativo de alerta temprana de erosión e inundación costera en Barcelona. A corto plazo, busca ayudar a comprender las simulaciones, identificar cómo mejorarlas y proporcionar apoyo a futuros estudios relacionados.

The main aim of this thesis is to contribute support on ensemble-based approaches and guide improvements toward an operational early-warning forecasting system for coastal flooding and erosion in Barcelona. This thesis applies the coupled COAWST system (ROMS and SWAN) to assess coastal dynamics along Barcelona’s shoreline during Storm Celia (March 2022), focusing on the predictive skill of a deterministic setup versus a 10-member synoptic ensemble built from small, realistic perturbations to atmospheric initial/boundary conditions with validation against observations at site F2 from the MARLIT campaign off La Barceloneta. This study compares significant wave height, peak/mean periods, wave direction, currents, sea level, temperature, and salinity. Results indicate that SWAN variables tend to underestimate storm-peak wave energy and to exhibit a phase lag, whereas ROMS variables (currents and temperature) agree more closely with observations. The final objective of the study is to support the use of ensemble approaches and to guide improvements for an operational early-warning system for coastal erosion and flooding in Barcelona. In the short term, it is to help understand the simulations, understand how to improve them, and provide support for future related studies.