Influence of topobathymetric and offshore forcing uncertainties on beach morphodynamic predictability

Abstract

(English) Sandy beaches are among the most important, yet most vulnerable, environments on Earth. These regions are home to over 30% of the world's population and host a vast array of socioeconomic activities. As the interface between sea and land, they are highly dynamic systems where numerous processes occur at different temporal and spatial scales, continuously reshaping the morphology of the coast. Furthermore, climate change could modify these processes, producing not only long-term effects but also, in the short and medium term, impacts that significantly affect beach morphology. In order to investigate these effects, morphodynamic numerical models are key tools, allowing the analysis of past and present conditions, as well as to explore future scenarios. However, their application involves several sources of uncertainty. This thesis focuses primarily on uncertainties related to offshore forcing and initial topobathymetric conditions across multiple temporal and spatial scales. In the short term, the process-based XBeach model was employed to develop a conceptual model of how the initial topobathymetry influences the generation of washover deposits on a synthetic beach inspired by Castelldefels data (Spain) during a storm event. The study highlighted the importance of using detailed initial topobathymetries that incorporate potential morphological patterns to accurately analyse washover deposit generation. In particular, the inclusion of morphological patterns with varying wavelengths was shown to significantly affect hydrodynamic behaviour and sediment transport patterns, thereby influencing the distribution, extent, and volume of washover deposits. For instance, the presence of megacusps of certain wavelengths could enhance washover deposition by up to a factor four compared to scenarios in which such patterns were not included. This study proved the significant potential modelling uncertainties linked to unknowns not only in the initial topobathymetry but also in the incident wave group chronology, which can be included in this model, and may have a stronger influence on washover deposit formation than variations in the initial cross-shore profile. In the medium term, both the process-based XBeach model and the reduced-complexity Q2Dmorfo model were used to investigate how different hydrodynamic forcing sources, including waves and sea level, affect the modelling of the embayed Castell Beach (Palamós, Spain) over a six-month period. The study demonstrated that inaccurate representations of wave conditions can significantly affect the modelling of an embayed beach in the medium term, whilst different sea level sources produced similar results. In particular, biases in wave direction from hindcast data resulted in poor representations of shoreline evolution, although the model could recover if hindcast data was only employed for only a couple of months. These results highlight the uncertainties related with the selection of forcing sources to simulate the evolution of an embayed beach. In the long term, the Q2Dmorfo model was employed to investigate the influence of wave storm chronology on the projected evolution of the Llobregat Delta up to 2100. The study highlighted the strong dependence of the model response on the initial adaptation period, which appeared to be influenced by the wave chronology. However, once the model reached a quasi-equilibrium state during this adaptation phase, the subsequent low dynamism, resulting from the model calibration, was primarily controlled by the resulting topobathymetry rather than by the wave chronology. Consequently, the multiple realisations performed converged towards a similar morphological response up to 2100, limiting the ability to assess the role of storm chronology in long-term shoreline evolution. To address this limitation, several methodological improvements are proposed, with the objective of capturing the potential role of wave chronology in further work. (Català) Les platges sorrenques són un dels entorns més importants, i vulnerables de la Terra. Acullen més del 30% de la població mundial i moltes activitats socioeconòmiques. Com a interfície mar-terra, són sistemes molt dinàmics amb nombrosos processos a diferents escales temporals i espacials, que remodelen contínuament la morfologia de la costa. El canvi climàtic podria modificar aquests processos, produint efectes a llarg termini, però també a curt i mitjà termini, impactes que afecten significativament la morfologia de les platges. Per investigar aquests efectes, els models numèrics morfodinàmics són eines clau, ja que permeten analitzar condicions passades i presents, així com explorar escenaris futurs. No obstant això, la seva aplicació comporta diverses fonts d’incertesa. Aquesta tesi se centra en les incerteses relacionades amb el forçament marí i les condicions topobatimètriques inicials a múltiples escales temporals i espacials. A curt termini, es va utilitzar el model basat en processos XBeach per desenvolupar un model conceptual de com la topobatimetria inicial influeix en la generació de dipòsits d'inundació en una platja sintètica inspirada en dades de Castelldefels (Espanya) durant una tempesta. L’estudi va destacar la importància d’utilitzar topobatimetries inicials amb possibles patrons morfològics per analitzar la generació de dipòsits d'inundació. En particular, es va demostrar que la inclusió de patrons morfològics amb diferents longituds d’ona afecta significativament el comportament hidrodinàmic i els patrons de transport de sediments, influint així en la distribució, l’extensió i el volum dels dipòsits. Per exemple, la presència de megacusps de determinades característiques podia quadriplicar el dipòsit d'inundació en comparació amb escenaris sense aquests patrons. Aquest estudi va evidenciar l’incertesa en el modelatge associat no només en la topobatimetria inicial, sinó també a la cronologia dels grups d’onatge incident, que es pot incloure en el model i que pot tenir una influència major en la formació de dipòsits que les variacions en el perfil transversal inicial. A mitjà termini, el model basat en processos XBeach i el model de complexitat reduïda Q2Dmorfo es van utilitzar per investigar com diferents fonts de forçament hidrodinàmic d’onatge i el nivell del mar, afecten el modelatge de la platja encaixada de Castell (Palamós, Espanya) durant sis mesos. L’estudi va demostrar que representacions imprecises de l’onatge poden afectar significativament el modelatge d’una platja encaixada a mitjà termini, mentre que diferents fonts de nivell del mar produeixen resultats similars. En particular, biaixos en la direcció de l’onatge de dades de hindcast van donar lloc a males representacions de l’evolució de la línia de costa, tot i que el model podia recuperar-se si aquestes dades només s’empraven durant un parell de mesos. Aquests resultats posen de manifest les incerteses associades a la selecció de fonts de forçament per simular l’evolució d’una platja encaixada. A llarg termini, es va utilitzar el model Q2Dmorfo per investigar la influència de la cronologia de les tempestes en l’evolució projectada del delta del Llobregat fins a l’any 2100. L’estudi va destacar la forta dependència de la resposta del model respecte al període inicial d’adaptació, que semblava estar influït per la cronologia de l’onatge. Tot i així, quan el model assolia un estat de quasi equilibri durant aquesta fase d’adaptació, el dinamisme posterior, relativament baix degut a la calibració del model, estava controlat principalment per la topobatimetria resultant més que per la cronologia de l’onatge. En conseqüència, les múltiples realitzacions convergien cap a una resposta morfològica similar fins a l’any 2100, limitant la capacitat d’avaluar el paper de la cronologia de les tempestes en l’evolució de la línia de costa a llarg termini. Per abordar aquesta limitació, es proposen diverses millores metodològiques per a treballs futurs. (Español) Las playas arenosas son uno de los entornos más importantes y vulnerables de la Tierra. Albergan a más del 30% de la población mundial y numerosas actividades socioeconómicas. Como interfaz mar-tierra, son sistemas muy dinámicos con numerosos procesos a diferentes escalas temporales y espaciales, que remodelan continuamente la morfología de la costa. El cambio climático podría modificar estos procesos, produciendo efectos a largo plazo, pero también a corto y medio plazo, impactos que afectan la morfología de las playas. Para investigar estos efectos, los modelos numéricos morfodinámicos son herramientas clave que permiten analizar condiciones pasadas y presentes, así como explorar escenarios futuros. Sin embargo, su aplicación conlleva diversas fuentes de incertidumbre. Esta tesis se centra en las incertidumbres relacionadas con el forzamiento marino y las condiciones topobatimétricas iniciales a múltiples escalas temporales y espaciales. A corto plazo, se utilizó el modelo basado en procesos XBeach para desarrollar un modelo conceptual de cómo la topobatimetría inicial influye en la generación de depósitos de rebase en una playa sintética inspirada en datos de Castelldefels (España) durante una tormenta. El estudio destacó la importancia de utilizar topobatimetrías iniciales con posibles patrones morfológicos para analizar la generación de depósitos de rebase. En particular, se demostró que la inclusión de patrones morfológicos con diferentes longitudes de onda afecta el comportamiento hidrodinámico y los patrones de transporte de sedimentos, influyendo así en la distribución, la extensión y el volumen de los depósitos. Por ejemplo, la presencia de megacusps de determinadas características podía cuadruplicar el depósito de rebase en comparación con escenarios sin estos patrones. Este estudio evidenció la incertidumbre en el modelado asociada no solo a la topobatimetría inicial, sino también a la cronología de los grupos de oleaje incidente, que puede in