Study of Marine Heatwaves in a Semi-Enclosed Coastal Area: Detection, Formation, Drivers and Impacts, Using a Combination of Satellite and in Situ Data

Abstract

Marine heatwaves (MHWs) and marine cold spells (MCSs) are discrete temperature anomalies events that can persist for weeks or months, often causing severe ecological and socio-economic impacts. This thesis investigates the development, drivers and consequences of MHWs and MCSs in Central and Southern Chile (29°S-55°S), with a particular focus on Northern Patagonia, a region of oceanographic interest and of an economic importance due to intensive aquaculture activity. The main objective is to characterise the surface and subsurface dynamics of MHWs and MCSs, assess their spatial variability among large basins and narrow fjords, identify their drivers, and evaluate their ecological implications.

A multi-scale approach was applied, moving from offshore to coastal environments and from surface to subsurface layers. At large scale, satellite reanalysis data at low resolution (0.25°) were used to identify patterns, long-term trends and main drivers of MHWs in Central and Southern Chile, regions previously unexplored in this context. At finer scale, a novel methodology was developed, merging over three decades of in situ observations with satellite products to generate high-resolution (900 m) temperature fields for Northern Patagonia. This allowed the detection of extreme events across fjords and basins and the assessment of their spatial and temporal variability. Subsurface dynamics where also explored with a hydrodynamic model to evaluate the vertical extent of MHWs and MCS and the relation between surface and subsurface events. Additionally, the potential role of MHWs in promoting harmful algal blooms (HABs) was investigated.

Results show that Central Chile and Northern and Southern Patagonia experienced more than 70 MHWs over the past four decades. Northern Patagonia displays the strongest warming trends and is the only subregion with a significant increase in MHW frequency, with more than 30 events in the past decade alone, while MCSs show an overall decline. In this region, the spatial heterogeneity is particularly pronounced, depending mostly on the topography and stratification: stratified fjords experienced stronger anomalies (up to 5°C), whereas more homogeneous basins exhibited weaker events (below 2°C). Major MHWs occurred in 1997-98, 2008 and 2016-17, with contrasting subsurface penetration. The 1997-98 event shown rapid propagation to the bottom layers, while the 2016-17 event remained confined to the upper layers. Similarly, a prolonged series of MCSs affected intermediate layers from 2019 to 2024, while the main events were registered in 2007-08. For both MHWs and MCSs, subsurface anomalies were generally more intense below the low-salinity surface layer and considerably longer-lasting than those at the surface, with events extending over several months or years, with the extreme example of a MCS that lasted from 2022 to 2024 in the deep layers of Reloncaví Sound. Atmospheric forcings, particularly wind and solar radiation, were identified as key local drivers, while large-scale climate modes such as El Niño Southern Oscillation (ENSO) and Southern Annular Mode (SAM) amplified event intensity and duration. Finally, a link was established between MHWs and HAB development, with evidence that MHWs act as a catalyst for A. catenella blooms by creating favourable environmental conditions when sufficient nutrients are available.

This work provides the first integrated assessment of MHWs and MCSs in Central and Southern Chile, particularly in Northern Patagonia, demonstrating the importance of high-resolution approaches for capturing their complexity in coastal systems and highlighting implications for ecosystem functioning, fisheries and aquaculture management.

Alternate abstract:

Les vagues de chaleur marines (MHWs) et les vagues de froid marines (MCSs) sont des évènements discrets d’anomalies de température qui peuvent persister plusieurs semaines, voire plusieurs mois, ayant de sévère répercussions environnementales et socio-économiques. Cette thèse analyse le développement, les causes et les conséquences des MHWs et MCSs dans le centre et le sud du Chili (29°S-55°S) avec une attention particulière sur le nord de la Patagonie, une région d’importance économique en raison de la présence de nombreux centres aquacoles. L’objectif principal de la thèse est de caractériser les dynamiques de surface et de subsurface de ces évènements extrêmes, de comprendre leur variabilité spatiale et temporelle entre les grands bassins et les fjords étroits, d’identifier leurs causes ainsi que leurs impacts.

Une approche multi-échelle a été adoptée, allant des zones océaniques offshores jusqu’aux écosystèmes côtiers, et de la surface vers les fonds marins. A grande échelle, un produit satellitaire de réanalyse à faible résolution (0,25°) a été utilisé pour identifier les patterns, les tendances à long terme et les facteurs des MHWs dans le centre et le sud du Chili, des régions qui n’avaient jamais été étudiées sous cet angle. A plus fine échelle, une nouvelle méthodologie a été développée, combinant plus de trois décennies de données in situ et des observations satellitaires pour générer des champs de température de l’eau à une résolution de 900 m pour la Patagonie du Nord. Cette approche a permis de détecter les évènements extrêmes dans les fjords et les bassins, ainsi que d’établir leur variabilité spatio-temporelle. La dynamique de subsurface a également été explorée à l’aide d’un modèle hydrodynamique afin d’évaluer la propagation verticale des MHWs et MCSs et leur relation avec les évènements de surface. Enfin, le rôle potentiel des MHWs dans le développement d’efflorescences d’algues toxiques (HABs) a été examiné.

Les résultats montrent que le centre du Chili et la Patagonie ont subi plus de 70 MHWs au cours des quatre dernières décennies. Le nord de la Patagonie se distingue par des tendances de réchauffement particulièrement marquées et constitue la seule sousrégion où la fréquence des MHWs augmente avec plus de 30 évènements sur la seule dernière décennie, tandis que les MCSs y présentent une tendance à la diminution. Dans cette même région, l’hétérogénéité spatiale est particulièrement importante, et résulte surtout de la topographie et de la stratification : les fjords, fortement stratifiés, sont touchés par des intensités beaucoup plus marquées (jusqu’à 5°C) que les bassins plus homogénéisés (moins de 2°C). Les MHWs les plus importantes se sont produites en 1997-98, 2008 et 2016-17, avec schémas de propagation verticale différents : celle de 1997-98 a très rapidement atteint les couches de subsurface, tandis que celle de 201617 est restée confinée à la superficie. De manière similaire, une série de MCSs s’est produite dans les couches intermédiaires entre 2019 et 2024, tandis que les évènements les plus importants ont été observées en 2007-08. Pour les MHWs comme pour les MCSs, les anomalies situées sous la couche de surface peu saline sont plus intenses. Les évènements de subsurface, sont également considérablement plus longs que ceux en surface, avec certains épisodes qui durent plusieurs mois voire plusieurs années. Cela a notamment été le cas lors d’une MCS présente pendant trois ans, de 2022 à 2024, dans le Golfe de Reloncaví. Les forçages atmosphériques, en particulier les vents et le rayonnement solaire, jouent un rôle déterminant, tandis que les modes climatiques à grande échelle, tels que El Niño Southern Oscillation (ENSO) and Southern Annular Mode (SAM), amplifient l’intensité et la durée des évènements. Enfin, un lien a été mis en évidence entre les MHWs et la prolifération de HABs d’Alexandrium catenella, qui trouvent dans ces conditions un environnement favorable à leur développement.

Ce travail propose la première évaluation des MHWs et MCSs dans le centre et le sud du Chili, en particulier dans le nord de la Patagonie, mettant en évidence l’importance d’utiliser des approches à haute résolution pour observer la complexité de ces évènements dans les environnements côtiers et souligne leurs conséquences potentielles sur le fonctionnement des écosystèmes ainsi que sur les secteurs de la pêche et de l’aquaculture.

Alternate abstract:

Las Olas de Calor Marinas (MHWs) y Olas de Frio (MCSs) son diferentes eventos anómalos de temperatura que pueden persistir por semanas o meses, a menudo causando severos impactos ecológicos y socio-economicos. Esta tesis investiga el desarrollo, causas y consecuencias de MHWs y MCSs en el centro y sur de Chile (29°S55°), enfocándose particularmente en la Patagonia Norte de Chile, una región de interés oceanográfico y de importancia económica debido a la acuicultura. El objetivo principal de este trabajo es caracterizar las dinámicas de las MHWs y MCSs en superficie y subsuperficie, evaluar su variabilidad espacial entre cuencas y fiordos, identificando sus causas y evaluando sus implicaciones ecológicas.

Una aproximación multiescalar fue aplicada, moviéndose desde mar abierto hacia ambientes costeros y desde la superficie hacia capaz subsuperficiales. A gran escala, reanálisis de datos satelitales en baja resolución (0.25°) fueron usados para identificar patrones, tendencias a largo plazo y principales causas de MHWs en el centro y sur de Chile, región no estudiada en esta materia. A fina escala, una novedosa metodología fue desarrollada, uniendo tres décadas de observaciones in situ con productos satelitales para generar una alta resolución (900 m) en campos de temperatura para la Patagonia Norte de Chile. Esto permitió la detección de eventos extremos a través de los fiordos y cuencas, y la evaluación de su variabilidad espacial y temporal. Las dinámicas subsuperficiales también fueron investigadas con un modelo hidrodinámico para evaluar la extensión vertical de MHWs y MCSs y la relación entre los eventos superficiales y subsuperficiales, además del rol potencial de MHWs en promover floraciones algales nocivas (HABs).

Los resultados muestran que la zona central, en conjunto con el norte y sur de la Patagonia de Chile experimentaron alrededor de 70 MHWs en las últimas cuatro décadas. La Patagonia Norte de Chile demuestra fuertes tendencias al calentamiento, siendo la única subregión con un incremento significante en la frecuencia de MHWs, con más de 30 eventos solamente en la última década, mientras que MCSs muestran una disminución en general. En esta región, la espacialidad heterogénea es particularmente pronunciada, despendiendo mayoritariamente de la topografía y estratificación: los fiordos estratificados experimentaron fuertes anomalías (sobre 5°C), mientras que cuencas más homogéneas presentaron eventos débiles (bajo los 2°C). Las MHWs más intensas ocurrieron en 1997-98, 2008 y 2016-17, con diferentes niveles de penetración subsuperficial. El evento de 1997-98 indico una rápida propagación hacia capas profundas, mientras que el evento de 2016-17 se mantuvo confinado en capas superiores. Similarmente, una serie prolongada de MCSs afectó las capas intermediarias desde 2019 a 2024, pero los principales eventos fueron registrados en 2007-08. Para ambos (MHWs y MCSs), las anomalías subsuperficiales fueron generalmente mas intensas debajo de la capa superficial de baja salinidad y considerablemente mas duraderas que las superficiales, con eventos extendidos por varios meses o años, con el ejemplo extremo de una MCSs desde 2022 a 2024 en capas profundad del Seno Reloncaví. Forzantes atmosféricos, particularmente vientos y radiación solar, fueron identificados como causas locales claves, mientras que eventos climáticos a gran escala como El Niño (ENSO) y el Modo Anular del Sur (SAM) amplifican la intensidad y duración de los eventos. Finalmente, se encontró una conexión entre MHWs y desarrollo de HABs, con evidencia que las MHWs actúan como precursor de la proliferación de Alexamdrium catenella, creando condiciones ambientales favorables cuando la suficiente cantidad de nutrientes son disponibles.

Este trabajo promueve la primera evaluación integrada de MHWs y MCSs en el centro y sur de Chile, particularmente en la Patagonia Norte, demostrando la importancia de la alta resolución aproximada para capturar la complejidad de su sistema de costas y resalta las implicaciones para los ecosistemas, pesquería y acuicultura.