Traditionally, the sea has been considered as the ultimate sink of most pollutions, due to its huge volume and assimilating capacities, and the coastal waters, because of their intermediate position between deep seas and human activities, has been acting as a buffer zone. However, during the past years, the interest in environmental issues in general, and in the conservation of the water quality in coastal regions, in particular, has steadily increased. For coastal waters, this growing interest can be related to the increase in population and industrial activity along rivers and on coastal areas, which poses an important threat on coastal ecosystems, and may limit the use of coastal waters for human activity. This problem is drastically increased during the tourist season, when a large number of tourists tend to favour coastal resorts. Although at different scales, both the discharge of wastewater from a marine outfall or the discharge of nutrient- or sediment-laden freshwater from a river play an important role in many physical, chemical and biological processes, which in turn may affect the human use (recreational, economical, etc), of coastal waters. It is important, therefore, to be able to model these processes in order to optimise the multiple uses of coastal waters, accommodating the economical interests to marine production and recreation. The present thesis describes the development, validation and application to real cases of a three-dimensional numerical model for substance (pollution) transport in coastal waters, which can be applied to a wide range of situations, as marine outfall discharges, river freshwater discharges or sediment transport. The three-dimensional advection-diffusion equation is solved using a random walk Lagrangian particle formulation, in which the substance to be transported is divided into discrete "packets" that are moved around due to the effects of the transport mechanisms relevant in coastal waters. Transport induced by currents, waves, and turbulent diffusion is included in the model calculations, together with other mechanisms such as sediment settling and resuspension, buoyancy effects due to density differences, and microbiological inactivation. Specific formulations have been developed to account for the transport due to the initial discharge velocity, for buoyant transport in the frame of particle models in waterbodies, for sediment resuspension, and to increase the efficiency of the model by uncoupling the nearfield modelling from that of the farfield. Concentration distributions are obtained at the end of the simulation by mapping the position of the resulting set of discrete particles onto the nodes of a grid, that may be deformable, employing different optional methods. This transport model has been validated using several test cases of known analytical solution, and has been applied to a series of real cases for which numerical results could be compared to observational evidence (such as experimental data, video recordings and satellite images). The comparison yields a good agreement between observational evidence and modelled data, and reveals that the model can be applied to a wide range of transport problems in various environments.

En la actualidad, las decisiones en la ingeniería de costas y la gestión costera se apoyan, cada vez más, en los modelos numéricos predictivos de los procesos costeros, que por otra parte, se basan en modelos conceptuales simplificados que no reproducen de manera adecuada todos los procesos físicos relacionados en la dinámica costera. Buena parte de este problema se debe a la gran cantidad de incertidumbres que a día de hoy siguen existiendo en lo referente a la complejidad de la hidrodinámica, la transferencia de energía del oleaje a distintas escalas hidrodinámicas, la interacción de los flujos con el fondo marino y el transporte de sedimento y evolución del fondo resultantes. A pesar de esto y de su creciente demanda, raramente estos modelos se comparan (y validan) con datos de campo reales tomados en la zona de interés. Sin la adecuada calibración, la utilización de los resultados del modelado numérico de los procesos hidromorfodinámicos y de evolución costera a situaciones reales es, como mínimo, ambiguo y en ciertos casos podría ser hasta contraproducente. Para mejorar los planteamientos conceptuales de los modelos, es necesario realizar medidas de campo para mejorar el conocimiento de los procesos hidromorfodinámicos y que a su vez, sirvan para validar las predicciones numéricas. Dado que la mayor parte de los datos de campo disponibles se han tomado en playas en Estados Unidos, su utilidad para calibrar modelos en playas de otras partes del mundo es limitada. Para cubrir esta carencia, recientemente se han realizado importantes esfuerzos de investigación en este campo en Europa. En ésta tesis se presentan tres campañas de campo a nivel Europeo encaminadas, por una parte, a mejorar el conocimiento de los procesos físicos hidrodinámicos (Delta'93 y Delta'96 en el Delta del Ebro), y por otra, a la obtención de información esencial para la simulación numérica de los procesos morfodinámicos (Egmond, Holanda). El análisis de los datos obtenidos de las campañas Delta'93 y Delta'96 se ha centrado en la separación de las distintas escalas hidrodinámicas presentes en la zona cercana a la costa, la cuantificación de la transferencia de energía del oleaje a dichas escalas, la caracterización de la estructura vertical de las corrientes inducidas por la rotura del oleaje, la fricción con el fondo y la evolución batimétrica resultante. Los datos obtenidos de la campaña de Egmond se han utilizado para la calibración y validación del campo de oleaje, corrientes inducidas por la rotura y la evolución del perfil de playa predichas por un modelo hidromorfodinámico desarrollado en el LIM-UPC.

L'objectiu d'aquesta tesi és implementar un sistema d'assimilació de dades a un model hidrodinàmic de la plataforma continental catalana. Aquest sistema ens permetrà combinar la informació proporcionada per les dades mesurades amb la informació que prové dels models numèrics per tal de fer la millor estimació possible, en termes estadístics, de la realitat.Per arribar a aquesta fita cal en un primer moment tenir un bon coneixement de la regió d'estudi i els processos físics que hi tenen lloc. La següent passa és disposar de un model numèric que sigui capaç de reproduir de manera realista la dinàmica de la zona.Acte seguit cal identificar i caracteritzar les fonts d'errors del sistema i la seva dinàmica per, finalment, poder implementar un sistema d'assimilació de dades adequat al problema que tracta. Seguint aquest camí podem aprofitar les dades i les eines desenvolupades per aprofundir en el coneixement de la dinàmica a la plataforma continental catalana des de diversos plantejaments.- L'estudi de les mesures obtingudes en el marc dels projectes FANS i YOYO ens ha permès caracteritzar la dinàmica de la regió, estudiar l'origen de la variabilitat del corrent de tal·lus tant per altes com per baixes freqüències, estudiar els processos sobre la plataforma i veure l'evolució de les masses d'aigua.-La implementació del model hidrodinàmic SYMPHONIE s'ha fet amb cura aplicant una novedosa tècnica d'inicialització i s'ha validat amb dades reals per tal d'obtenir un model complet i realista. Un pic aconseguit això l'hem emprat per estudiar l'evolució d'una ona topogràfica de Rossby sobre la plataforma continental, l'efecte del vent en la dinàmica tridimensional i els intercanvis plataforma-tal.lús induïts pel vent i per oscil·lacions del corrent de tal.lús.-L'ús de la modelització estocàstica ens ha permès descriure la dinàmica dels errors associats a la caracterització del corrent de tal·lus i al camp de vents podent veure que els primers són no lineals però estacionaris mentre que els segons són lineals però no estacionaris. A partir d'aquests resultats també hem definit la base d'EOFs que defineix l'espai d'ordre reduït on es farà l'assimilació de dades.-Aprofitant els elements mencionats abans hem implementat el sistema d'assimilació de dades SEQUOIA amb un nucli d'anàlisi basat en interpolació òptima d'ordre reduït. Després d'avaluar el seu comportament hem utilitzat un protocol d'experiències bessones per comparar l'efectivitat de diverses xarxes de mesura per corregir diversos errors del model.Malgrat tot el treball s'ha centrat a la plataforma continental catalana gran part dels resultats obtinguts i de les tècniques emprades són aplicables a qualsevol altra regió amb característiques similars. / The goal of this thesis is to implement a data assimilation scheme into a hydrodynamic model of the Catalan continental shelf. This system would allow us to combine the information provided by measured data with the information coming from the numerical models in order to find the best approach, from a statistical point of view, of reality.To reach this objective it is needed, in a first moment, to have a good knowledge of the region and of the physical processes therein. The next step is to have a numerical model able to reproduce in a realistic way the dynamics of the area. Afterwards, the error sources of the system and the error dynamics should be characterized to, finally, implement a data assimilation system well suited for the problem. Following this way we can take profit of the data available and the tools developed to deepen in the the knowledge of the dynamics in the Catalan continental shelf from different approaches.-The analysis of the measures obtained in the frame of the research projects FANS and YOYO have allowed us to characterize the region dynamics, to study the origin of the slope current variability in the high and low frequencies, to study the processes over the shelf and to see the water mass evolution.-The implementation of the hydro dynamical model SYMPHONIE has been done carefully applying a new initialization technique (the modal potential vorticity method) and has been validated again real data to obtain a complete and realistic model. Once we had this part done, we have used it to study the evolution of a topographic Rossby wave over the continental shelf, the wind effects over the 3D dynamics and the exchanges shelf-slope induced by the wind and the slope current.-The stochastic modelling has been used to describe the dynamics of the errors associated to the slope current characterization and the wind field. We have determined that the former are stationary but non linear while the last are non stationary but highly linear. From these results we have also defined the EOFs base which defines the reduced order space where the data assimilation will be carried on. -Taking profit of the above mentioned elements, we have implemented the SEQUOIA data assimilation system with an analysis kernel based in the reduced order optimal interpolation. After evaluation its behaviour we have used a twin experiments protocol to compare the performance of different observational networks to correct different model errors.Although all the work have been done in the frame of the Catalan continental shelf, most of the obtained results and the techniques used could be applied to other shelf-slope regions with similar characteristics.

El treball realitzat en aquesta tesi està emmarcat en la missió SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) de l'Agència Espacial Europea. El satèl·lit es llançarà al febrer del 2007, i mesurarà la salinitat superficial del mar i la humitat del sòl. L'instrument (MIRAS) consisteix en un radiòmetre interferomètric en banda L (1.400-1.430 GHz). Serà la primera vegada que es posarà en òrbita un instrument d'aquestes característiques i que es mesuraran aquests paràmetres. No obstant encara son molts els aspectes científics que queden per resoldre. Aquesta tesi, doncs, ha intentat abordar alguns del temes oberts en la recuperació de la salinitat a partir de les mesures de SMOS.La sensibilitat de la temperatura de brillantor (el què el radiòmetre mesura) a la salinitat és màxima a la freqüència de 1.4GHz, encara que aquesta no és gaire gran. Per altra banda la sensibilitat a la temperatura superficial del mar i a la rugositat és del mateix ordre de magnitud. Això implica que per tal de recuperar la salinitat amb una certa precisió, cal també conèixer aquests altres paràmetres anomenats auxiliars.La recerca feta en aquesta tesi esta gairebé tota basada en dades experimentals de diferents campanyes que s'han realitzat utilitzant diferents radiòmetres en banda L, més boies i altres instruments per mesurar les variables in situ. S'ha fet un estudi sobre els diferents models d'emissivitat que hi ha a l'actualitat. Aquests models tant teòrics com semi-empírics, s'han utilitzat per recuperar la salinitat de la temperatura de brillantor mesurada. Aquesta salinitat recuperada s'ha comparat amb les dades de salinitat adquirides in situ. Els resultats han demostrat que els models semi-empírics recuperen millor la salinitat que no pas els teòrics que s'han analitzat en aquest treball.Els models actuals descriuen la rugositat del mar en funció únicament del vent actual. En alguns casos això no és correcte (mar de fons, mars no desenvolupats totalment). Així analitzant aquestes limitacions, l'autora proposa un nou model semi-empíric, derivat de dades de la campanya WISE. Aquest model descriu la temperatura de brillantor deguda a la rugositat del mar amb dos paràmetres: la velocitat del vent i l'alçada significativa de l'ona. Aquest nou model resulta ser el que recupera salinitat amb més qualitat a partir de dades radiomètriques de tres campanyes diferents, que s'han realitzat amb diferents instruments i en diferents condicions del mar. Errors en els paràmetres auxiliars introdueixen força error en la salinitat recuperada, especialment els errors en la velocitat del vent. En aquesta tesi, diferents fonts de vent i onatge s'han utilitzat per recuperar la salinitat: models meteorològics i oceanogràfics i dades de satèl·lit. Utilitzant com a paràmetres auxiliars dades obtingudes de models la salinitat es recupera amb millor qualitat (probablement, perquè aquests tenen més ressolució espaial i temporal que no pas les mesures des de satèl·lit). De totes maneres aquesta conclusió no es pot extrapolar, ja que això només s'ha provat en una zona geogràfica (la Mediterrània occidental). L'autora proposa obtenir aquests paràmetres auxiliars de les mateixes mesures radiomètriques, així com es fa amb la salinitat. Degut a la configuració de SMOS, cada pixel serà vist des de diferents angles d'incidència. Això ens permetrà poder recuperar més d'una variable, ja que estem tractant un sistema sobredeterminat. Així doncs el mètode d'inversió és capaç de recuperar salinitat, velocitat del vent, onatge i la temperatura superficial del mar. Ara bé, quan utilitzem mètodes d'inversió amb restriccions s'obtenen millors resultats. Així doncs, cal donar al sistema un valor de referència per cada paràmetre i el seu error. Amb aquest mètode l'error en la salinitat recuperada és de l'ordre de 0.2 psu mentre que el vent recuperat té un error d'aproximat de 1 m/s, precisió que no és possible obtenir amb cap model ni satèl·lit, simultani al pas de SMOS.

This thesis presents diverse theoretical and practical applications of the ERS 1/2 and RADARSAT satellite images of the Synthetic Aperture Radar SAR sensor (near 330 images in the Northwest Mediterranean NWM and 980 in European coastal waters) Other types of satellite images were used to study the marine pollution and dynamics studies of the NWM and other European areas. Principal source of information constitutes a collection of the SAR images obtained on periodic form during the 1996-1998 years generally by the Clean Seas European project, also by the Oil Watch and the ERS-1/2 SAR Exploitation Study in Catalonia projects. The geographical area of interest includes the NWM maritime zone: Balearic Islands - Ebro Delta - Cap of Creus - Gulf of Leon - Marseilles - Balearic Islands. During the presents studies there we elaborated a thematic collection of the SAR (full and detailed fragments) images of the almost 300 oil spills and of the 42 coastal plumes detected in the NWM in the period 1996-1998 also thematic maps and the statistical analysis of their topologic characteristics and of their temporary/spatial occurrences were elaborated. The area of the all accidental spills and plumes that took place in the period 1996-1998 in the NWM was also estimated (the diameter is 146 km and it oil mass is 4.477 Tm), we made a comparative analysis of the results of the Clean Seas project from different zones of studies (NWM, North Sea, Baltic Sea) and the statistical analysis of the occurrence of disasters involving oil spills in European waters in base of the results of the present work and of the historical information of the past 34 years, relating them to Zipf's law. The general conclusion is that the small habitual oil spills play a significant role in the overall marine pollution due to its very frequent occurrence.In the area of study of the dynamics of the NWM we present the results of the topologic and spatial analysis of the vortices detected by the satellite sensors, the thematic maps, the comparison with the laboratory experiments, the quantitative analysis of the particularities of tide in different points of the NWM, the examples of the application of the multifractal analysis and also a practical method proposed in order to distinguish the sea surface structures of different origins.The obtained results have allowed to obtain a general and statistically justified vision of the level of the marine pollution of the NWM, as well as in other European maritime zones. It was also possible to obtain quantitative information on the complex superficial dynamics of the NWM, which can be useful to quantify the capacity of surface diffusion of the ocean. / PER NAVEGAR ENTRE ELS FITXERS D'AQUESTA TESI PARTIU DEL FITXER: inicio.pdfPARA NAVEGAR ENTRE LOS FICHEROS DE ÉSTA TESIS PARTIR DEL FICHERO: inicio.pdfTHE FIRST FILE IS inicio.pdf

A T E N C I Ó ! ! !Per consultar aquesta tesi cal navegar partint del fitxer 0INICI.pdfRESUMENLas variables físicas que describen la mezcla, son perfectamente comparables para experimentos de laboratorio estudiados por un nutrido grupo de investigadores en la dinámica de fluidos medioambientales. En este trabajo se relacionan variables de tipo físicas y biológicas y se destaca el uso de las primeras como ayuda en la interpretación de las variables biológicas, demostrándose su utilidad. Se utilizan además distintos experimentos de laboratorio enfocados al estudio de la dinámica de la mezcla turbulenta en un flujo estratificado inducida por cizalla y a las escalas de las estructuras inducidas por dinámica de la pluma en el delta. Este objetivo se lleva a cabo describiendo las características de un ambientes estuarino y de la pluma por medio de indicadores como el número de Richardson y de Reynolds. Para ello se emplea una metodología avanzada de toma de muestras, técnicas experimentales de laboratorio como procesamiento de imágenes y técnicas numéricas para la modelización de la pluma en la desembocadura del estuario.El estuario bajo estudio se encuentra presente en el delta del Ebro, donde existe la mayor parte de año una cuña estable que es controlada principalmente por los caudales locales del río. Con la finalidad de observar una cuña estable, se realizo una campaña en el mes de julio de 1997. Adicionalmente para la obtención de variable a partir de las cuales puede hacerse una descripción de la dinámica de la mezcla y la obtención de variables biológicas, se desarrollaron una serie de campañas donde se buscaron diferentes condiciones del flujo del río que determina la mezcla en el estuario; estas campañas se realizaron las fechas del 5 de abril de 1998, 12 de julio, 5 de octubre de 1999 y 5 de febrero de 2000. En este trabajo junto al trabajo de campo, se realizan experimentos de laboratorio y simulaciones numéricas; se establece además un criterio cuantitativo del inicio y final de una capa de una estratificación en la columna de agua, se establecen zonas características de la mezcla en el estuario, la distancia de la cabeza de la pluma en cualquier punto del estuario incluyendo la boca a partir de la medida de la densidad mínima en la columna de agua, que la medida de los caudales locales maneja dinámica de la mezcla tanto en el cuerpo del estuario como en la pluma, además de medidas de eficiencia de mezcla, relaciones de la abundancia de organismos típicos de agua marina en el estuario de acuerdo a uno de los descriptores de la mezcla como el número de Reynolds, se describe la dinámica general de la circulación superficial inducida por la pluma en la zona costera adyacente del delta del Ebro por medio del seguimiento de partículas trazadoras y de la circulación en la columna de agua por seguimiento de colorante, por último se comparan las estructuras y escalas dominantes observadas experimentalmente con estructuras observadas por medio de percepción remota y simulaciones numéricas obteniéndose una buena correlación con los tendencias las medidas naturales y experimentales de laboratorio y numéricas. / Physical variables that describe mixing are compared with experimental laboratory results from a large number of studies of mixing dynamics in environmental fluids to find habitat regimes for primary production. The work relates physical and biological variables, and emphasises the utility of laboratory studies. Several laboratory experiments that focused on turbulent mixing dynamics in stratified shear flows are used to describe (a) mixing in the estuary and (b) induced circulation in the river plume. Mixing descriptors as entrainment, Richardson number and Reynolds number and field data were employed, and advanced techniques of laboratory simulations, image processing and numerical modelling were used to match (a) to (b). Four kinds of experiments were used to describe the dynamics in the whole estuary. 1) Mixing turbulence across a density interface generated by an oscillating grid inside a mixing-box. 2) The horizontal advance of a turbulent front in a stratified system with a lateral current, inside a 1 m x 1 m square box. 3) Induced circulation in the delta del Ebro slope and shelf that were performed with an experimental model in a 2 m x 4 m rectangular tank on a 5-m diameter turntable. 4) Dispersion simulations in the river plume with the OCK3D code. Experiments 1 and 2 were developed in the UPC applied physic laboratories in Barcelona, experiments 3 were performed in the SINTEF laboratories in Trondheim and numerical experiments 4 were realized in the LSEET laboratories in Toulon. The estuary under study is the delta of the del Ebro, where a stable saline wedge is present the greater part of the year, driven by the river flow. A field campaign was carried out to observe a complete large stable saline wedge during the month of July of 1997. Additionally, to obtain the physical descriptors, cruises were made on 5 April, 1998, 12 July and 5 October, 1999 and 5 February, 2000 to observe several flow conditions in the river estuary. Particle tracking and optical measurements in the water column were used to study the induced length scale dynamics in the shelf and slope of the delta del Ebro. The dominant structures and scales from SAR images and numerical and laboratory simulations were compared with the field data.With the help of laboratory and field experiments and numerical simulations, qualitative criteria were suggested to determine the extent of the interface ending in a stratified water column, the different mixing characteristic zones within the estuary, and the distance of the estuary head, since elsewhere points in the estuary (including the river mouth) are obtained by means of the minimum density in the water column. Both estuary mixing and plume dynamics are driven by the local flow. In the present analysis of mixing efficiency, the phytoplankton abundance is in accord with the Reynolds number as a mixing descriptor.