El objetivo de este trabajo es el estudio de la estructura elástica y anelástica del sistema litosfera-astenosfera de la cuenca del mar Mediterráneo, a partir del análisis de la propagación y la atenuación de las ondas superficiales de Rayleigh. Se han analizado más de 500 sismogramas correspondientes tanto a terremotos regionales como a telesismos. La aplicación a las señales sísmicas de diversas técnicas de filtrado permite obtener los valores aparentes de las velocidades de grupo y de los coeficientes de atenuación del modo fundamental de las ondas de Rayleigh a lo largo de las trayectorias sísmicas consideradas.Estos valores constituyen el conjunto de datos experimentales en los que se basa la investigación de la estructura elástica y anelástica. El estudio de la estructura elástica incluye el cálculo de velocidades de grupo locales, una regionalización objetiva de la cuenca mediterránea mediante algoritmos de clustering y la realización de una tomografía, a partir de la inversión estocástica de las velocidades de grupo locales. En el caso de la estructura anelástica, el menor volumen de datos ha aconsejado un estudio basado en la inversión de las curvas de atenuación aparente.Los resultados obtenidos reflejan notables diferencias estructurales entre los sectores oriental y occidental del Mediterráneo, especialmente significativas en los primeros 35 km, aunque son patentes hasta unos 50-60 km de profundidad. En estas primeras decenas de kilómetros, buena parte del Mediterráneo oriental viene caracterizada por anomalías negativas de la velocidad de cizalla y elevadas atenuaciones, mientras que el área entre las penínsulas Italiana e Ibérica presenta las velocidades de cizalla más altas y menores atenuaciones, lo que da cuenta, en general, de un menor espesor de la corteza en las cuencas del Mediterráneo occidental.

La gestió sostenible dels ecosistemes marins requereix d'un millor coneixement de la distribució de certs paràmetres ecològics com les comunitats de fitoplàncton, inclosos aquells grups algals causants d'afloraments. La caracterització acurada dels patrons espacio-temporals de la biodiversitat del fitoplàncton és essencial per tal d'avaluar el paper de cada grup algal en l'ecosistema global marí i els cicles biogeoquímics. En l'intent d'abordar aquesta qüestió, observacions espectromètriques adquirides in situ i per teledetecció han demostrat proporcionar informació valuosa sobre la distribució de diversos components òpticament actius presents a l'aigua de mar, tant a escala local com global, i en particular, sobre l'estructura de les comunitats fitoplanctòniques. En aquest sentit, l'aparició de sensors òptics d'alta resolució espectral (hiperespectrals) ha augmentat les expectatives per discriminar la composició de les comunitats de fitoplàncton, permetent anar més enllà de l'estimació del pigment primari del fitoplàncton, la clorofil·la-a, utilitzat convencionalment com un indicador global de la biomassa i la producció primària de fitoplàncton ja que és un pigment comú a tots els grups taxonòmics. Aquesta tesi doctoral s'ha dut a terme amb l'objectiu de millorar la nostra capacitat d'extraure informació sobre l'estructura de les comunitats de fitoplàncton en l'oceà, mitjançant el desenvolupament i avaluació d'una nova aproximació basada en l'anàlisi de dades hiperespectrals. En particular, s'ha proposat una tècnica de classificació, on s'examinen les dissimilituds entre les signatures hiperespectrals de cada mostra d'aigua, i que ha estat aplicada en combinació amb l'espectroscopia derivativa, tècnica amb la qual s'exploren les característiques de la forma de l'espectre analitzat. Com a novetat, es proposa també una eina de validació per demostrar l'eficàcia d'aquesta nova tècnica de classificació. En el procés de validació es demostra que les classificacions obtingudes amb les dades òptiques i la metodologia proposada són molt semblants a les obtingudes amb dades basades en l'anàlisi de la composició pigmentària (utilitzant un cromatògraf líquid d'alta resolució, HPLC), tècnica habitualment utilitzada per la comunitat científica com a indicador de la composició de fitoplàncton. La viabilitat d'aquesta metodologia ha estat demostrada inicialment utilitzant una aproximació basada en simulacions, on la distribució del fitoplàncton està predeterminada i on s'han generat diferents escenaris lumínics d'aigües en mar obert i costaneres mitjançant un model de transferència radiativa. Per altra banda, escenaris reals de mar obert corresponents a diferents estacions en l'oceà Atlàntic han estat classificats satisfactòriament mitjançant les tècniques proposades, aplicades a dades hiperespectrals incloent espectres d'absorció i reflectància, així com els seus espectres derivats. Aquesta classificació ha servit per identificar una aplicació potencial de la metodologia proposada: l'establiment de diferents províncies bio-òptiques a partir de l'anàlisi de mesures hiperespectrals oceanogràfiques, donant lloc a l'examen de la seva rellevància biogeogràfica en comparació amb províncies ecològiques proposades prèviament en la literatura. Aquesta tesi conclou amb la confirmació de la hipòtesi principal: una millor discriminació de l'estructura i dinàmica de les comunitats de fitoplàncton és possible mitjançant l'ús d'observacions hiperespectrals oceanogràfiques. Cal destacar que l'aproximació proposada és en general aplicable a diferents conjunts de dades, més enllà de la composició pigmentària o dades òptiques obtingudes in situ també a dades obtingudes per teledetecció, dades biogeoquímiques i altres paràmetres hidrogràfics. / Sustainable management of marine ecosystems requires a better knowledge about the space-time distribution and dynamics of ecological parameters such as phytoplankton communities, including critical bloom-forming algal groups. Better understanding of phytoplankton biodiversity and dynamics is essential in evaluating the role of each algal group in the global marine ecosystem and biogeochemical cycles. In attempting to address this question, in situ and remotely-sensed spectrometric optical observations have demonstrated to provide previously unavailable information regarding several optically active constituents in seawater at local and global scales, in particular, regarding phytoplankton community structure. In this sense, the advent of high spectral resolution (hyperspectral) optical sensors have raised new expectations about the possibilities of discriminating phytoplankton community composition in the ocean, beyond the estimation of only the primary pigment in phytoplankton, chlorophyll-a, a proxy for the phytoplankton biomass and primary production since it is common to all taxonomic groups. This PhD thesis has been carried out with the aim of improving our ability to extract information regarding phytoplankton community structure in the ocean by developing and evaluating a novel approach based on hyperspectral data analysis. In particular, a dissimilarity-based cluster technique, which accounts for complete spectral behaviour of hyperspectral data of each seawater sample, has been applied in combination with derivative spectroscopy, which exploits the spectral shape features of each analyzed spectrum. As a novelty, a validating tool has been proposed and proven useful to illustrate the effectiveness of the optical-based classification for discriminating different phytoplankton assemblages. This novel validation approach is based on the pigment composition analyzed in conjunction with concurrently obtained optical data, information which has been commonly used by the scientific community as a proxy for the phytoplankton composition. The feasibility of this methodology has initially been demonstrated using a simulation-based approach, i. e. using a radiative transfer modeling framework for open ocean and shallow coastal environments. In addition, different real open ocean environments corresponding to several stations in the eastern Atlantic Ocean have successfully been classified by applying the cluster analysis to different hyperspectral data sets including absorption and remote-sensing reflectance spectra and their second derivative spectra. This classification has served to identify a potential application of the proposed methodology: the establishment of different bio-optical provinces from the analysis of hyperspectral oceanographic observations, leading to examination of its biogeographical relevance by comparison to ecological provinces previously proposed in the literature. This thesis concludes by confirming the main hypothesis that discrimination of phytoplankton community structure and dynamics in the ocean can be enhanced while using hyperspectral oceanographic observations. It is noteworthy that the proposed approach is generally applicable to different data sets, besides in-situ pigment or optical data data also to remotely-sensed, biogeochemical or hydrographic data sets.

This thesis studies diffusion phenomena in heterogeneous media, which includes Darcy flow and diffusive solute transport in geological media. Natural media are heterogeneous at different scales, which induces complexity in diffusion phenomena. The work is centered on the integration of the effects of heterogeneity on Darcy flow and solute diffusion into large scale models. The quantification of the effects of heterogeneity in diffusion phenomena is highly important for a large number of problems such as diffusion and reaction of chemicals and radionuclides in low permeability media, which is essential in subsurface hazardous waste storage problems, CO2 sequestration performance and groundwater management. In a stochastic framework we quantify the effects of heterogeneity in large scale models considering two interrelated strategies that can be called Ôcoefficient approachÕ, which deals with the derivation of effective coefficients to insert in equivalent homogeneous models, and Ôdynamic approachÕ, which deals with the upscaling of the local scale equations and the derivation of large scale formulations which can differ from their local counterparts. Whenever a diffusion process cannot be described in terms of effective coefficient, that behaviour is named anomalous or non-Fickian. Anomalous diffusion behaviours observed experimentally are frequently modelled by effective theories such as fractional diffusion equations, continuous time random walks. One limitation of these models is that often they are rather phenomenological and the relation to the local scale heterogeneity and dynamics may not be clear. In the dynamic approach we derive large scale descriptions that can explain anomalous behaviour and link it with a description of the local scale medium heterogeneity. To this end, we upscale the local scale governing equations using different methods depending on the type of medium heterogeneity. For moderately heterogeneous media we upscale flow equation by stochastic averaging. Starting from the classical flow equation at local scale determined by Darcy's law, we derive an upscaled non-local effective formulation. The non-local effective formulation is compared with its local counterpart by considering the head response for a pulse injection. Numerically, we solve flow and diffusion in heterogeneous media using particle tracking methods. While classical random walk particle tracking is an efficient numerical tool to solve for diffusion problems in moderately heterogeneous media, strong medium contrasts, as encountered in fractured media, render this method inefficient. For highly heterogeneous media efficiency of classical random walk can be increased by the use of the time domain random walk (TDRW) method. We rigorously derive the equivalence of the TDRW algorithm and the diffusion equation and we extend the classical TDRW method to solve diffusion problem in a heterogeneous medium with multi-rate mass transfer properties. Moreover we use the TDRW method in connection with a stochastic model for the heterogeneity in order to upscale heterogeneous diffusion processes. For a certain class of heterogeneity, the upscaled dynamics obey a CTRW. Analytically we upscale diffusion in highly heterogeneous media by using a multicontinuum representation of the media. Using volume and ensemble averaging we derive a multicontinuum model that can explain anomalous diffusion behavior and link it with a suitable local scale description of the medium heterogeneity. Finally, we integrate the multicontinuum model derived in the context of aquifer modelling. We derive a multicontinuum catchment model that can explain anomalous behavior observed in the aquifer dynamics at basin scale. We identify the physical mechanisms that induce anomalous behaviour and we determine the time scales that control its temporal evolution.

Mediante el análisis estadístico y utilizando diversas técnicas fractales en esta tesis se estudia el comportamiento temporal y espacial de tres series de réplicas sísmicas ocurridas en el Sur de California, que tuvieron lugar después de los terremotos de Landers (Mw=7.3, 1992), Northridge (Mw=6.7, 1994) y Hector Mine (Mw=7.1, 1999) Se plantean tres objetivos principales en este trabajo: 1) Caracterizar y analizar el proceso de ocurrencia de las réplicas sísmicas, en particular el comportamiento temporal que presentan. De acuerdo con la hipótesis que proponen CORREIG et al. (1997) y MORENO et al. (2001), el análisis de este comportamiento temporal muestra que la producción de las réplicas sísmicas se puede describir como una superposición de dos procesos de relajación de los esfuerzos tectónicos. 2) Simular el comportamiento temporal de las tres series de réplicas sísmicas mediante una versión modificada del modelo del Fiber Bundle, el cual describe el proceso de ruptura de un material heterogéneo previamente fracturado, como la corteza terrestre. El análisis de las réplicas sísmicas simuladas con este modelo modificado, que se introduce en el trabajo de MORENO et al. (2001), (FBMdp), nos permitirá encontrar las similitudes y las diferencias con respecto a las series de réplicas reales. Además, nos proporcionará una interpretación y una posible relación entre la dinámica presente en el modelo y el proceso de ruptura que originan las réplicas sísmicas. 3) Analizar y caracterizar el comportamiento fractal de las tres series de réplicas sísmicas mediante dos series temporales, la de distancia, Δ, y la de tiempo, τ, entre réplicas consecutivas. Para realizar este análisis se aplican diversas técnicas fractales como el análisis de rango reescalado, el posible comportamiento de las series como fractales auto-afines y el análisis de la lacunaridad. Además, se utiliza el teorema de Reconstrucción para caracterizar la predictibilidad del sistema y su posible comportamiento caótico. El análisis fractal que se aplica a estas dos series, Δ y τ, se repite para diferentes valores de magnitud umbral, para poder interpretar la influencia que tiene este parámetro en los resultados. De las diversas conclusiones que se obtienen en este estudio, a modo de resumen, se destacan los siguientes: 1) A partir del análisis de la cinemática que presenta la producción de las réplicas sísmicas, se detecta una superposición de dos procesos de relajación del esfuerzo tectónico. El primer proceso describe el decaimiento temporal a largo plazo de las réplicas sísmicas, el cual queda bien descrito por la ley de Omori Modificada, OM. Las réplicas sísmicas que satisfacen este proceso se les denomina leading aftershocks. El segundo proceso describe que existen episodios de réplicas que se producen a un ritmo mayor, alejándose del comportamiento descrito por la ley de OM. Las réplicas sísmicas que se producen de forma súbita se les denominan cascades. El gran número de réplicas que tienen las tres series sísmicas (LND, HM y NOR) permite que, a diferencia de los trabajos de CORREIG et al. (1997) y MORENO et al. (2001), se puedan realizar más análisis estadísticos y aplicar más técnicas fractales a las cascades. De los resultados que se desprenden de estos análisis se concluye que las cascades muestran características destacables y comunes a las tres series de réplicas sísmicas. 2) El FBMdp es un modelo adecuado para describir el proceso de producción de las réplicas sísmicas. La comparación que se realiza entre las series de réplicas simuladas y las series reales muestra que las simulaciones permiten reproducir las características principales que se observan en las secuencias empíricas, en particular, el comportamiento temporal que indica un doble proceso de relajación de los esfuerzos tectónicos. En base a la similitud de las series de réplicas simuladas con las reales, es posible relacionar la dinámica intrínseca de este modelo con el proceso físico subyacente a la producción de las réplicas sísmicas. Por ejemplo, es posible interpretar el fenómeno de las cascades, que se observan en las secuencias de réplicas sísmicas reales y en las simuladas, en base a las características que presentan los sistemas de auto-organización críticos, SOC (self-organized criticality). Cabe mencionar que algunas características de la sismicidad no se pueden reproducir con este modelo, como por ejemplo, la magnitud de las réplicas sísmicas. Es por esto que algunas leyes clásicas como la ley de Gutenberg-Richter o la ley de Båth no se pueden verificar con este modelo. 3) El análisis fractal que se realiza a las series de distancia, Δ, y de tiempo, τ, entre réplicas consecutivas proporciona múltiples resultados. A modo de resumen, se destaca que las series de Δ presentan una ligera persistencia temporal, ya que el exponente de Hurst es ligeramente superior a 0.5. Esta característica es independiente de la magnitud umbral que se utilice. Además las series de Δ se pueden describir como un fractal auto afín del tipo filtered fractional gaussian noise. El teorema de reconstrucción indica que las series de Δ muestran un comportamiento complejo y caótico con una alta inestabilidad predictiva debido a la aleatoriedad que se observa en el mecanismo dinámico. También es interesante destacar que la distribución estadística de la series de Δ muestran que, independientemente de la magnitud mínima de análisis que se utilice, todas quedan bien descritas por una única función de distribución acumulada que es la de Pareto Generalizada. El análisis fractal que se realiza a las series de τ muestra resultados destacables, en particular, cuando se realiza la comparación entre las series de τ y algunas series de tiempo teóricas, τteo, las cuales obedecen estrictamente la ley de OM. Esta comparación pone en evidencia que el comportamiento de las series de τ está alterado por la presencia de las cascades. Por lo tanto, se reafirma la hipótesis que indica que, aunque la ley de Omori Modificada describe el proceso general de decaimiento de las réplicas sísmicas, existe otro proceso físico simultáneo que da pie a que ocurran aceleraciones súbitas en la producción de algunas réplicas sísmicas. / In this PhD thesis we are interested in the time and spatial behavior of seismic aftershock sequences. Through statistical analyses and several fractal techniques we intend to analyze three aftershocks sequences occurred at Southern California, after the Landers (Mw = 7.3, 1992), Northridge (Mw = 6.7, 1994) and Hector Mine (Mw = 7.1, 1999) mainshocks. There are three main objectives in this thesis: 1) To characterize and analyze the process of occurrence of aftershocks, particularly the time behavior they exhibit. 2) To simulate the time behavior of the three aftershocks series through a modified version of the Fiber Bundle model, describing the rupture process in heterogeneous and fractured materials, like the Earth crust. 3) To analyze and characterize the fractal behavior of the three aftershock series through two time series, the elapsed distance, ¿, and the elapsed time, t, between consecutive aftershocks. As a summary, the main conclusions are listed below: 1) The kinematic analysis of the aftershock sequences shows a superposition of two different processes of tectonic stress release. The first process describes a long-term time decay of aftershocks, which is well described by the modified Omori law, MO. The aftershocks that satisfy this process are called leading aftershocks. The second process describes the aftershock production at a higher rate, which departs from the behavior described by MO law. These groups of seismic aftershocks are called cascades. Unlike the study by CORREIG et al. (1997) and MORENO et al. (2001), the much larger number of aftershocks belonging to the three sequences (LND, HM and NOR) allows the implementation of additional statistical analyses and fractal techniques to the cascades. The results derived from these analyses lead to conclude that cascades show remarkable features common to the three aftershock series. 2) The FBMdp is a suitable model to describe the process of aftershock generation. The comparison between simulated and real aftershock sequences shows that this model can reproduce features observed in aftershock sequences, in particular, the time behavior suggesting a double process of tectonic stress release. The similarity of simulated and real aftershock sequences make possible to relate the intrinsic model dynamics with the physical process leading the aftershock generation. For example, it is possible to interpret the phenomenon of cascades, which are observed in the simulated and real aftershocks sequences, in the theoretical framework of the self-organized critical (SOC) systems. 3) The fractal analyses applied to the elapsed distances, ¿, and time, t, series show different results. As a summary, it can be noted that the series of ¿ depict slight time persistence as the Hurst exponent is slightly higher than 0.5. This feature is independent of the magnitude threshold. Furthermore, the series of ¿ may be described as a self affine fractal, in particular, as a fractional filtered gaussian noise. The reconstruction theorem states that the ¿ series are complex and show a chaotic behavior with high predictive instability due to randomness in the observed dynamic mechanism. Independently of the minimum magnitude used in the analysis, the statistical distribution of all ¿ series is well described by the Generalized Pareto cumulative distribution function. The fractal analyses were applied to t series and also to some theoretical elapsed time series, tteo, fully satisfying the MO law. Remarkable differences are found between the empirical, t, and theoretical, tteo, series. These differences support that the empirical t series are perturbed by the presence of the cascades. Therefore, the hypothesis that, although Modified Omori law describes the general process of aftershock decay, it is confirmed the existence of another physical process leading to sudden accelerations in the aftershock generation.

Los daños por terremotos en edificios y sistemas esenciales han motivado la definición de estándares de comportamiento de estas instalaciones, buscando reducir las pérdidas económicas y la pérdida de funcionalidad. Varias iniciativas nacionales y regionales han sugerido procedimientos para la evaluación del comportamiento y fragilidad de los edificios. Estos avances han dado soporte para la gestión de programas nacionales y regionales para la reducción de la vulnerabilidad de instalaciones esenciales, en los cuales se debe decidir entre ejecutar obras de reforzamiento o bien, renovar la infraestructura. En este trabajo se adoptan y presentan metodologías para evaluar la seguridad y riesgo sísmico, así como la factibilidad de las actividades de reducción de pérdidas, con el fin de priorizar el análisis detallado y orientar programas de reducción de la vulnerabilidad sísmica de edificios y sistemas esenciales. Estos procedimientos se aplican en diferentes casos de estudio, a escala local, regional, nacional y supranacional, realizando evaluaciones sobre centros educativos y centros de salud, entre otros edificios de importancia especial. Respecto a la evaluación de la seguridad sísmica de los edificios esenciales, se adopta un método simplificado basado en espectros de capacidad, propuesto en el proyecto RISK UE para evaluar su comportamiento y calificar su seguridad de acuerdo a los estándares sugeridos por el Comité VISION 2000. Para este análisis, los edificios se clasifican en tipologías estructurales para las cuales se conocen espectros de capacidad. Para estimar la acción sísmica (en roca firme), se adaptan espectros de amenaza uniforme a las formas espectrales del Eurocódigo 8. Para evaluar la acción sísmica en superficie, se emplean espectros de respuesta para diferentes tipos de suelo, de acuerdo a los resultados de estudios de mesozonación sísmica. A partir de la evaluación del comportamiento y daño esperado de los edificios, se presentan alternativas para evaluar las pérdidas económicas, índices de funcionalidad, así como estimaciones del tiempo de recuperación, que permiten identificar las instalaciones más críticas. Estos procedimientos se aplican a edificios esenciales de Cataluña (España), considerando periodos de retorno de 475 y 975 años. A escala local, esta metodología se aplica a los edificios esenciales ubicados en la Comarca de Val d’Arán. Este análisis permite evaluar su seguridad y priorizarlos según los daños esperados. De estos resultados se encuentra que cerca del 70% de los edificios son operacionales para periodos de retorno de 475 años. Para periodos de retorno de 975 años, son menos del 10% los edificios no cumplen con el nivel de comportamiento de seguridad de la vida. En cuanto a los daños esperados, el promedio de las instalaciones, para un periodo de retorno de 475 años, tienen un índice de pérdida económica del 25%. En cuanto a su funcionalidad, se observa que cerca del 50% tienen un índice de funcionalidad menor a 0.5. A escala regional, el mismo procedimiento se aplica para evaluar la seguridad de un conjunto de centros educativos de Cataluña, compuesto por instalaciones ubicadas en la Comarca de Val d’Aran, en la Provincia de Girona, así como edificios construidos con sistemas industrializados, la mayoría situados en la Provincia de Barcelona. Del total de centros analizados, para un periodo de retorno de 475 años, son menos del 5% las instalaciones que no cumplen con el nivel de comportamiento operacional. Para un periodo de retorno de 975 años, todos los centros educativos cumplen con el requisito de seguridad de la vida. El promedio de la pérdida económica de los centros de Girona se encuentra entre el 15% y el 20%. El promedio de la pérdida económica del conjunto de edificios industrializados es inferior al 5%. Para los centros educativos de de Val d’Aran, el promedio de la pérdida económica es del 25%. En forma similar, se desarrolla una evaluación de la seguridad de un conjunto de hospitales públicos de Cataluña. Para eventos de periodo de retorno de 475 años, cerca del 16% no cumplen el nivel de comportamiento operacional. Para eventos de periodo de retorno de 975 años, todos los hospitales cumplen con el requisito de seguridad de la vida. Además de la evaluación del comportamiento, se estiman índices de pérdida económica, de funcionalidad y se propone un Índice de Vulnerabilidad de Hospitales que incluye aspectos estructurales, no estructurales y de capacidad de respuesta a emergencias. Como complemento a la verificación de estándares de seguridad, en este trabajo se adoptan metodologías para la estimación de pérdidas esperadas ante un conjunto de eventos potencialmente dañinos, descritos por su magnitud y tasa de recurrencia. Dichos eventos se generan de acuerdo a la sismicidad de la zona de estudio. Para cada evento se evalúan las aceleraciones espectrales correspondientes al lugar donde se hallan las instalaciones empleando leyes de atenuación. Los edificios se clasifican en tipologías estructurales para las cuales se desarrollan curvas de vulnerabilidad. Dichas curvas relacionan la pérdida esperada y su desviación estándar con la aceleración espectral. Bajo este análisis es posible estimar la pérdida máxima probable para eventos de diferentes periodos de retorno, así como la pérdida anual esperada. Esta metodología se aplica a escala supranacional para evaluar relaciones de beneficio-costo de la reducción del riesgo sísmico en el área construida de centros educativos públicos de países de América Latina. Este análisis se centra en las pérdidas económicas y permite identificar los países en los cuales resulta viable la intervención estructural. Estos resultados se comparan con índices de progreso del sector educativo y de inversión pública en educación, con el fin de identificar los países en los cuales, los daños en la infraestructura escolar representan altos costos de oportunidad y pueden afectar el cumplimiento de los objetivos y metas en educación. Para la gestión de la seguridad de los edificios y sistemas esenciales, además de la estimación de las pérdidas económicas, es de interés evaluar las pérdidas asociadas a la interrupción del servicio durante terremotos, así como los impactos del desastre. Para el primer caso, se desarrolla un modelo para evaluar la respuesta de los hospitales durante eventos sísmicos. En este modelo se estiman el número de pacientes ingresados, en espera y no tratados oportunamente en un conjunto de hospitales. Este análisis se desarrolla para el conjunto de hospitales públicos de Cataluña para periodos de retorno de 475 y 975 años, así como para un conjunto de eventos generados de acuerdo a la peligrosidad sísmica de la región de estudio. De este análisis se encuentra que los hospitales con comportamiento crítico son aquellos ubicados en las zonas de mayor densidad de población y de mayor peligrosidad sísmica, en las cuales se espera que ocurran más heridos y que los hospitales puedan tener mayores daños. Para periodos de retorno de 475 años, el porcentaje de heridos no tratados oportunamente en el sistema puede llegar a ser del 8% y del 25% para periodos de retorno de 975 años. Para evaluar el impacto socioeconómico de los daños por terremotos en edificios esenciales, en este trabajo se adoptan metodologías para estimar los efectos sobre la población asociados a la reducción del funcionamiento de las instalaciones luego de eventos sísmicos. Estos procedimientos se aplican a un conjunto de hospitales públicos de Cataluña, con el fin de evaluar la reducción en la producción de salud, teniendo en cuenta diferentes escenarios de daños. La producción de salud se considera como el resultado de los servicios médicos ofrecidos con la infraestructura y recursos hospitalarios disponibles, los cuales influyen en la salud de la población. La producción de salud se mide en términos de la tasa de mortalidad (número de personas fallecidas anualmente por cada mil habitantes). De esta manera, una reducción en la producción de salud está relacionada con aumentos en la tasa de mortalidad. En el modelo adoptado, la producción de salud se relaciona con indicadores de los recursos sanitarios como el número de camas, personal médico y el diagnóstico de pacientes empleando nuevas tecnologías. De los resultados de este análisis se encuentra que, para escenarios de periodo de retorno de 475, la reducción en la producción de salud está relacionada con incrementos en la tasa de mortalidad de 0.84 muertos por cada mil habitantes. Dicho incremento es de de 1.14 para periodos de retorno de 975 años. Las metodologías propuestas y los resultados obtenidos son útiles para evaluar la importancia de la seguridad sísmica de los edificios y sistemas esenciales. Además de la verificación de los estándares de seguridad, los índices de pérdida económica, de funcionalidad, el análisis de respuesta ante emergencias y los impactos luego del desastre permiten identificar los beneficios de la reducción de la fragilidad de las instalaciones, dando soporte a programas de mitigación del riesgo. / In this thesis, several methods to evaluate the seismic safety and seismic risk of essential and special buildings and systems are developed and applied. Those procedures are applied to case studies. Concerning the safety analysis, the seismic action is defined by means of response spectra which are defined according to the spectral shapes proposed In Euro-code EC 08. The soils effects are taken into account using the results of a seismic mesozonation study; buildings are defined by means of their bilinear capacity spectra but they are grouped ac-cording to simplified structural typologies. The expected damage is then estimated by means of a capacity spec-trum based method. Finally, the buildings safety is evaluated comparing the expected damage grades and the levels of seismic performance proposed by the Vision 2000 Committee. In the proposed method expected economic losses, residual functionality and recovery time periods also can be estimated. The obtained results allow identifying the buildings with worse seismic performance and can be useful for prioritizing vulnerability and risk reduction measures. The seismic safety study has been applied at local and regional scales. At local scale the buildings of special importance in the municipalities of Val d¿Aran (Spain) has been analyzed; at regional scale the methods are applied to a set of schools and public hospitals of Catalonia (Spain). Moreover well-known methods for seismic risk assessment were used to estimate expected losses in essential facilities when they are exposed to a set of potential harmful seismic events, which are defined by their magnitudes and recurrence rates. Then stochastic techniques are used to generate a family of such events according to the seismicity of the region of interest. For each event and for each building, the spectral accelerations at the site of the building are estimated by using seismological models linking magnitudes and spectral amplitudes and attenuation laws. Then, for each building typology, curves relating the expected economic losses and the spectral acceleration are developed. The method also allows estimating the corresponding standard deviations. The method can be applied before and after of hypothetical measures for reducing the vulnerability and seismic risk. Therefore, on this basis it is possible to estimate annual average losses according to the seismic hazard of the studied region. This procedure has been applied, at national and supranational scale, to obtain appraisals of the benefit-cost ratios of seismic risk reduction actions in schools in countries of Latin America. An added value of this thesis comes from the methods for assessing also the expected indirect losses associated to the disruption of essential and special facilities during earthquakes, as well as those related to the socioeconomic impacts of the disaster. In this context, a model was developed that allows evaluating the whole performance of a hospital network during seismic events. The method is based on the assessment, for each event, of the numbers of inpatients, injured people in waiting list and injured people not receiving treatment opportunely. The method also allows obtaining quantitative estimates of the expected reduction in the assistance of the health of the population. The methods and techniques proposed and used in this thesis, as well as the results obtained in specific case stud-ies, are useful for evaluating the actual seismic safety of essential facilities. Besides, the verification of the levels of performance, the assessment of indices of economic losses and of residual functionality, the analysis of the response, capacity and resilience to face emergencies and the detailed study of the impacts of the disasters, allow identifying the benefits of activities oriented to the reduction of the seismic vulnerability and risk, even in low to moderate seismic hazard areas.

Due to the exponential grown of the population within the last decades, the landslide hazard assessment of earthflows and rockfalls and their hazard mapping have become an essential tool for the territory management, mostly in mountainous areas. The landslide hazard was defined as the probability of occurrence of a potentially damaging phenomenon in a certain area and within a given period of time. Thus, the probability of occurrence (or frequency) for each type of landslide and magnitude must be known. The aim of this research is to develop an objective, quantitative and reproducible methodology to obtain the magnitude-frequency relations for medium and large size earthflows and rockfalls. This procedure has been set up in the Barcedana Valley and Montsec Range for large earthflows and rockfalls, respectively. Both study areas are located within the Tremp Basin (Eastern Pyrenees). Concerning the earthflows, they have been split between 1) reactivations and 2) intact slopes. The frequency of the reactivations has been obtained by analysing 11 sets of orthophotos covering a period from 1956 to 2013. The magnitude has been calculated as the area of the landslides obtained from the landslide mapping and from the orthophotos. The resulting magnitude-frequency relation for reactivations has been used to derive the probability of landslide reactivation for a given volume. It has been compared with probability of landslide reactivation obtained from the rainfall threshold responsible for the reactivation of 4-large landslides located within the Tremp Basin as well. The reactivation date has been estimated by means of dendrogeomorphology and the rainfall threshold has been determined by means of ROC analysis. The susceptibility of first-time slope failures have been obtained using a deterministic model named SINMAP. The frequency for each susceptibility class has been calculated using the inventory of first-time failures identified in the field and by means of orthophotos. An algorithm to obtain the area of the earthflows larger than the pixel size has been developed through an automatic aggregation of pixels located within the same slope and having the same susceptibility class. The obtained magnitude-frequency relation of first-time failures has been compared with the one obtained from the mapped first-time failures. Finally, the magnitude-frequency matrix for hazard mapping of intact slopes has been defined. Concerning the rockfalls, a methodology to obtain the rockfall scar size distribution of a cliff has been defined. It has been assumed the rockfall scar volumes as proxy for the rockfall volumes. In that case, the distribution of rockfall scars has been calculated using a high resolution point cloud of the rockwall obtained by a terrestrial laser scanner and following. Several volume distributions have been calculated to take into account the different detachment mechanisms and the consequent range of detached volumes. Finally, a procedure has been developed to convert form statistical frequency (% of scar volumes), calculated in the previous step, to temporal frequency (annual number of the scar volumes). To this, the total volume of material lost has been computed using the afore-mentioned point cloud. The elapsed time within the total volume has been removed has been estimated by dating the initial surface, from which the current rockfall activity started, by means of terrestrial cosmogenic nuclide, 36Cl. / Degut al creixement exponencial de la població durant les últimes dècades, l’avaluació de la perillositat de colades de terra i despreniments i la seva zonificació han esdevingut eines fonamentals pel que fa a la planificació del territori, sobretot en zones muntanyoses. La perillositat degut a fenòmens de vessant va ser definida com la probabilitat d’ocurrència d’un fenomen potencialment danyí en una determinada àrea i per un determinat període de temps. D’aquesta manera, és necessari conèixer la probabilitat d’ocurrència (o freqüència) per cada tipus d’esllavissada i magnitud. L’objectiu d’aquesta tesis és el desenvolupament d’una metodologia objectiva, quantitativa i reproduïble que permeti l’obtenció de les relacions magnitud-freqüència per colades de terra, de mida mitja i gran i per despreniments. Aquest procediment s’ha aplicat a la Vall de Barcedana i la Serra del Montsec per grans colades de terra i despreniments, respectivament. Les dues àrees d’estudi estan situades dins de la Conca de Tremp (Pirineu Oriental). Pel que fa a les colades de terra, s’ha distingit entre 1) reactivacions i 2) vessants intactes. La freqüència de les reactivacions s’ha obtingut a partir de l’anàlisi d’11 grups d’ortofotos que cobreixen des del 1956 al 2013. La magnitud s’ha calculat com l’àrea de les trencades mitjançant la cartografia d’esllavissades i les ortofotos. La relació magnitud-freqüència resultant de les reactivacions ha servit per obtenir la probabilitat de reactivació per un determinat volum. Aquesta ha estat comparada amb la probabilitat de reactivació determinada a partir dels llindars de pluja que han donat lloc a la reactivació de 4 grans esllavissades, també situades dins la Conca de Tremp. Les dates de reactivació han estat aproximades mitjançant la dendrogeomorfologia i els llindars s’han determinat mitjançant l’anàlisi ROC. La susceptibilitat de les primeres trenades s’ha obtingut mitjançant un model determinista anomenat SINMAP. La freqüència per cada classe de susceptibilitat s’ha calculat mitjançant un inventari de primeres trencades identificades al camp i a través d’ortofotos. S’ha desenvolupat un algoritme per tal d’obtenir l’àrea de les colades de terra més grans que la mida del píxel a través de l’agregació automàtic de píxels situats en un mateix vessant i que presenten una mateix classe de susceptibilitat. Finalment, s’ha definit la matriu magnitudfreqüència per la zonificació de la perillositat dels vessants intactes. Pel que fa als despreniments, s’ha definit una metodologia per obtenir la distribució de volums de cicatrius de despreniments d’un penya-segat. S’ha assumit que els volums de cicatrius de despreniments poden ser una primera aproximació dels volum de despreniments. En aquest cas, la distribució de les cicatrius de despreniments s’ha calculat utilitzant un núvol de punts d’alta resolució de la paret obtingut amb un LIDAR terrestre. S’han calculat vàries distribucions de volums per tal de tenir en compte els diferents mecanismes de despreniment i el conseqüent rang de volums despresos. Finalment, s’ha proposat una metodologia per tal de convertir la freqüència estadística (% de volums de cicatrius), calculada en el pas anterior, a freqüència temporal (número anual de volums de cicatrius). Per això, el volum total de material desprès s’ha calculat mitjançant el núvol de punts, mencionat anteriorment. El període de temps durant el qual s’ha desprès tot el volum de material s’ha estimat mitjançant la datació de la superfície inicial a partir de la qual va començar l’actual activitat de despreniments. Aquesta datació s’ha fet mitjançant l’isòtop cosmogenic, 36Cl. / Debido al crecimiento exponencial de la población durante las últimas décadas, la evaluación de la peligrosidad de coladas de tierra y desprendimientos i su zonificación se ha convertido en herramientas indispensables para la planificación del territorio, sobretodo en zonas montañosas. La peligrosidad debido a fenómenos de vertiente fue definida como la probabilidad de ocurrencia de un fenómeno potencialmente dañino en una determinada área y en un determinado período de tiempo. Así, es necesario conocer la probabilidad de ocurrencia (o frecuencia) para cada tipo de deslizamiento y magnitud. El objetivo de esta tesis es el desarrollo de una metodología objetiva, cuantitativa y reproducible que permita la obtención de las relaciones magnitud-frecuencia para coladas de tierra, de tamaño medio y grande y para desprendimientos. Este procedimiento se ha aplicado en Valle de Barcedana y en la Sierra del Montsec para grandes coladas de tierra y desprendimientos, respectivamente. Las dos áreas de estudio están situadas dentro de la Cuenca de Tremp (Pirineo Oriental). En cuanto a las coladas de tierra, se ha distinguido entre 1) reactivaciones y 2) vertientes intactos. La frecuencia de las reactivaciones se ha obtenido a partir del análisis de 11 grupos de ortofotos que engloban des del 1956 hasta el 2013. La magnitud se ha calculado como el área de las roturas mediante la cartografía de deslizamientos y ortofotos. La relación magnitud-frecuencia de las reactivaciones ha permitido obtener la probabilidad de reactivación per un determinado volumen. Esta ha sido comparada con la probabilidad de reactivación determinada a partir de los umbrales de lluvia que han dado lugar a la reactivación de 4 grandes deslizamientos, también situados dentro de la Cuenca de Tremp. Las fechas de reactivación han sido aproximadas mediante la dendrogeomorfología y los umbrales se han determinado mediante el análisis ROC. La susceptibilidad de las primeras roturas se ha obtenido mediante un modelo determinista llamado SINMAP. La frecuencia para cada clase de susceptibilidad se ha calculado mediante un inventario de primeras roturas identificadas en el campo y a través de ortofotos. Se ha desarrollado un algoritmo para obtener el área de las coladas de tierra más grandes que el tamaño del píxel a través de la agregación automática de píxeles situados en una misma vertiente y que presentan una misma clase de susceptibilidad. Finalmente, se ha definido la matriz magnitud-frecuencia para la zonificación de la peligrosidad de las vertientes intactas. En lo que concierne a los desprendimientos, se ha definido una metodología para obtener la distribución de volúmenes de cicatrices de desprendimientos de un acantilado. Se ha asumido que los volúmenes de cicatrices de desprendimientos pueden ser una primera aproximación de los volúmenes de desprendimientos. En este caso, la distribución de las cicatrices de desprendimientos se ha calculado utilizando una nube de puntos de alta resolución de la pared obtenida con un LIDAR terrestre. Se han calculado varias distribuciones de volúmenes para tener en cuenta los diferentes mecanismos de desprendimiento y el consecuente rango de volúmenes desprendidos. Finalmente, se ha propuesto una metodología para transformar la frecuencia estadística (% de volúmenes de cicatrices), calculada en el paso anterior, en frecuencia temporal (número anual de volúmenes de cicatrices). Para esto, el volumen de material desprendido se ha calculado mediante la susodicha nube de puntos. El período de tiempo durante el cual se ha desprendido la totalidad del volumen de material se ha estimado mediante la datación de la superficie inicial a partir de la cual empezó la actual actividad de desprendimientos. Esta datación se ha hecho mediante el isótopo cosmogénico 36Cl.

The nearshore zone is plenty of 3D morphodynamic patterns resulting from the interaction of waves, currents and sediments. The dynamics of formation and evolution of these patterns is at present a controversial point in coastal research. However, frequently nearshore zone shows a strongly persistent uniformity. In this situation, morphodynamic changes are dominated just by crossshore processes. Remarkably, although this situation displays much less morphological complexity, cross-shore beach profile morphodynamics is still a research challenge, as sediment transport, in this case, is the result of a very subtle balance between onshore and offshore directed forces that still remain unsolved. The aim of this thesis is to get more insight on the physical processes involving cross-shore beach profile evolution and how relevant are them in the nearshore zone morphodynamics. To this end, a 1D non-linear morphodynamical model for the evolution of the profile is developed to analyze some relevant aspects of cross-shore beach profile morphodynamics. The AMORFO70 model couples hydrodynamics, sediment transport and bottom changes to account for the morphodynamics feedback. The model considers the depth-integrated and wave-averaged momentum and mass conservation equations coupled with wave- and roller-energy conservation, Snell's law and the dispersion relation under the assumption of alongshore uniformity. It is well-known that the intra-wave processes, particularly the near-bottom orbital velocity and acceleration, can lead to net onshore sediment transport. The model accounts for the most novel parameterization of the near-bed intra-wave velocity, to analyze the effects of the temporal distribution of the intra-wave near-bottom velocities and accelerations on cross-shore morphodynamics. It is found that accounting for both velocity and acceleration skewness in the sediment transport is essential to properly simulate onshore sandbar migration and the entire profile evolution. Results have shown a strong spatial dependence of sediment transport along the profile, in such a way that in the shoaling zone transport is mostly driven by bed-shear stress (velocity skewness) and the breaking and inner-zone transport is dominated by pressure gradients (acceleration skewness). The accurate description of sediment transport is a key issue in morphodynamic modeling. The model has been complemented with several transport parameterizations to analyze the differences between morphodynamic predictions related to different sediment transport formulas for different sequences. Results evidenced several differences between the predicted transport rates and also between the predicted incipient bottom changes of the different sediment transport formulas. It is found that the cross-shore morphodynamic predictions depend strongly on the sediment transport formula that is used and not all of them capture the expected trends. Particularly, formulas that account directly for the effects of wave velocity and acceleration skewness lead to the best predictions, especially for accretionary sequences. A common procedure on cross-shore beach profile morphodynamic modeling is to neglect the alongshore variability. This assumption has been analyzed for the prediction of the mean profile evolution on the short-, the mid- and the long-term. It has been proven that the model is able to reproduce short- and mid-term evolution of the mean profile with substantial accuracy. Thus, considering the mean profile as the average of the evolution of individual profiles along the shoreline leads to the best results, as 'a way to account for the alongshore variability'. In the long-term it is found that, although predictions may agree with measurements, they do not capture the real morphodynamics. This stresses the relevance of analyzing the behavior of the simulated morphodynamics during long-term evolution to avoid mistakes in the interpretation of the model capabilities. / La zona costanera és plena de patrons morfodinàmics 3D que són el resultat de la interacció de l’onatge, els corrents i els sediments. La dinàmica de formació i evolució d’aquests patrons és un punt polèmic en la recerca de la dinàmica costanera. Tot sovint la zona costanera mostra una forta i persistent uniformitat longitudinal. En aquest cas, els canvis morfodinàmics són dominats pels processos transversals. Tot i que aquesta situació suposi una complexitat morfològica menor, la morfodinàmica del perfil transversal de platges és encara un repte científic, ja que, en aquest cas, el transport de sediment és el resultat d’un balanç molt subtil entre les forces onshore i offshore. L’objectiu d’aquesta tesis és obtindre una visió més clara dels processos físics involucrats en l’evolució del perfil transversal i com de importants són en la morfodinàmica costanera. Amb aquesta finalitat, s’ha desenvolupat un model morfodinàmic 1D no lineal per a l’evolució del perfil transversal per tal d’analitzar alguns aspectes importants de la morfodinàmica del perfil. El model AMORFO70 acobla la hidrodinàmica, el transport de sediments i els canvis de fons per tal de tenir en compte el feedback morfodinàmic. El model compta amb les equacions de conservació de massa i de moment integrades en el temps i en la vertical, acoblades amb les equacions de conservació d’energia de l’onatge i dels rollers, la llei d’Snell i la relació de dispersió tot suposant uniformitat longitudinal. Els processos entre-ona, i en particular la velocitat i l’acceleració orbitals a prop del fons, poden conduir al transport de sediments cap a terra. El model compta amb una nova parametrització de la velocitat a prop del fons per tal d’analitzar l’efecte de la distribució temporal de les velocitats i acceleracions a prop del fons en la morfodinàmica del perfil. S’ha provat que comptar amb l’skewness de la velocitat i de l’acceleració en el càlcul del transport és essencial per simular correctament la migració cap a terra de les barres de sorra i de l’evolució de tot el perfil. Els resultats mostren una forta dependència espacial del transport al llarg del perfil, de tal manera que a la zona de shoaling el transport és induït per esforços tallants (skewness de velocitats) i que la zona de rompents i de surf està dominada pels gradients de pressió (skewness d’acceleracions). La descripció precisa del transport de sediments és clau en la modelització morfodinàmica. El model inclou múltiples fórmules del transport per tal d’analitzar les diferències en les prediccions morfodinàmiques de cadascuna d’elles per diferents seqüències. Els resultats evidencien moltes diferències entre els valors de transport i també entre els canvis de fons incipients predits per les diferents fórmules. S’ha provat que les prediccions de l’evolució del perfil de penen de la formula de transport emprada i que aquestes prediccions no sempre segueixen les tendències esperades. En particular, les fórmules que compten directament amb el efectes de l’skewness de la velocitat i de l’acceleració donen les millors prediccions, especialment en les seqüències acrecionals. En la modelització de la morfodinamica del perfil transversal és una practica comuna el no considerar la variabilitat longitudinal. Aquest supòsit ha estat analitzat per a la predicció a curt, mig i llarg termini de l’evolució del perfil mig. S’ha demostrat que el model és capaç de predir acuradament l’evolució a curt i mig termini. El fet de considerar el perfil mig com el promig de les evolucions de diferents perfils al llarg de la costa porta als millors resultats, ja que es ’una manera de tenir en compte la variabilitat longitudinal’. A llarg termini s’ha provat que, tot i que les prediccions poden concordar amb les mesures, no capturen la morfodinamica real. Aquest fet destaca la importància de l’anàlisi de la morfodinàmica simulada durant les evolucions a llarg termini per tal d’evitar errors en la interpretació dels resultats.

This PhD Thesis presents and discusses the developments of a hybrid sectional-bulk multicomponent aerosol module coupled with the multiscale chemical weather prediction system NMMB/BSC-CTM. The module is designed to provide short and medium range forecast of the atmospheric aerosols for a wide range of scales (from global to regional) and applications (from the simulation of the aerosol-radiation interaction to the study of air pollution). The module represents the processes controlling the life cycle of dust, sea-salt, black carbon, organic matter (both primary and secondary), and sulfate aerosols. The dust module was previously implemented in the model and it can be considered the starting point of this work. For the production of secondary organic aerosol, a 2-product scheme was implemented in the model. A simplified gas-aqueous-aerosol mechanism was introduced in the module to account for the sulfur chemistry. The module also accounts for the hydrophobic-to-hydrophilic conversion of carbonaceous aerosols. In a first step, we implemented the sea-salt aerosol module and we compared global simulations using five state-of-the-art open-ocean emission schemes with AOD measurements from selected AERONET sun photometers, surface concentration measurements from the University of Miami's Ocean Aerosol Network, and measurements from two NOAA/PMEL cruises. The sea-salt global distribution was found to be highly sensitive to the introduction of SST-dependent emissions and to the accounting of spume particles production. Our results indicate that SST-dependent emission schemes improve the overall model performance in reproducing surface concentrations. On the other hand, they lead to an overestimation of the coarse AOD at tropical latitudes. Since we found that our global simulations of the sea-salt distribution in orographic/coastal regions are affected by positive biases (regardless of the source function applied), we investigated the effect of high model resolution (0.1ºx0.1º vs 1ºx1.4º) upon sea-salt patterns in four stations from the University of Miami Network: Baring Head, Chatam Island, and Invercargill in New Zealand, and Marion Island in the sub-antarctic Indian Ocean. We found that normalized biases improved and correlation increased compared to the use of a lower resolution. In particular we found that the representation of sea/land interfaces, mesoscale circulations, and precipitation with the higher resolution model played a major role in the simulation of annual concentration trends. Our results recommend caution when comparing or constraining global models using surface concentration observations from coastal stations. In a second step, we implemented carbonaceous and sulfate aerosols and we performed a benchmark experiment at global scale by applying emissions from the AEROCOM-ACCMIP dataset together with online biogenic emissions from the MEGAN model. The biomass-burning emissions were injected in the vertical model layers according to the satellite-derived climatologies of the IS4FIRES algorithm. The results were evaluated with observations from several networks, both for surface concentrations and optical depth (AERONET and satellites). We found that the model scores lie in the higher part of the range provided by the global models involved in the AEROCOM and ACCMIP studies. The main sources of uncertainty affecting our global results can be identified with the estimates of biomass-burning emissions and with the size distribution applied to the dust aerosol at the emission. / Se ha desarrollado un módulo de aerosoles acoplado con el modelo multiescala de predicción atmosférica NMMB/BSC-CTM. El módulo está diseñado para producir predicciones a corto y medio alcance de los aerosoles atmosféricos para un amplio rango de escalas (de global a regional y urbana) y de aplicaciones (desde la simulación de la interacción aerosol-radiación al estudio de la contaminación del aire). El módulo describe los procesos que caracterizan el ciclo de vida del polvo mineral, de la sal marina, del carbono negro, del carbono orgánico y del sulfato. Para describir la producción de aerosoles orgánicos secundarios se ha implementado en el modelo un esquema de dos productos; mientras que para representar la química del azufre se ha introducido un mecanismo simplificado gas-acuoso-aerosol. En primer lugar, se ha implementado un modulo para el aerosol de sal marina empleando cinco esquemas de emisiones en océano abierto y se han comparado simulaciones globales con medidas de AOD observadas por fotómetros de la red AERONET, con medidas de concentración en superficie de la Red de Aerosoles Oceánicos de la Universidad de Miami, y con medidas de dos buques oceanográficos de NOAA/PMEL. Los resultados son altamente sensibles a la introducción en el modelo de esquemas de emisi\'on dependientes de la temperatura de la SST y de la producción de partículas de espuma. Los resultados indican que el uso de esquemas de emisión dependientes de la SST mejora el rendimiento del modelo en su capacidad de reproducir las concentraciones en superficie. Por otro lado, estos esquemas conducen a una sobrestimaciòn de la fracciòn gruesa de la AOD en latitudes tropicales. Para investigar los errores encontrados en regiones costeras o caracterizadas por fuertes gradientes de orografía, se ha investigado también el efecto de trabajar a una alta resolución (0.1ºx0.1º vs 1ºx1.4º) sobre los patrones de sal marina en correspondencia con cuatro estaciones de la Red de la Universidad de Miami: Baring Head, Isla Chatam y Invercargill en Nueva Zelanda, y Isla Marion en el Océano Índico sub-antártico. Se ha encontrado que al aumentar de la resolución espacial, los errores disminuyen y la correlación aumenta. En particular la representación de la interfaz mar/tierra, las circulaciones a mesoescala y las precipitaciones con el modelo de alta resolución juegan un papel principal en la simulación de las concentraciónes anuales. Nuestros resultados recomiendan cautela al comparar o constreñir modelos globales empleando concentraciones en superficie observadas en estaciones costeras. En un segundo paso se han implementado los aerosoles carbonosos y el sulfato. Se ha efectuado un experimento de referencia a escala global, aplicando emisiones de la base de datos de AEROCOM-ACCMIP junto con emisiones biogénicas online del modelo MEGAN. Las emisiones de quema de biomasa se han inyectado en las capas verticales del modelo, de acuerdo con la climatología derivada de satélites por el IS4FIRES. Los resultados han sido evaluados con observaciones procedentes de varias redes, tanto para concentraciones en superficie como para el espesor óptico (AERONET y satélites). Se ha encontrado que el modelo se desempeña en la parte alta del rango proporcionado por los modelos globales involucrados en los estudios de AEROCOM y ACCMIP. Las principales fuentes de incertidumbre que afectan los resultados globales se pueden identificar con las estimaciones de emisiones de quema de biomasa y con la distribución en tamaño aplicada al polvo mineral durante su proceso de emisión.

During the last two decades the scientific community has recognised the importance of the tropical Atlantic Ocean and the upwelling regions on the Earth's climate. This recognition has opened new questions such as: ¿What are the mechanisms for the ocean to adjust to variations in atmospheric forcing?, ¿Is there any indirect relation between the atmospheric seasonal cycle and the response of the surface ocean?, ¿How are the meridional boundary flows connected with the zonal jets in the interior ocean?, ¿What is the relevance of these processes in the redistribution of properties such as water mass, heat and fresh water? In this dissertation we explore several elements that determine the effect of the surface wind stress onto the processes within the near-surface ocean. The work focuses on recognizing the (subinertial) response mechanisms of the ocean surface to the spatial and temporal wind variations in two upwelling regions: a coastal region off Northwest Africa, in the area near Cape Blanc, and an oceanic region, in the equatorial Atlantic. With this purpose we use in situ and satellite data as well as numerical data from a high-resolution circulation model. The analysis of these data has been done with several methodologies, in some cases requiring substantial developments and tuning for local applications. The implementation of the Maximum Cross-Correlation Method has allowed determining some of the characteristics of the instantaneous and mean surface fields, during winter and spring, in the upwelling region north and south of Cape Blanc. We have identified three regions which are characterized by different responses to short-time changes of the along-shore wind stress. North of Cape Blanc stands out the intensity of the coastal baroclinic jet, in the Cape Verde basin the mesoscalar structures are relatively weak and large, and off Cape Blanc there is along-shore convergence which traduces in the formation of a normal-to-shore giant surface filament. The analyses of time series corresponding to several upwelling indexes show that the atmospheric forcing and the oceanic response are different north and south of Cape Blanc and during the first and second trimester of the year. The total subinertial flux may be represented as the combination of a surface Ekman flux (calculated as the Ekman transport divided by the thickness of the surface mixed layer) and the surface geostrophic current (deduced from altimetry satellite images). One of the most relevant results is that the temporal and spatial changes in the normal-to-shore Ekman transport influence the intensity of the geostrophic (baroclinic) coastal jet, therefore affecting the corresponding along-shore convergence (e.g. becoming intensified off Cape Blanc) and the offshore transport of upwelled waters. The dissertation has also aimed at understanding the patterns of seasonal variability in the equatorial Atlantic Ocean through the statistical analysis of time series of sea level pressure, sea surface wind stress, sea surface height, and the circulation of the near-surface ocean. The data reveals a predominant annual component in all these variables, closely related to the latitudinal oscillation of the Inter-Tropical Convergence Zone. The equatorial divergence of the Ekman transport is well correlated with the intensity of the zonal system of equatorial currents, which includes the Equatorial Undercurrent and its northern and southern branches. Additionally, the seasonal appearance of the North Equatorial Counter Current during (boreal) summer and fall is related to the meridional convergence of the Ekman transport during those same seasons, which leads to a temporal rise of sea level and the generation of an eastward current in geostrophic balance. In general, the divergence/convergence of meridional Ekman transport is dominant in the northern hemisphere and of lesser relevance in the southern hemisphere. / Durante las últimas dos décadas la comunidad científica internacional ha pasado a reconocer la importancia del Océano Atlántico tropical y las regiones de afloramiento en el clima terrestre. Este reconocimiento ha abierto nuevos interrogantes, tales como: ¿Cuáles son los mecanismos de ajuste del océano a las variaciones en el forzamiento atmosférico?, ¿Existe algún tipo de relación indirecta entre el ciclo estacional atmosférico y la respuesta del océano superficial?, ¿Cómo se conectan los flujos oceánicos meridionales en los contornos con los flujos zonales en el océano interior?, ¿Cuál es la importancia de estos procesos en la redistribución de propiedades tales como masa, calor y agua dulce? En esta tesis se exploran diversos elementos que determinan el efecto del esfuerzo del viento superficial sobre los procesos que ocurren en el océano superficial. El trabajo se centra en reconocer cuales son los mecanismos (subinerciales) de respuesta de la superficie del océano a las variaciones espaciales y temporales del viento en dos regiones de afloramiento: una costera al Noroeste de África, en el área cercana a Cabo Blanco, y otra oceánica, en el Atlántico ecuatorial. Para ello se emplean observaciones in situ, datos satelitales y datos numéricos provenientes de un modelo de circulación de alta resolución. El análisis de estos datos se ha realizado con diversas metodologías, cuya aplicación en algunos casos ha requerido un esfuerzo substancial de desarrollo y puesta a punto. La implementación del método de Máximas Correlaciones Cruzadas ha permitido determinar algunas de las características de los campos instantáneos y medios de velocidades superficiales, durante invierno y primavera, en la región del afloramiento de Cabo Blanco. Se han identificando tres regiones caracterizadas por tener respuestas distintas a los cambios que el viento paralelo a la costa experimenta en escalas temporales cortas. Al norte de Cabo Blanco destaca la intensidad del chorro baroclino costero, en la cuenca de Cabo Verde se aprecian estructuras mesoscalares relativamente débiles y grandes, y frente a Cabo Blanco existe convergencia paralela a costa que se traduce en flujo normal a costa en forma de un gran filamento superficial. El análisis de las series temporales de diversos índices de afloramiento muestra que los forzamientos atmosféricos y las respuestas oceánicas son distintas al norte y sur de Cabo Blanco y durante el primer y segundo trimestre del año. El flujo subinercial resultante se puede representar como la combinación de un flujo superficial de Ekman (calculado como el transporte de Ekman dividido por la profundidad de la capa de mezcla) y la corriente geostrófica superficial (deducida a partir de imágenes satelitales de altimetría). Uno de los resultados más relevantes es que los cambios espaciales y temporales en el transporte de Ekman perpendicular a costa influyen sobre la intensidad del chorro geostrófico (baroclíno) costero, y por tanto afectan su convergencia a lo largo de la costa intensificándose, por ejemplo, frente a Cabo Blanco) y la transferencia neta de aguas afloradas hacia el océano interior. La tesis también se ha encaminado a investigar los patrones de variabilidad estacional del Océano Atlántico ecuatorial, a través del análisis estadístico de series temporales de presión a nivel de mar, esfuerzo cortante del viento sobre la superficie oceánica, elevación del océano superficial, y la circulación oceánica superficial. Los datos revelan una fuerte componente anual en estas variables, estrechamente vinculada con la oscilación meridional de la Zona de Convergencia Intertropical. La divergencia ecuatorial del transporte de Ekman se correlaciona adecuadamente con la intensidad del sistema de corrientes zonales ecuatoriales, que incluyen la Corriente Ecuatorial Subsuperficial y sus ramales norte y sur. Asimismo, la aparición estacional de la Contra-Corriente Ecuatorial durante verano y otoño (boreal) se relaciona con la convergencia meridional en el transporte de Ekman que tiene lugar durante estas épocas, lo cual conduce a una subida del nivel del mar y la generación de una corriente hacia el este en balance geostrófico. En general se aprecia que los procesos de divergencia/convergencia del transporte meridional de Ekman son dominantes en el hemisferio norte y de menor relevancia en el hemisferio sur. Finalmente, con el fin de comprender mejor la dinámica ecuatorial, se ha desarrollado un modelo sencillo que permite cuantificar el aporte de la divergencia de Ekman al flujo zonal en varias bandas zonales características. Se han identificado dos condiciones típicas extremas, en primavera y otoño, y se han calculado la divergencia/convergencia meridional a través de líneas definidas por un máximo en la elevación de la superficie del mar. Bajo la suposición de que el transporte zonal cerca del contorno oriental (aquí tomada a una longitud de 0º) es nulo, se estima que la franja ecuatorial presenta, en su margen occidental, valores máximos de transporte correspondientes a 58 Sv en primavera y 27 Sv durante otoño, cuyo origen es el sistema de corrientes de frontera oeste.

The main goal of this thesis is to investigate the formation of nocturnal coastal fronts (hereafter CF) in the Mediterranean basin producing nocturnal offshore precipitation near the coastline. After sunset the cooled inland air moves to the coastline driven by drainage winds as a density current. When this air encounters the warm and wet sea-air a CF is formed. Therefore the warm air mass is lifted and when ascending clouds may form producing in some cases precipitation. The influence of the land-sea thermal difference, the shape of the coastline, the sea surface temperature (SST) and the depth of the cold air mass associated to the coastal front (H) on the coastal front formation is investigated. This has been done following methodology consisting in three steps. In the first step events of nocturnal precipitation associated to CFs are detected by using the Tropical Rain Measurement Mission (TRMM) Satellite, reflectivity radar network images from ground radar, and clouds recorded by satellite. The second step consists in analyzing the synoptic situation associated to these possible CF, in order to discard those in which the precipitation is related to synoptic features. Finally, the WRF-ARW model is used for the simulation of these CF. Chapter 2 is devoted to study the role of the land-sea temperature difference. If the thermal gradient is large enough, drainage wind speed can be of the order of the prevailing wind speed. In this case, a line of convergence is simulated offshore and above it several precipitation cells occur forming a quasi-stationary line of precipitation. Relatively strong vertical motions are simulated in these coastal fronts, providing upward moisture and heat that produce convective clouds and precipitation. Chapter 3 focuses on role of the shape of the coastline. Offshore rainbands during nighttime have been simulated and analyzed in concave coastal areas in the Mediterranean basin. Drainage winds drive cold inland air offshore from many areas along the concave coastline. The cold inland air collides offshore with the opposite inland cold drained air from the opposite coastline areas, converging offshore. Clouds and precipitation are simulated following the concave coastline. In Chapter 4, the influence of the SST on the CFs is analyzed. A couple of CFs occurred at the end of the summer and early autumn, when the SST presents its larger values, are analysed. These CFs show the heaviest and widest rainband within the observed and simulated CFs. The role of H is analyzed in Chapter 5 for the all the studied CFs. The hourly and averaged values of H during the nighttime for each CF have been estimated. In the CFs, the cold air mass acts as a moving orographic barrier to the warmer prevailing flow. For this reason some theoretically parameters that accounts the blockage, the triggering convection, and the deceleration that the cold air mass offers to the prevailing maritime air mass are estimated. Finally, from the averaged values of sea-air and land-air temperatures, a cloud bands forecasting index is proposed. / L'objectiu principal d'aquesta tesi doctoral es investigar la formació de fronts nocturns costaners (FC) a la conca Mediterrània que produeixen precipitació prop de la costa. Després de la posta del Sol l'aire sobre el terra es refreda més ràpidament i inicia un moviment cap a la costa, conduit pels vents de drenatge, formant una densitat de corrent. En arribar al mar interactua amb l'aire més calent i humit que es troba formant un FC. Aleshores aquest aire més càlid i humit ascendeix per sobre de l'aire fred podent formar núvols i precipitació. En aquesta tesi s'investiga la influència en els FC del gradient de temperatura de l'aire de l'interior i el situat sobre el mar, la forma de la costa, la temperatura de l'aigua del mar i l'alçada de la massa d'aire freda (H). Per a aquest propòsit la metodologia emprada consta de tres parts. Primerament s'han cercat episodis de precipitació nocturna associats a FC fent servir el satèl·lit Tropical Rain Measurement Mission (TRMM), les imatges de radars situats a terra, així com les imatges de nuvolositat de satèl·lits. El segon pas consisteix en analitzar la situació sinòptica associada a aquests possibles FC, per tal de descartar aquells casos on la precipitació esta associada a factors sinòptics. Finalment, el model WRF-ARW s'ha utilitzat per a similar i analitzar els 10 FC que es presenten en aquesta Tesi. El Capítol 2 se centra en el paper que juga el gradient tèrmic entre l'aire del mar i el de l'interior. S'ha comprovat que en els casos en els que aquest gradient és elevat, la velocitat del vent de drenatge assoleix és comparable a la del vent prevalent. En aquests casos la línia de convergència que es forma mar endins és estacionària, produint-se moviments verticals relativament intensos que produeixen núvols i precipitació. El Capítol 3 se centra en la influència de la forma de la costa ala formació dels FC. En algunes zones de la conca Mediterrània on la costa presenta una forma còncava, els vents de drenatge condueixen l'aire fred de l'interior a través de diverses parts d'aquesta costa còncava, convergint mar endins pel xoc de l'aire drenat provinent de parts oposades de la costa. En el Capítol 4 s'analitza la influència de la temperatura superficial de l'aigua del mar (SST) a la formació dels FC que succeeixen a finals d'estiu i començament de la tardor, quan l'aigua del mar presenta els seus màxim valors. El paper d'H es mostra en el capítol 5. Es presenten per tots els FC estudiats els valors horaris i promitjats d'H durant la nit. A més a més, la massa d'aire freda associada als FC actua com una barrera orogràfica a la massa d'aire marítima. Per aquesta raó els paràmetres teòrics que mesuren el blocatge, el dispar i la desacceleració que la massa fred ofereix a la càlida i humida marítima s'ha calculat. Finalment, a partir dels valors mitjans de la temperatura de l'aire sobre el mar i dins de terra s'ha proposat un índex que permet pronosticar la formació de bandes de núvols mar endins originats per FC.