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.

Unsaturated flow plays an important role in numerous environmental phenomena. It is complex in arid regions, where liquid water fluxes are small and vapor fluxes become relevant, so that heat, water and solute mass transport are needed to understand evaporation. This thesis aims at gaining insight evaporation and vapor flow mechanisms and the relevance of matric potential, temperature and osmotic gradients. These issues are especially relevant for soil salinization, whose mechanisms are poorly understood despite their global impact. We studied them in open soil evaporation column experiments. We found that a water separation process occurs in the soil. Above a very narrow evaporation front, the soil contains high salt concentrations due the solutes transported by the upward liquid flux and concentrated by evaporation. Below, concentrations are lower than the initial ones, because vapor flows downwards below the evaporation front driven by temperature gradients. Condensation of this downward vapor flux dilutes upflowing water, improving soil conditions and providing an area where root plants could live. We modeled nonisothermal multiphase flow and reactive transport during the experiments to quantify the actual processes and to understand the nature of the downward vapor flux. Modeling required modifying the retention curve to represent oven dry conditions. Our model supports the traditional division of soil, by an evaporation front, into a dry region and a moist region. This view may suffice for evaluating evaporation rates and water mass balances, but not for assessing salt processes, which require acknowledging that not only liquid water flow but also vapor diffusion occur below the evaporation front. Unsaturated flow concepts control the design of covers to isolate solid waste. Their goal is to protect the waste from infiltration during long periods of time by promoting surface runoff and lateral drainage and by hindering biointrusion. Two cover designs were built, both consisting of an evapotranspiration layer, a biointrusion barrier and an infiltration barrier. We analyzed their performance for two years (2009 and 2010, which was very wet) by a thorough monitoring system. We conclude that the upper portion of one cover did work as planned, but the lower infiltration barrier did not, which suggests some design improvements: increase the retention capacity of the sand layers, include filter layers and facilitate lateral drainage by increasing the slope in the top area. We studied the daily and annual variations of vapor fluxes using data from the covers. We find that most water flow in the top portion of the soil occurs in the gas phase. Vapor fluxes are controlled by temperature and follow its fluctuations, switching direction with a daily frequency and a depth dependent lag. Downward vapor fluxes are dominant during the summer and upward fluxes during the winter. Deeper into the soil, vapor fluxes vary seasonally, flowing almost constantly upwards during the cold season, and vice versa. Rainfall events have a cooling effect, reversing summer vapor fluxes. Yet, the net annual flux is downwards. Furthermore, an approximate analytical solution to calculate diffusive vapor fluxes at any depth, is presented. While vapor fluxes are quantitatively small, they may still represent a significant source of water during summer for shallow roots. Plants may attract water from hot zones around to the root zone, kept colder by the plant shadow and by transpiration. Numerical modeling is also used to simulate one of the covers. Model output is compared to observations (suction and temperature), which are well reproduced in the top soil layers. The model does not reproduce the failure of the capillary barrier because it did not include gravity fingering, which explains flow through the coarse layer. / La zona no saturada juga un paper important en nombrosos fenòmens ambientals. És complex en zones àrides, on els fluxos d'aigua líquida són petits i els fluxos de vapor adquireixen rellevància. El transport de calor, d'aigua i de soluts és necessari per entendre l'evaporació. Aquesta tesi vol millorar el coneixement sobre l'evaporació i els mecanismes de flux de vapor, i analitzar la rellevància dels gradients de succió, de temperatura i osmòtics. Aquestes qüestions són especialment rellevants per la salinització de sòls, els mecanismes són poc coneguts malgrat el seu impacte global. Hem estudiat experiments de columna d'evaporació on s'ha trobat un procés de separació d'aigua al sòl. Per sobre del front d'evaporació, que és molt estret, el sòl conté altes concentracions a causa dels soluts transportats pel flux ascendent de líquid i la seva posterior evaporació. Per sota, les concentracions són inferiors a les inicials, perquè el vapor flueix cap avall des del front d'evaporació impulsat per gradients de temperatura. Allà condensa, causant la dilució del flux ascendent d'aigua, millorant les condicions del sòl i proporcionant una àrea on les arrels de les plantes podrien viure. Mitjançant un model de flux multifàsic no isoterm i transport reactiu dels experiments, s'han quantificat els processos per entendre la naturalesa del flux descendent de vapor. S'ha modificat la corba de retenció per representar condicions molt seques del sòl. El nostre model és compatible amb la divisió tradicional del sòl, per un front d'evaporació, en una regió seca i una regió humida. Aquest punt de vista pot ser suficient per a l'avaluació de tases d'evaporació i balanços de massa d'aigua, però no per a l'avaluació dels processos de sals, que requereixen no només el coneixement del flux d'aigua líquida, sinó també la difusió de vapor per sota del front d'evaporació. Conceptes de flux no saturat controlen el disseny de cobertures per aïllar residus sòlids. El seu objectiu és protegir els residus de la infiltració durant llargs períodes de temps mitjançant la promoció de l¿escorrentia superficial i el drenatge lateral, i evitant la biointrusió. Dos dissenys de cobertura, basats en una capa per l'evapotranspiració, una barrera de biointrusió i una barrera d'infiltració, van ser construïts. Analitzem el seu funcionament durant dos anys a través d'un complet sistema de monitorització. Es conclou que la part superior de la cobertura va funcionar com estava previst, però no així la barrera d'infiltració inferior. Es suggereixen millores de disseny: augmentar la capacitat de retenció de les capes de sorra, incloure capes de filtre i facilitar el drenatge lateral augmentant el pendent a la zona superior. S'han estudiat les variacions diàries i anuals dels fluxos de vapor a partir de dades de la cobertura i de modelació numèrica. Trobem que la major part del flux d'aigua a la part superior del sòl es produeix en la fase gasosa. Els fluxos de vapor són controlats per la temperatura i segueixen les seves fluctuacions, canviant de direcció diàriament i amb un desfasament que augmenta amb la profunditat. Els fluxos de vapor descendent són dominants durant l'estiu i els ascendents durant l'hivern. A més profunditat, els fluxos de vapor varien estacionalment, i flueixen gairebé constantment cap amunt durant les èpoques fredes, i viceversa. Les pluges tenen un efecte de refredament, revertint els fluxos de vapor a l'estiu. El flux net anual és descendent. El model demana simular flux a través de vies preferencials. Si bé els fluxos de vapor són quantitativament petits, poden representar una important font d'aigua durant l'estiu per a les arrels poc profundes. S'ha presentat també, una solució analítica per al càlcul de fluxos difusius de vapor al sòl. / La zona no saturada juega un papel importante en numerosos fenómenos ambientales. Es complejo en zonas áridas, donde los flujos de agua líquida son pequeños y los flujos de vapor adquieren relevancia. El transporte de calor, de agua y de solutos es necesario para entender la evaporación. Esta tesis quiere mejorar el conocimiento sobre la evaporación y los mecanismos de flujo de vapor, y analizar la relevancia de los gradientes de succión, temperatura y osmóticos. Estas cuestiones son especialmente relevantes para la salinización de suelos, cuyos mecanismos son poco conocidos a pesar de su impacto global. Hemos estudiado experimentos de columna de evaporación en los que se ha encontrado un proceso de separación de agua en el suelo. Por encima del frente de evaporación, que es muy estrecho, el suelo contiene altas concentraciones de sal debido a los solutos transportados por el flujo ascendente de líquido y su posterior evaporación. Por debajo, las concentraciones son inferiores a las iniciales, porque el vapor fluye hacia abajo desde el frente de evaporación impulsado por gradientes de temperatura. Allí condensa, causando la dilución del flujo ascendente de agua, mejorando las condiciones del suelo y proporcionando un área donde las raíces de las plantas podrían vivir. Mediante un modelo de flujo multifásico no isotermo y transporte reactivo de los experimentos, se han cuantificado los procesos, para entender la naturaleza del flujo descendente de vapor. Se ha modificado la curva de retención para representar condiciones muy secas del suelo. Nuestro modelo es compatible con la división tradicional del suelo, por un frente de evaporación, en una región seca y una región húmeda. Este punto de vista puede ser suficiente para la evaluación de tasas de evaporación y balances de masa de agua, pero no para la evaluación de los procesos de sales, que requieren no sólo el conocimiento del flujo de agua líquida, sino también la difusión de vapor por debajo del frente de evaporación. Conceptos de flujo no saturado controlan el diseño de coberturas para aislar residuos sólidos. Su objetivo es proteger los residuos de la infiltración durante largos periodos de tiempo mediante la promoción de la escorrentía superficial y el drenaje lateral, y evitando la biointrusión. Dos diseños de cobertura, basados en una capa para la evapotranspiración, una barrera de biointrusión y una barrera de infiltración, fueron construidos. Analizamos su funcionamiento durante dos años a través de un completo sistema de monitorización. Se concluye que la parte superior de la cobertura funcionó como estaba previsto, pero no así la barrera de infiltración inferior. Se sugieren algunas mejoras de diseño: aumentar la capacidad de retención de las capas de arena, incluir capas de filtro y facilitar el drenaje lateral aumentando la pendiente en la zona superior. Se han estudiado las variaciones diarias y anuales de los flujos de vapor a partir de datos de la cobertura y de modelación numérica. Encontramos que la mayor parte del flujo de agua en la parte superior del suelo se produce en la fase gaseosa. Los flujos de vapor son controlados por la temperatura y siguen sus fluctuaciones, cambiando de dirección diariamente y con un desfase que va en aumento con la profundidad. Los flujos de vapor descendente son dominantes durante el verano y los ascendentes durante el invierno. A mayor profundidad, los flujos de vapor varían estacionalmente, y fluyen casi constantemente hacia arriba durante las épocas frías, y viceversa. Las lluvias tienen un efecto de enfriamiento, revirtiendo los flujos de vapor en verano. El flujo neto anual es descendente. El modelo necesita simular flujo a través de vías preferenciales. Si bien los flujos de vapor son cuantitativamente pequeños, pueden representar una importante fuente de agua durante el verano para las raíces poco profundas. Se ha presentado también, una solución analítica para el cálculo de flujos difusivos de vapor en el suelo

En una situación de grandes cambios climáticos, el conocimiento de el sistema Tierra ha devenido, en los últimos años, una de las tareas mas importantes para la comunidad científica. En los últimos diez años, el incremento de la potencia de cálculo de los superordenadores, así como un mejor entendimiento de los procesos físicos subyacentes la dinámica de la Tierra (como por ejemplo la formación de nubes o el intercambio de humedad entre el suelo y el atmósfera) han mejorado grandemente la cualidad de los modelos climáticos. Además, un incremento en la cobertura satelital, ha consentido la generación de bases de datos muy detalladas, llamadas "reanalysis data", que dan el estado de las variables mas importantes por la dinámica de la Tierra con una alta resolución espaciotemporal por lo menos en los últimos 40 años. La grande cantidad da datos ha sido utilizada por la comunidad científica de los climatólogos para investigar la naturaleza de los procesos de el sistema Tierra. El incremento de esas base de datos motiva el desarrollo de un nuevo análisis. En particular, dado que en primera aproximación el comportamiento climatológico de la atmósfera puede ser descrito por modelos lineales relativamente simples, el análisis no lineal ha sido muy subestimado hasta ahora. De todas maneras, muchos procesos climáticos de hecho tienen una fuerte componente no lineal. Un ejemplo emblemático es El Niño Southern Oscillation, un sistema donde el emparejamiento entre el océano y la atmósfera puede ser representado en primera aproximación como un oscilador con retroalimentación retrasada. Otro fenómeno de el sistema climático en lo cual las no linealidades juegan un papel es, sin duda alguna, la corriente a en chorro barotrópica, que está mantenida por los esfuerzos no lineales producidos por sus mismos "eddies" (remolinos). De esta forma, se establece un sistema de retroalimentaciones positivas y negativas, influenciando la variabilidad sinóptica a las altas latitudes. Dado esto, es muy importante estudiar estos fenómenos con herramientas propia de la teoría de los sistemas complejos. En particular, en esta tesis, presentaremos nuevas técnicas de análisis de datos basadas en la teoría de la información y en las redes complejas, que toman en cuenta las características no lineales de los procesos climáticos en análisis, y además aportan un nuevo punto de vista en el campo de la análisis de datos climatológicos. Las redes complejas aparecieron en los últimos años como una técnica potente para investigar una grande variedad de fenómenos donde sea posible identificar un cierto numero de componentes entre las cuales se puede establecer una relación. Siendo esto un concepto muy genérico, no es sorprendente que haya sido aplicado con éxito en muchos campos distintos, como la sociología, la biología, etcétera En particular, en esta tesis, nos enfocaremos en la construcción le redes climáticas, o sea redes donde los nodos describen áreas de la Tierra y los enlaces están dados por las relaciones entre ellas. Consideraremos enlaces computados a partir de las similitudes estadísticas de las dinámicas de una variable climatológica (como la temperatura de el aire a la superficie) en cada uno de los nodos. Este es una técnica muy general que, dependiendo de la definición de similitud estadística utilizada, permite de investigar distintas características de las variables en análisis. Definiremos la similitud estadística utilizando conceptos propios de la teoría de la información. / In a scenario of major global climatic changes, the understanding of the Earth system has become in recent years an impelling task of the scientific community. In the last decade, an increased performance of supercomputers as well as a better understanding of the physical processes underlying Earth dynamics (such as cloud formation, moist exchange between soil and atmosphere, and so on) improved dramatically the quality of climate models. Moreover, an increasing satellite coverage allowed the generation of very detailed databases, called reanalysis data, that give with good precision the state of the most important dynamical variables at high spatio-temporal resolution for at least the past 40 years. This huge amount of data is being used by the climatological scientific community to investigate the nature of the ongoing physical processes in the Earth system. The increasing of such datasets motivates the development of new analysis. In particular, since in first approximation the climatological behaviour of the atmosphere can be described by relatively simply linear models, the non-linear data analysis has been largely overlooked so far. However, many relevant climatic processes have a strong non-linear component. A paradigmatic example is the so-called El Niño-Southern Oscillation, a coupled ocean-atmosphere process that can be sketched in first approximation as a non-linear oscillator with delayed feedback. Another phenomenon of the Earth system in which the non-linearities play a major role is doubtlessly the barotropic polar jet, that is maintained by the non-linear stress produced by its own eddies. In this way a complex system of positive and negative feedbacks is established, influencing the dynamics of the major actor in the synoptical variability in the high latitudes. Given these considerations, it is important to study such phenomena with tools coming from the field of complex systems. In particular, in this thesis we present new data analysis techniques based on information theory and complex networks that take into account the non-linear nature of the climate processes under examination, as well as give a new perspective to climatological data analysis. Complex networks have emerged in the recent years as a useful and powerful tool to investigate a large variety of phenomena in which it is possible to identify a discrete number of components among which relations can be established. Being this a very general concept, it is not surprising that it found successful application in very different field such as sociology, biology, epidemics, geophysics, and so on. In particular in this thesis we will focus in the construction of what are called climate networks, i. e. networks in which the nodes are composed by geographical locations on Earth and the links are given by relations among them. We will generally consider links computed from the statistical similarity of the dynamics of a climatological variable available at each geographical location, such as the surface air temperature (SAT). This is a quite general approach that, depending on the definition of the statistical similarity employed, allows to investigate different characteristics of the variable under examination. We will define the statistical similarity using concepts that are adopted from information theory.

El presente trabajo de tesis doctoral tiene como objetivos generales: a) Determinar el balance hídrico del humedal identificando los elementos hidrológicos que intervienen y su respuesta ante las variaciones temporales. b) Caracterizar la hidroquímica de las aguas superficiales del humedal y analizar su variación espacial en base a los principales impactos que sufre. c) Explorar la capacidad de retención de nutrientes y materia orgánica que son transportados a través del humedal. El estudio se compone de una introducción general, descripción del área de estudio, tres capítulos que responden a cada uno de los objetivos planteados y las conclusiones generales. En la Introducción General se revisa la importancia, función y servicios de los humedales, la dificultad de definir y clasificar a los humedales, y el estado del arte sobre el conocimiento actual de los humedales mexicanos. El área de estudio sitúa al humedal sur de Pátzcuaro en un contexto geográfico, ambiental y socio-económico. Los tres capítulos siguientes cubren los objetivos planteados: Capítulo 1: Hidrología y balance hídrico del humedal: Dado que no existen estudios que cuantifiquen los cambios anuales de los componentes hidrológicos del humedal sur de Pátzcuaro en este capítulo se analiza, por un lado, la dinámica de los componentes hidrológicos (precipitación, evapotranspiración, escorrentía y agua subsuperficial) que determinan la cantidad y variación anual del agua en el humedal, y, por otro, se establece una aproximación al balance hídrico anual. Capítulo 2: Variación espacial de la hidroquímica del humedal sur de Pátzcuaro: En este capítulo se realiza, por un lado, un diagnóstico general del estado hidroquímico de las aguas superficiales del humedal. Por otro y, teniendo en cuenta los flujos del agua naturales del humedal, se analiza la variación espacial de los parámetros físico-químicos y el efecto de los cambios de uso del suelo sobre la hidroquímica superficial. Capítulo 3: Retención de nutrientes y materia orgánica en el humedal: Este capítulo aborda la capacidad de retención de los nutrientes (nitratos, nitritos, fósforo reactivo soluble y fósforo total) y materia orgánica del humedal sur de Pátzcuaro a lo largo de un ciclo anual, enfatizando sobre los efectos de la variabilidad hidrológica temporal y determinando el papel de los factores ambientales sobre dicha retención. Las conclusiones más importantes son: a) El balance de agua anual del humedal Sur de Pátzcuaro fue positivo (ganancia de agua) y funciona como un sistema de amortiguación hidrológica, transfiriendo aproximadamente el 32.55% de agua a la zona sur del lago de Pátzcuaro, con el que forma una unidad funcional. b) Las aguas superficiales del humedal sur de Pátzcuaro son cálidas durante todo el año, de mineralización elevada, duras, alcalinas y como todos los humedales subtropicales ricas en nutrientes, materia orgánica y sólidos y, en consecuencia, eutróficas. c) Los análisis multivariantes realizados sobre las variables hidroquímicas medidas en las aguas superficiales del humedal, permitieron delimitar cuatro grupos diferentes que responden, por un lado al enriquecimiento de nutrientes y sales derivado de las alteraciones antrópicas del humedal y, por otro, a los procesos biológicos relacionados con la actividad fotosintética de los productores primarios d) A pesar de los efectos provocados por las actividades antrópicas que impacta una parte del humedal, en este estudio se evidencia que el humedal Sur de Pátzcuaro parece mantener su funcionalidad con capacidad para procesar nutrientes, materia orgánica y sólidos. e) El humedal es muy eficiente en retirar nutrientes, aunque su efectividad difiere según la fase del ciclo hidrológico. f) El humedal resultó ser más eficiente en la retirada de fósforo que de nitrógeno, tal vez por el almacenamiento de fósforo en el sedimento debido a las condiciones geoquímicas del humedal. / The main objectives of this doctoral thesis are: a) To determine the water balance of wetland identifying the hydrological elements involved and their response to seasonal variations. b) To characterize the hydrochemistry of surface water from the wetland and to analyze their spatial variation based on key impacts suffering. c) To explore the retention capacity of nutrients and organic matter transporting through the wetland. The study consists of a general introduction, description of the study area, three chapters corresponding to each of the objectives and general conclusions. In the general introduction the importance, role and services of wetlands, the difficulty of defining and classifying wetlands, and state of the art on current knowledge of Mexican wetlands is reviewed. The study area contextualizes south wetland Patzcuaro in a geographical, environmental and socio-economic context. The next three chapters cover the objectives Chapter 1: Hydrology and water balance of wetland: Since there are no studies that quantify the annual changes in the hydrological components of southern wetland Patzcuaro in this chapter looks at, first, the dynamics of hydrological components (precipitation, evapotranspiration, runoff and subsurface water) to determine the amount and annual variation of water in the wetland, and, second, an approximation of the annual water balance is established. Chapter 2: Spatial variation of hydrochemical in the South wetland Patzcuaro: This chapter is performed, firstly, a general analysis of hydrochemical status of surface waters of the wetland. On the other and, taking into account the natural flow of water from the wetland, the spatial variation of physical-chemical parameters and the effect of changes in land use on the surface hydrochemical is analyzed. Chapter 3: Nutrients and organic matter retention in the wetland: This chapter addresses the retention capacity of nutrients (nitrates, nitrites, soluble reactive phosphorus and total phosphorus) and organic matter in the south wetland Patzcuaro over an annual cycle emphasizing on the effects of temporal hydrological variability and determining the role of environmental factors on the retention. The main conclusions are: a) The annual water balance South wetland Patzcuaro was positive (gain of water) and it functions as a buffer hydrological system, transferring approximately 32.55% water to the south of Lake Patzcuaro, with which it forms a unit functional. b) The surface waters of southern wetland Patzcuaro are warm year-round, mineralization high, hard, alkaline and like all subtropical wetlands rich in nutrients and organic matter and, consequently, eutrophics. c) The multivariate analysis performed on the hydrochemical variables measured in surface waters of the wetland, helped to determine four different groups. These groups respond, first to the enrichment of nutrients and salts derived from anthropogenic disturbances and, secondly, to the process related biological photosynthetic activity of primary producers. d) Although the effects caused by human activities impacting on the wetland, in this study is evidence that South Patzcuaro wetland appears to maintain its functionality with ability to process nutrients, organic matter and solids. e) The wetland is very efficient in removing nutrients, although their effectiveness varies according to the phase of the hydrologic cycle. f) The wetland was more efficient in removing phosphorus than nitrogen, perhaps for the storage of phosphorus in the sediment due to the geochemical conditions of the wetland.

The predictability of beach inundation is mainly related to wave runup and most of the formulations that have been developed focus on the hydrodynamics, disregarding the morphological changes caused during storms. For these reasons, the aim of this thesis is to provide more insight into beach inundation processes at embayed and open beaches and to determine how morphological changes can interfere with these processes. To this end, video measurements of beach inundation and the characteristic morphological changes were carried out at two stretches of coast with different wave climates: the stretch comprising La Barceloneta, Somorrostro and Nova Icaria, which are three artificial, tideless embayed beaches located in Barcelona, Spain (NW Mediterranean); and Noordwijk beach, which is an open, microtidal multibarred beach located in Noordwijk, the Netherlands (North Sea). The effects of a submerged and a detached breakwaters on the morphological and hydrodynamic changes occurring at La Barceloneta during storms is examined in chapter 2. The shoreline response before and after the beach nourishment and the construction of the protective structures was compared using a ten-year video-recorded dataset and hydrodynamics modelled using the SMC model. As a result of the protection works, La Barceloneta was divided into two beaches separated by a salient. A new methodological approach to analyzing beach rotation which eliminates the morphological effect is presented. Results indicate that the beach rotation process has been modified caused by a change in the wave-induced current system from a single dominant alongshore current to one composed of two dominant alongshore currents with opposite directions. In chapter 3, beach inundation affecting the three embayed beaches of Barcelona during the 17 strongest storm events of the period 2001-2008 is analyzed using daily time-exposure images. The shoreline variability due to storms was split into beach planform and morphological features in order to determine its influence on beach inundation measurements. The characterization of the inundation depended on the orientation with respect to the wave direction approach and the morphological features. Beach planform changes are the foremost influence on the inundation of Barcelona beaches. The inundation at the multibarred beach of Noordwijk during the seven strongest storms in the period between 1998 and 2005 is estimated, also using video monitoring techniques in chapter 4. Additionally, the influence of subtidal sandbars on the inundation is analyzed using the XBeach model. To this end, six simulations were carried out using barred profiles measured at Noordwijk but differing in sandbar height and location, and one simulation using a synthetic barless profile. Inundation values ranged from 22 to 105 m, with considerable alongshore variation before the peak of each storm because of the presence of the intertidal bars. The mean inundation values along the beach are well estimated using a simple inundation parameter. The XBeach model shows that the inundation is only affected by the morphology close to the shoreline (i.e. by the intertidal bars or the inner bar if it is wide and closer to shoreline). The outer bar does not seem to influence Beach inundation prediction at Somorrostro beach is evaluated in chapter 5. To this end, inundation measurements using video observations are compared with estimations including the tidal variations and the wave runup formulation of Stockdon et. al (2006) introducing deep water and local wave measurements and computations. The inundation is overestimated if any of the wave heights in the formulation are used. Estimations improved if a local wave height is used, in particular for waves approaching the shore obliquely. Finally, the alongshore variability of the inundation is better captured if the wave runup is assumed proportional to the breaking wave heightBARCELONA07 / Las costas están expuestas a la erosión y la inundación producida por los temporales, los cuales son muy frecuentes y pueden producir grandes daños y pérdidas económicas. La inundación producida por los temporales es debida a la marea astronómica y meteorológica y al remonte del oleaje. La predicción de la inundación de la playa está principalmente relacionada con el remonte y la mayoría de las formulaciones propuestas se centran en parámetros hidrodinámicos sin tener en cuenta los cambios morfológicos causados durante los temporales. Por todo ello, el principal objetivo de esta tesis es proporcionar un mayor conocimiento de los procesos de inundación en playas encajadas y abiertas y determinar cómo los cambios morfológicos pueden interferir con estos procesos. Para ello, se han llevado a cabo medidas de la inundación y de los cambios morfológicos característicos utilizando imágenes de video en dos tramos de costa con climas de oleaje diferente: el tramo que comprende las playas de La Barceloneta, Somorrostro and Nova Icaria, las cuales son tres playas artificiales, encajadas y sin marea localizadas en Barcelona, España (NO Mediterráneo); y la playa de Noordwijk, la cual es una playa abierta, multibarrada y micromareal localizada en Noordwijk, Holanda (Mar del Norte). Los efectos de un dique sumergido y un dique exento en los cambios morfológicos e hidrodinámicos ocurridos en la playa de La Barceloneta durante temporales se examinan en el capítulo 2. La respuesta de la línea de orilla antes y después de la regeneración de la playa y de la construcción de las estructuras de protección se compara utilizando 10 años de video imágenes y la hidrodinámica modelada utilizando el Sistema de Modelado Costero (SMC). Como resultado de estas obras de protección, La Barceloneta quedó dividida en dos playas independientes separadas por un saliente. Una nueva metodología para analizar la rotación de la playa que elimina los cambios morfológicos es propuesta. Los resultados indican que la tendencia erosiva previamente observada en la zona noreste de la playa sigue estando presente en la actual playa noreste y está relacionada con el nuevo dique sumergido. Además, el proceso de rotación de la playa se ha modificado, produciéndose solamente en sentido contrario a las agujas del reloj en la playa noreste y en sentido horario en la playa suroeste. Este nuevo comportamiento es debido al cambio en el patrón de corrientes previamente formado por una corriente longitudinal dominante, a un sistema de corrientes compuesto por dos corrientes longitudinales en direcciones opuestas. En el capítulo 3, la inundación producida en las tres playas encajadas de Barcelona durante los 17 temporales más energéticos del periodo 2001-2008 es analizada utilizando imágenes diarias promediadas. La variabilidad de la línea de orilla debida a los temporales es discriminada en cambios en la forma en planta y morfologías (cúspides de playa, megacúspides, ondulaciones y saliente) para determinar su influencia en las medidas de inundación de la playa. La caracterización de la inundación dependió de la orientación respecto de la dirección de aproximación del oleaje y de las morfologías. Los cambios en la forma en planta de la playa son la máxima influencia en la inundación de las playas de Barcelona. Los cambios en la forma en planta hacia tierra y los cambios en el saliente suponen casi un 50% de la máxima inundación medida, mientras que las megacúspides y la ondulación suponen aproximadamente el 25%. El efecto de las cúspides de playa en la inundación es despreciable. Consecuentemente, la variación en la línea de orilla durante temporales influye significativamente los valores de inundación, especialmente en playas con pendientes fuertes. Pequeñas variaciones en la pendiente de la playa pueden sin embargo afectar sustancialmente la inundación en playas con pendientes suaves. La inundación de la playa multibarrada de Noordwijk durante los 7 temporales más fuertes ocurridos en el periodo comprendido entre 1998 y 2005 es también estimada utilizando medidas de video monitorización en el capítulo 4. Además, la influencia de las barras submareales en la inundación es analizada utilizando el modelo XBeach. Para ello, se realizaron siete simulaciones 1-D sin considerar los cambios morfológicos; seis simulaciones utilizando perfiles barrados medidos en la playa de Noordwijk pero que difieren en altura y localización de las barras, y una simulación utilizando un perfil ideal sin barras. Los valores de inundación oscilaron entre 22 y 105 m, con variaciones considerables a lo largo de la playa antes del pico del temporal debido a la presencia de barras intermareales. La inundación promedio a lo largo de la playa es estimada considerablemente bien utilizando un parámetro de inundación sencillo que incluye la pendiente intermareal y supramareal, la altura de ola y la longitud de onda en aguas profundas y la marea meteorológica. El modelo XBeach muestra que la inundación está solamente afectada por la morfología próxima a la línea de orilla, esto es, por las barras intermareales o por la barra interna si es ancha y próxima a la orilla. La barra externa no parece tener influencia en el comportamiento de la inundación. La predicción de la inundación en la playa de Somorrostro es evaluada en el capítulo 5. Para ello, medidas de la inundación utilizando observaciones de imágenes de video se comparan con estimaciones de la inundación incluyendo las variaciones de la marea y el fórmula del remonte de Stockdon et al. (2006), introduciendo medidas locales y en aguas profundas del oleaje así como oleaje modelado. Debido a que las observaciones corresponden a un remonte medio y las estimaciones usan el remonte excedido un 2% (R2%), la inundación es sobreestimada para cualquier altura de ola utilizada en la fórmula. Sin embargo, las estimaciones mejoran si una altura de ola medida a 10 m es utilizada en la fórmula en particular para oleajes con una aproximación oblicua a la línea de orilla. Finalmente, las diferencias entre las observaciones y las estimaciones varían a lo largo de la playa, siendo mayores en la zona de curvatura de la playa. La variabilidad de la inundación a lo largo de la playa es mejor caracterizada si el remonte se asume igual que la altura de ola en rotura.

Characterization of aquifers hydraulic parameters is a difficult task that requires field information. Most of the time the hydrogeologist relies on a group of values coming from different test to interpret the hydrogeological setting and possibly, generate a model. However, getting the best from this information can be challenging. In this thesis, three cases are explored. First, hydraulic conductivities associated with measurement scale of the order of 10−1 m and collected during an extensive field campaign near Tübingen, Germany, are analyzed. Estimates are provided at coinciding locations in the system using: the empirical Kozeny-Carman formulation, providing conductivity values, based on particle size distribution, and borehole impeller-type flowmeter tests, which infer conductivity from measurements of vertical flows within a borehole. Correlation between the two sets of estimates is virtually absent. However, statistics of the natural logarithm of both sets at the site are similar in terms of mean values and differ in terms of variogram ranges and sample variances. This is consistent with the fact that the two types of estimates can be associated with different (albeit comparable) measurement (support) scales. It also matches published results on interpretations of variability of geostatistical descriptors of hydraulic parameters on multiple observation scales. The analysis strengthens the idea that hydraulic conductivity values and associated key geostatistical descriptors inferred from different methodologies and at similar observation scales (of the order of tens of cm) are not readily comparable and should not be embedded blindly into a flow (and eventually transport) prediction model. Second, a data-adapted kernel regression method, originally developed for image processing and reconstruction is modified and used for the delineation of facies. This non-parametric methodology uses both the spatial and the sample value distribution, to produce for each data point a locally adaptive steering kernel function, self-adjusting the kernel to the direction of highest local spatial correlation. The method is shown to outperform the nearest-neighbor classification (NNC) in a number of synthetic aquifers whenever the available number of data is small and randomly distributed. Still, in the limiting case, when the domain is profusely sampled, both the steering kernel method and the NNC method converge to the true solution. Simulations are finally used to explore which parameters of the locally adaptive kernel function yield optimal reconstruction results in typical field settings. It is shown that, in practice, a rule of thumb can be used to get suboptimal results, which are best when key prior information such as facies proportions is used. Third, the effect of water temperature fluctuation on the hydraulic conductivity profile of coarse sediments beneath an artificial recharge facility is model and compared with field data. Due to the high permeability, water travels at a high rate, and therefore also water with different temperature is also present on the sediment under the pond at different moments, this translates into different hydraulic conductivity values within the same layer, even though all the other parameters are the same for this layer. Differences of almost 79% in hydraulic conductivity were observed for the model temperatures (2 °C – 25 °C). This variation of hydraulic conductivity in the sediment below the infiltration pond when water with varying temperature enters the sediment, causes the infiltration velocity to change with time and produces the observed fluctuation on the field measurements. / La caracterización de los parámetros hidráulicos de los acuíferos es una tarea difícil que requiere información de campo. La mayoría de las veces el hidrogeólogo se basa en un grupo de valores procedentes de diferentes pruebas para interpretar la configuración hidrogeológica y posiblemente , generar un modelo . Sin embargo, obtener lo mejor de esta información puede ser un reto. En esta tesis se analizan tres casos. Primero, se analizan las conductividades hidráulicas asociadas a una escala de medición del orden de 10 m− 1 y obtenidas durante una extensa campaña de campo cerca de Tübingen, Alemania. Las estimaciones se obtuvieron en puntos coincidentes en el sitio, mediante: la formulación empírica de Kozeny - Carman, proporcionando valores de conductividad, con base en la distribución de tamaño de partículas y las pruebas del medidor de caudal de tipo impulsor en el pozo, el cual infiere las medidas de conductividad a partir de los flujos verticales dentro de un pozo. La correlación entre los dos conjuntos de estimaciones es prácticamente ausente. Sin embargo, las estadísticas del logaritmo natural de ambos conjuntos en el lugar son similares en términos de valores medios y difieren en términos de rangos del variograma y varianzas de muestra. Esto es consecuente con el hecho de que los dos tipos de estimaciones pueden estar asociados con escalas de apoyo de medición diferentes (aunque comparables). También coincide con los resultados publicados sobre la interpretación de la variabilidad de los descriptores geoestadísticos de parámetros hidráulicos en múltiples escalas de observación . El análisis refuerza la idea de que los valores de conductividad hidráulica y descriptores geoestadísticos clave asociados al inferirse de diferentes metodologías y en las escalas de observación similares (en el caso del orden de decenas de cm) no son fácilmente comparables y debe ser utilizados con cuidado en la modelación de flujo (y eventualmente, el transporte) del agua subterránea. En segundo lugar, un método de regresión kernel adaptado a datos, originalmente desarrollado para el procesamiento y la reconstrucción de imágenes se modificó y se utiliza para la delimitación de las facies. Esta metodología no paramétrica utiliza tanto la distribución espacial como el valor de la muestra, para producir en cada punto de datos una función kernel de dirección localmente adaptativo, con ajuste automático del kernel a la dirección de mayor correlación espacial local. Se demuestra que este método supera el NNC (por su acrónimo en inglés nearest-neighbor classification) en varios casos de acuíferos sintéticos donde el número de datos disponibles es pequeño y la distribución es aleatoria. Sin embargo, en el caso límite, cuando hay un gran número de muestras, tanto en el método kernel adaptado a la dirección local como el método de NNC convergen a la solución verdadera. Las simulaciones son finalmente utilizadas para explorar cuáles parámetros de la función kernel localmente adaptado dan resultados óptimos en la reconstrucción de resultados en escenarios típicos de campo. Se demuestra que, en la práctica, una regla general puede ser utilizada para obtener resultados casi óptimos, los cuales mejoran cuando se utiliza información clave como la proporción de facies. En tercer lugar, se modela el efecto de la fluctuación de la temperatura del agua sobre la conductividad hidráulica de sedimentos gruesos debajo de una instalación de recarga artificial y se compara con datos de campo. Debido a la alta permeabilidad, el agua se desplaza a alta velocidad alta, y por lo tanto, agua con temperatura diferente también está presente en el sedimento bajo el estanque en diferentes momentos, esto se traduce en diferentes valores de conductividad hidráulica dentro de la misma capa, a pesar de que todos los demás parámetros son los mismos para esta capa. Se observaron diferencias de casi 79 % en la conductividad hidráulica en el modelo, para las temperaturas utilizadas (2 º C - 25 º C ). Esta variación de la conductividad hidráulica en el sedimento por debajo de la balsa de infiltración cuando el agua de temperatura variable entra en el sedimento, causa un cambio en la velocidad de infiltración con el tiempo y produce las fluctuacciones observadas en las mediciones de campo.