Esta tesis propone nuevas metodologías para simular y caracterizar el clima marítimo considerando diferentes escalas espaciales y temporales. En primer lugar, se desarrolla un método para analizar el origen y el tiempo de propagación de la energía del oleaje local. El objetivo de este método es caracterizar fácilmente el área de influencia de cualquier localización. Después, se desarrolla un método estadístico para simular estados de mar multivariados locales a partir campos de presiones regionales. Este enfoque se basa en una clasificación de tipos de tiempo en el área de estudio. A continuación, se analiza la habilidad de los modelos climáticos globales (GCMs) para simular el clima a escala regional. Específicamente, se estudia la habilidad de los GCMs de CMIP3 y CMIP5 para representar el clima histórico y futuro en el océano Atlántico nororiental. Por último, se define una metodología para obtener proyecciones de clima marítimo regionales ante escenarios de cambio climático. Esta metodología, que se apoya en las metodologías desarrolladas en los capítulos anteriores, se aplica para generar proyecciones multi-modelo de alta resolución en Europa. Las principales ventajas de estos métodos son bajo coste computacional y simplicidad manteniendo la precisión. / This thesis proposes new methodologies to simulate and characterize wave climate considering different temporal and spatial scales. Firstly, a method for evaluating the source and travel time of local wave energy is developed. The goal of this method is to easily characterize the area of influence of any location. Then, a statistical method for simulating local multivariate sea states from regional pressure fields is developed. This approach is based on a weather-type classification in the study area. Next, the ability of global climate models (GCMs) for simulating regional climate is assessed. Specifically, the ability of the GCMs from CMIP3 and CMIP5 to represent historical and future climate in the North East Atlantic Ocean is studied. Lastly, a methodology for obtaining regional wave climate projections for climate change scenarios is defined. This methodology, based on the methodologies described in the previous chapters, is applied in order to generate high-resolution multi-model projections in Europe. The main advantages of these methods are low computational cost and simplicity maintaining accuracy.

La tesis doctoral recoge una serie de técnicas y metodologías para la caracterización y simulación de las variables implicadas en procesos costeros o en el diseño de estructuras marítimas. En un primer término se desarrolla un modelo logístico con el que caracterizar estados multivariados previamente clasificados. A continuación se desarrolla una metodología para simular estados de mar trivariados (altura de ola, periodo y dirección) que tiene en cuenta diferentes escalas tanto temporales como espaciales y considera los campos de presiones en la zona de generación del oleaje como covariable. Para una gestión eficiente de series temporales de oleaje de largo periodo se presenta un método basado en un algoritmo de clasificación y una posterior interpolación. Esta metodología se aplica al cálculo de parámetros de diseño en obras marítimas y en estructuras offshore. Finalmente se presenta una técnica de simulación que aúna el régimen extremal y el régimen medio de una variable. / The thesis encompasses some techniques and methodologies to characterize and simulate the envolved variables in coastal processes and maritime structures design. Firstly, a logistic model is developed to characterize multivariate states previously classified. Then, a methodology to simulate trivariate sea states (wave height, period and direction) considering different temporal and spatial scales is developed. Pressure fields in the wave generation area are considered as covariate. For an efficient management of long term time series a mixed method based in a clusterization technique and a later interpolation is presented. This method is applied to estimate design parameters of maritime and offshore structures. Finally, a technique to simultaneously simulate point-in-time and extreme-events distributions is presented.

El objetivo general de esta tesis se centra en profundizar en el conocimiento de una de las variables que determinan el nivel del mar: la marea meteorológica. La marea meteorológica se define como la componente del nivel del mar que varía debido al efecto que los gradientes de presión y la tensión del viento ejercen sobre la superficie del mar. En esta tesis, el estudio de la marea meteorológica se aborda desde distintas perspectivas, incluyendo el modelado numérico, el modelado estadístico y el análisis de los eventos extremos. En primer lugar, se ha utilizado un modelo numérico para simular la marea meteorológica en un área que cubre todo el Mediterráneo y la región Atlantica de la Peninsula Ibérica, incluyendo las Islas Canarias. Se han desarrollado dos bases de datos de alta resolución utilizando dos forzamientos atmosféricos distintos, lo que ha permitido estimar la sensibilidad del modelo a la resolución del forzamiento. Los resultados de estas simulaciones se han validado con datos de mareógrafos y con medidas de altímetro a lo largo de todo el dominio espacial. A partir de los resultados obtenidos también se ha estimado la variabilidad de la marea meteorológica en términos de estacionalidad y tendencias de largo plazo. En un siguiente paso, se ha utilizado una de las bases de datos anteriormente descritas para caracterizar los eventos extremos. Los valores extremos se han seleccionado utilizando el método de excedencias sobre un umbral y a continuación se ha aplicado un modelo estadístico para valores extremos dependiente del tiempo. Esto ha permitido estimar las tendencias de largo plazo en la magnitud, la duración y la frecuencia de los eventos extremos de marea meteorológica. Así mismo, también se ha calculado el nivel asociado al periodo de retorno de 50 años y la sensibilidad de la marea meterorológica a la Oscilación del Atlántico Norte. Por último, se ha estimado la marea meteorológica desde un punto de vista estadístico. El modelado numérico requiere un gran esfuerzo a nivel de computación y por tanto, cuando la zona de estudio o el periodo de tiempo que se quiere simular es grande, una opción más eficiente es utilizar el modelado estadístico. Para ello, se ha utilizado un modelo de regresión lineal multivariado que permite obtener la relación entre los campos de presión atmosféricos y la marea meteorológica. De esta forma, es posible reconstruir estadisticamente los niveles de marea meteorológica a partir de una base de datos atmosférica global que comienza a finales del siglo XIX (20th Century Reanalysis). De acuerdo con el objetivo general de esta tesis, el estudio de la marea meteorológica desde distintos puntos de vista ha contribuido a un mejor entendimiento de esta componente del nivel del mar, aportando nuevos datos sobre sus características a distintas escalas espaciales y temporales. / Lastly, the atmospheric surge was estimated from a statistical point of view. The numerical modelling requires a high computational effort, and hence, when the time coverage or the spatial extent under study is large, a different approach should be considered. A multivariate regression model was used to statistically reconstruct the surge levels from the 20th Century Reanalysis. This is done by finding the relationship between the atmospheric fields (mean sea level pressures) and the surge. This statistical simulation allowed us to developed a global atmospheric surge database that covers the period from the end of the XIX century to the present. According to the general objective of this thesis, the study of the atmospheric surge from these different viewpoints, contributed to a better understanding of this sea level component, giving insights of their characteristics at different temporal and spatial scales, and also about the advantages and shortcomings of the different simulation methods.

El objetivo del presente trabajo es proporcionar una metodología escalonada con un grupo de herramientas numéricas seleccionadas y/o desarrolladas con el fin de establecer dónde se requiere una zona de mezcla y determinar su tamaño y aceptabilidad con un nivel de detalle apropiado de acuerdo a su relevancia para cada vertido industrial descargado por boca única situado en un estuario. Esta propuesta puede ser aplicada tanto por los Estados miembros como las industrias a la hora de delimitar zonas de mezcla según lo establecido en la Directiva 2008/105/EC y la Directiva 2013/39/EU. La estructura de la tesis se organiza en seis capítulos de la siguiente manera: • Capítulo 1 Introducción. En este capítulo se introduce al lector los contenidos de todos los demás capítulos de la tesis. En primer lugar, se presentan las motivaciones para llevar a cabo la investigación, explicando su importancia y las razones que llevaron al desarrollo de esta tesis. En segundo lugar, se presenta el objetivo general de la tesis y, por último, se explica su estructura. • Capítulo 2. Estado del Arte. Con el objetivo general en mente, se lleva a cabo una revisión de la literatura con el fin de evaluar los diferentes enfoques metodológicos utilizados en la práctica diaria en todo el mundo, de exponer los temas de actualidad en estuarios (hidrodinámica y mezcla) y, por último, de revisar las herramientas numéricas disponibles utilizadas para estudiar la hidrodinámica y de mezcla de vertidos en estuarios. Esta revisión destaca los puntos fuertes y las deficiencias encontradas en los enfoques actuales y permite la definición de los objetivos específicos de la presente obra. • Capítulo 3. Metodología general. En este capítulo, se describe la metodología escalonada desarrollada mediante el uso de cinco pasos. En el Paso 1, se recopila la información requerida sobre el área de estudio y las descargas de sustancias tóxicas. El Paso 2 identifica la relevancia del vertido en la zona de estudio. A continuación, el Paso 3 evalúa el efecto generado por los vertidos y delimita las zonas de mezcla a partir de un cálculo simplificado, que tiene en cuenta unas condiciones fijas de los forzamientos. El Paso 4 evalúa el efecto generado por las descargas y delimita las zonas de mezcla durante el año más seco de acuerdo con el caudal del río. Finalmente, en el Paso 5, se 'reevalua' el efecto generado por las descargas y se ‘redelimitan’ las zonas de mezcla con base en el caso real de dilución y teniendo en cuenta la variabilidad de los forzamientos ambientales. • Capítulo 4. Herramientas numéricas. En este capítulo, se presenta una revisión de los modelos numéricos usados y de todas las herramientas matemáticas de desarrollo propio que permiten la integración, la transferencia, la comunicación y la representación gráfica de la información requerida y obtenida a lo largo de la metodología expuesta. • Capítulo 5. Resultados: Aplicación en el estuario de Suances. En este capítulo, se ilustra la implementación/aplicación en el estuario de Suances de la metodología desarrollada en el capítulo 3, usando las herramientas numéricas propuestas y descritas en el capítulo 4. • Capítulo 6. Conclusiones y futuras líneas de investigación. Al final del documento, se detallan las conclusiones del presente trabajo junto con algunas propuestas para futuros temas de investigación que pueden complementar el presente estudio y la metodología desarrollada. Por último, se listan todas las aportaciones realizadas por esta tesis. / The main objective of the present study is to make a step forward in the assessment of mixing zones of single-port industrial discharges in estuaries by developing and implementing a stepped methodology according to the significance of the considered discharge. Thereby, this methodology establishes where a mixing zone is required and determines its size and acceptability for each point discharge based on numerical models and mathematical tools. Thus, in this thesis a “Stepped Approach” has been developed to document the policy decision tree (methodology) that may be adopted by Member States and/or Industries when setting Mixing Zones (MZs) under Directive 2008/105/EC and Directive 2013/39/EU. The structure of the thesis is organized in six chapters as follows: • Chapter 1. Introduction. This chapter has introduced the reader in all other chapters of the thesis. Firstly, the motivations for research, explaining their importance and the reasons that led to the development of this thesis, are displayed. Secondly, the general aim of the thesis is presented and, finally, the organization of this thesis is explained. • Chapter 2. State of the Art. With the general aim in mind, a literature review is carried out in this chapter in order to evaluate the different methodological approaches used in daily practice around the globe, to state the contemporary issues in estuarine physics (hydrodynamics and mixing) and, finally, to gather the available numerical tools used to study estuarine hydrodynamics and mixing. This review highlights the strengths and deficiencies found in current approaches and allows the definition of the final objectives of the present work. • Chapter 3. Overall Methodology. In this chapter, the developed methodology, involving five steps, has been described. In Step 1, we collect the required information about the study area and the toxicant discharges. Step 2 identifies the significance of the discharge or discharges in the study zone. Next, Step 3 evaluates the effect generated by discharges and delimitates MZs from a simplified calculation that takes into account fixed conditions. Step 4 evaluates the effect generated by discharges and delimitates MZs during the driest year according to the river flow. Finally, in Step 5, we ’reevaluate’ the effect generated by discharges and ’redelimitate’ MZs according to a real case of dilution taking into account the variability of the environmental forcings. • Chapter 4. Numerical Tools. In this chapter, a review of the used numerical models and all the self-developed mathematical tools for integrating, transferring, communicating and plotting the required and obtained information along the overall methodology is presented. • Chapter 5. Results: Application to Suances Estuary. The implementation/application to Suances Estuary of the developed methodology in Chapter 3, using the proposed numerical tools described in Chapter 4, is presented. • Chapter 6. Conclusions and Future Research Topics. At the end of the document the conclusions of the present work are presented together with some proposals for future research topics that may complement the present study and the proposed methodology. Lastly, all the contributions made by this thesis were itemized.