In the last years free-space optical communications systems for wireless links have been proposed, studied, and implemented mainly due to the higher bandwidth that this technology is able to provide. Still, radio frequency (RF) systems have been maintained in practical wireless communications systems due to the improvement of the microwave sources and the development of high speed electronics. Nowadays the circumstances are changing as a consequence of the increasing data-rate needed in terrestrial and outer space communications. The shift from RF systems to optical communication systems in the free space applications provide a wide set of advantageous characteristics that are motivating the use of these optical technologies in detriment of the RF systems. One of the key reasons is the advantage of working with optical wavelengths in compare to the RF spectral band. As well as the already mentioned increase in the available bandwidth due to the fact that higher optical frequencies directly mean wider bandwidths, the use of optical frequencies lead to a better performance in terms of the received power: for equal antenna sizes the received signal goes inversely as the square of the wavelength. Of the most interest, recent coherent optical communication systems address modulation and detection techniques for high spectral efficiency and robustness against transmission impairments. Coherent detection is an advanced detection technique for achieving high spectral efficiency and maximizing power or signal-to-noise (SNR) efficiency, as symbol decisions are made using the in-phase and quadrature signals, allowing information to be encoded in all the available degrees of freedom. In this context, the effects of Earth's atmosphere must be taken into account. Turbulenceinduced wavefront distortions affect the transmitted beam responsible for deterioration of the link bit error rate (BER). The use of adaptive optics to mitigate turbulence-induced phase fluctuations in links employing coherent (synchronous) detection is poised to reduce performance penalties enabling a more capable next generation of free-space optical communications. In this work, we describe the implementation of a free space optical coherent communication system using QPSK modulation and heterodyne downconvertion that uses adaptive optics techniques and digital signal processing to mitigate turbulenceinduced phase fluctuations and channel impairments in coherent receivers. A new method for generating atmospheric turbulence based on binary computer generated holography (BCGH) using binary arrays is presented and its performance is evaluated. The feasibility of FSO coherent systems working with adaptive optics is demonstrated and the system performance in terms of the BER is experimentally evaluated under the influence of atmospheric turbulence. The resulting system performance is compared against the theoretical models. The viability of the approach to improve the system efficiency and sensitivity of coherent receivers is experimentally demonstrated. / En los últimos años las comunicaciones ópticas en el espacio libre han sido propuestas, analizadas e implementadas debido, principalmente, al gran ancho de banda disponible mediante esta tecnología. Aún así, en la práctica, los sistemas de radiofrecuencia (RF) han sido mantenidos en las aplicaciones comerciales debido a la mejora de los dispositivos utilizados y al desarrollo de equipos electrónicos con gran velocidad de procesado. Hoy en día la situación está cambiando como consecuencia de un incremento en la tasa de transmisión requerida en sistemas de comunicaciones terrestres y en el espacio exterior. El cambio de sistemas de RF hacia sistemas ópticos en el espacio libre implica una serie de ventajas clave que motiva la transición hacia estas tecnologías. La primera y gran ventaja de trabajar con frecuencias pertenecientes al espectro óptico es el aumento del ancho de banda disponible, ya que trabajar a alta frecuencia implica directamente un incremento en el ancho de banda. Además, la eficiencia en términos de potencia es incrementada, ya que, para un tamaño de antena fijo, la potencia de señal recivida es proporcional al inverso de la longitud de onda al cuadrado. De especial interés es el desarrollo de sistemas de comunicaciones ópticos que utilicen modulaciones complejas, lo que implica una mayor eficiencia espectral y una mayor robustez contra efectos perniciosos introducidos por el canal. La detección coherente es una avanzada técnica que permite un aumento en la eficiencia espectral y maximiza la eficiencia de la potencia recibida. Esto es debido a que los simbolos son demodulados utilizando las señales en fase y cuadratura, aumentando los grados de libertad del sistema. En este contexto, los efectos de la atmósfera sobre las comunicaciones ópticas coherentes deben ser analizadas en detalle. Las turbulencias atmosféricas distorsionan el frente de onda y son responsables del deterioro de la tasa de error en las comunicaciones ópticas en el espacio libre. El uso de óptica adaptativa para mitigar los efectos de turbulencia atmosphérica abre una ventana a la implementación de la próxima generación de sistemas de comunicaciones, basados en tecnologías coherentes. En este trabajo se describe la implementación de un sistema completo de comunicaciones ópticas coherentes utilizando una modulación coherente (QPSK) y detección heterodina. Un sistema de óptica adaptativa y algoritmos de procesado de señal son implementados con el objetivo de mitigar los diferentes efectos introducidos por el canal. Por otro lado, un nuevo método para generar frentes de onda distorsionados por el canal atmosférico es desarrollado y su eficiencia es analizada. Este método se basa en el uso de holografía binaria generada por computador (BCGH) junto con un dispositivo de modulación óptica binaria de bajo coste (DLP). El funcionamiento del sistema completo es verificado y su eficiencia, en términos de tasa de error, son analizados. La eficiencia obtenida experimentalmente es comparada contra los modelos teóricos propuestos en la literatura. La viabilidad del uso de óptica adaptativa para mitigar efectos en sistemas ópticos coherentes es experimentalmente demostrada.

Drought variability and change is assessed in this study across the Iberian Peninsula along the 20th century and the first decade of the 21st century using state of the art drought indices: the Sc-PDSI, the SPI and the SPEI. The analysis conducted in this study confirms that drought conditions are worsening for most of the Iberian Peninsula across time except in the western and in the north-western area, where a wetting trend is identified. Furthermore, the severity and duration of droughts show a remarkable increase in the south-western area, while drought magnitude is increasing significantly in the Mediterranean region strongly induced by global warming especially during the last decades. Severity, duration and magnitude of wet events do not experience significantly variations. Our results are in agreement with other studies which project this evolution to the whole 21st century. For this reason, and as a link of our study to societal needs, the application of effective water management strategies will be crucial to minimize the impact of the hydrological droughts over the Iberian Peninsula into the near future. / La següent tesi doctoral proporciona un anàlisi exhaustiu sobre la variabilitat i les tendències observades en l’evolució de les sequeres a la Península Ibèrica al llarg del s.XX i la primera dècada del s.XXI. El Sc-PDSI, el SPI i el SPEI són els índexs de sequera calculats a escala mensual usant una xarxa de sèries climàtiques d’alta qualitat per avaluar l’evolució espacio-temporal de les sequeres hidrològiques i els events humits a escala anual i estacional, tenint en compte la severitat, la magnitud i la durada d’aquests events extrems. A partir dels resultats, una clara tendència a la sequera ha estat detectada a gran part de la Península Ibèrica al llarg del s.XX a excepció de la regió oest i nord-oest, on ha estat identificada una tendència a l’increment de les condicions humides. Llavors, la disponibilitat d’aigua podria estar empitjorant en aquesta àrea provocant impactes ambientals i socio-econòmics realment difícils de solucionar. L’aplicació d’estratègies efectives de gestió de l’aigua, seran crucials per minimitzar l’impacte de les sequeres a la Península Ibèrica en un futur pròxim.

En 1971 el convenio internacional RAMSAR sobre la Conservación de los Humedales y las Aves Acuáticas comienza ya a fomentar la investigación sobre los humedales, refiriéndose a la necesidad de una mejor información científica para evaluar correctamente la situación de los mismos. Más recientemente la Directiva Marco Europea del Agua (DMA) establece que son precisos principios comunes para mejorar la protección de las aguas comunitarias en sus aspectos cuantitativos y cualitativos y proteger los ecosistemas acuáticos, así como los humedales que dependen directamente de ellos. Este es el caso de los humedales mediterráneos semiáridos salinos. Sin embargo, el avanzado grado de terrestrialización de estos ecosistemas y su alta estacionalidad, hacen que los indicadores propios utilizados para los ecosistemas acuáticos continentales no siempre puedan utilizarse en su caracterización y evaluación ecológica. Se hace pues, necesario buscar otros parámetros indicadores típicos de las especies vegetales y animales altamente adaptadas a estos singulares ambientes. De la misma forma, deben ser establecidos rangos particulares de los valores de dichos parámetros que indiquen los niveles de calidad ecológica en estos ecosistemas. Con el fin de definir indicadores del estado ecológico de estos ecosistemas se han investigado diferentes aspectos funcionales de los mismos a escala de cuenca y humedal y se han establecido relaciones entre ellos. A nivel de humedal se ha focalizado el estudio en las comunidades vegetales, mientras que a nivel de cuenca se han estudiado principalmente los usos de suelo de las mismas. Los objetivos específicos del trabajo han sido: (1) delimitación de las cuencas de drenaje que afectan a cada humedal y cartografía histórica de los usos de suelo en las mismas; (2) análisis de los cambios históricos de las especies vegetales perennes presentes en los humedales en relación a los cambios de usos de suelo en sus cuencas vertientes; (3) análisis cuantitativo y cualitativo por medio de muestreos de campo y teledetección de las comunidades vegetales presentes en los diversos humedales en relación con el estudio de los usos de suelo en sus cuencas vertientes y (4) modelización espacio-dinámica de la evolución de las comunidades vegetales en el humedal de la Marina del Carmolí. Para ello. se seleccionaron 11 humedales de la Región de Murcia: Saladar de Cañada Brusca, Saladar de Matalentisco, Saladar de la Playa del Sombrerico, Saladar de la Boquera de Tabala, Saladar de Lo Poyo, Marina del Carmoli, Marina de Punta Galera, Humedal de Ajauque, Saladar de Derramadores, Humedal de las Salinas del Rasall y La Alcanara. La metodología usada se ha basado en la aplicación de diversos aspectos teórico-prácticos de la ecología, combinando el trabajo de campo con el de gabinete. Los parámetros indicadores y los procesos ecológicos que han sido estudiados, así como las técnicas metodológicas seguidas fueron las siguientes: (1) Identificación y caracterización de los humedales objeto de estudio (técnicas GIS, salidas de campo, bibliografía); (2) Estudio del estado cualitativo y cuantitativo de sus comunidades vegetales (Muestreos y mapeo por teledetección); (3) Modelización y estudio de las comunidades vegetales de los humedales y de las cuencas delimitadas (GIS) y (4) Estudio histórico de los usos de suelo en las cuencas de drenaje de los humedales (teledetección). Mediante el estudio y análisis estadístico de la relación entre los indicadores biológicos y de los indicadores paisajísticos se ha demostrado el grado de validez de los mismos como indicadores del estado ecológico de dichos ecosistemas y se han establecido diversos índices de estado ecológico de los humedales, así como una herramienta de modelado dinámico-espacial aplicada a los mismos. / Modelling and establishment of plant indicators of ecological status for semiarid Mediterranean saline wetlands In 1971 the international RAMSAR Convention on the Conservation of Wetlands and Waterfowl already began to encourage research on wetlands, referring to the need for better scientific information to properly assess the situation. More recently the European Water Framework Directive (WFD) provides the common principles that are needed to improve the protection of European waterbodies, qualitatively and quantitatively, and to protect the aquatic ecosystems and wetlands directly depending on them. This is the case of Mediterranean semiarid saline wetlands. However, the advanced degree of terrestrialization of these ecosystems and their high seasonality, make typical indicators of inland aquatic ecosystems not always applicable for their characterization, and therefore other indicator parameters should be included in their characterization, which are typical of the plant and animal species highly adapted to these unique environments. Likewise, particular ranges of values of indicator parameters should be established, thus indicating ecological quality levels in these ecosystems. In order to define indicators of the ecological status of these ecosystems, different functional aspects of them have been investigated, at watershed and wetland scale, and the relationships between them have been established. At the wetland scale our study has mainly focused on plant communities, while at the watershed scale land use has been mainly studied. The specific objectives of the study were: (1) the delineation of drainage basins affecting each wetland, as well as the historical mapping of land uses, (2) the analysis of historical changes of perennial plant taxa in the wetlands in relation to changes in land cover in their watersheds, (3) plant communities characterization and mapping through field sampling and remote sensing techniques and study of their relationship with the land cover at watershed scale and (4) spatio-dynamic modeling of the evolution of plant communities in the Marina del Carmolí wetland. We have selected 11 wetlands in the Region of Murcia: Cañada Brusca, Matalentisco, Sombrerico, Boquera Tabala, Lo Poyo, Marina del Carmolí, Marina Punta Galera, Ajauque, Derramadores, La Alcanara and Rasall. The methodology used was based on the application of various theoretical and practical aspects of ecology, combining fieldwork with cabinet. The indicator parameters and ecological processes that have been studied, as well as the methodological techniques followed were: (1) Identification and characterization of the study wetlands (GIS techniques, fieldtrips, bibliography), (2) qualitative and quantititative study of its plant communities (field sampling and mapping through remote sensing), (3) watershed and wetland plant communities modelling (GIS) and (4) historical mapping of land uses in the wetland watersheds through remote sensing. Through the study and statistical analysis of the relationships between biological and landscape indicators, their validity as ecological status indicators for these ecosystems has been demonstrated and various indices have been developed, as well as spatio-dynamic wetland modelling tools.

Les imatges de teledetecció de la superfície oceànica proporcionen una vista sinòptica de la complexa geometria de la circulació oceànica, dominada per la variabilitat de mesoescala. Estructures com filaments i vòrtex són presents en els diferents escalars advectats pel flux oceànic. L’origen més probable d’aquestes estructures és el caràcter turbulent dels corrents, aquestes estructures són persistents amb el temps i compatibles amb la dinàmica mesoscalar oceànica. A escales espacials de quilòmetres o més, la turbulència és principalment 2D, i una complexa geometria, plena de filaments i remolins de mides diferents, emergeix en les imatges superficials de teledetecció de concentració de clorofil·la-a, salinitat superficial, així com en altres escalars més coneguts com són la temperatura superficial i la topografia dinàmica. L’objectiu d’aquesta tesi és explorar i aplicar metodologies de mapatge que permeten millorar la qualitat de mapes de teledetecció oceànica en general, i en particular de la salinitat superficial del mar (SSS). Les diferents metodologies emprades en aquesta tesi han estat aplicades amb l’objectiu específic de millorar els mapes de teledetecció de salinitat superficial del mar proveïts per la missió SMOS de l’Agència Espaial Europea. SMOS és el primer satèl·lit capaç de mesurar la humitat del sol i salinitat oceànica des de l’espai a escala global. La primera part d’aquesta tesi se centra a analitzar les característiques dels productes de nivell 2 (L2) de salinitat de SMOS i produir mapes de nivell 3 (L3) de salinitat utilitzant aproximacions clàssiques: millora del filtratge, mitjana ponderada i Interpolació Òptima. En el curs de la nostra recerca obtenim un conjunt de recomanacions de com processar les dades de SMOS començant des del nivell L2. Aquesta tesi també presenta una nova tècnica de fusió de dades que permet explotar les estructures turbulentes comunes entre diferents variables oceàniques, representant un pas endavant en la cadena de processat per generar mapes de nivell 4 (L4). Aquesta tècnica de fusió es basa teòricament en les propietats geomètriques dels traçadors advectats per la dinàmica oceànica (Turiel et al., 2005a). Degut a l’efecte de forta cissalla als fluits turbulents, l’estructura espacial d’un traçador oceànic hereta algunes propietats del flux subjacent, i en particular el seu arranjament geomètric. Com a conseqüència, les diferents variables oceàniques mostren propietats d’escala similars a la cascada d’energia turbulenta (Seuront and Schmitt, 2005; Nieves et al., 2007; Nieves and Turiel, 2009; Isern-Fontanet et al., 2007). El mètode de fusió agafa un senyal de menor qualitat (afectat per soroll, forats de dades i/o de resolució més baixa) i en millora la seva qualitat. A més d’això, el mètode de fusió és capaç d’extrapolar les dades de forma geofísicament coherent. Aquesta millora del senyal s’aconsegueix utilitzant una altra variable oceànica adquirida amb major qualitat, cobertura espacial més gran i/o millor resolució. Un punt clau d’aquesta aproximació és la suposició de l’existència d’una estructura multifractal de les imatges de teledetecció oceànica (Lovejoy et al., 2001b), i que les línies de singularitat de les diferents variables de l’oceà coincideixen. Sota aquestes premises, els gradients de les dues variables a fusionar estan relacionats per una matriu suau. Com a primera i simple aproximació, s’assumeix que aquesta matriu és proporcional a la identitat; això porta a un esquema de regressió lineal local. Aquesta tesi mostra que aquesta aproximació senzilla permet reduir l’error i millorar la cobertura del producte de nivell 4 resultant. D’altra banda, s’obté informació sobre la relació estadística entre les dues variables fusionades, ja que la dependència funcional entre elles es determina per cada punt de la imatge. / Remote sensing imagery of the ocean surface provides a synoptic view of the complex geometry of ocean circulation, which is dominated by mesoscale variability. The signature of filaments and vortices is present in different ocean scalars advected by the oceanic flow. The most probable origin of the observed structures is the turbulent character of ocean currents, and those signatures are persistent over time scales compatible with ocean mesoscale dynamics. At spatial scales of kilometers or more, turbulence is mainly 2D, and a complex geometry, full of filaments and eddies of different sizes, emerges in remote sensing images of surface chlorophyll-a concentration and surface salinity, as well as in other scalars acquired with higher quality such as surface temperature and absolute dynamic topography. The aim of this thesis is to explore and apply mapping methodologies to improve the quality of remote sensing maps in general, but focusing in the case of remotely sensed sea surface salinity (SSS) data. The different methodologies studied in this thesis have been applied with the specific goal of improving surface salinity maps generated from data acquired by the European Space Agency's mission SMOS, the first satellite able to measure soil moisture and ocean salinity from space at a global scale. The first part of this thesis will introduce the characteristics of the operational SMOS Level 2 (L2) SSS products and the classical approaches to produce the best possible SSS maps at Level 3 (L3), namely data filtering, weighted average and Optimal Interpolation. In the course of our research we will obtain a set of recommendations about how to process SMOS data starting from L2 data. A fusion technique designed to exploit the common turbulent signatures between different ocean variables is also explored in this thesis, in what represents a step forward from L3 to Level 4 (L4). This fusion technique is theoretically based on the geometrical properties of advected tracers. Due to the effect of the strong shear in turbulent flows, the spatial structure of tracers inherit some properties of the underlying flow and, in particular, its geometrical arrangement. As a consequence, different ocean variables exhibit scaling properties, similar to the turbulent energy cascade. The fusion method takes a signal affected by noise, data gaps and/or low resolution, and improves it in a geophysically meaningful way. This signal improvement is achieved by using an appropriate data, which is another ocean variable acquired with higher quality, greater spatial coverage and/or finer resolution. A key point in this approach is the assumption of the existence of a multifractal structure in ocean images, and that singularity lines of the different ocean variables coincide. Under these assumptions, the horizontal gradients of both variables, signal and template, can be related by a smooth matrix. The first, simplest approach to exploit such an hypothesis assumes that the relating matrix is proportional to the identity, leading to a local regression scheme. As shown in the thesis, this simple approach allows reducing the error and improving the coverage of the resulting Level 4 product; Moreover, information about the statistical relationship between the two fields is obtained since the functional dependence between signal and template is determined at each point.

Air pollution is an important topic with a great social impact; it is related with public health, environment and ecology, and climate change. Scientists have developed several models in the last thirty years, and regional air quality operational systems are used routinely by governments and agencies. Efforts have also been done to simulate the air quality in the local scale; main models are Gaussian and Puff models, that are based on a Lagrangian approach. In contrast with these models, in this thesis we have developed a system using an Eulerian approach. This model is specifically designed for regions with complex orography where the Lagrangian models have problems computing the trajectory of the particles. This model can be used for diagnostic or prediction simulations. Air quality operational systems depend on the orography, meteorological data, and emission data. Air quality models use processors to incorporate these data into the model. The data can come from numerical weather prediction systems, experimental data, or databases. In this thesis we have developed processors, specifically designed for the local scale, to incorporate these data into our system. To incorporate the orography, we have developed a mesh generation algorithm suitable for complex terrain discretization; it also allows to insert layers that can match the regional models. A wind field model has also been used; it can interpolate a three-dimensional wind field from some station measurements using a log-linear vertical wind profile, or can interpolate it from a numerical weather prediction system. Once an interpolated wind field is computed, a mass-consistent model is applied to ensure null divergence and impermeability in the terrain. The wind field is modified to take into account the injection of the pollutants into the atmosphere. Briggs studied the trajectory of the plume rise giving some empirical equations that will be used in our model. Briggs' equations describe the trajectory in a plane; our model will modify this trajectory adapting it to the ambient wind field. This modification allows the plume rise to surround the mountains or channel into the valleys. The transport and reaction of pollutants in the atmosphere is then computed using an splitting method, so the transport and the chemical reactions are computed independently. To solve the transport of pollutants we have used a finite element method stabilized using least squares. The chemical reaction is simulated using simplified models such as RIVAD, or more complex ones such as CB05. To obtain more accurate results we have used adaptation. An error indicator has been used to adapt the mesh to the solution. To adapt the mesh to the concentration distribution of all the species is very demanding, for this reason we have used a multimesh method where every chemical specie has its own mesh where we solve the transport and the chemical reactions are simulated in a common mesh. The system developed in this thesis has diagnostic and forecasting capabilities. For this reason we present two different applications. The first one is a diagnostic application in La Palma island (Spain), where wind measurements are given, and SO2 and NO2 emissions from a stack are considered. The topography of the island is real, from a digital elevation model, but the wind field measurements, and the stack location and emissions, are simulated. The second application is a forecasting application data from the CMAQ benchmark test. It is located in the surrounding of Pineville Kentucky. In this application we have used all the data from CMAQ and the chemical reaction model CB05. / La contaminació atmosfèrica té gran impacte social; està relacionada ambla salut pública, l'ecologia, el medi ambient i el canvi climàtic. En els últims trenta anys, els científics han desenvolupat diversos models que els governs i les agències mediambientals utilitzen diàriament. També s'han fet esforços per simular la qualitat de l'aire en l'escala local. Els models principals són els models Gaussians i Puff, que es basen en una descripció Lagrangiana. En contrast amb aquests models, en aquesta tesi s'ha desenvolupat un sistema que utilitza una descripció Euleriana. Aquest model està dissenyat específicament per a les regions amb topografia complexa on els models Lagrangians tenen problemes calculant la trajectòria de les partícules. El model presentat en aquesta tesi pot ser utilitzat tant pel diagnòstic com per la predicció. Els sistemes operatius utilitzats actualment depenen de l'orografia, de dades meteorològiques i de dades d'emissió. Per tal d'incorporar aquestes dades, els models de qualitat de l'aire han desenvolupat diferents preprocessadors. Les dades poden venir dels sistemes numèrics de predicció meteorològics, de dades experimentals o de bases de dades. En aquesta tesi hem desenvolupat preprocessadors dissenyats específicament per a l'àmbit local, per tal d'incorporar aquestes dades al nostre sistema. Per incorporar l'orografia, hem desenvolupat un algoritme de generació de malles adequat per terreny complex; l'algoritme també ens permet inserir capes que poden coincidir amb la dels models regionals. S'ha desenvolupat un model de càlcul de camp de vent; a partir de les dades s'interpola un camp de vent tridimensional fent servir un perfil log-lineal vertical del vent, o s'interpola a partir dels resultats d'un sistema de predicció meteorològica. Quan s'ha calculat el vent interpolat, es fa servir un model de massa consistent per obtenir un camp de vent definitiu on s'ha imposat divergència zero i impermeabilitat del terreny. El camp de vent s'ha de modificar per tenir en compte la injecció dels contaminants a l'atmosfera. Briggs va estudiar la trajectòria de l'elevació de la ploma i va trobar equacions empíriques que utilitzarem en el nostre model. Les equacions de Briggs descriuen la trajectòria de la ploma en un pla vertical; el nostre model modificarà aquesta trajectòria adaptant-la al camp de vent ambiental. Aquesta modificació permet que l'elevació de la ploma rodegi les muntanyes o s'acanali a les valls. El transport i la reacció de contaminants a l'atmosfera es calcula utilitzant un mètode de "splitting", de manera que el transport i la reacció química es calculen de forma independent. Per resoldre el transport de contaminants, hem utilitzat el mètode d'elements finits estabilitzat amb mínims quadrats. La reacció química es simula mitjançant models simplificats com el model RIVAD, o més complexes com el CB05. Per obtenir resultats més precisos hem adaptat la malla a la solució utilitzant un indicador d'error. Haver d'adaptar la malla a la distribució de la concentració de totes les espècies contaminants és molt exigent i per aquest motiu hem utilitzat un mètode "multimesh" on cada espècie química té la seva pròpia malla on resolem el transport i les reaccions químiques es simulen en una malla comú. El sistema desenvolupat en aquesta tesi té capacitats de diagnòstic i pronòstic. Per aquesta raó es presenten dues aplicacions diferents. La primera és una aplicació de diagnòstic a l'illa de la Palma (Espanya), on es disposa de mesures de vent, i de les emissions de SO2 i NO2 d'una xemeneia. La topografia de l'illa és real, a partir d'un model digital del terreny, però les dades del camp de vent, la ubicació de la xemeneia i el valor de les emissions són simulades. La segona aplicació és una aplicació de predicció fent servir els resultats del benchmark del CMAQ. Es simula una zona a Pineville Kentucky. En aquesta aplicació hem utilitzat totes les dades del CMAQ i el model químic CB05.

En aquesta memòria s'estudien les dolomies del Juràssic superior-Cretaci inferior relacionadas amb la segona etapa de "rift" mesozoica de la Cadena Ibèrica Oriental i la Cadena Costanera Catalana.

This PhD dissertation is focused on the use of the opportunity signals from the Global Navigation Satellite Systems (GNSS), that scatter-off the Earth's surface for perform ocean mesoscale altimetry (the so called GNSS-R technique). Specially, this work analyses the capabilities of the interferometric approach (iGNSS-R) originally proposed for PARIS IoD (which will be implemented on GEROS-ISS), comparing its performance with the one obtained by the conventional approach (cGNSS-R). The main content of this PhD dissertation includes: A comprehensive analysis of the GNSS-R cross-correlation waveform properties, analyzing the impact that the observation geometry and system parameters have on the GNSS-R observables, where parameters such as the receiver bandwidth, observation geometry, sea state, and thermal and speckle noises are analyzed. A detailed derivation of the statistics for both the voltage and power cross-correlations (for both conventional and interferometric processing cases) validated all of them with both simulated and real data from ground-based airborne, and spaceborne experiments. Study of the performance model of the altimetry precision based on the Cramer-Rao Bound statistical estimator theory. This study has been carried out for a wide variety of parameters concerning the overall observation system, including instrument, on-board and on-ground processing aspects, for both the conventional and interferometric GNSS-R techniques. Analysis of experimental data from the Typhoon Investigation using GNSS-R Interferometric Signals (TIGRIS) experiment. This analysis has been used to determine and establish the boundaries and capabilities of GNSS-R towards remote sensing of typhoons. In this part, aspects such as the mitigation of the direct cross-talk contamination, GNSS multipath contamination, and preliminary results (including a novel observable) are presented. / Este PhD se centra en el uso de la señales GNSS (Global Navigation Satellite Systems) como señales de oportunidad, para realizar altimetría. Es lo que se conoce como GNSS-R (Global Navigation Satellite Systems-Reflectometry). Especialmente este trabajo analiza las principales propiedades del método interferométrico (iGNSS-R) inicialmente propuesto para PARIS-IoD, y que será implementado en GEROS-ISS. comparándolo con el método convencional (cGNSS-R). A continuación se enumeran los principales puntos abordados en esta tesis doctoral: Se ha realizado un exhaustivo y detallado análisis de las propiedades de las waveforms, evaluando la influencia de la geometría (altitud, ángulo de incidencia, estado del mar, etc), y de los principales parámetros a nivel de instrumento sobre las waveforms. Así mismo se ha analizado el impacto del ancho de banda del receptor, y del ruido térmico y speckle. Por otra parte, se han derivado las estadísticas (matrices de covarianzas) tanto para las waveforms complejas, como para las waveforms de potencia, considerando el método convencional, y el interferométrico. Las diferentes estadísticas o matrices de covarianzas han sido validadas usando datos reales procedentes de diferentes experimentos y datos simulados, para diferentes escenarios (.espacio, aerotransportado, ground-base). Dichas matrices de covarianza, posteriormente han sido usadas para calcular la precisión altimétrica, basada en el uso de estimadores estadísticos, como es el Cramer-Rad Bound. Dicho estudio ha sido realizado considerando un amplio número de parámetros, tanto para el método convencional como para el interferométrico, comparando el performance de ambas técnicas, y realizando una primera estimación de la precisión altimétrica que se obtendría para una misión espacial como PARIS-IoD. Por último se han analizado datos de la campaña experimental TIGRIS (Typhoon Investigation using GNSS-R Interferometric Signal). con dicho analisis se han estudio la capacidad de la técnica GNSS-R para monitorizar y detectar huracanes. Este análisis incluye aspectos como la mitigación de la contaminación procendente de la señal directa, y del multipath ocasionado por las diferentes señales GNSS. Al mismo tiempo durante este análisis un nuevo observable se ha propuesto.

In this Ph. D. dissertation the electromagnetic bias in GNSS-R (Global Navigation Satellite Systems Reflectometry) altimetry has been studied. GNSS-R altimetry is a new type of system that uses navigation signals as signals of opportunity for Earth observation. The electromagnetic bias has been a topic of research for several decades in conventional radar altimetry, typically at C and Ku bands, and pointing in the nadir direction, but it is a new subject in altimetry GNSS-R. Previous studies on the electromagnetic bias have been first reviewed: the Weakly Non-Linear theory (WNL), the Modulation Transfer Function (MTF), and a combination of both models. After a brief study of both the WNL and the MTF, a combined method is selected, simulated and validated at Ku and C bands, and then extrapolated at L band, the band of the GNSS signals. Then, the EM bias is studied in the time domain and it is characterized using statistical descriptors. Finally, the impact of natural phenomena such as rain, waves and currents in the electromagnetic bias is calculated. In conclusion, this dissertation has demonstrated that the electromagnetic bias is not only a function of the wind speed (or waves), but also a function of both the incidence and azimuth angles. The study in the time domain has been shown that it exhibits a non-linear behavior. Moreover, heavy rains decrease the electromagnetic bias, as they damp the waves, while sea currents in the opposite direction of the wind speed increase the electromagnetic bias, because they increase the surface "roughness", while currents with the same direction of the wind, reduce it / En esta tesis doctoral se estudia el sesgo electromagnético en altimetría GNSS-R (Global Navigation Satellite Systems Reflectometry). La altimetría GNSS-R es un nuevo tipo de sistema que utiliza las señales de navegación como señales de oportunidad para la observación de la tierra. El sesgo electromagnético ha sido un tema de investigación durante varias décadas en altimetría radar convencional utilizando típicamente las bandas C y Ku, y apuntando en la dirección nadir, pero es un tema novedoso en altimetría GNSS-R. En primer lugar se revisan los estudios previos sobre el sesgo electromagnético: la Weakly Non-Linear theory (WNL), la Modulation Transfer Function (MTF), y modelos combinados de ambos. Después de un breve estudio tanto de la WNL como de la MTF, se selecciona un modelo combinado, se simula, y valida en las bandas C y Ku, y luego es extrapolado a la banda L, la banda de las señales de los GNSS. En segundo lugar, se estudia el sesgo electromagnético en el dominio del tiempo y es caracterizado utilizando descriptores estadísticos. Por último, se calcula el impacto de los fenómenos naturales como la lluvia, el oleaje y las corrientes en el sesgo electromagnético . En conclusión, esta tesis doctoral ha demostrado que el sesgo electromagnético no es sólo una función de la velocidad del viento (o del oleaje), sino que también es una función tanto del ángulo de incidencia, como del ángulo de acimut. El estudio en el dominio del tiempo ha demostrado que tiene un comportamiento no lineal. Por otra parte, las fuertes lluvias disminuyen el sesgo electromagnético, pues amortiguan las olas, mientras que las corrientes con dirección opuesta al viento aumentan el sesgo electromagnético, pues aumentan la "rugosidad" superficial, mientras que la corriente tiene la misma dirección de la velocidad del viento, lo reduce.

Eliminats de l'annex el text complet dels articles citats per respectar els dret dels editors. / Underground constructions below the water table may be problematic if the role of groundwater is not properly acknowledged. Difficulties worsen in urban environments. Two aspects should be taken into account in the interaction between underground constructions and groundwater, 1) the impacts caused by the construction in the aquifers and 2) the difficulties that groundwater causes during the construction. Therefore, the design of an underground construction must be minimize the impacts in the underground environment as well as guaranteeing the safety of the workers and the integrity of adjacent structures. The adopted measures must not complicate the development of the construction and must not increase the total cost. To sum up, the construction must be efficient. These questions arose during the construction of the High Speed Train (HST) tunnel in Barcelona, which passes next to the Sagrada Familia. This thesis proposes answers to the questions which came up. Two problems may arise when a construction intersects an aquifer, the drain and the barrier effect. While the former has been widely studied, the second has not been adequately formalized and this is the first aim of the thesis. Analytical solutions are obtained to compute the head variations caused by an underground impervious structure. The solutions allow computing of the impact under different circumstances and to design corrective measures. The proposed equations were verified by using the data from real underground constructions. Subsidence caused by dewatering processes of deep excavations is feared. This fact affects the design. One option to reduce subsidences consist on deepen the enclosures (diaphragm walls, piles, jet-grouting piles) in order to avoid or minimise the dewatering. The second objective is to discuss the effectiveness of this measure, which rise the cost of the constructions, since drawdown caused by pumping are usually small and less dangerous (poorly differential) than is expected. Moreover, the pumping stabilizes the bottom of excavations. Therefore, to deepen the enclosures may be less efficient than combining short enclosures with deep pumping wells. Both alternatives must be compared. Thus, a number of dewatering scenarios, where the depth of the enclosures and the pumping wells are varied, are compared considering the safety, the outside affectations and the cost. Results show that combining deep pumping wells with short enclosures can become the most efficient method to perform excavations in preconsolidated soils. ii Regardless of the method used to perform an excavation, the enclosure, always, plays an important role since it guarantees the stability of the excavation walls and prevents the entrance of lateral flow. The presence of small defects may lead to disastrous consequences, which would invalidate all the previous work oriented to develop an efficient construction. Therefore, given that the defects are relatively common, that the techniques used to detect defects are limited and that the groundwater behaviour taking into account underground structures can be predicted, the third objective of the thesis is to develop hydraulic methods to assess the state of an enclosure. These methods, specifically the Watertightness Assessment Test (WTAT), are used as much to estimate the effective parameters of the enclosure as to locate the defects. Finally, the steps followed during the construction of the HST tunnel in Barcelona demonstrate the importance of the geological characterisation. If the soil is well known, all the aspects associated with the construction can be predicted accurately, which is crucial for designing an efficient underground construction. The geology, the hydrogeology and the historical processes suffered by the soil must be characterized accurately. / Las construcciones subterráneas realizadas por debajo del nivel piezométrico pueden ser problemáticas si no se reconoce el papel del agua subterránea. Las dificultades aumentan en ambientes urbanos. La interacción con el agua subterránea tiene lugar en las dos direcciones 1) los impactos causados por la construcción sobre el acuífero y 2) las dificultades que, durante la construcción, causará la presencia de agua subterránea. Por ello, el diseño de una construcción subterránea debe minimizar los impactos en el medio subterráneo y garantizar la seguridad de los trabajadores y la integridad de las estructuras adyacentes. Las medidas adoptadas no deben complicar en exceso el desarrollo de las obras ni sobrecargar el coste total de la obra. En resumen, la construcción debe ser eficiente. Estas preguntas surgieron durante la construcción del túnel para el Tren de Alta Velocidad (HST) en Barcelona, adyacente a la Sagrada Familia. En esta tesis se proponen respuestas a las mismas. Los impactos sobre el acuífero pueden ser de dos tipos: el efecto dren y el efecto barrera. Mientras que el primero ha sido ampliamente estudiado, el segundo no ha sido formalizado adecuadamente, lo que constituye el primer objetivo de esta tesis. Para calcular las variaciones de nivel causadas por una estructura subterránea impermeable, se derivan ecuaciones para diversas condiciones de obra y para medidas correctoras. Se han verificado con datos de construcciones reales. La subsidencia causada por el drenaje de excavaciones profundas es uno de los temores más condicionantes del diseño. Una de las maneras de reducirla, consiste en profundizar los recintos (pantallas, pilotes, columnas de jet-grouting) con el fin de evitar o minimizar el bombeo. El segundo objetivo de esta tesis es cuestionar la eficacia de estas medidas, que aumentan el coste de la construcción, ya que los asientos causados por el bombeo suelen ser pequeños y menos peligrosos (poco diferenciales) de lo temido. Además, el bombeo estabiliza la base de las excavaciones. Por ello realizar recintos más profundos puede ser menos eficiente que combinar recintos cortos y pozos de bombeo profundos. Es obvio que ambas alternativas deben compararse adecuadamente. Para ello, se han estudiado una serie de escenarios de drenaje que son comparados teniendo en cuenta la seguridad, las afecciones externas y el coste. Las variaciones entre los diferentes escenarios son las profundidades de los recintos y de los pozos de bombeo. Los resultados muestran que combinar pozos de bombeo profundos con recintos cortos es el método más eficiente para llevar a cabo excavaciones en suelos preconsolidados. Independientemente del método utilizado para llevar a cabo una excavación, el recinto, siempre juega un papel importante, ya que garantiza la estabilidad de las paredes de la excavación y evita la entrada de flujo lateral. La presencia de pequeños defectos puede tener consecuencias desastrosas, lo que haría inútil todo el trabajo previo orientado a desarrollar una construcción eficiente. Por lo tanto, dado que los defectos son relativamente comunes, que las técnicas utilizadas para detectar defectos son limitadas y que el comportamiento del agua subterránea puede ser predicho teniendo en cuenta las estructuras subterráneas existentes. El tercer objetivo de la tesis es desarrollar métodos hidráulicos para evaluar el estado del recinto de una excavación. Se muestra que estos métodos y, en particular, el ensayo de caracterización de impermeabilización permiten tanto estimar los parámetros efectivos del recinto como localizar los defectos. Por último, los pasos seguidos durante la construcción del túnel para el Tren de Alta Velocidad en Barcelona evidencian la importancia de una buena caracterización geológica. Si el suelo es bien conocido, todos los aspectos asociados con la construcción pueden ser estimados con precisión, lo que resulta crucial para diseñar una construcción subterránea eficiente. La geología, la hidrogeología y los procesos históricos sufridos por el suelo deben ser bien conocidos. / Les construccions subterrànies realitzades sota el nivell piezométric poden ser problemàtiques si no es reconeix el paper de l'aigua subterrània. Les dificultats augmenten en ambients urbans. La interacció amb l'aigua subterrània té lloc en els dos sentits 1) els impactes causats per la construcció sobre l'aqüífer i 2) les dificultats que, durant la construcció, causarà la presència d'aigua subterrània. Per això, el disseny d'una construcció subterrània ha de minimitzar els impactes al medi subterrani i garantir la seguretat dels treballadors i la integritat de les estructures adjacents. Les mesures adoptades no han de complicar en excés el desenvolupament de les obres ni sobrecarregar el cost total de l'obra. En resum, la construcció ha de ser eficient. Aquestes preguntes van sorgir durant la construcció del túnel per al Tren d'Alta Velocitat a Barcelona, adjacent a la Sagrada Família. En aquesta tesi es proposen respostes a les mateixes. Els impactes sobre l'aqüífer poden ser de dos tipus: l'efecte dren i l'efecte barrera. Mentre que el primer ha estat àmpliament estudiat, el segon no ha estat formalitzat adequadament, la qual cosa constitueix el primer objectiu d'aquesta tesi. Per calcular les variacions de nivell causades per una estructura subterrània impermeable, es deriven equacions per a diverses condicions d'obra i per a mesures correctores. S'han verificat amb dades de construccions reals. La subsidència causada pel drenatge d'excavacions profundes és un dels temors més condicionants del disseny. Una de les maneres de reduir-la, consisteix a aprofundir els recintes (pantalles, pilotis, columnes de jet-grouting) amb la finalitat d'evitar o minimitzar el bombament. El segon objectiu d'aquesta tesi és qüestionar l'eficàcia d'aquestes mesures, que augmenten el cost de la construcció, ja que els seients causats pel bombament solen ser petits i menys perillosos (poc diferencials) del temut. A més, el bombament estabilitza la base de les excavacions. Per això realitzar recintes més profunds pot ser menys eficient que combinar recintes curts i pous de bombament profunds. És obvi que ambdues alternatives han de comparar-se adequadament. Per a això, s'han estudiat una sèrie d'escenaris de drenatge que són comparats tenint en compte la seguretat, les afeccions externes i el cost. Les variacions entre els diferents escenaris són les profunditats dels recintes i dels pous de bombament. Els resultats mostren que combinar pous de bombament profunds amb recintes curts és el mètode més eficient per dur a terme excavacions en sòls preconsolidats. vi Independentment del mètode utilitzat per dur a terme una excavació, el recinte, sempre juga un paper important, ja que garanteix l'estabilitat de les parets de l'excavació i evita l'entrada de flux lateral. La presència de petits defectes pot tenir conseqüències desastroses, la qual cosa faria inútil tot el treball previ orientat a desenvolupar una construcció eficient. Per tant, atès que els defectes són relativament comuns, que les tècniques utilitzades per detectar defectes són limitades i que el comportament de l'aigua subterrània pot ser predit tenint en compte les estructures subterrànies existents. El tercer objectiu de la tesi és desenvolupar mètodes hidràulics per avaluar l'estat del recinte d'una excavació. Es mostra que aquests mètodes i, en particular, l'assaig de caracterització d'impermeabilització (WTAT) permeten tant estimar els paràmetres efectius del recinte com localitzar els defectes. Finalment, els passos seguits durant la construcció del túnel per al Tren d'Alta Velocitat a Barcelona evidencien la importància d'una bona caracterització geològica. Si el sòl és ben conegut, tots els aspectes associats amb la construcció poden ser estimats amb precisió, la qual cosa resulta crucial per dissenyar una construcció subterrània eficient. La geologia, la hidrogeologia i els processos històrics soferts pel sòl han de ser ben coneguts.

In this research we tested two data analyses methodologies, namely the empirical orthogonal functions (EOFs) to estimate hydrographic CTD data profiles, and a successive corrections algorithm (SC) to project the results onto two dimensional grids, whose superposition leads to a quasi-three dimensional array, on the Ebro Delta shelf/slope domain. The EOFs as an extrapolation procedure with shallow casts was also tested with thickness profiles, for an adequate set of extrapolated profiles might render reliable geostrophic currents on the shelf. The reference level of no motion for the relative geostrophic currents was 500 m. The resulting currents were contrasted with the ones obtained with a classical methodology for shelf domains proposed by Csanady (1979). Another important goal was to test the potential use of linearly independent basic profiles vector modes derived from historic data, to reproduce the data from the oceanographic campaigns. We used CTD data from four oceanographic campaigns on the Ebro Delta region under different conditions: FANS I - autumn, FANS II - winter, FANS III - summer and MEGO 94, a previous winter campaign, showed atypical winter conditions, with open ocean dynamics that differed significantly from the shelf ones. We find that the EOFs applied to hydrographic variables with the self campaign eigenvectors renders very good results (expressed as variance explained percentage), when a non-standardized analysis is used (in which the variability is assumed to be unevenly distributed in the water column, as occurs in the ocean). Good results are also obtained when the variability is assumed to be evenly distributed (standardized analysis). When the historic eigenvectors are used, together with the campaign data, a larger number of modes needs to be included. The results are very good for the summer-FANS III and winter-FANS II campaigns. On the other hand, some significantly large errors are obtained for EOF-standardized density with the autumn-FANS I and the winter-MEGO 94 campaings.The projection of the EOFs results onto a 2.5 x 2.5 km 2D grid were carried out through a SC algorithm. Some unreliable distributions are obtained with the standardized density analysis, due to the differences of the open ocean and shelf distributions, which in turn lead to a very wide range of mode amplitudes. This lead us to test the interpolation of the estimated profiles instead of the amplitude values, improving the results in a significant manner. The geostrophic circulation obtained with Csanady's method renders spurious along-transect values. While this method has been successfully used on other shallow regions, the abrupt shelf/slope topography of the Ebro Delta, together with the integration path, render it unreliable. The EOFs estimates with the self-campaign eigenvectors tend to approach well the dynamic height distributions of outer slope and open ocean, particularly the non-standardized analysis. The estimates on the shelf circulation seem to be reliable in two campaigns only. Since no current ADCP data is available in any of the campaigns, a quantitative evaluation is not possible. The use of historic eigenvectors does not contribute to a better estimate of the shelf circulation.