El present treball analitza l'aplicabilitat de diferents tècniques, originalment ideades per al tractament de xàfecs que fan ús d'imatges IR de satèl·lit per estimar la precipitació amb una finalitat climatològica en la nostra regió.S'han estudiat les tècniques d'Arkin, NAW i "Autoestimator" al llarg del període entre juliol de 1994 i juny de 1995, amb una temporalització mensual, estacional i anyal. L'àmbit geogràfic ha estat l'estat espanyol exceptuant les illes Canàries i s'ha treballat com un conjunt o dividit en tres zones, nord i nord-oest, litoral mediterrani i centre i sud de la península. En cada cas s'han aplicat les tècniques originals a les imatges METEOSAT corresponents (24 o 48 diàries, depenent de la tècnica), i s'han estudiat i aplicat aquelles modificacions que proporcionaven millors resultats en la regió analitzada.Les principals conclusions a que s'ha arribat són les següents:· La utilització de tècniques de determinació de precipitació a partir d'imatges IR de satèl·lit presenta avantatges (extensió territorial i temporal) front tècniques basades en observacions en terra. El fet que la determinació de la precipitació en una imatge IR es faci de manera indirecta, obliga a calibrar aquestes tècniques per a cada zona geogràfica.Tècnica d'Arkin:· De les tècniques analitzades la d'Arkin és la més simple i ràpida d'aplicar. Els valors originals de temperatura llindar i intensitat de precipitació no s'adapten a la nostra zona geogràfica. Una temperatura llindar més elevada (255 o 260 K) amb una intensitat de precipitació menor ( 0.5 o 0.4 mm/h) s'adequa més.· En general la tècnica proporciona pobres correlacions per als mesos d'hivern, sent més altes en els mesos de tardor i estiu.Tècnica NAW:· La tècnica NAW original millora lleugerament la correlació respecte la tècnica d'Arkin, però sobreestima fortament la precipitació. Assignacions de precipitació menors que les originals són necessàries per eliminar les sobreestimacions del mètode.· L'aplicació de discriminants per increment de temperatura no millora les correlacions excepte en el litoral mediterrani.· Els mesos de tardor i estiu presenten les millors correlacions, i els d'hivern les pitjors.Tècnica "Autoestimator":· La tècnica "Autoestimator" no millora, en general els resultats de les tècniques d'Arkin i NAW. L'equació original sobreestima la precipitació en gairebé tots els mesos. Les modificacions introduïdes en l'equació original milloren les correlacions disminuint les sobreestimacions del mètode. Cal una calibració de la tècnica per a cada zona concreta i per a cada estació particular si es vol que la tècnica presenti estimacions fiables de la precipitació.Comparació de les tres tècniques:· Les tres tècniques tenen moltes dificultats en separar els núvols que aporten precipitació d'aquells que no en porten. Aquest fet pot explicar les baixes correlacions en mesos amb poca precipitació però en què les imatges mostren la presència abundant de núvols.· En el conjunt de l'any la tècnica NAW té la correlació més alta seguida de molt a prop per la d'Arkin. NAW és la que sobreestima més i Arkin la que menys. Per mesos Arkin sembla seguir millor les variacions, estimant correctament la precipitació en els mesos de tardor. La tècnica "Autoestimator" sembla reflectir millor la precipitació per episodis concrets.· Les estimacions de totes les tècniques millorarien si es tingués en compte la quantitat de vapor d'aigua present en l'atmosfera. / The aim of this work is to analyse the ability of different techniques, based on infrared satellite images and used in the study of heavy rainfall, to estimate the rainfall in our area for climatic purposes. The Arkin, NAW and Autoestimator techniques are applied during the period July 1994-June 1995, using different temporal steps (month, seasonal and annual). The studies have been applied to Spain, excluding Canary Islands. This area was divided in three sub-areas: north and north-west, Mediterranean coast, and centre and south of the peninsula. The three areas were processed together or individually. The original techniques were applied to the METEOSAT images (24 or 48 per day). We studied different improvements of the techniques and applied systematically the best for our climatic area. The main conclusions achieved are:· The use of techniques to determine the rainfall using IR satellite images is the more suitable than techniques based on land observations. These methods must be calibrated for every geographic area because the rainfall determination using the IR images is an indirect method.Arkin technique:· The Arkin the simplest and easiest technique to be applied. The original values of threshold temperature and rainrate are not suitable to the geographic area studied. A higher threshold temperature (255 o 260 K) joined to a smaller rainrate (0.5-0.4 mm/h) fit better results.· Generally, the technique gives poor correlation for the winter months, and higher correlation for the autumn and summer months.NAW technique:· The original NAW technique gives a little better correlation than the Arkin technique, but NAW shows some important rainfall overestimates. To remove the overestimates of the method lower rainrates than the original ones must be set.· Empirical discriminations based on temperature difference into a cloud don't improve the correlation except for the Mediterranean area.· Autumn and summer months show the best correlations, and the winter ones the worst.Autoestimator technique:· In general, the Autoestimator technique doesn't improve the Arkin and NAW results. The original equation overestimates almost months. The modifications included give better correlations, decreasing the overestimates of the method.· For every single area and station the techniques must be calibrated if reliable rainfall estimates are desirable.Comparison of the techniques:· All techniques used have a lot of difficulties to discriminate the clouds that give or don't give rainfall. This could be the reason for the low correlations for months with low rainfall but IR images that shows a lot of clouds.· For the whole year NAW technique has the best correlation, similar to Arkin method. NAW gives the most overestimates and Arkin shows the lowest overestimates. Arkin defines better the variations by months, fitting the rainfall properly for the autumn months. The Autoestimator technique shows better results for particular episode. · The estimates for all methods will improve if the water vapour present in the atmosphere is taken into account.

L'important increment de la capacitat de càlcul computacional que s'ha donat en els últims anys ha fet que els models numèrics meteorològics hagin pogut assolir resolucions de treball molt fines. Ara bé, aquest increment en la resolució, per si sol, no és suficient per millorar-ne les prestacions. Cal introduir algorismes més sofisticats per afinar en la simulació de la dinàmica atmosfèrica, i també cal millorar la caracterització física de la superfície. En aquest sentit, els valors climàtics globals que es fan servir actualment no siguin prou precisos i calguin valors característics de cada regió. Malgrat que a través de la teledetecció no es pot fer una mesura real dels diferents paràmetres de la superfície terrestre, les imatges de satèl·lit són el millor recurs per estimar-los. La periodicitat en l'adquisició d'imatges d'una mateixa zona fa que es puguin fer estimacions estacionals o mensuals, podent així fer un seguiment de la variació d'aquests paràmetres al llarg del temps.En aquest treball s'ha establert una metodologia operacional per a l'obtenció periòdica de paràmetres de superfície, a partir d'imatges del sensor satel·litari NOAA/AVHRR, per Catalunya i les regions que l'envolten. La revisió bibliogràfica de les diverses metodologies existents ha permès seleccionar les més idònies per aquesta zona. A nivell dels resultats, s'ha obtingut una sèrie mensual de diferents paràmetres, que cobreix els mesos de març a octubre de l'any 2000. Aquests paràmetres de superfície són els següents:· Albedo· Emissivitat· Índex de vegetació NDVI· Temperatura de superfície diürna i nocturna.· Inèrcia tèrmica Els resultats obtinguts amb dades de satèl·lit són espacials, són imatges que ens donen valors quantitatius per a cada cel·la de la superfície estudiada. A l'hora de fer-ne un tractament estadístic, aquestes imatges es sintetitzen a través de mapes d'usos del sòl, obtenint resultats per a les categories dels mapes. Com tota simplificació, aquesta comporta una pèrdua d'informació; i en aquest punt cal ser força crític a l'hora de triar una classificació d'usos del sòl de la regió de treball. Aquest aspecte és un dels punts on s'ha volgut aprofundir en la discussió de resultats. S'ha treballat amb dos mapes d'usos del sòl, el del USGS (Servei Geològic dels EEUU) i el CORINE (Agència Europea del Medi Ambient). El primer és d'abast global, té 24 categories i és el que fa servir el model meteorològic MM5 per la caracterització de la superfície en les simulacions. El segon és més actual i cobreix gran part d'Europa. El major nombre de categories (44), i la metodologia emprada en l'elaboració, pensada per els usos del sòl que dominen el nostre continent, fan que aquest mapa sigui més adequat per tal de caracteritzar els usos del sòl de Catalunya i els seus voltants.Els paràmetres geofísics de superfície obtinguts s'han fet servir per inicialitzar un model meteorològic de mesoescala, amb la finalitat de millorar els pronòstics. Les simulacions s'han fet amb el model de mesoescala MM5 (PSU/NCAR). Els canvis introduïts en els paràmetres de superfície, a través del canvi del mapa d'usos del sòl i de la introducció dels valors calculats amb AVHRR per l'any 2000, han estat prou importants com per afectar els resultats de les simulacions. Cal destacar les diferències en el balanç hídric, que provoquen simulacions diferents de les masses nuvoloses i el patrons de precipitació. Aquestes diferències en la nuvolositat també modifiquen el balanç radiatiu, que alhora afecta l'evolució diària de la temperatura a nivells baixos. A nivell meteorològic, les variacions en el desenvolupament de núvols en situacions de domini mesoescalar és important per a la correcta simulació de desenvolupament de tempestes locals durant èpoques estivals. Finalment, també s'han observat variacions significatives en el camp de vent de superfície, aspecte important quan s'utilitza el model MM5 per a la simulació de la dispersió de contaminants atmosfèrics.Els resultats obtinguts per l'any 2000 no es poden considerar climàticament significatius. En aquest sentit, una de les vies de continuïtat d' aquest treball és l'obtenció de resultats per una sèrie més llarga de dades, que permeti conèixer millor les característiques geofísiques de la superfície estudiada i millorar les simulacions meteorològiques. / Mesoscale models, with grid resolution higher than synoptic models, and with advanced physical parameterizations, have been an important tool for meteorological research over the past twenty years. Important improvements on mesoscale models have occurred in the last decade. The availability of high-performance workstations at affordable prices; the sharing of mesoscale models within the community; and finally the real-time accessibility of forecast data from the operational runs; have allowed using mesoscale models for real-time numerical weather prediction (NWP) at high resolutions (~1 km).As mesoscale models continue to increase in spatial resolution, correctly treating the land surface processes is becoming increasingly important for the model to be able to capture local mesoscale circulations induced by land surface forcing. Mesoscale models are incorporating progressively advanced land surface modules in order to properly initialize the state of the ground.Physical model improvements should be complemented with more accurate surface properties initiation data. The present work is focused in this point. An operational methodology has been developed, in order to calculate, from satellite imagery, the surface properties for Catalonia, in the NE of Spain. Satellite observations constitute the only available means for global or regional repetitive monitoring of the surface properties at homogeneous resolution.Prior to calculations, a bibliographical research has been done, in order to choose the most adequate methodology according to the remote sensing data available and the studied region. Monthly mean surface parameters have been calculated for the working region from an AVHRR data set of year 2000. Besides the resulting images, surface parameters have also been calculated for the land-use categories in the region. Calculated parameters are:· Albedo· Emissivity · Normalized Difference vegetation Index (NDVI)· Surface temperature· Thermal inertiaIn order to test the obtained parameters, two simulations have been done with the MM5 mesoscale model. The Fifth-Generation NCAR / Penn State Mesoscale Model (MM5) is a limited-area, non-hydrostatic, terrain-following sigma-coordinate model designed to simulate or predict mesoscale and regional-scale atmospheric circulation.A first simulation, using MM5 default values, has been compared with a second simulation where the local physical parameters have been introduced. Besides the change of the surface parameters, the default MM5 land-use map has also been changed, using a more recent land-use map of the region. Results have shown that differences in surface parameters basically rely on thermal inertia. Besides, the land-use maps comparison had shown important differences between classifications that also affect the final composition of surface parameters that get into the model. Modifications on the second simulation have been sufficiently significant to produce variations in the performance of the model. The cloud development differs basically in the location and dimensions of the clouds, that drives to a different superficial radiative budget affecting the evolution of air temperature at low levels. The different results in cumulus simulation produced important differences in the surface wind field and the updrafts. The changes introduced are sufficiently significant to obtain also slight variations in the pattern of accumulated precipitation for the simulated period. Comparisons with ground measurements of wind and temperature have been done in the test regions. Similar errors are obtained with the two land-use maps and physical parameters, without a clear improvement in the performance of the meteorological model.The simulations done in this work contributes evidence to the high influence of surface scheme applications of mesoscale models at high spatial resolution. In the context of dialogue between remote sensing scientists and numerical climate modelers, it is expected that more research should be done to investigate the sensibility of the mesoscale models to improvements in the surface properties characterization.

In recent years, there has been a huge increase in the use of satellite communications. This has led to a need for more capacity, which can be solved by moving towards higher frequency bands in search of higher bandwidths. However, the use of higher frequencies entails higher link losses, which makes it essential to use highly directional and steerable antennas. Traditionally, phased array antennas have been used for this kind of application. Nevertheless, they have a limitation in the maximum scan angle due to their effective aperture, which causes a gain reduction following the cosine of the scanning angle. A way of improving the scan range is to add a dielectric radome on top of the array. However, high computational times are needed to simulate this kind of structure using full-wave simulations. For this reason, the first part of this work is focused on adapting and improving an in-house Ray Tracing tool for the particular application under study. The tool computes the path the rays follow from the array to the aperture of the radome using geometric optics, then calculates the amplitude of the electric field at the aperture using ray tube theory, and finally determines the antenna’s radiation pattern using Kirchhoff’s diffraction formula. Moreover, some features have been added to the code to be able to compute the directivity, calculate the absorption and reflection losses, simulate multilayer radomes, and change the array elements’ radiation patterns. A model in Comsol has been developed to validate the results obtained using the Ray Tracing tool and all its added features. Finally, several optimizations have been carried out to increase the scanning range while maintaining a maximum height, and ensuring it complies with the regulatory masks for satellite communications. The optimizations have been performed both using a Particle Swarm Optimizer and manually. / Under de senaste åren har det skett en stor ökning av satellitkommunikations användning. Detta har lett till ett behov för högre kapacitet, vilket kan lösas genom att flytta till högre frekvensband på jakt efter högre bandbredder. Högre bandbredder innebär dock högre länkförluster som gör det oumbärligt att utnyttja rikt- och styrbara antenner. Ursprungligen har fasstyrda antenner använts för denna typ av tillämpning. Ändå finns en begränsning av den maximala skanningsvinkeln på grund av deras effektiva yta som leder till en minskning av förstärkning som är beroende på avsökningsvinkelns cosinus. För att kunna förbättra skanningsintervallen skulle man kunna lägga till en dielektrisk radom ovanpå arrayen. Höga beräkningstider krävs dock att simulera strukturen med helvågssimuleringar. Av denna anledning fokuserar den första delen av denna uppsats att anpassa och förbättra ett internt strålspårnings verktyg för den särskilda applikationen under studie. Verktyget beräknar vägen strålarna tar ifrån arrayen till radomens öppning med hjälp av geometrisk optik, därefter kalkyleras det elektriska fältets amplitud enligt strålrörsteori och till sist fastställs antennens strålningsmönster som definieras av Kirchhoffs diffraktionsformel. Dessutom har vissa funktioner lagts till i koden för att kunna beräkna riktningen, absorptions- och reflektionsförlusterna, simulera flerskiktsradomer och ändra arrayelementens strålningsmönster. En modell i Comsol har utvecklats för att validera resultaten som producerades av strålspårning verktyget och alla dess extra funktioner. Till sist, flera optimeringar har genomförts för att öka skanningsområdet som kan bibehålla en maximal höjd och säkerställa efterlevnaden med regleringsmaskerna för satellitkommunikationerna. Optimeringarna har utförts både manuellt och med hjälp av en partikelsvärmoptimerare. / En els últims anys hi ha hagut un increment majúscul en l’ús de les comunicacions per satèl·lit. Això s’ha traduït en la necessitat de més capacitat, la qual pot ser coberta si ens movem cap a bandes de freqüència més altes, buscant un major ample de banda. Tot i això, l’ús de freqüències més elevades comporta unes majors pèrdues en l’enllaç, les quals fan essencial l’ús d’antenes altament directives i amb capacitat d’escaneig. Tradicionalment, els arranjaments d’antenes de fase gradual han estat utilitzats per aquest tipus d’aplicacions. Tanmateix, tenen una limitació del màxim angle d’escaneig a causa de la seva obertura efectiva, la qual causa una reducció del guany seguint el cosinus de l’angle d’escaneig. Una manera de millorar el rang d’escaneig és afegint un radom dielèctric al damunt de l’arranjament d’antenes. No obstant això, es necessita un alt temps de computació per simular aquest tipus d’estructures amb simuladors d’ona completa. Per aquesta raó, la primera part d’aquest treball està enfocada a adaptar i perfeccionar una eina de traçat de rajos pròpia per l’aplicació en estudi. L’eina calcula el camí que els rajos segueixen des de l’arranjament d’antenes fins a l’obertura del radom utilitzant òptica geomètrica, a continuació computa l’amplitud del camp elèctric a l’obertura mitjançant la teoria del tub de rajos i finalment determina el patró de radiació de l’antena utilitzant la fórmula de difracció de Kirchhoff. Addicionalment, algunes funcions han estat afegides al codi per tal de poder computar la directivitat, calcular les pèrdues d’absorció i reflexió, simular radoms multicapa i canviar els patrons de radiació dels elements de l’arranjament. Un model en Comsol ha estat desenvolupat per tal de validar els resultats obtinguts emprant l’eina de traçat de rajos i totes les seves funcions. Finalment, vàries optimitzacions han estat dutes a terme per tal d’incrementar el rang d’escaneig mantenint una altura màxima i assegurant que es compleix amb les màscares reguladores de comunicacions per satèl·lit. Les optimitzacions han estat realitzades utilitzant tant un optimitzador per eixam de partícules com manualment.