The gulf of cadiz as a natural laboratory for the validation and exploitation of coastal altimetry and model data

  1. Aldarias Martos, Ana Isabel
Supervised by:
  1. Jesús Gómez Enri Director
  2. Irene Laiz Alonso Director

Defence university: Universidad de Cádiz

Fecha de defensa: 11 May 2022

Committee:
  1. Paolo Ciavola Chair
  2. Alfredo Izquierdo González Secretary
  3. Florence Birol Committee member
  4. Carmen Zarzuelo Romero Committee member
Department:
  1. Física Aplicada

Type: Thesis

Teseo: 727413 DIALNET lock_openTESEO editor

Abstract

Los modelos hidrodinámicos y la altimetría satelital pueden ser herramientas complementarias para el estudio de las variaciones del nivel del mar. Actualmente, los usuarios de estas herramientas demandan productos de alta calidad en las zonas costeras. En este sentido, esta tesis doctoral se centra en la validación de productos innovadores que permitan avanzar en el conocimiento de la variación del nivel del mar en zonas costeras. El estudio se llevó a cabo en el golfo de Cádiz (GoC, por sus siglas en inglés), una importante región que conecta el Océano Atlántico y el Mar Mediterráneo, aunque también se utilizaron otras áreas de estudio para reforzar los análisis. La investigación se llevó a cabo utilizando datos in-situ, datos altimétricos del nivel del mar del satélite Sentinel-3 SRAL y observaciones de un modelo hidrodinámico implementado en la principal zona de estudio. Los datos in-situ se utilizaron para validar las mediciones altimétricas, así como para calibrar y validar el modelo. Se propusieron diferentes objetivos específicos. El primero fue determinar la calidad de los datos altimétricos en las zonas costeras procedentes de la nueva misión espacial Sentinel-3. Se validaron los datos altimétricos de Sentinel-3A SRAL (S3A) con una frecuencia de muestreo de 80 Hz. Los datos se obtuvieron del servicio ―Grid Processing On Demand‖ (GPOD) de la Agencia Espacial Europea (ESA, por sus siglas en inglés) en tres lugares costeros de España: Huelva (en el GoC), Barcelona (Mar Mediterráneo Occidental), y Bilbao (Golfo de Vizcaya). Se seleccionaron dos trazas en cada sitio: una ascendente y otra descendente. Los datos se validaron con datos de mareógrafos proporcionados por Puertos del Estado. Las series temporales de la Anomalía del Nivel del Mar (SLA, por sus siglas en inglés) para el altímetro se obtuvieron utilizando las correcciones disponibles en GPOD. La validación se realizó mediante dos parámetros estadísticos, el coeficiente de correlación de Pearson (r) y el error cuadrático medio (rmse). En el segmento de 5-20 km con respecto a la línea de costa, los resultados fueron de 6-8 cm (rmse) y de 0,7-0,8 (r) para todas las trazas. El segmento de 0-5 km también se analizó en detalle para estudiar el efecto de la contaminación por tierra en la calidad de los datos altimétricos. Los resultados mostraron que la orientación de la traza, el ángulo de intersección con la costa y la topografía del terreno influyen en la determinación de la distancia más cercana a la costa en la que los datos conservan un nivel de exactitud similar al obtenido en el segmento de 5-20 km. Esta "distancia de buena calidad" a la costa alcanza un mínimo de 3 km para las trazas de Huelva y la traza descendente de Barcelona. Además, datos altimétricos de nivel del mar de los satélites Sentinel-3A y Sentinel-3B SRAL (S3A y S3B) fueron también validados a una frecuencia de muestreo de 80 Hz. Dos trazas de cada uno de los satélites se seleccionaron en siete costas diferentes situadas alrededor de la península Ibérica. Las series temporales de SLA de los altímetros se compararon con datos in-situ de mareógrafos usando la desviación estándar de la diferencia (sdd, por sus siglas en inglés) y su valor normalizado (sdd_n). Dos modelos de marea fueron utilizados en este estudio: TPXO8 y TPXO9. Ambos fueron previamente validados con datos in-situ y usados después en la validación de Sentinel-3. Al contrario de lo esperado, la versión más actual del modelo de marea no siempre mostró mejoras para todas las costas estudiadas. La disponibilidad de datos y la calidad de los resultados (sdd medio < 9cm) fueron la misma para los dos satélites, dado que los altímetros radar a bordo de S3A y S3B son idénticos. En general, los resultados de la sdd_n variaron entre 0,1 y 0,25 cm, siendo mayores los valores obtenidos en zonas costeras con una hidrodinámica compleja. El segundo objetivo específico fue implementar el modelo Delft3D en el estuario del río Guadalquivir y parte de la plataforma continental del GoC, con el fin de estudiar la influencia de sus descargas en la variabilidad del nivel del mar del GoC. Los detalles de la implementación del módulo FLOW del modelo Delft3D se recogen en este trabajo. El modelo fue calibrado y validado a lo largo del estuario del río comparando los resultados del modelo con los datos in situ de niveles y velocidades de corriente durante eventos normales y de alta descarga. Para obtener el mejor ajuste posible, se utilizó el coeficiente de fricción y la batimetría como parámetros de ajuste. Los coeficientes de determinación alcanzaron valores medios de R2= 0,9 y R2=0,8, para la calibración y la validación. Además, se calibró el modelo en la plataforma continental en condiciones normales de descarga utilizando datos de tres correntímetros, obteniendo buenos resultados de correlación (rmse= 3,0 cm·s-1 y R2=0,7, en promedio). Las simulaciones del modelo fueron capaces de reproducir fielmente las sobreelevaciones inducidas por la pluma de baja salinidad en la desembocadura del estuario y su plataforma interior adyacente, durante los períodos de alta descarga del río desde la presa, situada en la cabecera (> 400 m3·s-1). Estas sobreelevaciones también se identificaron en una comparación cualitativa con datos altimétricos. A pesar de los buenos resultados obtenidos, hay algunas mejoras que podrían realizarse pensando en futuros trabajos: incluir el viento, acoplar el módulo de oleaje, actualizar la batimetría, etc. El objetivo de la última parte de esta tesis fue aplicar la nueva técnica de procesamiento Fully Focused SAR (FF SAR, por sus siglas en inglés) para la señal altimétrica de Sentinel-3. Se analizó la exactitud y precisión de este novedoso producto con el fin de encontrar el producto de mejor calidad cerca de la costa (segmento de traza 0-5 km). El procesamiento del FF SAR es similar al de la altimetría SAR pero con una alta resolución, sin precedentes, a lo largo de la traza, que aumenta hasta el límite teórico, equivalente a la mitad de la longitud de la antena (~0,5 m). En este trabajo se utilizaron dos algoritmos de FF SAR aún en desarrollo: FF SAR Back Projection (BP) (versión prototipo S3 de Kleinherenbrink et al., 2020), y FF SAR Omega-Kappa (WK) (Guccione et al., 2018); además se utilizaron diferentes algoritmos de retracking. Se procesaron dos trazas de Sentinel-3A y dos de Sentinel-3B, a 80 Hz. Los productos se validaron comparando las series temporales de SLA con las obtenidas por el mareógrafo en el golfo de Cádiz. La exactitud se analizó utilizando el Porcentaje de Ciclos de Alta Correlación (PCHC, por sus siglas en inglés) y la desviación estándar de la diferencia (sdd); y la precisión se analizó a partir del ruido calculado a lo largo de la traza. Se compararon los productos FF SAR y SAR no enfocado. Los resultados mostraron mejoras utilizando ALES+ para el SAR no enfocado, aunque el producto FF SAR BP con ALES+ fue el más preciso en todas las trazas. Además, también se obtuvieron mediciones de SLA más exactas con los productos FF SAR. La mayor ventaja del SAR FF es que produce datos de buena calidad más cerca de la costa (1-2 km) que el SAR desenfocado (3-4 km). Finalmente, los resultados obtenidos en esta Tesis ponen de manifiesto el potencial de los datos altimétricos validados y del modelo hidrodinámico implementado para los estudios del nivel del mar. Además, la metodología aquí descrita puede ser útil para validar los datos altimétricos, así como para implementar el modelo Delft3D en otras zonas costeras.