Cubierta Nival y Temperaturas de Superficie en Sierra Nevada a través del tratamiento digital de imágenes de satélite

Abstract

[spa] La teledetección es una herramienta muy valiosa para comprender y explicar mejor la distribución espacial y temporal de la cubierta nival y del comportamiento térmico de las superficies en Sierra Nevada. La presente tesis centra atención en el análisis de la evolución de la cubierta nival y de la temperatura de superficie en Sierra Nevada, en particular en los tramos cimeros de ésta montaña andaluza. Mediante el análisis de imágenes de satélite para un periodo de 14 años hidrológicos, entre 2000 y 2014, se ha caracterizado a diferentes escalas temporales (anual, estacional, mensual) la distribución de la nieve en la Sierra, así como su influencia en la variación de las respectivas temperaturas de superficie terrestre (TST). También se ha adentrado en el conocimiento de las tendencias en el comportamiento nival y térmico, y si el periodo temporal de análisis estudiado es suficiente para evidenciar y confirmar la sensibilidad de esta montaña a los efectos de la reciente variabilidad climática. Atendiendo a estos objetivos generales enumerados se han elaborado mapas de la cubierta nival y mapas térmicos para cada uno de los días de que se dispone datos satelitales, que a posteriori han permitido obtener la respectiva cartografía media anual y estacional. Para ello fueron analizados y contrastados diferentes métodos para la delimitación de la cubierta nival, propuestos por Hall et al., (1987), Rott (1994) y Dozier (1989), así como para el cálculo de la TST (Qin et al., 2001; Barsi et al., 2005; Cristóbal et al., 2009a). Estadísticamente los resultados obtenidos han sido comparados con datos de campo relativos a precipitación, temperatura del aire, de la superficie del suelo y del subsuelo (-5 cm). Algunos de estos datos de campo se refieren a la ciudad de Granada (aeropuerto) y otros a diferentes enclaves de las cumbres occidentales de Sierra Nevada, sobre todo, del sector del circo glaciar del Veleta. Este enclave montañoso, situado por encima de los 3000 metros de altitud, constituye uno de los lugares de la Sierra de mayor interés por la herencia de la acción glaciar cuaternaria y por la dinámica periglaciar holocena, todavía bastante activa (Gómez Ortiz et al., 1999, 2006, 2013; Palacios et al., 2000, 2001; Ramos et al., 2001, 2002; Salvador Franch et al., 2012, 2015, Salvà et al., 2010; Sanjosé et al., 2007b, 2012b; Oliva, 2008; Santos et al., 2010a, 2012). Los resultados que en esta tesis se presentan, obtenidos a través del análisis de las imágenes de satélite, muestran principalmente una elevada variabilidad tanto del comportamiento nival como del régimen térmico, este último muy supeditado a la presencia y variaciones de la nieve. Esa variabilidad se manifiesta tanto anual como estacionalmente debido a la fuerte dependencia que la nieve presenta con los demás elementos del clima, en especial, pero no exclusivamente, la precipitación y la temperatura del aire. También se han observado algunas tendencias durante el periodo estudiado, como la merma de la cubierta nival anual, así como en primavera. Con respecto a las temperaturas de superficie se verifica una tendencia al ascenso de los valores estivales lo que cabe relacionar con la menor presencia de la nieve en los suelos. No obstante, las respectivas rectas de regresión son poco expresivas, presentando coeficientes de determinación bajos. Esto es debido, 1) a la corta duración de la serie analizada (14 años hidrológicos), por lo menos en términos climáticos, y 2) a la elevada variabilidad encontrada en el comportamiento de las dos variables analizadas. De ser posible poder incorporar más datos al estudio el significado de los coeficientes de determinación deberían mostrarse más consistentes e ilustrativos de posibles escenarios futuros. El análisis de la cubierta nival y de las temperaturas de superficie terrestre de las cumbres de Sierra Nevada permite también poner en evidencia la fuerte interdependencia de ambas variables, además del importante papel en el desarrollo de los procesos y morfodinámica periglaciar detectada en el interior del circo glaciar del Veleta, lo que contribuye a explicar mejor la actual degradación de sus hielos glaciares relictos y permafrost subyacentes. Los resultados logrados en la presente tesis han mostrado la validez y fiabilidad del uso de las técnicas de teledetección en la cartografía del manto nival y de la TST en Sierra Nevada, lo que ha supuesto aportar datos de gran interés de orden disciplinar, sobre todo para aquellas ciencias dedicadas al conocimiento de los sistemas de montaña y su evolución, así como para la mejor gestión de los paisajes y sus recursos naturales.

[eng] Nowadays, remote sensing is one of the most suitable data source used to model and monitor many Earth surface processes, thus it represents an essential source of information to study and better understand the evolution and trends of snow cover extension as well as land surface temperature (LST), especially in remote areas as mountains. Sierra Nevada, Southern Spain, still contains ice masses that are relics of the larger glaciers from the Little Ice Age. These ice masses, formed by a small rock glacier and discontinuous permafrost, are receding and the process is controlled primarily by snow cover duration and land surface temperature which are clearly affected by the current changes in climate conditions. In this Ph.D research, a total of 162 Landsat images 5 TM and Landsat 7 ETM+ were used, from 2000 to 2014 to estimate the snow cover extension, and 82 images from the same sensors were used to assess the land surface temperature between 2000 and 2010. The main outcome of this research is a unique dataset that includes a complete time series (318 maps) that show the distribution of the snow cover and the thermal behavior of its surface in Sierra Nevada. For the snow cover extension were tested three different methods for an experimental period of one year (2007-08): R35 (Hall et al., 1987), R45 (Rott, 1994) and the NDSI (Dozier et al., 1989). For this purpose the Normalized Difference Snow Index (NDSI) was selected (Santos et al., 2010b, 2012) and it was considered the presence of snow for a NDSI value above 0.4 for winter images. However when analyzing the viability of lower thresholds for spring and summer images, this standard threshold could not be optimal applied for snow cover mapping due to snow melting (snow cover gets thinner) and sediments deposition. The results show that reducing the NDSI threshold to 0.3 in spring and summer time is feasible since images are not affected by clouds or important changes in the topography. To estimate the LST were tested three methods as well: a mono-window algorithm proposed by Qin et al., (2002), a Web-based Atmospheric Correction Tool from Barsi et al., (2005), and an optimized method proposed by Cristóbal et al., (2009). Being the last method the most suitable for study area. The LST results from Cristóbal et al.’s method were compared with surface temperature collected by in-situ Thermochrons, sub-surface temperature (-5cm) and air temperature obtained in the field. The comparison of the satellite data with the field data yielded a good agreement presenting statistically significant correlation values. This work showed the validity of the optical and thermal data supplied by Landsat satellite imagery and their importance to understand the high variability in both spatial and temporal dynamic of the snow cover as well as the high dependence of the snow presence in the thermal behavior of the surfaces. The observed trends in this study are in agreement with other regional studies for this area, either regarding the snow or the surface temperature. Furthermore, the periglacial soil dynamics that still exist in Sierra Nevada, above 2650 meters, shows high sensibility to LST and snow cover dynamics, where the degradation of the discontinuous permafrost and rock glacier is imminent. Therefore, being able to monitor LST and snow cover extension using satellite data is of crucial importance and advisable for the better understanding and management of the Mediterranean mountainous areas.