Tesis Doctorals - Departament - Astronomia i Meteorologia

URI permanent per a aquesta col·leccióhttps://diposit.ub.edu/handle/2445/35246

Estadístiques

Examinar

Mostrant 1 - 20 de 72

Large scale structure with Lyman-alpha absorption surveys
(Universitat de Barcelona, 2011-09-30) Font Ribera, Andreu; Miralda Escudé, Jordi; Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
[cat] Gran part dels estudis presentats en aquesta tesi doctoral estan vinculats als esforços per detectar les oscil·lacions acústiques dels barions (BAO, de l’anglès Baryon Acoustic Oscillations) en la funció de correlació de l’absorció en l’espectre de quasars llunyans, relacionada amb la transició de Lyman-α (Lyα) en els atoms d’hidrogen intergalàctic. Aquesta absorció és coneguda com a “bosc de Lyman-α”. El Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) és un dels quatre projectes que composen la tercera fase de l’Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III) i té com a principal objectiu la detecció del senyal de BAO en la correlació de galàxies i en la del bosc de Lyα. Per fer-ho, des de la tardor de 2009 s’estan obtenint espectres electromagnètics de cen- tenars de milers de galàxies i quàsars utilitzant un telescopi de 2.5 metres de diàmetre a Apache Point (Nou Mèxic, Estat Units d’Amèrica). La meva vinculació amb BOSS començà el gener de 2009, i des d’un bon principi m’he centrat en generar simulacres d’espectres amb absorció de Lyα. Aquests simulacres han tingut una funció essencial en la primera publicació de la col·laboració (Slosar et al., 2011). L’estructura de la tesi es divideix en quatre capítols, que resumeixo a continuació. Simulant la Mesura de l’Espectre de Potències del Bosc de Lyα en un Catàleg Espectroscòpic de Quàsars a Grans Escales En el capítol 2 presento un mètode per simular l’absorció de Lyα en l’espectre de quàsars. El mètode, desenvolupat en col·laboració amb el Dr. Patrick McDonald i el Dr. Jordi Miralda-Escudé, permet generar espectres amb qualsevol distribució de flux i amb qualsevol espectre de potències. El Bosc de Lyα en Tres Dimensions: Mesura de la Correlació del Flux a Grans Escales en les Dades del Primer Any de BOSS La primera detecció de la correlació a grans escales del bosc de Lyα va ser presentada a mitjans 2011 per la col·laboració SDSS-III, utilitzant les dades obtingudes durant el primer any del projecte BOSS (Slosar et al., 2011). El capítol 3 conté un resum de l’estudi, fent èmfasi en la meva aportació i en el paper dels simulacres explicats en el capítol 2. L’Efecte dels Sistemes d’Alta Densitat de Columna en la Mesura de la Funció de Correlació del Bosc de Lyα En el Capítol 4, presento un estudi analític de l’efecte que els sistemes d’alta densitat de columna tenen en la mesura de la funció de correlació del bosc de Lyα. A continuació presento un mètode per introduir aquests sistemes en els espectres simulats, desenvolupat també amb la col·laboració de Miralda-Escudé i McDonald. Correlacions creuades del Bosc de Lyα En el darrer capítol d’aquesta tesi, 5, presento un estudi sobre la possibilitat de detectar la correlació creuada entre una població de galàxies i l’absorció de Lyα. Presento també un mètode senzill per mesurar la correlació creuada en un catàleg espectroscòpic com ara BOSS, i estudio en concret la possibilitat de mesurar el biaix dels sistemes Lyα esmorteits (“Damped Lyα systems” en anglès).
Star formation in cluster environments at Mm and Submm wavelenghts
(Universitat de Barcelona, 2006-03-20) Palau Puigvert, Aina; Estalella, Robert; Ho, Paul T. P.; Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
[spa] En este trabajo se han observado 4 regiones de formación estelar en modo de cúmulo a longitudes de onda milimétricas y submilimétricas con alta resolución angular (2''-4'') y alta sensibilidad. Para llevar a cabo el proceso de selección de las regiones, se han observado 8 regiones con el radiointerferómetro Very Large Array y el radiotelescopio IRAM 30m. Para cada una de las 4 regiones seleccionadas, se ha estudiado la naturaleza de los objetos estelares jóvenes y la interacción entre ellos, con el objetivo de comprender mejor la formación estelar en cúmulos. En la región HH211 no se ha encontrado evidencia de interacción entre las diferentes fuentes. Se ha estudiado con el interferómetro Submillimeter Array la formación de uno de los miembros más jóvenes, HH211mm, en el continuo submilimétrico y en CO(3-2) y SiO(8-7). La emisión de CO y SiO muestra un chorro de gas molecular de alta velocidad muy colimado, mientras que la emisión de continuo submilimétrico revela una fuente compacta en el centro de simetría del chorro y ligeramente alargada en la dirección perpendicular al chorro, que traza el disco protoestelar. Además, se ha encontrado que un viento de ángulo ancho parece ser el mecanismo que impulsa el chorro altamente colimado de esta fuente. Por tanto, HH211mm constituye un claro ejemplo de una estrella formándose de modo aislado, aun dentro de un cumulo. Para el caso de IRAS 00117+6412, observada con el interferómetro Plateau de Bure a 1 y 3 mm, en N2H+(1-0), CS(5-4) y CH3OH(5-4), se han detectado dos fuentes compactas en el milimétrico, sumergidas en una nube de gas denso trazada por N2H+, y que parecen estar asociadas a objetos estelares jóvenes en diferentes estados evolutivos. Justo en el borde este de la nube de gas denso se ha detectado una región de gas ionizado ultracompacta, por lo que IRAS 00117+6412 es un excelente candidato para estudiar la interacción entre un frente de ionización y una nube molecular con formación estelar activa. La región IRAS 20343+4129 se ha observado con el Submillimeter Array a 1 mm y en CO(2-1), y se ha descubierto un flujo molecular bipolar alargado en la dirección este-oeste que está impulsado por una fuente infrarroja clasificada como Clase I de masa intermedia. Se propone que otra de las fuentes infrarrojas está creando una cavidad y acumulando material ambiente en sus paredes, trazado por las fuentes milimétricas que se han detectado, que parecen estar asociadas a condensación es en un estado previo a la formación estelar. Finalmente, en la región IRAS 20293+3952, observada con el interferómetro Berkeley-Illinois-Maryland Array, se ha encontrado dos nubes de gas denso trazado por N2H+(1-0) y NH3(1,1) y NH3(2,2), y una gran variedad de objetos estelares jóvenes, la mayoría asociados a la zona norte de la nube principal. Los diferentes objetos estelares abarcan como mínimo un orden de magnitud en masa y se encuentran en estados evolutivos diferentes, indicando formación estelar continuada. Se ha derivado mapas de temperatura rotación al y densidad columnar de NH3 en las dos nubes, y se ha encontrado que la diferenciación química en la nube principal es importante, así como la interacción entre las diferentes fuentes. Con estos nuevos datos y otros recogidos de la literatura, se ha compilado una tabla de 5 regiones que albergan protoestrellas de masa intermedia/alta observadas con sensibilidades mejores que 1 masa solar, y se ha encontrado que el número de fuentes milimétricas alrededor de la protoestrella de alta masa es menor que el número de fuentes infrarrojas. Dado que nuestras observaciones sugieren que la formación estelar en cúmulos es continuada, el menor número de fuentes milimétricas parece indicar que la escala de tiempo en que un objeto estelar joven es brillante en el milimétrico es menor que la escala de tiempo en que un objeto estelar joven es brillante en el infrarrojo. Además, se ha encontrado una escala espacial típica de 0.1-0.3 pc asociada a un estado evolutivo particular. Para acabar, la distribución espacial de los objetos estelares jóvenes en las regiones estudiadas no se puede explicar únicamente por la interacción entre los diferentes objetos, sino que además es necesario suponer diferentes condiciones iniciales en la nube molecular original. Aun así, las interacciones pueden inducir la formación estelar en algunos casos concretos.
Experiments i models relativistes per a l'astrometria òptica des de l'espai. Aplicació a la missió Gaia.
(Universitat de Barcelona, 2007-09-25) Anglada Escudé, Guillem; Torra Roca, Jorge; Klioner, Sergei A.; Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
[spa] Gaia es un proyecto de la agencia espacial Europea (ESA) que pretende hacer un censo galáctico catalogando más de 1000 millones de objetos con una precisión astrometrica sin precedentes. La astrometria es la parte de la astronomia dedicada a la medida y al estudio del movimiento de los astros y ha sido uno de los principales motores de la física y las matemáticas de los últimos 2000 años. La precisión astrometrica de Gaia se estima en unos 10 microsegundos de arco, que es el tamaño angular de una moneda de dos euros en la superficie de la Luna vista desde la Tierra. A tal precisión, un montón de efectos en la propagación de la luz y la definición de los observables astrometricos entran en juego. Por ejemplo, la deflexión de la luz por el Sol pero también de los planetas del sistema solar, efectos de aberración en las imágenes adquiridas por la sonda debido a su rotación, o nuevos efectos astrométricos de segundo orden en el movimiento de las fuentes previamente indetectables. Este trabajo estudia estos aspectos desde un punto de vista relativista. Contiene tres partes. La primera se dedica a los efectos en la adquisición de datos astrometricos debidos a la propagación pro el interior de un sistema óptico en rotación (tipo Gaia). La segunda parte versa sobre la relaicón entre el intervalo de tiempo de emisión y de recepción, que causa movimiento aparente adicional sobre todo el movimiento de la sonda es no-lineal. La tercera parte estudia la deflexión dela luz relativista por parte de los planetas del sistema solar y se estudia la calidad así como el método de extracción de parámetros físicos a partir de la observaciones.
Timing the chemical evolution of the dense gas in high-mass star forming regions
(Universitat de Barcelona, 2010-12-20) Busquet Rico, Gemma; Estalella, Robert; Ho, Paul T. P.; Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
[spa] Diversos estudios observacionales, principalmente de regiones de formación estelar de baja masa, muestran que el cociente NH3/N2H+ es bajo en núcleos asociados con objetos estelares jóvenes mientras que este cociente aumenta en núcleos desprovistos de estrellas. Sin embargo, este cociente solo se ha estudiado en una región de formación estelar de alta masa, donde las altas temperaturas e interacciones pueden jugar un papel muy importante en la evolución de la química y en el comportamiento del cociente NH3/N2H+. El objetivo principal del proyecto de tesis es extender el estudio del cociente NH3/N2H+ en núcleos asociados con formación estelar de alta masa a partir de observaciones de alta resolución angular para investigar si las diferencias observadas en NH3 y N2H+ son debidas a que los núcleos se han formado en distintos tiempos (relacionado entonces con la evolución química del gas) o bien las altas temperaturas y/o interacciones con flujos moleculares o radiación ultravioleta afectan la evolución del gas denso. Con este objetivo hemos seleccionado una muestra de regiones de formación estelar de alta masa situadas a distancias d<3 kpc. Para poder estudiar cada núcleo de forma individual es necesario observaciones con una resolución angular 3-4 (8000AU), de manera que las observaciones se han realizado con interferómetros. En particular, hemos utilizado el Very Large Array (VLA) para observarla molécula de NH3 mientras que las observaciones de N2H+ se han realizado con interferómetros milimétricos/submilimétricos, como por ejemplo CARMA, el PdBI o el SMA. Además, para poder desarrollar el proyecto de tesis de forma completa y consistente, hemos contrastado los resultados con el modelo químico UCL_CHEM, desarrollado por S. Viti del University Collage of London (UCL). Los resultados mas destacados son: - El cociente NH3/N2H+ no sigue la misma tendencia que en las regiones de baja masa debido principalmente a las altas temperaturas alcanzadas en núcleos moleculares calientes, asociados típicamente con las primeras etapas evolutivas de una estrella masiva. - Existe una clara correlación entre las densidades de columna de las moléculas de N2H+ y NH3 durante las fase preestelar (anterior a la formación de una estrella). En esta misma fase encuentramos una anticorrelación entre el cociente NH3/N2H+ y la temperatura, donde el cociente va disminuyendo a medida que aumenta la temperatura (o lo que es lo mismo con evolución). La presencia de un objeto estelar joven afecta la química de tal manera que la diferencia entre ambas moléculas empieza a ser evidente, y por lo tanto, no encontramos correlación entre las dos moléculas en núcleos protoestela res. - Hemos estudiado la fracción de deuteración Dfrac=NH3D/NH3 en una región de alta masa, donde encontramos una cierta tendencia de la fracción de deuteración con el estado evolutivo de los nucleos preestelares y protoestelares. Este cociente parece aumentar durante la fase preestelar hasta que se inicia el proceso de formación estelar, a partir del cual el cociente disminuye. También hemos visto que los dos cocientes NH2D/NHS y NH3/N2H+ pueden relacionarse con el estado evolutivo del gas denso.
Suspended particulate matter and wet deposition fluxes in regional background stations of the Iberian Peninsula : a detailed study of african dust outbreaks
(Universitat de Barcelona, 2009-06-07) Escudero Tellechea, Miguel; Querol Carceller, Xavier; Àvila i Castells, Anna; Cuevas Agulló, Emilio; Redaño, Àngel; Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
[spa] La presencia de partículas sólidas y/o líquidas en la atmósfera (aerosol atmosférico) tiene diversas implicaciones sobre el clima, la visibilidad, la salud de los humanos y diversos ciclos biogeoquímicos. Debido a todos estos efectos, el estudio de este material se está llevando a cabo por una comunidad científica de marcado carácter interdisciplinar. El efecto en la salud del material particulado (MP) atmosférico en modo de incremento en mortalidad por afecciones cardiovasculares y respiratorias, por el carácter carcinógeno de algunas especies y el importante impacto en la salud de niños y fetos, impulsó a la Comisión Europea a aprobar en el año 1999 la Directiva Hija 1999/30/EC de Calidad del Aire en donde se establecían unos estándares de calidad del aire de obligado cumplimiento por parte de los Estados Miembros. Esta Directiva está en revisión actualmente (2006) y la Comisión Europea ha emitido una versión preliminar que propone mantener los valores límite establecidos en la Directiva 1999/30/EC para 2005 y, además añadir un valor de concentración tope anual de PM2.5 para 2015 de 25 μg m-3. En Europa en general y en España en particular, el control de los niveles de contaminación atmosférica por MP así como diversos estudios de especiación química de dichos contaminantes se llevan a cabo con frecuencia en las ciudades para obtener medidas representativas de la exposición de la población. Sin embargo no se han estudiado con tanta precisión los niveles de fondo regional de estos contaminantes. Tampoco se ha detallado la caracterización meteorológica de los distintos episodios que explican la variabilidad estacional y geográfica de los niveles de MP en estaciones de fondo regional de la Península Ibérica. El trabajo con estaciones de fondo regional (aquellas localizadas fuera de la influencia directa de fuentes antropogénicas locales de MP) permite la detección y el estudio de una serie de episodios naturales y antropogénicos de aporte de aerosoles que tendrán una influencia importante en todo tipo de estaciones de medida de la Península Ibérica. Entre estos eventos se encuentran las intrusiones de polvo atmosférico Africano. Estas entradas de masas de aire Africanas con alta carga de material crustal provocan unos incrementos importantes en los niveles de MP especialmente en los rangos de tamaño gruesos (TSP y PM10) que puede producir superaciones de los niveles limite establecidos en la Directiva 1999/30/CE. Cabe recordar que, de acuerdo con esta directiva, las superaciones asociadas a episodios de resuspensión natural podrán ser descontadas si son justificadas adecuadamente. El polvo mineral Africano constituye además una fuente importante de alcalinidad que reduce la incidencia de la lluvia ácida en el Mediterráneo. Debido a estos dos efectos, se han llevado a cabo de manera independiente trabajos para el estudio, por un lado, de los niveles de MP durante intrusiones Africanas y, por otro lado, de los flujos de deposición de polvo Africano. Sin embargo, hasta ahora, no se había incluido en un mismo trabajo el estudio de estos dos procesos. El objetivo principal de este trabajo es el desarrollo de un modelo conceptual para la interpretación de los episodios que tienen un impacto tanto en los niveles de MP como en los flujos de deposición en el fondo regional en el de la Península Ibérica. Para ello se cubrirán otros sub-objetivos, como son la interpretación de los escenarios meteorológicos que dan lugar a episodios con impacto en niveles de MP en el fondo regional y la interpretación de la variabilidad temporal y geográfica de estos niveles en la Península Ibérica. También se llevará a cabo el estudio detallado de las intrusiones de polvo Africano incluyendo su variabilidad estacional, impacto en niveles de MP y en los flujos de deposición en zonas de fondo regional, así como la especificación de las áreas fuente de polvo que preferentemente contribuyen a las plumas de polvo que alcanzan la Península Ibérica.
Microquasar jets and their interaction with the medium: theoretical studies and observations with the MAGIC telescope
(Universitat de Barcelona, 2009-10-14) Bordas Coma, Pol; Paredes i Poy, Josep Maria; Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
[eng] The present thesis focuses on the investigation of some of the high energy processes ocurring in microquasars. The matter content and the power transported in the jets of microquasars are studied, the effects that they have on the surrounding medium are quantified, and their expected capability to emit at high end very high energies is constrained. Since these are quite broad objectives, we have treated them separatedly. The thesis is therefore divided in two distinct parts, preceeded by a short overview of the microquasar phenomenology and a characterization of the physical mechanisms that will be needed further on (Chapters 1 to 3). Although we note that other processes may occur in microquasars, our description is however limited to those directly related to the problems faced in some specific scenarios. In Part I (Chapters 4 and 5) we explore the interactions that microquasar jets have with their environments. In Chapter 4 the interactions of microquasar jets with the wind and radiation fields of the companinon star are explored. We investigate the radiative consequences of the presence of relativistic hadrons in the jets. We study the primary hadronic emission in the gamma-ray domain, and we then focus on the secondary particles generated in proton-proton interactions. We analyse how the detection of the emission of these secondaries could point to the presence of hadrons in the jet. We consider a high-mass system with a constant energy injection rate in a circular orbit, but our results can be extended to more realistic scenarios. After inspection of the obtained results, we conclude that the non-thermal radiation output from secondaries alone cannot account for the radio and X-ray flux levels observed in microquasars. The existence of a primary lepton population seems therefore to be required. In Chapter 5 we examine the impact of microquasar jets with the interstellar medium (ISM). Extended emitting structures are thought to be formed when the jets are effectively decelerated by the surrounding gas. The situation is analogous to that found in AGNs, where radio-lobes and hot spots are frequently observed at the jet termination regions. The jet composition is difficult to constrain in these studies. Both primary hadronic and e+e− plasmas can provoke similar effects in their surroundings. Our model can provide an estimate of the total power carried in the jets when the source age and the medium properties are known. More importantly, these studies are independent from other approaches in which the jet kinetic power is derived directly from its radiative output (in radio, assuming minimum energy arguments and rough equipartition of the magnetic field; at higher energies, by using the observed flux and assuming a certain constant fraction of jet power converted to non-thermal power). They provide therefore constraints to be applied in all cases where jet/ISM interactions occur. It must be noted in this sense that an increasing number of microquasars do indeed show evidences of such interactions. In Part II (Chatpers 6 to 8) we present the results of the search of VHE gammaray emission from microquasars. We make use of the exceptional capabilities of the MAGIC telescope for this purpose. The Cherenkov Imaging technique has become the most successful method to detect gamma-ray emission from ∼ 100 GeV up to 10 TeV. Four well-known microquasars have been observed by MAGIC, namely Cyg X-1, Cyg X-3, GRS 1915+105 and SS 433. No evidence of steady signal have been found, whereas an evidence of detection of a flare was found only from Cyg X- 1 in September 2006. Particular source conditions have been used to trigger the observations. They were based on the presence of the source in the low-hard state in which radio jets are thought to be present, and in state transitions, when strong radio/X-ray flares can be produced. The MAGIC upper limits are compared to recent theoretical models predicting gamma-rays from the observed sources. We study in detail several physical mechanisms in the light of the collected results in both hadronic and leptonic scenarios. Conclusions derived from the attained results are included separatedly in each Part, and we close this thesis with some concluding remarks of the main outcomes obtained, which are presented in Chapter 9.
A new classification of gamma-ray bursts and its cosmological implications
(Universitat de Barcelona, 2006-04-20) Balastegui Manso, Andreu; Canal, Ramon; Ruiz Lapuente, Ma. Pilar; Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
[spa] Los estallidos de rayos gamma (del inglés gamma-ray bursts o GRBs para abreviar) se han clasificado tradicionalmente en GRBs cortos y duros, y GRBs largos y blandos, de acuerdo a la distribución biomodal de sus duraciones. Esta clasificación propone una frontera, a T90=2 s, para separar los GRBs cortos de los largos. En realidad, las distribuciones de duraciones de GRBs cortos y largos deben tener un intervalo de duraciones donde se solapan, y la clasificación clásica es incapaz de clasificar GRBs en esta región. Esta tesis propone una nueva clasificación de GRBs. Mediante el uso de múltiples variables intrínsecas al GRB y mediante el uso de algoritmos de clasificación automática propios de la inteligencia artificial, como son el análisis de clústers y las redes neuronales, se consigue una clasificación objetiva de GRBs con la que podemos discriminar a qué clase pertenece cada GRB incluso en la región de solapamiento de la distribución de duraciones. Además, esos algoritmos sugieren la existencia de 3 clases de GRBs diferentes. Presentamos pues, dos clasificaciones de GRBs, una de dos clases (2-I y 2-II) y otras en tres clases (3-I, 3-II y 3-III). La clasificación en dos clases recupera las características de la clasificación clásica de GRBs, mientras que la clasificación en tres clases propone una nueva clase de GRBs de duración intermedia y blandos. En esta clasificación los GRBs de clase 3-III tienen como principal característica una evolución de la luminosidad con el redshift. Son estos GRBs los candidatos ideales a provenir del colapso de estrellas muy masivas a través del fenómeno conocido como colapsar. Por otra parte, los GRBs de clase 3-I y 3-II se dan a distancias medias menores que los de clase 3-III, siendo candidatos ideales a provenir de la fusión de sistemas dobles compactos.
Modeling the gravitational clustering in hierarchical scenarios of structure formation
(Universitat de Barcelona, 1995-09-26) Manrique Oliva, Alberto; Salvador Solé, Eduard; Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
[spa] En la tesis se presenta un método semianalítico para describir el crecimiento de objetos virializados en el escenario de inestabilidad gravitatoria. Se ha desarrollado el formalismo del sistema confluente de trayectorias, que permite seguir la evolución por filtrado de picos en un campo aleatorio gaussiano de perturbaciones de densidad. Este formalismo es aplicado para deducir la función de masas en el modelo de picos. Después de determinar el filtro (gaussiano) y las relaciones M(R) y SC(T) consistentes con la dinamica de colapso real, se ha encontrado una función de masas, corregida del efecto de nubes encajadas, muy próxima a la de Press y Schechter que ajusta bien los resultados de simulaciones a N-cuerpos. El formalismo del sistema confluente también permite calcular otras cantidades importantes relacionadas con la evolución de objetos virializados, con la ventaja de proporcionar una distinción práctica entre procesos de acreción y fusión. Esto conduce a una definición natural de los sucesos que indican la formación y destrucción de un objeto dado y, por lo tanto, a mejores estimaciones de los ritmos y tiempos típicos de crecimiento. En particular, se han deducido expresiones para los ritmos instantáneos de fusión, captura y formación, el ritmo de acreción de masa, la edad típica y el tiempo de supervivencia.
Contribució a l'estudi del rentat de l'atmosfera per la pluja
(Universitat de Barcelona, 1992-12-03) Codina, Bernat; Lorente, Jeroni; Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
[spa] Se ha utilizado un pluviómetro de toma secuencial de muestras de lluvia, diseñado y construido en nuestro Departamento, para estudiar el lavado de la atmosfera por la precipitación. El análisis de las concentraciones de los iones mayoritarios disueltos en el agua de lluvia recogida en Barcelona pone de manifiesto la existencia de dos mecanismos bien diferenciados en la eliminación de contaminantes por la precipitación: el lavado subnuboso, muy intenso durante las primeras etapas de la lluvia, y el lavado en la propia nube responsable de una aportación casi constante de sustancias en disolución. Tal como señalan numerosos autores que han efectuado estudios similares tanto a nivel teórico como experimental, el lavado nuboso se confirma como el principal responsable de la acidificación de la lluvia, mientras que el lavado subnuboso de las partículas mayores alcalinas de origen continental se encarga de neutralizar, en parte, la acidez de la precipitación. Por otro lado, a partir de los datos de concentración obtenidos, se ha procedido a caracterizar las lluvias de Barcelona en relación a su composición en sustancias disueltas. Cabe destacar la elevada concentración de nitratos procedentes de la oxidación de los NOX antropogénicos, la presencia abundante de iones de origen maritimo, y concentraciones significativas de iones calcio de origen continental. El pH medio para el periodo de 18 meses considerado (1990-91) fue de 5,1, en la frontera de la llamada "lluvia ácida". Asimismo, con el fin de estudiar la relación entre la composición de la lluvia y la procedencia de las masas de aire, se desarrolló un método para la determinación de retrotrayectorias a 850 hPa.
Evolución de los extremos hídricos en Catalunya en los últimos 500 años y su modelización regional
(Universitat de Barcelona, 2008-12-01) Barrera Escoda, Antonio; Llasat Botija, María del Carmen; Mendoza Bladé, Ileana; Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
[spa] L'objectiu de la present tesi doctoral és la caracterització de l'evolució temporal dels extrems hídrics (inundacions i sequeres) i de la precipitació a Catalunya per a un període temporal el més llarg possible. Es pretén amb això posar en perspectiva la situació actual (últims 30 anys) així com proporcionar un nivell de referència per a la variabilitat natural. Els extrems hídrics són el desastre natural que produeix el major impacte socioeconòmic i la seva freqüència d'incidència és molt sensible a petits canvis en l'estat mitjà del clima (per exemple la temperatura). L'escalfament global actual provocat per l'increment en la concentració dels GEHs provocarà una alteració del cicle hidrològic i un canvi en les precipitacions i en l'ocurrència dels extrems hídrics, sent la zona Mediterrània una de les regions de la Terra més afectades (IPCC, 2007). Diversos estudis afirmen que la precipitació ja està disminuint en gran part la Península Ibèrica, sobretot en el sud i la zona mediterrània (Esteban-Parra et al., 1998; Romero et al., 1998; Alpert et al., 2002; Goodess i Jones, 2002; Paredes et al., 2006), però la majoria d'aquests estudis estan basats bé en sèries molt curtes o bé en un nombre petit d'estacions. Existeixen també arguments dinàmics per a suposar que la precipitació disminuirà en les pròximes dècades en tots els cinturons subtropicals, incloent-hi el Mediterrani (IPCC, 2007). En aquesta tesi s'ha analitzat l'evolució dels extrems hídrics (principalment inundacions) a Catalunya (1301−2005) a partir de diferents tipus d'informació, que engloben des d'informació històrica procedent d'arxius documentals i sèries instrumentals antigues fins a models numèrics de predicció. També s'han analitzat la relació entre les inundacions i la precipitació amb la NAO, la relació entre inundacions i precipitació diària, així com els TPs (patrons de SLP) associats a inundacions per a períodes històrics d'elevada ocurrència d'aquests esdeveniments. Finalment s'hi presenten els resultats de simulacions regionalitzades de la precipitació i dels extrems hídrics recents (últims 30 anys) i passats (últims 500 anys). La informació històrica utilitzada està formada d'una banda per les cronologies d'inundació de dotze localitats catalanes distingint-se entre inundacions EXT (desbordaments amb lleus danys o sense danys) i CAT (desbordaments amb danys greus o destrucció total) per al període 1301−2005. La sèrie d'índexs hídrics (combinació d'inundacions i rogatives pro pluja) de la Ciutat de Barcelona per al període 1521−1850 és l'altre tipus de dades documentals utilitzades. La informació instrumental antiga consta de catorze sèries diàries de SLP repartides per tot Europa per al període 1780–1880 i la sèrie de precipitació de Barcelona Ciutat (mensual per a 1786–2005 i diària per a 1854–2005). S'han utilitzat també altres sèries de precipitació llargues, procedents de l'AEMET, per al període 1898–1998 (106 sèries en total) per al conjunt d'Espanya, per a així tenir una visió espacialment més àmplia de l'evolució de la precipitació durant el segle XX analitzant sèries regionals (precipitació areal). El model meteorològic utilitzat per a desenvolupar simulacions regionalitzades és l'MM5 (model d'àrea limitada) niat i forçat a les condicions inicials i de contorn de les Reanàlisis de l'ERA40 de l'ECMWF, així com al model climàtic ECHO-G per a diferents períodes i resolucions: 1971−2000 (135−45−15 km) per a les reanàlisis (ERA40) i 1502−1989 (135−45 km) per al model climàtic (ECHO-G). L'anàlisi de totes les dades i informació utilitzades permet concloure que la variabilitat observada els últims 30 anys, així com durant el segle XX, no és destacable respecte a altres períodes passats anòmals en els quals hi va haver una major variabilitat (gran ocurrència d'inundacions i sequeres). Tampoc és destacable la variabilitat actual en analitzar sèries pluviomètriques llargues, tant de Catalunya com de la resta de l'Estat Espanyol. En referència a les tendències presentades pels extrems hídrics, cal comentar la dificultat que presenta la seva anàlisi, ja que és fàcil confondre entre augment d'incidència i augment de vulnerabilitat. No s'han trobat tendències destacades estadísticament significatives per a les inundacions CAT, que al ser les produïdes pels episodis meteorològics més extrems, no estan tan influenciades pels canvis en la vulnerabilitat. En canvi, sí que s'ha produït un augment de les inundacions EXT per als últims 150 anys aproximadament (1850−2005), encara que aquest augment és degut en gran part a l'increment de la vulnerabilitat de la zona per l'ocupació de zones inundables. Les sèries regionals de precipitació areal analitzades no mostren una tendència a llarg termini estadísticament significativa durant el segle XX per al conjunt d'Espanya. A més a més s'ha observat que la tendència és altament depenent de la longitud i període d'estudi de la sèrie, arribant fins i tot a canviar de signe. Només es troben tendències estadísticament significatives per a la primavera a la regió CS (-0,51 mm·a-1) i la regió BAL presenta una tendència de -0,28 mm·a-1 per a l’estiu. La tendència anual més gran s’observa per a la regió NW amb un augment estadísticament significatiu de 1,50 mm·a-1. Per una altra banda, només cal destacar com a tendència recent estadísticament significativa una disminució de la precipitació de 4,0 mm·a-1 per al període 1968−1997 que presenta la sèrie de precipitació areal de la zona NE de la Península Ibèrica (encara que comparable a tendències de curt termini anteriors), en la qual s'hi troba Catalunya. En canvi, la sèrie llarga de precipitació de la Ciutat de Barcelona (1786−2005) no presenta cap tendència recent ni a llarg termini. Tampoc presenta tendència l'evolució de la precipitació extrema diària a Barcelona (1854−2005), sent significatiu solament un augment en el nombre total de dies amb precipitació apreciable (≥ 0,1 mm) acompanyat d'un augment en el nombre de dies amb precipitacions febles (≤ 1 mm). En referència a la relació entre precipitació i inundacions, la comparació entre les inundacions ocorregudes a la Ciutat de Barcelona i la seva sèrie de precipitació diària ha mostrat el valor de 50 mm com un llindar de precipitació diària a partir del qual solen produir-se inundacions. Aquesta estació urbana a més ofereix la possibilitat d'estudiar en detall com els canvis en la vulnerabilitat (ocupació de zones inundables, millores en la xarxa de drenatge i clavegueram...) influeixen en el canvi en la freqüència de les inundacions i sobretot en la de les inundacions sobtades. Tant les inundacions EXT com les sobtades augmenten considerablement a mitjan segle XIX coincidint amb l'enderrocament de les muralles que protegien la ciutat i l'ocupació de zones inundables, circumstància que va coincidir amb un augment d'inundacions a tot Catalunya. En canvi, les inundacions CAT no mostren cap tendència i apunten cap a una disminució durant els últims anys gràcies en gran part a les millores en la xarxa de drenatge de la ciutat. La relació entre la NAO i la precipitació areal per al període 1898−1998 per al conjunt de l'Estat Espanyol presenta una correlació variable segons l'època de l'any, sent màxima durant l'hivern, amb valors de −0,7 per a la regió CS de la Península Ibèrica i valors per sota de −0,5 en les regions NE, LEV i CN d'Espanya. És interessant fer notar que la correlació NAO-precipitació no és estacionària durant el període 1898−1998, sent màxima per als últims 30 anys de les sèries considerades (1968−1998). Les correlacions aquí trobades són superiors que les obtingudes en treballs anteriors per altres autors. D'altra banda, la relació de les inundacions amb índexs de circulació, com la NAO, mostra una correlació feble. Per tant és descartable una relació directa entre ambdues variables. També és feble la correlació entre inundacions a Catalunya i l'activitat solar. En relació amb els TPs (patrons de SLP) associats a inundacions per a un període d'elevada ocurrència d'inundacions (1840−1870), concloem que aquests són comparables als identificats per al segle XX per altres autors, però la seva distribució al llarg de l'any és diferent, amb un increment d'inundacions produïdes durant la primavera. A més, aquest període presenta un major percentatge d'inundacions CAT, d'un 52%, enfront del 18% del període actual (1971−2000) i una elevada ocurrència del TP més favorable a produir precipitacions intenses i inundacions CAT (fluxos de vent del S en superfície). En referència a la circulació atmosfèrica diària durant el període 1840−1870, no sembla haver-hi cap anomalia significativa que pogués explicar la gran ocurrència d'inundacions registrades, tot i que s’observa un predomini de la circulació meridional. Una possible explicació a l'anomalia observada durant aquest període podria trobar-se en el fet que aquest període va tenir lloc en el Final de la PEG. En aquesta època s'hi acumulava una major quantitat de neu en cotes mitjanes i altes dels Pirineus respecte a l'actualitat. Aquest fet junt amb el predomini de la circulació càlida meridional durant la primavera podria ser la raó principal de l'elevada ocurrència d'inundacions a la primavera. Les simulacions climàtiques realitzades amb el model mesoescalar MM5, niat i forçat a les condicions de contorn d'un MCG (downscaling o redimensionament dinàmic), han mostrat la importància de la resolució espacial dels dominis d'integració per a poder reproduir la distribució espacial de la precipitació a Catalunya. Sobretot és important per a reproduir el màxim pluviomètric que s'observa a la zona NE de la regió. En canvi, per a l'anàlisi de l'evolució temporal de la precipitació no existeixen diferències apreciables entre diferents resolucions. Les simulacions també han mostrat ser una bona tècnica per a reproduir els patrons espacials de precipitació (anual, semianual, primavera i estiu), l'evolució de les anomalies mitjanes anuals i la de variables derivades de la precipitació extrema (nombre de dies amb precipitació > 50 mm). D'una banda, la simulació del MM5 niat i forçat a les Reanàlisis de l'ERA40 (1971−2000) també permet definir TPs associats als episodis causants d'inundacions consistents amb els obtinguts amb l'ERA40 (condicions observades). D'altra banda, la simulació del MM5 niat i forçat al model acoblat atmosfera-oceà ECHO-G (1502−1989) produeix un rang de variabilitat multidecadal consistent amb l'observat (precipitació areal de la zona NE de la Península Ibèrica i la precipitació de Barcelona) per als últims 100−200 anys del període d'estudi. També existeix un acord entre l'evolució dels valors simulats i els observats per al període 1898−1989. Aquesta simulació també reprodueix en part l'evolució de les inundacions CAT a Catalunya des de finals del segle XVI fins a principis del segle XVIII. D'aquest estudi es desprèn que seria necessària una simulació no forçada del clima passat per a trobar si en absència de forçaments externs, la variabilitat interna multidecadal en el model és fonamentalment diferent (freqüència o/i amplitud). Per a totes les variables comentades anteriorment el model MM5 niat i forçat a un MCG serà una bona tècnica per a la generació d'escenaris climàtics regionalitzats bé siguin passats o futurs. En canvi, no estan bé simulats els cicles estacional i anual mitjos, així com la distribució espacial de la precipitació mitja de tardor i hivern. Per a aquestes variables la tècnica aquí presentada no serà útil per a la generació d'escenaris climàtics regionalitzats. Finalment, en aquesta tesi a través de l'anàlisi exhaustiva que s'ha realitzat a sèries d'extrems hídrics i precipitació amb una gran extensió temporal, superior a la de molts estudis anteriors, es pot concloure que els canvis previstos en la precipitació per les simulacions IPCC-ARS deguts a l'increment en la concentració de GEHs encara no s'han produït a Catalunya ni a la resta de l'Estat Espanyol.
Estudio de sistemas convectivos mesoscalares en la zona mediterránea occidental mediante el uso del radar meteorológico
(Universitat de Barcelona, 2004-07-28) Rigo, Tomeu; Llasat Botija, María del Carmen; Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
[spa] La avenida súbita de los ríos Besós y Llobregat durante la noche del 25 de septiembre de 1962 provocó que más de 800 personas perdieran la vida, en un episodio en que se recogieron unos 250 mm en poco más de dos horas (Llasat, 1987). Las pérdidas totales para aquel episodio superaron los 16 millones de € de aquella época. Desde este caso se han registrado en Cataluña once inundaciones catastróficas más (1971, 1977, 1982, 1987, 1988, 1989, 1994 y 2000), algunas de ellas en el mismo año. Además, deben añadirse a esta lista de episodios unas 24 inundaciones extraordinarias y otras tantas ordinarias (sobre la definición de los tipos de inundaciones, consultar Barriendos et al., 2003), que en algunos casos han dado lugar a pérdida de vidas humanas. Las más recientes inundaciones catastróficas en Cataluña, el 10 de junio de 2000, con una lluvia acumulada de 215 mm en tres horas, produjeron 65 millones de euros en pérdidas y cinco muertos. Precisamente este episodio es el que centra la mayor atención dentro de esta tesis, y para el cual se han realizado la mayoría de estudios presentados. En vista a los datos presentados, y pese a los numerosos estudios realizados y a las mejoras en algunas infraestructuras, el problema de las inundaciones continúa siendo uno de los más importantes a nivel de impacto social no solamente en la región analizada, sino también en gran parte del Mediterráneo Occidental (y muchas otras regiones del planeta). Por otra parte, los progresos tecnológicos en la región de estudio (como la implementación de un sistema de alerta hidrológica o un radar meteorológico) hacen que el punto de vista sobre inundaciones adquiera una mejor resolución, tanto a nivel espacial como temporal. Estos dos aspectos han resultado los de más peso a la hora de realizar la tesis. Esta tesis presentada se divide en tres grandes bloques: presentación del estado del arte, metodología y resultados. Por lo que se refiere a la primera parte, ésta se presenta desde el capítulo 2 (Generalidades sobre episodios de lluvias fuertes en Catalunya) hasta el 5 (Precipitación convectiva), pasando por los capítulos referentes a El radar meteorológico y La convección. En el segundo apartado, la metodología, encontramos los capítulos 6 y 7, en los que se presentan los Datos utilizados y programación realizada durante el trabajo de investigación, y, por otra parte, una breve reseña de las características de cómo se ha estudiado la Meteorología de la zona analizada. Finalmente, los capítulos 8 a 10 presentan los resultados, dividiéndose en el Proceso de selección de los episodios estudiados y análisis pluviométrico y meteorológico (donde se muestra el estudio de los casos de lluvias fuertes desde los puntos de vista de la precipitación y la meteorología), el Análisis de la precipitación convectiva (en el que se determinan las características del parámetro Beta tanto para los pluviómetros como para el radar) y, para acabar, El uso del radar para el estudio de estructuras convectivas, capítulo que presenta la parte que es el objetivo final de la tesis. Se acompañan estos capítulos con el Índice, la Bibliografía, los Agradecimientos, y las Conclusiones.
Integral spectroscopy of black hole transients and multi-wavelengh study of a new accreting binary system
(Universitat de Barcelona, 2008-06-27) Caballero García, María Dolores; Mas-Hesse, José Miguel; Figueras Siñol, Francesca; Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
[spa] En esta tesis utilizamos los instrumentos de altas energías del satélite INTEGRAL para hacer espectroscopía y la cámara OMC para hacer fotometría de dos tipos diferentes de objetos celestes emisores de rayos X. INTEGRAL permite obtener la espectroscop´ıa en rayos X y γ (cubriendo un rango espectral de 3–8000 keV) y OMC es una cámara CCD que opera en el ﬁltro V de Johnson, capaz de proporcionar una monitorización continua de las fuentes cientíﬁcas incluídas en el OMC Input Catalogue. La capacidad de hacer espectroscopía nos permitió el estudio de la emisión de alta energía de dos sistemas transitorios con agujero negro (i.e. GRO J1655–40 y GX 339–4) dando nuevas pistas acerca de la física de los procesos de emisión en alta energía (rayos X y γ) de este tipo de objetos. OMC, el monitor óptico a bordo del satélite INTEGRAL, nos permitió hacer un análisis multi-longitud de onda de TYC 2675- 663-1, desvelando que se trata de un sistema binario con propiedades dominadas por acreción. Mientras que el estudio de los sistemas transitorios con agujero negro estudiados en esta tesis corresponden a observaciones dedicadas tras la aceptación de un programa de observación, TYC 2675- 663-1 corresponde a parte de un programa de ciencia serendípita. En esta tesis se presenta el descubrimiento de 3 nuevos sistemas binarios (TYC 2675 663 1, TYC 237 363 1 y HD 86222) en base a sus propiedades fotométricas, todos mostrando emisión en rayos X blandos ya que pertenecen al catalogo ROSAT. Para dos de estos sistemas, la emisión en rayos X es la esperada en estrellas de rotación rápida y debido a actividad cromosférica. Para TYC 2675- 663-1 la situación es diferente ya que se detectó un exceso en la emisión en rayos X blandos de ≈50%. Se inició una campaña fotométrica y espectroscópica para desvelar el origen de este exceso y la naturaleza de ambas componentes del sistema binario. Como resultado, se detectaron un pronunciado efecto O-Connell, comportamiento errático en forma de erupciones y la presencia de mínimos asimétricos y diferentes máximos ocasionalmente en la curva de luz. La espectroscopía permitió detectar emisión notable y ensanchada de las líneas Hα y He I con perﬁl P Cygni. Esto es debido a procesos de acreción y a la presencia de vientos estelares notables en el sistema binario. Todas estas propiedades llevan a pensar que este sistema es un candidato a sistema de tipo Algol, presentando cambios drásticos y que podría convertirse en un sistema cataclísmico en el futuro. Finalmente, actividad en forma de erupciones en rayos X es probable que suceda en este sistema.
Observational and theoretical study of the interaction of relativistic winds from young pulsars with inhomogeneous stellar winds
(Universitat de Barcelona, 2016-10-17) Paredes Fortuny, Xavier; Ribó Gomis, Marc; Bosch i Ramon, Valentí; Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
[eng] Gamma-ray binaries are systems that comprise a compact object orbiting a companion star and display the maximum of the non-thermal Spectral Energy Distribution (SED) in gamma rays. Currently we know five gamma-ray binaries. All of them host an early type star and a compact object of unknown nature, either a black hole or a neutron star, except for one of them where radio pulsations have been detected. The optical emission received from gamma-ray binaries is produced by the optical star and its environment. If the optical star is a Be star, then it presents a circumstellar decretion disk, being its size traced by the Equivalent Width of the Halpha line (EW). Numerical simulations of gamma-ray binaries hosting a Be star suggest that the circumstellar decretion disk is perturbed/disrupted during the periastron passage of the compact object by the tidal forces and/or the putative pulsar wind. The circumstellar disk contribution to the optical photometry is a significant fraction of the total optical emission. The observed optical photometric flux from it will be proportional to the projected area of the optically emitting disk. Therefore, any orbital variability in the optical light curves can be associated to changes in the circumstellar disk. We conducted long-term optical photometric and EW observations of the gamma-ray binary LS I +61 303, aimed to unveil the optical superorbital variability seen at other wavelengths. We obtained the following results from the observations: 1) The optical photometry and EW present a superorbital variability of the orbital phase of the maximum, as seen in radio and X-rays, providing an evidence of the coupling between the thermal and non-thermal emission processes in LS I +61 303. 2) The optical observations present a superorbital variability of the flux compatible with the 1667 d superorbital period. 3) This superorbital variability is attenuated or missing in some orbital phases. 4) Orbital variability in a multi-wavelength context presents lags that can be naturally interpreted considering different emitting regions. 5) The observations seem to be only compatible with an extended and (quasi)-coplanar circumstellar disk. 6) The observations are compatible with a density wave scenario, and with a very restrictive precessing-disk model. Gamma-ray binaries hosting a massive star and a young non-accreting pulsar present strong interaction between the relativistic pulsar wind, and the wind of the stellar companion, resulting in efficient particle acceleration and in the production of non-thermal radiation, from radio to gamma rays. The study of the dynamical interaction between the winds can be conducted through numerical simulations, allowing a qualitative analysis of the radiative output of the system. Furthermore, the two-wind interaction region might suffer the impact of an inhomogeneous stellar wind (hereafter clumps), making its dynamics and hence its radiative output more complex. We conducted RHD simulations of the interaction of relativistic winds from young pulsars with inhomogeneous stellar winds aimed to provide a plausible framework for the high-energy variability observed in gamma-ray binaries. We obtained the following results from the numerical simulations: 1) The two-wind interaction structure is very unstable and sensitive to the tiniest perturbations, which lead to quick Rayleigh-Taylor (RT) and in particular Kelvin-Helmholtz (KH) instability growth. 2) The arrival of clumps can have a very strong impact on the whole interaction structure, which is expected to strongly affect the non-thermal radiation as well. 3) The clumps trigger violent RT/KH instabilities leading to quick changes of the shocked pulsar-wind region. 4) Clumps generate quick and global variations in the shocked pulsar wind. This can lead to strong short time-scale flux variability in the non-thermal radiation of gamma-ray binaries.
Modeling the atmospheric boundary layer in stably stratified conditions and over complex terrain areas: from mesoscale to LES
(Universitat de Barcelona, 2015-12-10) Udina Sistach, Mireia; Soler i Duffour, M. Rosa; Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
[eng] The atmospheric boundary layer in stably-stratified conditions and over non-homogeneous terrain becomes a complex system with many interactions of physical processes occurring in a wide range of different spatial and temporal scales. During clear sky night-time or in any stably-stratified conditions intermittent turbulent events and gravity waves are usually present in the stable boundary layer (SBL), which can substantially modify the flow structure. In addition, the circulations in stable flows can be strongly driven by the underlying and surrounding topography, generating katabatic winds, density currents and low level jets, which in turn, trigger gravity waves and turbulence. This thesis aims to contribute to a better comprehension of some of the processes and phenomena occurring in the SBL and over complex terrain areas. In order to understand and quantify the unknown atmospheric processes one can distinguish three different procedures that are very well connected: theoretical descriptions, experimental campaigns and numerical modeling. The numerical models allow us to further understand the experimental data, to test the theoretical relationships or to simulate processes which are very difficult to measure. Principally, in this thesis we have used numerical models to deal with the uncertainties that arise in stably-stratified flows and over heterogeneous terrain and to explore the model capabilities and limitations to resolve them. These numerical weather prediction models (NWP) contain the primitive equations of the atmosphere to describe and forecast the flow motions and properties. In this thesis we have employed one of the worldwide known NWP model, the Weather Research and Forecasting (WRF) model, using two different approaches: the mesoscale approximation and the large eddy simulation (LES). While the mesoscale methodology has allowed us to investigate the flow circulation patterns in a wide range of scales, the LES approximation has enabled us to explicitly resolve the turbulence and describe its structure. In this thesis each methodology has been applied to investigate these different purposes. Using the WRF model with the mesoscale approach we have determined the origin of a density current that generated internal gravity waves over the "Centro de Investigaciones de la Baja Atmosfera"(CIBA) site. We have seen that the long distance mesoscale sea-breeze circulation and the night-time katabatic flows originated at the surrounding complex topography were the origin of the density current which generated displacement in the air parcels and periodic oscillations. In this thesis we have also investigated the vertical turbulence structure using the LES approximation of the WRF model. As a previous step, we have first validated the WRF-LES model in the SBL with a reference case by a comparison of the first and second order moments profiles. Using different wind speed initial conditions we reproduce neutrally and stably stratified flows. However, different from the reality, stably stratified flows are strongly coupled with the surface and turbulence is always maintained. We have shown how the turbulence intensity increases sharply with the wind speed at each height above ground but the rate of increase (slope) is not maintained, as we would expect. It seems that the the top domain potential temperature inversion affects the flow turbulence structure over the whole domain. Finally, we have studied topographically generated gravity waves over the Pyrenees and specifically simulated a trapped lee wave event using the mesoscale approximation with WRF. We have seen that the model is able to reproduce the gravity waves at the lee side of the mountain range with periodic oscillations in all magnitudes. We have seen that 1-km horizontal resolution is necessary to capture the wave field. We have also showed that upstream conditions have to be well represented to capture the adequate wave characteristics.
Implementation of a high resolution regional ocean model for investigating air-sea interaction in the Mediterranean Area
(Universitat de Barcelona, 2016-02-01) Shinde, Mahesh; Isern Fontanet, Jordi; Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
[eng] The investigation of climate variability in different timescales such as daily, monthly, seasonal and inter-annual has utmost importance for managing the socio-economic processes on regional to global scale. Indeed, the variation in the climate has a crucial impact on agriculture, water, health, tourism, economy and transportation. Therefore the development of climate forecasting tools is necessary which helps to manage these sectors more efficiently. However, there are limitations on producing accurate climate forecast for more than two weeks in advance due to the chaotic nature of the climate system, especially for the region like the Mediterranean, which is characterized by high interannual variability. Due to its importance and challenging nature, a collective effort is being done to improve the skill of models and climate forecasting in the Mediterranean. The contribution of this thesis is a overall effort, which consists of developing a high resolution model application in the Mediterranean, which can provide reliable estimate of Sea Surface Temperature (SST) and Mixed Layer Depth (MLD). This approach is based on the fact that the atmospheric predictability in seasonal to interannual time scale is significantly dependent on slowly varying lower boundary conditions (e.g. Charney and Shukla 1981) i.e. Mediterranean SSTs. The spatial resolution of model is increased for taking into account the mesoscale processes in the Mediterranean. Since the first internal Rossby radius of deformation in the Mediterranean sea is of the order of 10-15 kms, the spatial resolution of an eddy resolving model should have at least a resolution one half of the Rossby radius. Based on this assumption, the spatial resolution is explored to the order of -5 km (1/16°). The regional ocean modeling system (ROMS) adopted from the Rutgers University is used in the current study. The objective is to validate certain fields (such as SST and MLD) obtained from model simulations and study air-sea interactions. The validation is done by performing two experiments namely, climatological and interannual simulations. The model simulated results are validated with observations as well as intercompared to evaluate the skill of model. The monthly mean SST climatology is obtained from ten years of model run forced with climatological air-sea fluxes is well captured by the model configuration and follows the annual cycle. Model simulated summer SST climatology shows biases of the order of 0.8-1.0 °C with observation (MedAtlas) and 1.0-1.2 °C with other datasets (intercomparison). The vertical structure of temperature climatology is found to be well simulated by model in which upper layer shows a difference of 1.0 °C and it further decreased at intermediate layers. The simulated sea surface height and surface currents is validated with Aviso altimetry data. On the large scales the surface currents generated by model captures general structures of surface circulation. The monthly mean mixed layer depth (MLD) climatology computed from model is validated with observed monthly MLD climatology and found that the winter MLD is overestimated by model. In second experiment, model is forced with six hourly air-sea interaction fluxes from ERA-Interim and interannual simulations are obtained for the period 1998-2007. The monthly mean SST climatology obtained from above interannual simulation follows climatological annual cycle with cold biases in summer season. The weak SSTs (bias of the order of 1.0 to 1.5 °C) are observed in the summer for the period 2002-2007 in the model simulations. The monthly mean SST anomalies are well simulated by model except for the year 2006. The time evolution of monthly mean SST anomalies area averaged over different sub-basins are exhibits interannual variability. The comparison with satellite derived SSTs reveals that our model is able to capture both, the seasonal and inter-annual variability, although it still has a bias of the order of 1 to 1.2 °C. The model is able to reproduce the temperature at subsurface layer having the signatures of existence of intermediate water masses. The monthly mean mixed layer climatology derived from interannual simulations is quite well reproduced by model. In the Gulf of Lions, MLD values are reached upto 1500 meter deep in winter whereas it shows 50 meter in summer season. The time evolution of monthly mean mixed layer climatology derived from the model is able to reproduce annual variability. The interannual variability of monthly mean mixed layer depth is simulated quite well by model for the year 2004-2007. The timeseries of climatological, monthly and daily mixed layer depth which is area averaged over various sub-basins follows seasonal cycle. The high resolution regional model application developed in the current study is thus able to reproduce certain fields. The surface currents and eddy kinetic energy in the model shows small scale structures and strong variability. The model is also capable to generate mesoscale eddies in the western Mediterranean although model overestimated surface fields.
Caracterització de la contaminació lumínica en zones protegides i urbanes
(Universitat de Barcelona, 2016-01-27) Ribas, Salvador J., 1978-; Torra Roca, Jorge; Figueras Siñol, Francesca; Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
[cat] Aquesta tesi doctoral se centra en l'estudi de la contaminació lumínica tant en zones urbanes com en zones protegides de Catalunya. S'entén per contaminació lumínica qualsevol efecte advers produït per la llum artificial com pot ser l'emissió de llum cap al cel, l'enlluernament o també l'ús d'enllumenat en indrets, horaris o amb tipus de llum inadequats. Si bé la contaminació lumínica sempre s'ha relacionat amb l'observació del cel i amb l'astronomia, no és només en aquest àmbit que es detecten els seus efectes sinó que es troben cada cop més habitualment estudis que mostren els seus efectes en el medi ambient, en la salut humana o com no en el consum energètic d'un territori. Una de les formes d'avaluar i caracteritzar la contaminació lumínica és la mesura de la brillantor de fons de cel, que es pot realitzar amb diverses tècniques i dispositius, des dels sistemes clàssics basats amb telescopi i càmeres CCD fins als dispositius dissenyats específicament com els Sky Quality Meters o els dispositius ull de peix. La gran diversitat d'aparells existents fa que un dels focus d'aquesta tesi siguin els treballs de comparació i calibració d'instruments que permeten millorar la seva precisió i posar-los en disposició per la constitució de xarxes de mesura contínua. La mesura de la brillantor de fons de cel és pot enfocar de dos punts de vista, per una banda les mesures extensives al llarg d'un territori i per l'altra banda les mesures contínues en emplaçaments permanents en mode de xarxa. En aquest treball s'han utilitzat ambdós punts de vista amb els objectius d'elaborar el mapa de contaminació lumínica de Catalunya i avaluar els canvis temporals de la brillantor de fons de cel. Els mapes de contaminació lumínica són una eina per conèixer l'estat del cel en un territori. Per tal de construir-los ha calgut la realització de mesures recorrent el territori a estudiar, així com definir mètodes de filtratge i selecció de les dades que han conduit a una metodologia completa per l'elaboració d'aquests mapes a partir de mesures de fons de cel realitzades amb dispositius Sky Quality Meter. L'anàlisi de les zones estudiades ha permès constatar l'alta qualitat del cel de la zona Starlight de la serra del Montsec amb els valors característics del cel natural. Així també s'ha pogut avaluar els efectes que genera una ciutat com Lleida que incideixen en la brillantor de cel en el zenit fins més enllà de 20 quilòmetres de la localitat. Un element clau d’aquest treball ha estat el disseny i posada en marxa de la Xarxa de Contaminació Lumínica de Catalunya (XCLCat) amb aparells permanents que permeten de forma continua analitzar la brillantor del fons de cel. Amb les dades recollides durant més d’un any des de la posada en marxa de les primeres estacions s’ha pogut avaluar com en les zones urbanes la brillantor del cel és tan elevada que en alguns moments de l’any ni tan sols es detecta el cicle lunar. Per altra banda en zones protegides amb cels excel.lents s’ha pogut avaluar l’efecte de la Via Làctia en travessar el zenit incrementant la brillantor del fons de cel en gairebé mitja magnitud. Aquestes sèries temporals obren la porta a estudis combinats amb paràmetres ambientals com poden ser els núvols; hem determinat per primera vegada de forma quantitativa com la seva presència en espais protegits fa que el cel sigui encara més fosc contràriament al que succeeix en zones urbanes on els núvols poden fer augmentar la brillantor de fons de cel en fins a dues magnituds. La obtenció contínua de dades permetrà completar aquests estudis amb altres variables ambientals i permetrà avaluar canvis en la qualitat de cel amb el pas dels anys.
Subsynoptic characterization of tropopause fold structure with glogal data anlyses and mesoscale WRF simulations
(Universitat de Barcelona, 2016-02-05) Mateu i Santaeulària, Mireia; Redaño, Àngel; Codina, Bernat; Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
[eng] In this work, a subsynoptic characterization of tropopause fold structures is derived from one-year of global, high resolution GFS (Global Forecasting System, 0.3 degrees) data analyses and 10 years of daily WRF (Weather Reasearch and Forecasting) mesoscale simulations at 30 km resolution initialized with the Japanese 25-year Re-Analysis (JRA-25, 1.125 degrees). The dynamical tropopause, defined as a constant potential vorticity surface (2 PVU), is an important meteorological concept that under adiabatic and frictionless conditions acts as a material barrier between the troposphere and the stratosphere. Deformations of this layer such as foldings have a relevant influence on midlatitude weather systems and are a major mechanism of extratropical stratosphere-troposphere exchange. In the vicinity of these stratospheric intrusions, large vertical and horizontal gradients of Potential Vorticity (PV) are found, so that high resolution data is required for a direct characterization of these structures. Based on a geometric definition of tropopause folds, a novel objective algorithm has been developed and applied over the 6-hour meteorological fields to unambiguously detect the presence of a folded dynamical tropopause. The methodology applied requires no assumptions on the dynamical origin of the folding, and it registers the main geometric features of each individual folded grid structure such as its horizontal dimensions, depth of penetration, thickness or the gap relative to the upper tropopause. The application of the fold detection algorithm has served to characterize the geographical distribution of folding features on a global basis using one year of GFS data, and on a regional basis using a more robust 10-year WRF climatology over Southwest Europe. The analysis corroborates the differences between subtropics and extratropics in tropopause fold characteristics and formation, and serves to identify the main synoptic upper-level scenarios that drive the intensification of these structures. The geographical distribution and annual variability of stratospheric intrusions detected with the GFS analyses are in line with existing climatologies, supporting the competence of the fold searching algorithm, but providing a more detailed portrait through the higher resolution of the GFS data. The 10-year WRF tropopause fold climatology shows a general good agreement with the one-year GFS observations, although WRF tropopause fold frequencies appear to be lower on average. This can be partly attributed to interannual variability, and partly to underestimation of the total folded area simulated by WRF relative to that observed by GFS, as revealed in individual tropopause fold case studies. Additionally, a product that uses a combination of geometric tropopause fold parameters has been generated (Stratosphere-Troposphere Transport Folding Index, STTFI) to estimate the regions of the globe where the largest amounts of stratospheric air are most likely to be irreversibly transferred into the troposphere due to deep tropopause fold intrusions. Despite its simplicity, the STTFI reproduces the most important features captured in existing Stratosphere-Troposphere Transport (SST) climatologies based on Lagrangian trajectory techniques. Finally, a detailed evaluation on the WRF model ability to simulate tropopause folds has been performed over an entire year (December 2007 - November 2008), with an eye at establishing the role of resolution enhancements at improving their simulation. Qualitative and quantitative comparisons between WRF results and both the initial JRA data and the GFS analyses have been performed over tropopause fold frequencies and individual tropopause fold events. The comparison demonstrates that the WRF forcing is in general able to forecast the main mesoscale features of the tropopause folds, significantly improving their representation with respect to the JRA coarse description of the initial state, particularly at midlatitudes. However, it has been observed that a poor definition of the initial conditions can be an important obstacle in tropopause fold performance, particularly under certain circumstances (e.g. rapidly traveling perturbations entering the domain) in some specific areas (e.g. close to the border of the simulation domain).
Improvement of seasonal forecasting techniques applied to water resources and forest fires
(Universitat de Barcelona, 2016-02-09) Marcos Matamoros, Raül; Llasat Botija, María del Carmen; Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
[eng] This thesis studies the benefits of different calibration approaches on seasonal forecasting and the improvement of seasonal prognosis of water resources and forest fires. Droughts and wildfires are an inherent problem to the Mediterranean and are likely to worsen if climate change continues. Both hazards are a source of important economic costs, environmental damage and, in the case of wildfires, even life losses. These impacts have encouraged policy- and decision-makers to reduce vulnerability by placing great efforts in the development of mitigation and adaptation strategies. Seasonal forecasting could help with this task by foretelling the behaviour of water resources and wildfire with months in advance. Furthermore, it has the capacity to provide operational frameworks that can work both in present and future climate conditions.However, seasonal predictability in extra-tropical latitudes is usually considered rather limited and, consequently, seasonal forecasts are seldom used in decision-making. There are studies, though, suggesting that calibration methods could help improving current model's output. Thus, the existing gap between end-user goals and theoretical research needs more work to demonstrate the utility of seasonal forecasts. To achieve this objective this study has been divided in three sub-objectives: skill assessment, seasonal forecast of water resources and seasonal forecast of forest fires.The skill assessment comprises an evaluation of the skill of the raw ECMWF System-4 output in Europe, Spain, Catalonia and the Muga river basin; and the study of the impact on the ECMWF System- 4 performance of the MOS-analog and linear regression calibrations in comparison to mean bias correction. As for the seasonal forecast of water resources the application began with the modelling of the Boadella reservoir in-flow, out-flow and volume anomalies through a Multiple Linear Regression (MLR) procedure. Afterwards, the seasonal predictability of the Boadella predictands has been evaluated through several seasonal forecast approaches. Finally, regarding the seasonal forecast of wildfires the first step has been to model summer (JJAS) burned area in Catalonia through a MLR with antecedent and current year drought conditions. Subsequently, the MLR performance has been tested under different seasonal forecast configurations.Among the results obtained it has been found that most of the skill of the ECMWF System-4 is focused in the first lead. At this horizon deterministic forecasts improve climatology and persistence in the majority of months and for all the variables considered. The probabilistic assessment, on the other hand, showed this skill was mainly centred in the winter months. Also, the added value of calibration post-processing techniques has been checked. These techniques always ameliorate the skill of the original model output by correcting first order biases. Nevertheless, the MOS-analog outcome has also hinted the possibility to go beyond these results if the analog pool was sufficiently increased.In reference to the reservoir's applications the perfect prognosis approach revealed that in-flow, volume and out-flow anomalies can be modelled through multiple linear regression (MLR). In all three cases summer months showed enhanced predictability way beyond the first lead, a significant result for water managers. Moreover, the results proved that volume anomaly seasonal forecasts could begin the operational switch from customary climatology to another forecast strategy based on MLR models. This is also true for some months in theoutflow’s modelling. For the in-flow case, though, there is still further research needed before reaching that sate. Finally, regarding forest fires, exploiting the relationship between summer burned area and preceding drought conditions can lead to MLR models that provide a seasonal estimate of the expected above/below-normal summer fire burned area in Mediterranean-type regions.
Calibration and combination of seasonal climate predictions in tropical and extratropical regionals
(Universitat de Barcelona, 2016-01-29) Lage Rodrigues, Luis Ricardo; Doblas Reyes, Francisco Javier; Santos Coelho, Caio Augusto; Bladé, Ileana; Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
[eng] Current technology allows the proliferation of multiple forecast systems developed by different research institutions from all over the world. However, most decision makers need a reliable probabilistic prediction instead of a set of predictions to take an action given the probability of an event to occur. Several studies have shown that the merging of predictions derived from several forecast systems with equal weights yields on average better predictions than the best single forecast system. This approach has been referred to as the simple multimodel (SMM). Nevertheless, none of these studies has shown the existence of a combination method that systematically produces the best predictions. Therefore, this thesis aims at applying different statistical techniques to combine predictions derived from different statistical and dynamical forecast systems to assess whether the performance of the SMM can be improved. These techniques combine the predictions assigning unequal weights to the different forecast systems based on their past performance. A unique feature of this study is the broad nature of the forecast quality assessment, performed using multiple deterministic and probabilistic verification measures and the same verifying observations. This allows comparing the predictions produced by the different combination methods and forecast systems in a coherent way. Besides, most of the forecast systems used in this study are either publicly available or could be easily implemented by the user. This thesis focuses on seasonal prediction of sea surface temperature (SST), near-surface temperature and precipitation in tropical and extratropical regions. It is shown that the predictions of the SMM are often better than the combination methods that assign unequal weights. The difficulty in the robust estimation of the weights due to the small samples available is one of the reasons that limit the potential benefit of the combination methods that assign unequal weights. However, some of the results illustrate under which conditions combination methods that assign unequal weights improve with respect to the SMM predictions. For instance, the combination methods that assign unequal weights improve over the SMM predictions when only a fraction of all single forecast systems have skill as shown for some of the predictions of SST. On the other hand, it is shown that there are cases when combining many forecast systems does not lead to improved forecasts when compared to the best single forecast system. This suggests that a multimodel approach is not necessarily better than a highly skillful forecast system, which highlights the importance of continuously assessing the forecast quality for the specific application of the user.
Analytic derivation of non-linear dark matter clustering from the filtering of the primordial density field
(Universitat de Barcelona, 2016-02-05) Juan Rovira, Enric; Salvador Solé, Eduard; Manrique Oliva, Alberto; Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
[eng] In this Thesis, we show how the properties of dark matter halos can be directly derived from the proper filtering of the primordial density field through the use of the CUSP formalism (ConflUent System of Peak trajectories). Although the CUSP formalism was first proposed in 1995, it was still incomplete. In the present Thesis we give a general overview of the formalism, explaining its theoretical grounds and how it can be used to derive the typical properties of relaxed dark matter halos. We prove the existence of a one-to-one correspondence between halos and peaks despite the ellipsoidal collapse of peaks and we also show that halos formed through major mergers and accretion have the same properties, dependent on the properties of the respective progenitor peaks at the largest scale. We also apply the CUSP formalism to study the growth of halos, showing that they grow inside-out. We also derive practical analytical expressions for the mass-concentration-shape NFW and Einasto relations over the whole mass and redshift range. Finally, we have applied the CUSP formalism to study the halo mass and multiplicity functions, and their dependence on the exact mass definition used. We have shown that the FoF(0.2) halo finding algorithm is equivalent to the spherical virial overdensity one, which explains the privileged linking length equal to 0.2; we have shown why the virial radii of halos are close to the top-hat radii described by the spherical collapse model, and why the halo mass function is so close to the Press-Shechter form and, lastly, we have explained why the halo multiplicity function is closely universal in the two equivalent cases mentioned before.

Examinar

Enviaments recents