Real-time determination of airspace wind speed field based on FDR = Determinación en tiempo real del campo de velocidad del viento basado en registradores de datos de vuelo

El estudio del comportamiento de la atmósfera ha resultado de especial importancia tanto en el programa SESAR como en NextGen, en los que la gestión actual del tránsito aéreo (ATM) está experimentando una profunda transformación hacia nuevos paradigmas tanto en Europa como en los EE.UU., respectivamente, para el guiado y seguimiento de las aeronaves en la realización de rutas más eficientes y con mayor precisión. La incertidumbre es una característica fundamental de los fenómenos meteorológicos que se transfiere a la separación de las aeronaves, las trayectorias de vuelo libres de conflictos y a la planificación de vuelos. En este sentido, el viento es un factor clave en cuanto a la predicción de la futura posición de la aeronave, por lo que tener un conocimiento más profundo y preciso de campo de viento reducirá las incertidumbres del ATC. El objetivo de esta tesis es el desarrollo de una nueva técnica operativa y útil destinada a proporcionar de forma adecuada y directa el campo de viento atmosférico en tiempo real, basada en datos de a bordo de la aeronave, con el fin de mejorar la predicción de las trayectorias de las aeronaves. Para lograr este objetivo se ha realizado el siguiente trabajo. Se han descrito y analizado los diferentes sistemas de la aeronave que proporcionan las variables necesarias para obtener la velocidad del viento, así como de las capacidades que permiten la presentación de esta información para sus aplicaciones en la gestión del tráfico aéreo. Se ha explorado el uso de aeronaves como los sensores de viento en un área terminal para la estimación del viento en tiempo real con el fin de mejorar la predicción de las trayectorias de aeronaves. Se han desarrollado métodos computacionalmente eficientes para estimar las componentes horizontales de la velocidad del viento a partir de las velocidades de las aeronaves (VGS, VCAS/VTAS), la presión y datos de temperatura. Estos datos de viento se han utilizado para estimar el campo de viento en tiempo real utilizando un sistema de procesamiento de datos a través de un método de mínima varianza. Por último, se ha evaluado la exactitud de este procedimiento para que esta información sea útil para el control del tráfico aéreo. La información inicial proviene de una muestra de datos de Registradores de Datos de Vuelo (FDR) de aviones que aterrizaron en el aeropuerto Madrid-Barajas. Se dispuso de datos de ciertas aeronaves durante un periodo de más de tres meses que se emplearon para calcular el vector viento en cada punto del espacio aéreo. Se utilizó un modelo matemático basado en diferentes métodos de interpolación para obtener los vectores de viento en áreas sin datos disponibles. Se han utilizado tres escenarios concretos para validar dos métodos de interpolación: uno de dos dimensiones que trabaja con ambas componentes horizontales de forma independiente, y otro basado en el uso de una variable compleja que relaciona ambas componentes. Esos métodos se han probado en diferentes escenarios con resultados dispares. Esta metodología se ha aplicado en un prototipo de herramienta en MATLAB © para analizar automáticamente los datos de FDR y determinar el campo vectorial del viento que encuentra la aeronave al volar en el espacio aéreo en estudio. Finalmente se han obtenido las condiciones requeridas y la precisión de los resultados para este modelo. El método desarrollado podría utilizar los datos de los aviones comerciales como inputs utilizando los datos actualmente disponibles y la capacidad computacional, para proporcionárselos a los sistemas ATM donde se podría ejecutar el método propuesto. Estas velocidades del viento calculadas, o bien la velocidad respecto al suelo y la velocidad verdadera, se podrían difundir, por ejemplo, a través del sistema de direccionamiento e informe para comunicaciones de aeronaves (ACARS), mensajes de ADS-B o Modo S. Esta nueva fuente ayudaría a actualizar la información del viento suministrada en los productos aeronáuticos meteorológicos (PAM), informes meteorológicos de aeródromos (AIRMET), e información meteorológica significativa (SIGMET). ABSTRACT The study of the atmosphere behaviour is been of particular importance both in SESAR and NextGen programs, where the current air traffic management (ATM) system is undergoing a profound transformation to the new paradigms both in Europe and the USA, respectively, to guide and track aircraft more precisely on more efficient routes. Uncertainty is a fundamental characteristic of weather phenomena which is transferred to separation assurance, flight path de-confliction and flight planning applications. In this respect, the wind is a key factor regarding the prediction of the future position of the aircraft, so that having a deeper and accurate knowledge of wind field will reduce ATC uncertainties. The purpose of this thesis is to develop a new and operationally useful technique intended to provide adequate and direct real-time atmospheric winds fields based on on-board aircraft data, in order to improve aircraft trajectory prediction. In order to achieve this objective the following work has been accomplished. The different sources in the aircraft systems that provide the variables needed to derivate the wind velocity have been described and analysed, as well as the capabilities which allow presenting this information for air traffic management applications. The use of aircraft as wind sensors in a terminal area for real-time wind estimation in order to improve aircraft trajectory prediction has been explored. Computationally efficient methods have been developed to estimate horizontal wind components from aircraft velocities (VGS, VCAS/VTAS), pressure, and temperature data. These wind data were utilized to estimate a real-time wind field using a data processing approach through a minimum variance method. Finally, the accuracy of this procedure has been evaluated for this information to be useful to air traffic control. The initial information comes from a Flight Data Recorder (FDR) sample of aircraft landing in Madrid-Barajas Airport. Data available for more than three months were exploited in order to derive the wind vector field in each point of the airspace. Mathematical model based on different interpolation methods were used in order to obtain wind vectors in void areas. Three particular scenarios were employed to test two interpolation methods: a two-dimensional one that works with both horizontal components in an independent way, and also a complex variable formulation that links both components. Those methods were tested using various scenarios with dissimilar results. This methodology has been implemented in a prototype tool in MATLAB © in order to automatically analyse FDR and determine the wind vector field that aircraft encounter when flying in the studied airspace. Required conditions and accuracy of the results were derived for this model. The method developed could be fed by commercial aircraft utilizing their currently available data sources and computational capabilities, and providing them to ATM system where the proposed method could be run. Computed wind velocities, or ground and true airspeeds, would then be broadcasted, for example, via the Aircraft Communication Addressing and Reporting System (ACARS), ADS-B out messages, or Mode S. This new source would help updating the wind information furnished in meteorological aeronautical products (PAM), meteorological aerodrome reports (AIRMET), and significant meteorological information (SIGMET).

Wireless communication enhancement methods for mobile robots in radiation environments

En entornos hostiles tales como aquellas instalaciones científicas donde la radiación ionizante es el principal peligro, el hecho de reducir las intervenciones humanas mediante el incremento de las operaciones robotizadas está siendo cada vez más de especial interés. CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, tiene alrededor de unos 50 km de superficie subterránea donde robots móviles controlador de forma remota podrían ayudar en su funcionamiento, por ejemplo, a la hora de llevar a cabo inspecciones remotas sobre radiación en los diferentes áreas destinados al efecto. No solo es preciso considerar que los robots deben ser capaces de recorrer largas distancias y operar durante largos periodos de tiempo, sino que deben saber desenvolverse en los correspondientes túneles subterráneos, tener en cuenta la presencia de campos electromagnéticos, radiación ionizante, etc. y finalmente, el hecho de que los robots no deben interrumpir el funcionamiento de los aceleradores. El hecho de disponer de un sistema de comunicaciones inalámbrico fiable y robusto es esencial para la correcta ejecución de las misiones que los robots deben afrontar y por supuesto, para evitar tales situaciones en las que es necesario la recuperación manual de los robots al agotarse su energía o al perder el enlace de comunicaciones. El objetivo de esta Tesis es proveer de las directrices y los medios necesarios para reducir el riesgo de fallo en la misión y maximizar las capacidades de los robots móviles inalámbricos los cuales disponen de almacenamiento finito de energía al trabajar en entornos peligrosos donde no se dispone de línea de vista directa. Para ello se proponen y muestran diferentes estrategias y métodos de comunicación inalámbrica. Teniendo esto en cuenta, se presentan a continuación los objetivos de investigación a seguir a lo largo de la Tesis: predecir la cobertura de comunicaciones antes y durante las misiones robotizadas; optimizar la capacidad de red inalámbrica de los robots móviles con respecto a su posición; y mejorar el rango operacional de esta clase de robots. Por su parte, las contribuciones a la Tesis se citan más abajo. El primer conjunto de contribuciones son métodos novedosos para predecir el consumo de energía y la autonomía en la comunicación antes y después de disponer de los robots en el entorno seleccionado. Esto es importante para proporcionar conciencia de la situación del robot y evitar fallos en la misión. El consumo de energía se predice usando una estrategia propuesta la cual usa modelos de consumo provenientes de diferentes componentes en un robot. La predicción para la cobertura de comunicaciones se desarrolla usando un nuevo filtro de RSS (Radio Signal Strength) y técnicas de estimación con la ayuda de Filtros de Kalman. El segundo conjunto de contribuciones son métodos para optimizar el rango de comunicaciones usando novedosas técnicas basadas en muestreo espacial que son robustas frente a ruidos de campos de detección y radio y que proporcionan redundancia. Se emplean métodos de diferencia central finitos para determinar los gradientes 2D RSS y se usa la movilidad del robot para optimizar el rango de comunicaciones y la capacidad de red. Este método también se valida con un caso de estudio centrado en la teleoperación háptica de robots móviles inalámbricos. La tercera contribución es un algoritmo robusto y estocástico descentralizado para la optimización de la posición al considerar múltiples robots autónomos usados principalmente para extender el rango de comunicaciones desde la estación de control al robot que está desarrollando la tarea. Todos los métodos y algoritmos propuestos se verifican y validan usando simulaciones y experimentos de campo con variedad de robots móviles disponibles en CERN. En resumen, esta Tesis ofrece métodos novedosos y demuestra su uso para: predecir RSS; optimizar la posición del robot; extender el rango de las comunicaciones inalámbricas; y mejorar las capacidades de red de los robots móviles inalámbricos para su uso en aplicaciones dentro de entornos peligrosos, que como ya se mencionó anteriormente, se destacan las instalaciones científicas con emisión de radiación ionizante. En otros términos, se ha desarrollado un conjunto de herramientas para mejorar, facilitar y hacer más seguras las misiones de los robots en entornos hostiles. Esta Tesis demuestra tanto en teoría como en práctica que los robots móviles pueden mejorar la calidad de las comunicaciones inalámbricas mediante la profundización en el estudio de su movilidad para optimizar dinámicamente sus posiciones y mantener conectividad incluso cuando no existe línea de vista. Los métodos desarrollados en la Tesis son especialmente adecuados para su fácil integración en robots móviles y pueden ser aplicados directamente en la capa de aplicación de la red inalámbrica. ABSTRACT In hostile environments such as in scientific facilities where ionising radiation is a dominant hazard, reducing human interventions by increasing robotic operations are desirable. CERN, the European Organization for Nuclear Research, has around 50 km of underground scientific facilities, where wireless mobile robots could help in the operation of the accelerator complex, e.g. in conducting remote inspections and radiation surveys in different areas. The main challenges to be considered here are not only that the robots should be able to go over long distances and operate for relatively long periods, but also the underground tunnel environment, the possible presence of electromagnetic fields, radiation effects, and the fact that the robots shall in no way interrupt the operation of the accelerators. Having a reliable and robust wireless communication system is essential for successful execution of such robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy or when the robot loses its communication link. The goal of this thesis is to provide means to reduce risk of mission failure and maximise mission capabilities of wireless mobile robots with finite energy storage capacity working in a radiation environment with non-line-of-sight (NLOS) communications by employing enhanced wireless communication methods. Towards this goal, the following research objectives are addressed in this thesis: predict the communication range before and during robotic missions; optimise and enhance wireless communication qualities of mobile robots by using robot mobility and employing multi-robot network. This thesis provides introductory information on the infrastructures where mobile robots will need to operate, the tasks to be carried out by mobile robots and the problems encountered in these environments. The reporting of research work carried out to improve wireless communication comprises an introduction to the relevant radio signal propagation theory and technology followed by explanation of the research in the following stages: An analysis of the wireless communication requirements for mobile robot for different tasks in a selection of CERN facilities; predictions of energy and communication autonomies (in terms of distance and time) to reduce risk of energy and communication related failures during missions; autonomous navigation of a mobile robot to find zone(s) of maximum radio signal strength to improve communication coverage area; and autonomous navigation of one or more mobile robots acting as mobile wireless relay (repeater) points in order to provide a tethered wireless connection to a teleoperated mobile robot carrying out inspection or radiation monitoring activities in a challenging radio environment. The specific contributions of this thesis are outlined below. The first sets of contributions are novel methods for predicting the energy autonomy and communication range(s) before and after deployment of the mobile robots in the intended environments. This is important in order to provide situational awareness and avoid mission failures. The energy consumption is predicted by using power consumption models of different components in a mobile robot. This energy prediction model will pave the way for choosing energy-efficient wireless communication strategies. The communication range prediction is performed using radio signal propagation models and applies radio signal strength (RSS) filtering and estimation techniques with the help of Kalman filters and Gaussian process models. The second set of contributions are methods to optimise the wireless communication qualities by using novel spatial sampling based techniques that are robust to sensing and radio field noises and provide redundancy features. Central finite difference (CFD) methods are employed to determine the 2-D RSS gradients and use robot mobility to optimise the communication quality and the network throughput. This method is also validated with a case study application involving superior haptic teleoperation of wireless mobile robots where an operator from a remote location can smoothly navigate a mobile robot in an environment with low-wireless signals. The third contribution is a robust stochastic position optimisation algorithm for multiple autonomous relay robots which are used for wireless tethering of radio signals and thereby to enhance the wireless communication qualities. All the proposed methods and algorithms are verified and validated using simulations and field experiments with a variety of mobile robots available at CERN. In summary, this thesis offers novel methods and demonstrates their use to predict energy autonomy and wireless communication range, optimise robots position to improve communication quality and enhance communication range and wireless network qualities of mobile robots for use in applications in hostile environmental characteristics such as scientific facilities emitting ionising radiations. In simpler terms, a set of tools are developed in this thesis for improving, easing and making safer robotic missions in hostile environments. This thesis validates both in theory and experiments that mobile robots can improve wireless communication quality by exploiting robots mobility to dynamically optimise their positions and maintain connectivity even when the (radio signal) environment possess non-line-of-sight characteristics. The methods developed in this thesis are well-suited for easier integration in mobile robots and can be applied directly at the application layer of the wireless network. The results of the proposed methods have outperformed other comparable state-of-the-art methods.

Towards cost reduction in concentrating solar power: innovative design for an efficient fresnel based solar field

Energía termosolar (de concentración) es uno de los nombres que hacen referencia en español al término inglés “concentrating solar power”. Se trata de una tecnología basada en la captura de la potencia térmica de la radiación solar, de forma que permita alcanzar temperaturas capaces de alimentar un ciclo termodinámico convencional (o avanzado); el futuro de esta tecnología depende principalmente de su capacidad para concentrar la radiación solar de manera eficiente y económica. La presente tesis está orientada hacia la resolución de ciertos problemas importantes relacionados con este objetivo. La mencionada necesidad de reducir costes en la concentración de radiación solar directa, asegurando el objetivo termodinámico de calentar un fluido hasta una determinada temperatura, es de vital importancia. Los colectores lineales Fresnel han sido identificados en la literatura científica como una tecnología con gran potencial para alcanzar esta reducción de costes. Dicha tecnología ha sido seleccionada por numerosas razones, entre las que destacan su gran libertad de diseño y su actual estado inmaduro. Con el objetivo de responder a este desafío se desarrollado un detallado estudio de las propiedades ópticas de los colectores lineales Fresnel, para lo cual se han utilizado métodos analíticos y numéricos de manera combinada. En primer lugar, se han usado unos modelos para la predicción de la localización y la irradiación normal directa del sol junto a unas relaciones analíticas desarrolladas para estudiar el efecto de múltiples variables de diseño en la energía incidente sobre los espejos. Del mismo modo, se han obtenido analíticamente los errores debidos al llamado “off-axis aberration”, a la apertura de los rayos reflejados en los espejos y a las sombras y bloqueos entre espejos. Esto ha permitido la comparación de diferentes formas de espejo –planos, circulares o parabólicos–, así como el diseño preliminar de la localización y anchura de los espejos y receptor sin necesidad de costosos métodos numéricos. En segundo lugar, se ha desarrollado un modelo de trazado de rayos de Monte Carlo con el objetivo de comprobar la validez del estudio analítico, pero sobre todo porque este no es preciso en el estudio de la reflexión en espejos. El código desarrollado está específicamente ideado para colectores lineales Fresnel, lo que ha permitido la reducción del tiempo de cálculo en varios órdenes de magnitud en comparación con un programa comercial más general. Esto justifica el desarrollo de un nuevo código en lugar de la compra de una licencia de otro programa. El modelo ha sido usado primeramente para comparar la intensidad de flujo térmico y rendimiento de colectores Fresnel, con y sin reflector secundario, con los colectores cilíndrico parabólicos. Finalmente, la conjunción de los resultados obtenidos en el estudio analítico con el programa numérico ha sido usada para optimizar el campo solar para diferentes orientaciones –Norte-Sur y Este-Oeste–, diferentes localizaciones –Almería y Aswan–, diferentes inclinaciones hacia el Trópico –desde 0 deg hasta 32 deg– y diferentes mínimos de intensidad del flujo en el centro del receptor –10 kW/m2 y 25 kW/m2–. La presente tesis ha conducido a importantes descubrimientos que deben ser considerados a la hora de diseñar un campo solar Fresnel. En primer lugar, los espejos utilizados no deben ser plano, sino cilíndricos o parabólicos, ya que los espejos curvos implican mayores concentraciones y rendimiento. Por otro lado, se ha llegado a la conclusión de que la orientación Este-Oeste es más propicia para localizaciones con altas latitudes, como Almería, mientras que en zonas más cercanas a los trópicos como Aswan los campos Norte-Sur conducen a mayores rendimientos. Es de destacar que la orientación Este-Oeste requiere aproximadamente la mitad de espejos que los campos Norte-Sur, puediendo estar inclinados hacia los Trópicos para mejorar el rendimiento, y que alcanzan parecidos valores de intensidad térmica en el receptor todos los días a mediodía. Sin embargo, los campos con orientación Norte-Sur permiten un flujo más constante a lo largo de un día. Por último, ha sido demostrado que el uso de diseños pre-optimizados analíticamente, con anchura de espejos y espaciado entre espejos variables a lo ancho del campo, pueden implicar aumentos de la energía generada por metro cuadrado de espejos de hasta el 6%. El rendimiento óptico anual de los colectores cilíndrico parabólicos es 23 % mayor que el rendimiento de los campos Fresnel en Almería, mientras que la diferencia es de solo 9 % en Aswan. Ello implica que, para alcanzar el mismo precio de electricidad que la tecnología de referencia, la reducción de costes de instalación por metro cuadrado de espejo debe estar entre el 10 % y el 25 %, y que los colectores lineales Fresnel tienen más posibilidades de ser desarrollados en zonas de bajas latitudes. Como consecuencia de los estudios desarrollados en esta tesis se ha patentado un sistema de almacenamiento que tiene en cuenta la variación del flujo térmico en el receptor a lo largo del día, especialmente para campos con orientación Este-Oeste. Este invento permitiría el aprovechamiento de la energía incidente durante más parte del año, aumentando de manera apreciable los rendimientos óptico y térmico. Abstract Concentrating solar power is the common name of a technology based on capturing the thermal power of solar radiation, in a suitable way to reach temperatures able to activate a conventional (or advanced) thermodynamic cycle to generate electricity; this quest mainly depends on our ability to concentrate solar radiation in a cheap and efficient way. The present thesis is focused to highlight and help solving some of the important issues related to this problem. The need of reducing costs in concentrating the direct solar radiation, but without jeopardizing the thermodynamic objective of heating a fluid up to the required temperature, is of prime importance. Linear Fresnel collectors have been identified in the scientific literature as a technology with high potential to reach this cost reduction. This technology has been selected because of a number of reasons, particularly the degrees of freedom of this type of concentrating configuration and its current immature state. In order to respond to this challenge, a very detailed exercise has been carried out on the optical properties of linear Fresnel collectors. This has been done combining analytic and numerical methods. First, the effect of the design variables on the ratio of energy impinging onto the reflecting surface has been studied using analytically developed equations, together with models that predict the location and direct normal irradiance of the sun at any moment. Similarly, errors due to off-axis aberration, to the aperture of the reflected energy beam and to shading and blocking effects have been obtained analytically. This has allowed the comparison of different shapes of mirrors –flat, cylindrical or parabolic–, as well as a preliminary optimization of the location and width of mirrors and receiver with no need of time-consuming numerical models. Second, in order to prove the validity of the analytic results, but also due to the fact that the study of the reflection process is not precise enough when using analytic equations, a Monte Carlo Ray Trace model has been developed. The developed code is designed specifically for linear Fresnel collectors, which has reduced the computing time by several orders of magnitude compared to a wider commercial software. This justifies the development of the new code. The model has been first used to compare radiation flux intensities and efficiencies of linear Fresnel collectors, both multitube receiver and secondary reflector receiver technologies, with parabolic trough collectors. Finally, the results obtained in the analytic study together with the numeric model have used in order to optimize the solar field for different orientations –North-South and East-West–, different locations –Almería and Aswan–, different tilts of the field towards the Tropic –from 0 deg to 32 deg– and different flux intensity minimum requirements –10 kW/m2 and 25 kW/m2. This thesis work has led to several important findings that should be considered in the design of Fresnel solar fields. First, flat mirrors should not be used in any case, as cylindrical and parabolic mirrors lead to higher flux intensities and efficiencies. Second, it has been concluded that, in locations relatively far from the Tropics such as Almería, East-West embodiments are more efficient, while in Aswan North- South orientation leads to a higher annual efficiency. It must be noted that East-West oriented solar fields require approximately half the number of mirrors than NS oriented fields, can be tilted towards the Equator in order to increase the efficiency and attain similar values of flux intensity at the receiver every day at midday. On the other hand, in NS embodiments the flux intensity is more even during each single day. Finally, it has been proved that the use of analytic designs with variable shift between mirrors and variable width of mirrors across the field can lead to improvements in the electricity generated per reflecting surface square meter up to 6%. The annual optical efficiency of parabolic troughs has been found to be 23% higher than the efficiency of Fresnel fields in Almería, but it is only around 9% higher in Aswan. This implies that, in order to attain the same levelized cost of electricity than parabolic troughs, the required reduction of installation costs per mirror square meter is in the range of 10-25%. Also, it is concluded that linear Fresnel collectors are more suitable for low latitude areas. As a consequence of the studies carried out in this thesis, an innovative storage system has been patented. This system takes into account the variation of the flux intensity along the day, especially for East-West oriented solar fields. As a result, the invention would allow to exploit the impinging radiation along longer time every day, increasing appreciably the optical and thermal efficiencies.

Time-multiscale methods for the simulation of slow transport problems in atomistic systems

En esta tesis presentamos una teoría adaptada a la simulación de fenómenos lentos de transporte en sistemas atomísticos. En primer lugar, desarrollamos el marco teórico para modelizar colectividades estadísticas de equilibrio. A continuación, lo adaptamos para construir modelos de colectividades estadísticas fuera de equilibrio. Esta teoría reposa sobre los principios de la mecánica estadística, en particular el principio de máxima entropía de Jaynes, utilizado tanto para sistemas en equilibrio como fuera de equilibrio, y la teoría de las aproximaciones del campo medio. Expresamos matemáticamente el problema como un principio variacional en el que maximizamos una entropía libre, en lugar de una energía libre. La formulación propuesta permite definir equivalentes atomísticos de variables macroscópicas como la temperatura y la fracción molar. De esta forma podemos considerar campos macroscópicos no uniformes. Completamos el marco teórico con reglas de cuadratura de Monte Carlo, gracias a las cuales obtenemos modelos computables. A continuación, desarrollamos el conjunto completo de ecuaciones que gobiernan procesos de transporte. Deducimos la desigualdad de disipación entrópica a partir de fuerzas y flujos termodinámicos discretos. Esta desigualdad nos permite identificar la estructura que deben cumplir los potenciales cinéticos discretos. Dichos potenciales acoplan las tasas de variación en el tiempo de las variables microscópicas con las fuerzas correspondientes. Estos potenciales cinéticos deben ser completados con una relación fenomenológica, del tipo definido por la teoría de Onsanger. Por último, aportamos validaciones numéricas. Con ellas ilustramos la capacidad de la teoría presentada para simular propiedades de equilibrio y segregación superficial en aleaciones metálicas. Primero, simulamos propiedades termodinámicas de equilibrio en el sistema atomístico. A continuación evaluamos la habilidad del modelo para reproducir procesos de transporte en sistemas complejos que duran tiempos largos con respecto a los tiempos característicos a escala atómica. ABSTRACT In this work, we formulate a theory to address simulations of slow time transport effects in atomic systems. We first develop this theoretical framework in the context of equilibrium of atomic ensembles, based on statistical mechanics. We then adapt it to model ensembles away from equilibrium. The theory stands on Jaynes' maximum entropy principle, valid for the treatment of both, systems in equilibrium and away from equilibrium and on meanfield approximation theory. It is expressed in the entropy formulation as a variational principle. We interpret atomistic equivalents of macroscopic variables such as the temperature and the molar fractions, wich are not required to be uniform, but can vary from particle to particle. We complement this theory with Monte Carlo summation rules for further approximation. In addition, we provide a framework for studying transport processes with the full set of equations driving the evolution of the system. We first derive a dissipation inequality for the entropic production involving discrete thermodynamic forces and fluxes. This discrete dissipation inequality identifies the adequate structure for discrete kinetic potentials which couple the microscopic field rates to the corresponding driving forces. Those kinetic potentials must finally be expressed as a phenomenological rule of the Onsanger Type. We present several validation cases, illustrating equilibrium properties and surface segregation of metallic alloys. We first assess the ability of a simple meanfield model to reproduce thermodynamic equilibrium properties in systems with atomic resolution. Then, we evaluate the ability of the model to reproduce a long-term transport process in complex systems.

Methods for the analysis of multi-scale cell dynamics from fluorescence microscopy images

La embriogénesis es el proceso mediante el cual una célula se convierte en un ser un vivo. A lo largo de diferentes etapas de desarrollo, la población de células va proliferando a la vez que el embrión va tomando forma y se configura. Esto es posible gracias a la acción de varios procesos genéticos, bioquímicos y mecánicos que interaccionan y se regulan entre ellos formando un sistema complejo que se organiza a diferentes escalas espaciales y temporales. Este proceso ocurre de manera robusta y reproducible, pero también con cierta variabilidad que permite la diversidad de individuos de una misma especie. La aparición de la microscopía de fluorescencia, posible gracias a proteínas fluorescentes que pueden ser adheridas a las cadenas de expresión de las células, y los avances en la física óptica de los microscopios han permitido observar este proceso de embriogénesis in-vivo y generar secuencias de imágenes tridimensionales de alta resolución espacio-temporal. Estas imágenes permiten el estudio de los procesos de desarrollo embrionario con técnicas de análisis de imagen y de datos, reconstruyendo dichos procesos para crear la representación de un embrión digital. Una de las más actuales problemáticas en este campo es entender los procesos mecánicos, de manera aislada y en interacción con otros factores como la expresión genética, para que el embrión se desarrolle. Debido a la complejidad de estos procesos, estos problemas se afrontan mediante diferentes técnicas y escalas específicas donde, a través de experimentos, pueden hacerse y confrontarse hipótesis, obteniendo conclusiones sobre el funcionamiento de los mecanismos estudiados. Esta tesis doctoral se ha enfocado sobre esta problemática intentando mejorar las metodologías del estado del arte y con un objetivo específico: estudiar patrones de deformación que emergen del movimiento organizado de las células durante diferentes estados del desarrollo del embrión, de manera global o en tejidos concretos. Estudios se han centrado en la mecánica en relación con procesos de señalización o interacciones a nivel celular o de tejido. En este trabajo, se propone un esquema para generalizar el estudio del movimiento y las interacciones mecánicas que se desprenden del mismo a diferentes escalas espaciales y temporales. Esto permitiría no sólo estudios locales, si no estudios sistemáticos de las escalas de interacción mecánica dentro de un embrión. Por tanto, el esquema propuesto obvia las causas de generación de movimiento (fuerzas) y se centra en la cuantificación de la cinemática (deformación y esfuerzos) a partir de imágenes de forma no invasiva. Hoy en día las dificultades experimentales y metodológicas y la complejidad de los sistemas biológicos impiden una descripción mecánica completa de manera sistemática. Sin embargo, patrones de deformación muestran el resultado de diferentes factores mecánicos en interacción con otros elementos dando lugar a una organización mecánica, necesaria para el desarrollo, que puede ser cuantificado a partir de la metodología propuesta en esta tesis. La metodología asume un medio continuo descrito de forma Lagrangiana (en función de las trayectorias de puntos materiales que se mueven en el sistema en lugar de puntos espaciales) de la dinámica del movimiento, estimado a partir de las imágenes mediante métodos de seguimiento de células o de técnicas de registro de imagen. Gracias a este esquema es posible describir la deformación instantánea y acumulada respecto a un estado inicial para cualquier dominio del embrión. La aplicación de esta metodología a imágenes 3D + t del pez zebra sirvió para desvelar estructuras mecánicas que tienden a estabilizarse a lo largo del tiempo en dicho embrión, y que se organizan a una escala semejante al del mapa de diferenciación celular y con indicios de correlación con patrones de expresión genética. También se aplicó la metodología al estudio del tejido amnioserosa de la Drosophila (mosca de la fruta) durante el cierre dorsal, obteniendo indicios de un acoplamiento entre escalas subcelulares, celulares y supracelulares, que genera patrones complejos en respuesta a la fuerza generada por los esqueletos de acto-myosina. En definitiva, esta tesis doctoral propone una estrategia novedosa de análisis de la dinámica celular multi-escala que permite cuantificar patrones de manera inmediata y que además ofrece una representación que reconstruye la evolución de los procesos como los ven las células, en lugar de como son observados desde el microscopio. Esta metodología por tanto permite nuevas formas de análisis y comparación de embriones y tejidos durante la embriogénesis a partir de imágenes in-vivo. ABSTRACT The embryogenesis is the process from which a single cell turns into a living organism. Through several stages of development, the cell population proliferates at the same time the embryo shapes and the organs develop gaining their functionality. This is possible through genetic, biochemical and mechanical factors that are involved in a complex interaction of processes organized in different levels and in different spatio-temporal scales. The embryogenesis, through this complexity, develops in a robust and reproducible way, but allowing variability that makes possible the diversity of living specimens. The advances in physics of microscopes and the appearance of fluorescent proteins that can be attached to expression chains, reporting about structural and functional elements of the cell, have enabled for the in-vivo observation of embryogenesis. The imaging process results in sequences of high spatio-temporal resolution 3D+time data of the embryogenesis as a digital representation of the embryos that can be further analyzed, provided new image processing and data analysis techniques are developed. One of the most relevant and challenging lines of research in the field is the quantification of the mechanical factors and processes involved in the shaping process of the embryo and their interactions with other embryogenesis factors such as genetics. Due to the complexity of the processes, studies have focused on specific problems and scales controlled in the experiments, posing and testing hypothesis to gain new biological insight. However, methodologies are often difficult to be exported to study other biological phenomena or specimens. This PhD Thesis is framed within this paradigm of research and tries to propose a systematic methodology to quantify the emergent deformation patterns from the motion estimated in in-vivo images of embryogenesis. Thanks to this strategy it would be possible to quantify not only local mechanisms, but to discover and characterize the scales of mechanical organization within the embryo. The framework focuses on the quantification of the motion kinematics (deformation and strains), neglecting the causes of the motion (forces), from images in a non-invasive way. Experimental and methodological challenges hamper the quantification of exerted forces and the mechanical properties of tissues. However, a descriptive framework of deformation patterns provides valuable insight about the organization and scales of the mechanical interactions, along the embryo development. Such a characterization would help to improve mechanical models and progressively understand the complexity of embryogenesis. This framework relies on a Lagrangian representation of the cell dynamics system based on the trajectories of points moving along the deformation. This approach of analysis enables the reconstruction of the mechanical patterning as experienced by the cells and tissues. Thus, we can build temporal profiles of deformation along stages of development, comprising both the instantaneous events and the cumulative deformation history. The application of this framework to 3D + time data of zebrafish embryogenesis allowed us to discover mechanical profiles that stabilized through time forming structures that organize in a scale comparable to the map of cell differentiation (fate map), and also suggesting correlation with genetic patterns. The framework was also applied to the analysis of the amnioserosa tissue in the drosophila’s dorsal closure, revealing that the oscillatory contraction triggered by the acto-myosin network organized complexly coupling different scales: local force generation foci, cellular morphology control mechanisms and tissue geometrical constraints. In summary, this PhD Thesis proposes a theoretical framework for the analysis of multi-scale cell dynamics that enables to quantify automatically mechanical patterns and also offers a new representation of the embryo dynamics as experienced by cells instead of how the microscope captures instantaneously the processes. Therefore, this framework enables for new strategies of quantitative analysis and comparison between embryos and tissues during embryogenesis from in-vivo images.

Climate variability effects on field crops in Iberian Peninsula. Predictability

La presente Tesis constituye un avance en el conocimiento de los efectos de la variabilidad climática en los cultivos en la Península Ibérica (PI). Es bien conocido que la temperatura del océano, particularmente de la región tropical, es una de las variables más convenientes para ser utilizado como predictor climático. Los océanos son considerados como la principal fuente de almacenamiento de calor del planeta debido a la alta capacidad calorífica del agua. Cuando se libera esta energía, altera los regímenes globales de circulación atmosférica por mecanismos de teleconexión. Estos cambios en la circulación general de la atmósfera afectan a la temperatura, precipitación, humedad, viento, etc., a escala regional, los cuales afectan al crecimiento, desarrollo y rendimiento de los cultivos. Para el caso de Europa, esto implica que la variabilidad atmosférica en una región específica se asocia con la variabilidad de otras regiones adyacentes y/o remotas, como consecuencia Europa está siendo afectada por los patrones de circulaciones globales, que a su vez, se ven afectados por patrones oceánicos. El objetivo general de esta tesis es analizar la variabilidad del rendimiento de los cultivos y su relación con la variabilidad climática y teleconexiones, así como evaluar su predictibilidad. Además, esta Tesis tiene como objetivo establecer una metodología para estudiar la predictibilidad de las anomalías del rendimiento de los cultivos. El análisis se centra en trigo y maíz como referencia para otros cultivos de la PI, cultivos de invierno en secano y cultivos de verano en regadío respectivamente. Experimentos de simulación de cultivos utilizando una metodología en cadena de modelos (clima + cultivos) son diseñados para evaluar los impactos de los patrones de variabilidad climática en el rendimiento y su predictibilidad. La presente Tesis se estructura en dos partes: La primera se centra en el análisis de la variabilidad del clima y la segunda es una aplicación de predicción cuantitativa de cosechas. La primera parte está dividida en 3 capítulos y la segundo en un capitulo cubriendo los objetivos específicos del presente trabajo de investigación. Parte I. Análisis de variabilidad climática El primer capítulo muestra un análisis de la variabilidad del rendimiento potencial en una localidad como indicador bioclimático de las teleconexiones de El Niño con Europa, mostrando su importancia en la mejora de predictibilidad tanto en clima como en agricultura. Además, se presenta la metodología elegida para relacionar el rendimiento con las variables atmosféricas y oceánicas. El rendimiento de los cultivos es parcialmente determinado por la variabilidad climática atmosférica, que a su vez depende de los cambios en la temperatura de la superficie del mar (TSM). El Niño es el principal modo de variabilidad interanual de la TSM, y sus efectos se extienden en todo el mundo. Sin embargo, la predictibilidad de estos impactos es controversial, especialmente aquellos asociados con la variabilidad climática Europea, que se ha encontrado que es no estacionaria y no lineal. Este estudio mostró cómo el rendimiento potencial de los cultivos obtenidos a partir de datos de reanálisis y modelos de cultivos sirve como un índice alternativo y más eficaz de las teleconexiones de El Niño, ya que integra las no linealidades entre las variables climáticas en una única serie temporal. Las relaciones entre El Niño y las anomalías de rendimiento de los cultivos son más significativas que las contribuciones individuales de cada una de las variables atmosféricas utilizadas como entrada en el modelo de cultivo. Además, la no estacionariedad entre El Niño y la variabilidad climática europea se detectan con mayor claridad cuando se analiza la variabilidad de los rendimiento de los cultivos. La comprensión de esta relación permite una cierta predictibilidad hasta un año antes de la cosecha del cultivo. Esta predictibilidad no es constante, sino que depende tanto la modulación de la alta y baja frecuencia. En el segundo capítulo se identifica los patrones oceánicos y atmosféricos de variabilidad climática que afectan a los cultivos de verano en la PI. Además, se presentan hipótesis acerca del mecanismo eco-fisiológico a través del cual el cultivo responde. Este estudio se centra en el análisis de la variabilidad del rendimiento de maíz en la PI para todo el siglo veinte, usando un modelo de cultivo calibrado en 5 localidades españolas y datos climáticos de reanálisis para obtener series temporales largas de rendimiento potencial. Este estudio evalúa el uso de datos de reanálisis para obtener series de rendimiento de cultivos que dependen solo del clima, y utilizar estos rendimientos para analizar la influencia de los patrones oceánicos y atmosféricos. Los resultados muestran una gran fiabilidad de los datos de reanálisis. La distribución espacial asociada a la primera componente principal de la variabilidad del rendimiento muestra un comportamiento similar en todos los lugares estudiados de la PI. Se observa una alta correlación lineal entre el índice de El Niño y el rendimiento, pero no es estacionaria en el tiempo. Sin embargo, la relación entre la temperatura del aire y el rendimiento se mantiene constante a lo largo del tiempo, siendo los meses de mayor influencia durante el período de llenado del grano. En cuanto a los patrones atmosféricos, el patrón Escandinavia presentó una influencia significativa en el rendimiento en PI. En el tercer capítulo se identifica los patrones oceánicos y atmosféricos de variabilidad climática que afectan a los cultivos de invierno en la PI. Además, se presentan hipótesis acerca del mecanismo eco-fisiológico a través del cual el cultivo responde. Este estudio se centra en el análisis de la variabilidad del rendimiento de trigo en secano del Noreste (NE) de la PI. La variabilidad climática es el principal motor de los cambios en el crecimiento, desarrollo y rendimiento de los cultivos, especialmente en los sistemas de producción en secano. En la PI, los rendimientos de trigo son fuertemente dependientes de la cantidad de precipitación estacional y la distribución temporal de las mismas durante el periodo de crecimiento del cultivo. La principal fuente de variabilidad interanual de la precipitación en la PI es la Oscilación del Atlántico Norte (NAO), que se ha relacionado, en parte, con los cambios en la temperatura de la superficie del mar en el Pacífico Tropical (El Niño) y el Atlántico Tropical (TNA). La existencia de cierta predictibilidad nos ha animado a analizar la posible predicción de los rendimientos de trigo en la PI utilizando anomalías de TSM como predictor. Para ello, se ha utilizado un modelo de cultivo (calibrado en dos localidades del NE de la PI) y datos climáticos de reanálisis para obtener series temporales largas de rendimiento de trigo alcanzable y relacionar su variabilidad con anomalías de la TSM. Los resultados muestran que El Niño y la TNA influyen en el desarrollo y rendimiento del trigo en el NE de la PI, y estos impactos depende del estado concurrente de la NAO. Aunque la relación cultivo-TSM no es igual durante todo el periodo analizado, se puede explicar por un mecanismo eco-fisiológico estacionario. Durante la segunda mitad del siglo veinte, el calentamiento (enfriamiento) en la superficie del Atlántico tropical se asocia a una fase negativa (positiva) de la NAO, que ejerce una influencia positiva (negativa) en la temperatura mínima y precipitación durante el invierno y, por lo tanto, aumenta (disminuye) el rendimiento de trigo en la PI. En relación con El Niño, la correlación más alta se observó en el período 1981 -2001. En estas décadas, los altos (bajos) rendimientos se asocian con una transición El Niño - La Niña (La Niña - El Niño) o con eventos de El Niño (La Niña) que están finalizando. Para estos eventos, el patrón atmosférica asociada se asemeja a la NAO, que también influye directamente en la temperatura máxima y precipitación experimentadas por el cultivo durante la floración y llenado de grano. Los co- efectos de los dos patrones de teleconexión oceánicos ayudan a aumentar (disminuir) la precipitación y a disminuir (aumentar) la temperatura máxima en PI, por lo tanto el rendimiento de trigo aumenta (disminuye). Parte II. Predicción de cultivos. En el último capítulo se analiza los beneficios potenciales del uso de predicciones climáticas estacionales (por ejemplo de precipitación) en las predicciones de rendimientos de trigo y maíz, y explora métodos para aplicar dichos pronósticos climáticos en modelos de cultivo. Las predicciones climáticas estacionales tienen un gran potencial en las predicciones de cultivos, contribuyendo de esta manera a una mayor eficiencia de la gestión agrícola, seguridad alimentaria y de subsistencia. Los pronósticos climáticos se expresan en diferentes formas, sin embargo todos ellos son probabilísticos. Para ello, se evalúan y aplican dos métodos para desagregar las predicciones climáticas estacionales en datos diarios: 1) un generador climático estocástico condicionado (predictWTD) y 2) un simple re-muestreador basado en las probabilidades del pronóstico (FResampler1). Los dos métodos se evaluaron en un caso de estudio en el que se analizaron los impactos de tres escenarios de predicciones de precipitación estacional (predicción seco, medio y lluvioso) en el rendimiento de trigo en secano, sobre las necesidades de riego y rendimiento de maíz en la PI. Además, se estimó el margen bruto y los riesgos de la producción asociada con las predicciones de precipitación estacional extremas (seca y lluviosa). Los métodos predWTD y FResampler1 usados para desagregar los pronósticos de precipitación estacional en datos diarios, que serán usados como inputs en los modelos de cultivos, proporcionan una predicción comparable. Por lo tanto, ambos métodos parecen opciones factibles/viables para la vinculación de los pronósticos estacionales con modelos de simulación de cultivos para establecer predicciones de rendimiento o las necesidades de riego en el caso de maíz. El análisis del impacto en el margen bruto de los precios del grano de los dos cultivos (trigo y maíz) y el coste de riego (maíz) sugieren que la combinación de los precios de mercado previstos y la predicción climática estacional pueden ser una buena herramienta en la toma de decisiones de los agricultores, especialmente en predicciones secas y/o localidades con baja precipitación anual. Estos métodos permiten cuantificar los beneficios y riesgos de los agricultores ante una predicción climática estacional en la PI. Por lo tanto, seríamos capaces de establecer sistemas de alerta temprana y diseñar estrategias de adaptación del manejo del cultivo para aprovechar las condiciones favorables o reducir los efectos de condiciones adversas. La utilidad potencial de esta Tesis es la aplicación de las relaciones encontradas para predicción de cosechas de la próxima campaña agrícola. Una correcta predicción de los rendimientos podría ayudar a los agricultores a planear con antelación sus prácticas agronómicas y todos los demás aspectos relacionados con el manejo de los cultivos. Esta metodología se puede utilizar también para la predicción de las tendencias futuras de la variabilidad del rendimiento en la PI. Tanto los sectores públicos (mejora de la planificación agrícola) como privados (agricultores, compañías de seguros agrarios) pueden beneficiarse de esta mejora en la predicción de cosechas. ABSTRACT The present thesis constitutes a step forward in advancing of knowledge of the effects of climate variability on crops in the Iberian Peninsula (IP). It is well known that ocean temperature, particularly the tropical ocean, is one of the most convenient variables to be used as climate predictor. Oceans are considered as the principal heat storage of the planet due to the high heat capacity of water. When this energy is released, it alters the global atmospheric circulation regimes by teleconnection1 mechanisms. These changes in the general circulation of the atmosphere affect the regional temperature, precipitation, moisture, wind, etc., and those influence crop growth, development and yield. For the case of Europe, this implies that the atmospheric variability in a specific region is associated with the variability of others adjacent and/or remote regions as a consequence of Europe being affected by global circulations patterns which, in turn, are affected by oceanic patterns. The general objective of this Thesis is to analyze the variability of crop yields at climate time scales and its relation to the climate variability and teleconnections, as well as to evaluate their predictability. Moreover, this Thesis aims to establish a methodology to study the predictability of crop yield anomalies. The analysis focuses on wheat and maize as a reference crops for other field crops in the IP, for winter rainfed crops and summer irrigated crops respectively. Crop simulation experiments using a model chain methodology (climate + crop) are designed to evaluate the impacts of climate variability patterns on yield and its predictability. The present Thesis is structured in two parts. The first part is focused on the climate variability analyses, and the second part is an application of the quantitative crop forecasting for years that fulfill specific conditions identified in the first part. This Thesis is divided into 4 chapters, covering the specific objectives of the present research work. Part I. Climate variability analyses The first chapter shows an analysis of potential yield variability in one location, as a bioclimatic indicator of the El Niño teleconnections with Europe, putting forward its importance for improving predictability in both climate and agriculture. It also presents the chosen methodology to relate yield with atmospheric and oceanic variables. Crop yield is partially determined by atmospheric climate variability, which in turn depends on changes in the sea surface temperature (SST). El Niño is the leading mode of SST interannual variability, and its impacts extend worldwide. Nevertheless, the predictability of these impacts is controversial, especially those associated with European climate variability, which have been found to be non-stationary and non-linear. The study showed how potential2 crop yield obtained from reanalysis data and crop models serves as an alternative and more effective index of El Niño teleconnections because it integrates the nonlinearities between the climate variables in a unique time series. The relationships between El Niño and crop yield anomalies are more significant than the individual contributions of each of the atmospheric variables used as input in the crop model. Additionally, the non-stationarities between El Niño and European climate variability are more clearly detected when analyzing crop-yield variability. The understanding of this relationship allows for some predictability up to one year before the crop is harvested. This predictability is not constant, but depends on both high and low frequency modulation. The second chapter identifies the oceanic and atmospheric patterns of climate variability affecting summer cropping systems in the IP. Moreover, hypotheses about the eco-physiological mechanism behind crop response are presented. It is focused on an analysis of maize yield variability in IP for the whole twenty century, using a calibrated crop model at five contrasting Spanish locations and reanalyses climate datasets to obtain long time series of potential yield. The study tests the use of reanalysis data for obtaining only climate dependent time series of simulated crop yield for the whole region, and to use these yield to analyze the influences of oceanic and atmospheric patterns. The results show a good reliability of reanalysis data. The spatial distribution of the leading principal component of yield variability shows a similar behaviour over all the studied locations in the IP. The strong linear correlation between El Niño index and yield is remarkable, being this relation non-stationary on time, although the air temperature-yield relationship remains on time, being the highest influences during grain filling period. Regarding atmospheric patterns, the summer Scandinavian pattern has significant influence on yield in IP. The third chapter identifies the oceanic and atmospheric patterns of climate variability affecting winter cropping systems in the IP. Also, hypotheses about the eco-physiological mechanism behind crop response are presented. It is focused on an analysis of rainfed wheat yield variability in IP. Climate variability is the main driver of changes in crop growth, development and yield, especially for rainfed production systems. In IP, wheat yields are strongly dependent on seasonal rainfall amount and temporal distribution of rainfall during the growing season. The major source of precipitation interannual variability in IP is the North Atlantic Oscillation (NAO) which has been related in part with changes in the Tropical Pacific (El Niño) and Atlantic (TNA) sea surface temperature (SST). The existence of some predictability has encouraged us to analyze the possible predictability of the wheat yield in the IP using SSTs anomalies as predictor. For this purpose, a crop model with a site specific calibration for the Northeast of IP and reanalysis climate datasets have been used to obtain long time series of attainable wheat yield and relate their variability with SST anomalies. The results show that El Niño and TNA influence rainfed wheat development and yield in IP and these impacts depend on the concurrent state of the NAO. Although crop-SST relationships do not equally hold on during the whole analyzed period, they can be explained by an understood and stationary ecophysiological mechanism. During the second half of the twenty century, the positive (negative) TNA index is associated to a negative (positive) phase of NAO, which exerts a positive (negative) influence on minimum temperatures (Tmin) and precipitation (Prec) during winter and, thus, yield increases (decreases) in IP. In relation to El Niño, the highest correlation takes place in the period 1981-2001. For these decades, high (low) yields are associated with an El Niño to La Niña (La Niña to El Niño) transitions or to El Niño events finishing. For these events, the regional associated atmospheric pattern resembles the NAO, which also influences directly on the maximum temperatures (Tmax) and precipitation experienced by the crop during flowering and grain filling. The co-effects of the two teleconnection patterns help to increase (decrease) the rainfall and decrease (increase) Tmax in IP, thus on increase (decrease) wheat yield. Part II. Crop forecasting The last chapter analyses the potential benefits for wheat and maize yields prediction from using seasonal climate forecasts (precipitation), and explores methods to apply such a climate forecast to crop models. Seasonal climate prediction has significant potential to contribute to the efficiency of agricultural management, and to food and livelihood security. Climate forecasts come in different forms, but probabilistic. For this purpose, two methods were evaluated and applied for disaggregating seasonal climate forecast into daily weather realizations: 1) a conditioned stochastic weather generator (predictWTD) and 2) a simple forecast probability resampler (FResampler1). The two methods were evaluated in a case study where the impacts of three scenarios of seasonal rainfall forecasts on rainfed wheat yield, on irrigation requirements and yields of maize in IP were analyzed. In addition, we estimated the economic margins and production risks associated with extreme scenarios of seasonal rainfall forecasts (dry and wet). The predWTD and FResampler1 methods used for disaggregating seasonal rainfall forecast into daily data needed by the crop simulation models provided comparable predictability. Therefore both methods seem feasible options for linking seasonal forecasts with crop simulation models for establishing yield forecasts or irrigation water requirements. The analysis of the impact on gross margin of grain prices for both crops and maize irrigation costs suggests the combination of market prices expected and the seasonal climate forecast can be a good tool in farmer’s decision-making, especially on dry forecast and/or in locations with low annual precipitation. These methodologies would allow quantifying the benefits and risks of a seasonal weather forecast to farmers in IP. Therefore, we would be able to establish early warning systems and to design crop management adaptation strategies that take advantage of favorable conditions or reduce the effect of adverse conditions. The potential usefulness of this Thesis is to apply the relationships found to crop forecasting on the next cropping season, suggesting opportunity time windows for the prediction. The methodology can be used as well for the prediction of future trends of IP yield variability. Both public (improvement of agricultural planning) and private (decision support to farmers, insurance companies) sectors may benefit from such an improvement of crop forecasting.

Métodos diferenciales e interferométricos para la evaluación de deformaciones de la corteza terrestre mediante técnicas GNSS e InSAR = Differential and interferometric methods for evaluation of crustal deformation using GNSS and InSAR techniques

La actividad volcánica interviene en multitud de facetas de la propia actividad humana, no siempre negativas. Sin embargo, son más los motivos de peligrosidad y riesgo que incitan al estudio de la actividad volcánica. Existen razones de seguridad que inciden en el mantenimiento del seguimiento y monitorización de la actividad volcánica para garantizar la vida y la seguridad de los asentamientos antrópicos en las proximidades de los edificios volcánicos. En esta tesis se define e implementa un sistema de monitorización de movimientos de la corteza en las islas de Tenerife y La Palma, donde el impacto social que representa un aumento o variación de la actividad volcánica en las islas es muy severo. Aparte de la alta densidad demográfica del Archipiélago, esta población aumenta significativamente, en diferentes periodos a lo largo del año, debido a la actividad turística que representa la mayor fuente de ingresos de las islas. La población y los centros turísticos se diseminan predominantemente a lo largo de las costas y también a lo largo de los flancos de los edificios volcánicos. Quizá el mantenimiento de estas estructuras sociales y socio-económicas son los motivos más importantes que justifican una monitorización de la actividad volcánica en las Islas Canarias. Recientemente se ha venido trabajando cada vez más en el intento de predecir la actividad volcánica utilizando los nuevos sistemas de monitorización geodésica, puesto que la actividad volcánica se manifiesta anteriormente por deformación de la corteza terrestre y cambios en la fuerza de la gravedad en la zona donde más tarde se registran eventos volcánicos. Los nuevos dispositivos y sensores que se han desarrollado en los últimos años en materias como la geodesia, la observación de la Tierra desde el espacio y el posicionamiento por satélite, han permitido observar y medir tanto la deformación producida en el terreno como los cambios de la fuerza de la gravedad antes, durante y posteriormente a los eventos volcánicos que se producen. Estos nuevos dispositivos y sensores han cambiado las técnicas o metodologías geodésicas que se venían utilizando hasta la aparición de los mismos, renovando métodos clásicos y desarrollando otros nuevos que ya se están afianzando como metodologías probadas y reconocidas para ser usadas en la monitorización volcánica. Desde finales de la década de los noventa del siglo pasado se han venido desarrollando en las Islas Canarias varios proyectos que han tenido como objetivos principales el desarrollo de nuevas técnicas de observación y monitorización por un lado y el diseño de una metodología de monitorización volcánica adecuada, por otro. Se presenta aquí el estudio y desarrollo de técnicas GNSS para la monitorización de deformaciones corticales y su campo de velocidades para las islas de Tenerife y La Palma. En su implementación, se ha tenido en cuenta el uso de la infraestructura geodésica y de monitorización existente en el archipiélago a fin de optimizar costes, además de complementarla con nuevas estaciones para dar una cobertura total a las dos islas. Los resultados obtenidos en los proyectos, que se describen en esta memoria, han dado nuevas perspectivas en la monitorización geodésica de la actividad volcánica y nuevas zonas de interés que anteriormente no se conocían en el entorno de las Islas Canarias. Se ha tenido especial cuidado en el tratamiento y propagación de los errores durante todo el proceso de observación, medida y proceso de los datos registrados, todo ello en aras de cuantificar el grado de fiabilidad de los resultados obtenidos. También en este sentido, los resultados obtenidos han sido verificados con otros procedentes de sistemas de observación radar de satélite, incorporando además a este estudio las implicaciones que el uso conjunto de tecnologías radar y GNSS tendrán en un futuro en la monitorización de deformaciones de la corteza terrestre. ABSTRACT Volcanic activity occurs in many aspects of human activity, and not always in a negative manner. Nonetheless, research into volcanic activity is more likely to be motivated by its danger and risk. There are security reasons that influence the monitoring of volcanic activity in order to guarantee the life and safety of human settlements near volcanic edifices. This thesis defines and implements a monitoring system of movements in the Earth’s crust in the islands of Tenerife and La Palma, where the social impact of an increase (or variation) of volcanic activity is very severe. Aside from the high demographic density of the archipelago, the population increases significantly in different periods throughout the year due to tourism, which represents a major source of revenue for the islands. The population and the tourist centres are mainly spread along the coasts and also along the flanks of the volcanic edifices. Perhaps the preservation of these social and socio-economic structures is the most important reason that justifies monitoring volcanic activity in the Canary Islands. Recently more and more work has been done with the intention of predicting volcanic activity, using new geodesic monitoring systems, since volcanic activity is evident prior to eruption because of a deformation of the Earth’s crust and changes in the force of gravity in the zone where volcanic events will later be recorded. The new devices and sensors that have been developed in recent years in areas such as geodesy, the observation of the Earth from space, and satellite positioning have allowed us to observe and measure the deformation produced in the Earth as well as the changes in the force of gravity before, during, and after the volcanic events occur. The new devices and sensors have changed the geodetic techniques and methodologies that were used previously. The classic methods have been renovated and other newer ones developed that are now vouched for as proven recognised methodologies to be used for volcanic monitoring. Since the end of the 1990s, in the Canary Islands various projects have been developed whose principal aim has been the development of new observation and monitoring techniques on the one hand, and the design of an appropriate volcanic monitoring methodology on the other. The study and development of GNSS techniques for the monitoring of crustal deformations and their velocity field is presented here. To carry out the study, the use of geodetic infrastructure and existing monitoring in the archipelago have been taken into account in order to optimise costs, besides complementing it with new stations for total coverage on both islands. The results obtained in the projects, which are described below, have produced new perspectives in the geodetic monitoring of volcanic activity and new zones of interest which previously were unknown in the environment of the Canary Islands. Special care has been taken with the treatment and propagation of errors during the entire process of observing, measuring, and processing the recorded data. All of this was done in order to quantify the degree of trustworthiness of the results obtained. Also in this sense, the results obtained have been verified with others from satellite radar observation systems, incorporating as well in this study the implications that the joint use of radar technologies and GNSS will have for the future of monitoring deformations in the Earth’s crust.

New methods for the synthesis of radiation patterns of coupled antenna arrays = Nuevos métodos de síntesis de diagramas de radiación de agrupaciones de antenas acopladas

El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de métodos de síntesis de diagramas de radiación de agrupaciones de antenas, en donde se realiza una caracterización electromagnética rigurosa de los elementos radiantes y de los acoplos mutuos existentes. Esta caracterización no se realiza habitualmente en la gran mayoría de métodos de síntesis encontrados en la literatura, debido fundamentalmente a dos razones. Por un lado, se considera que el diagrama de radiación de un array de antenas se puede aproximar con el factor de array que únicamente tiene en cuenta la posición de los elementos y las excitaciones aplicadas a los mismos. Sin embargo, como se mostrará en esta tesis, en múltiples ocasiones un riguroso análisis de los elementos radiantes y del acoplo mutuo entre ellos es importante ya que los resultados obtenidos pueden ser notablemente diferentes. Por otro lado, no es sencillo combinar un método de análisis electromagnético con un proceso de síntesis de diagramas de radiación. Los métodos de análisis de agrupaciones de antenas suelen ser costosos computacionalmente, ya que son estructuras grandes en términos de longitudes de onda. Generalmente, un diseño de un problema electromagnético suele comprender varios análisis de la estructura, dependiendo de las variaciones de las características, lo que hace este proceso muy costoso. Dos métodos se utilizan en esta tesis para el análisis de los arrays acoplados. Ambos están basados en el método de los elementos finitos, la descomposición de dominio y el análisis modal para analizar la estructura radiante y han sido desarrollados en el grupo de investigación donde se engloba esta tesis. El primero de ellos es una técnica de análisis de arrays finitos basado en la aproximación de array infinito. Su uso es indicado para arrays planos de grandes dimensiones con elementos equiespaciados. El segundo caracteriza el array y el acoplo mutuo entre elementos a partir de una expansión en modos esféricos del campo radiado por cada uno de los elementos. Este método calcula los acoplos entre los diferentes elementos del array usando las propiedades de traslación y rotación de los modos esféricos. Es capaz de analizar agrupaciones de elementos distribuidos de forma arbitraria. Ambas técnicas utilizan una formulación matricial que caracteriza de forma rigurosa el campo radiado por el array. Esto las hace muy apropiadas para su posterior uso en una herramienta de diseño, como los métodos de síntesis desarrollados en esta tesis. Los resultados obtenidos por estas técnicas de síntesis, que incluyen métodos rigurosos de análisis, son consecuentemente más precisos. La síntesis de arrays consiste en modificar uno o varios parámetros de las agrupaciones de antenas buscando unas determinadas especificaciones de las características de radiación. Los parámetros utilizados como variables de optimización pueden ser varios. Los más utilizados son las excitaciones aplicadas a los elementos, pero también es posible modificar otros parámetros de diseño como son las posiciones de los elementos o las rotaciones de estos. Los objetivos de las síntesis pueden ser dirigir el haz o haces en una determinada dirección o conformar el haz con formas arbitrarias. Además, es posible minimizar el nivel de los lóbulos secundarios o del rizado en las regiones deseadas, imponer nulos que evitan posibles interferencias o reducir el nivel de la componente contrapolar. El método para el análisis de arrays finitos basado en la aproximación de array infinito considera un array finito como un array infinito con un número finito de elementos excitados. Los elementos no excitados están físicamente presentes y pueden presentar tres diferentes terminaciones, corto-circuito, circuito abierto y adaptados. Cada una de estas terminaciones simulará mejor el entorno real en el que el array se encuentre. Este método de análisis se integra en la tesis con dos métodos diferentes de síntesis de diagramas de radiación. En el primero de ellos se presenta un método basado en programación lineal en donde es posible dirigir el haz o haces, en la dirección deseada, además de ejercer un control sobre los lóbulos secundarios o imponer nulos. Este método es muy eficiente y obtiene soluciones óptimas. El mismo método de análisis es también aplicado a un método de conformación de haz, en donde un problema originalmente no convexo (y de difícil solución) es transformado en un problema convexo imponiendo restricciones de simetría, resolviendo de este modo eficientemente un problema complejo. Con este método es posible diseñar diagramas de radiación con haces de forma arbitraria, ejerciendo un control en el rizado del lóbulo principal, así como en el nivel de los lóbulos secundarios. El método de análisis de arrays basado en la expansión en modos esféricos se integra en la tesis con tres técnicas de síntesis de diagramas de radiación. Se propone inicialmente una síntesis de conformación del haz basado en el método de la recuperación de fase resuelta de forma iterativa mediante métodos convexos, en donde relajando las restricciones del problema original se consiguen unas soluciones cercanas a las óptimas de manera eficiente. Dos métodos de síntesis se han propuesto, donde las variables de optimización son las posiciones y las rotaciones de los elementos respectivamente. Se define una función de coste basada en la intensidad de radiación, la cual es minimizada de forma iterativa con el método del gradiente. Ambos métodos reducen el nivel de los lóbulos secundarios minimizando una función de coste. El gradiente de la función de coste es obtenido en términos de la variable de optimización en cada método. Esta función de coste está formada por la expresión rigurosa de la intensidad de radiación y por una función de peso definida por el usuario para imponer prioridades sobre las diferentes regiones de radiación, si así se desea. Por último, se presenta un método en el cual, mediante técnicas de programación entera, se buscan las fases discretas que generan un diagrama de radiación lo más cercano posible al deseado. Con este método se obtienen diseños que minimizan el coste de fabricación. En cada uno de las diferentes técnicas propuestas en la tesis, se presentan resultados con elementos reales que muestran las capacidades y posibilidades que los métodos ofrecen. Se comparan los resultados con otros métodos disponibles en la literatura. Se muestra la importancia de tener en cuenta los diagramas de los elementos reales y los acoplos mutuos en el proceso de síntesis y se comparan los resultados obtenidos con herramientas de software comerciales. ABSTRACT The main objective of this thesis is the development of optimization methods for the radiation pattern synthesis of array antennas in which a rigorous electromagnetic characterization of the radiators and the mutual coupling between them is performed. The electromagnetic characterization is usually overlooked in most of the available synthesis methods in the literature, this is mainly due to two reasons. On the one hand, it is argued that the radiation pattern of an array is mainly influenced by the array factor and that the mutual coupling plays a minor role. As it is shown in this thesis, the mutual coupling and the rigorous characterization of the array antenna influences significantly in the array performance and its computation leads to differences in the results obtained. On the other hand, it is difficult to introduce an analysis procedure into a synthesis technique. The analysis of array antennas is generally expensive computationally as the structure to analyze is large in terms of wavelengths. A synthesis method requires to carry out a large number of analysis, this makes the synthesis problem very expensive computationally or intractable in some cases. Two methods have been used in this thesis for the analysis of coupled antenna arrays, both of them have been developed in the research group in which this thesis is involved. They are based on the finite element method (FEM), the domain decomposition and the modal analysis. The first one obtains a finite array characterization with the results obtained from the infinite array approach. It is specially indicated for the analysis of large arrays with equispaced elements. The second one characterizes the array elements and the mutual coupling between them with a spherical wave expansion of the radiated field by each element. The mutual coupling is computed using the properties of translation and rotation of spherical waves. This method is able to analyze arrays with elements placed on an arbitrary distribution. Both techniques provide a matrix formulation that makes them very suitable for being integrated in synthesis techniques, the results obtained from these synthesis methods will be very accurate. The array synthesis stands for the modification of one or several array parameters looking for some desired specifications of the radiation pattern. The array parameters used as optimization variables are usually the excitation weights applied to the array elements, but some other array characteristics can be used as well, such as the array elements positions or rotations. The desired specifications may be to steer the beam towards any specific direction or to generate shaped beams with arbitrary geometry. Further characteristics can be handled as well, such as minimize the side lobe level in some other radiating regions, to minimize the ripple of the shaped beam, to take control over the cross-polar component or to impose nulls on the radiation pattern to avoid possible interferences from specific directions. The analysis method based on the infinite array approach considers an infinite array with a finite number of excited elements. The infinite non-excited elements are physically present and may have three different terminations, short-circuit, open circuit and match terminated. Each of this terminations is a better simulation for the real environment of the array. This method is used in this thesis for the development of two synthesis methods. In the first one, a multi-objective radiation pattern synthesis is presented, in which it is possible to steer the beam or beams in desired directions, minimizing the side lobe level and with the possibility of imposing nulls in the radiation pattern. This method is very efficient and obtains optimal solutions as it is based on convex programming. The same analysis method is used in a shaped beam technique in which an originally non-convex problem is transformed into a convex one applying symmetry restrictions, thus solving a complex problem in an efficient way. This method allows the synthesis of shaped beam radiation patterns controlling the ripple in the mainlobe and the side lobe level. The analysis method based on the spherical wave expansion is applied for different synthesis techniques of the radiation pattern of coupled arrays. A shaped beam synthesis is presented, in which a convex formulation is proposed based on the phase retrieval method. In this technique, an originally non-convex problem is solved using a relaxation and solving a convex problems iteratively. Two methods are proposed based on the gradient method. A cost function is defined involving the radiation intensity of the coupled array and a weighting function that provides more degrees of freedom to the designer. The gradient of the cost function is computed with respect to the positions in one of them and the rotations of the elements in the second one. The elements are moved or rotated iteratively following the results of the gradient. A highly non-convex problem is solved very efficiently, obtaining very good results that are dependent on the starting point. Finally, an optimization method is presented where discrete digital phases are synthesized providing a radiation pattern as close as possible to the desired one. The problem is solved using linear integer programming procedures obtaining array designs that greatly reduce the fabrication costs. Results are provided for every method showing the capabilities that the above mentioned methods offer. The results obtained are compared with available methods in the literature. The importance of introducing a rigorous analysis into the synthesis method is emphasized and the results obtained are compared with a commercial software, showing good agreement.

Safety study of transcranial static magnetic field stimulation (tSMS) of the human cortex

Transcranial static magnetic field stimulation (tSMS) in humans reduces cortical excitability. Objective: The objective of this study was to determine if prolonged tSMS (2 h) could be delivered safely in humans. Safety limits for this technique have not been described. Methods: tSMS was applied for 2 h with a cylindric magnet on the occiput of 17 healthy subjects. We assessed tSMS-related safety aspects at tissue level by measuring levels of neuron-specific enolase (NSE,a marker of neuronal damage) and S100 (a marker of glial reactivity and damage). We also included an evaluation of cognitive side effects by using a battery of visuomotor and cognitive tests. Results: tSMS did not induce any significant increase in NSE or S100. No cognitive alteration was detected. Conclusions: Our data indicate that the application of tSMS is safe in healthy human subjects, at least within these parameters