A multi-scale analysis of transforming agricultural markets in the context of globalization: implications for natural resources, food prices and rural poverty in Latin America

Vivimos una época en la que el mundo se transforma aceleradamente. La globalización está siguiendo un curso imparable, la población mundial así como la población urbana siguen creciendo, y en los países emergentes los ingresos promedios aumentan, resultando en un cambio también acelerado de las dietas y hábitos alimentarios. En conjunto esos factores están causando un aumento fundamental de la demanda de alimentos. Junto con la apertura de los mercados agrícolas, estos procesos han provocado un crecimiento del comercio internacional de alimentos durante la última década. Dado que muchos países de América Latina están dotados de abundancia de recursos naturales, estas tendencias han producido un crecimiento rápido de las exportaciones de bienes primarios desde América Latina al resto del mundo. En sólo 30 años la participación en el mercado agrícola de América Latina casi se ha duplicado, desde 10% en 1980 a 18% en 2010. Este aumento del comercio agrícola ha dado lugar a un debate sobre una serie de cuestiones cruciales relacionadas con los impactos del comercio en la seguridad alimentaria mundial, en el medio ambiente o en la reducción de la pobreza rural en países en desarrollo. Esta tesis aplica un marco integrado para analizar varios impactos relacionados con la transformación de los mercados agrícolas y los mercados rurales debidos a la globalización y, en particular, al progresivo aumento del comercio internacional. En concreto, la tesis aborda los siguientes temas: En primer lugar, la producción mundial de alimentos tendrá que aumentar considerablemente para poder satisfacer la demanda de una población mundial de 9000 millones personas en 2050, lo cual plantea grandes desafíos sobre los sistemas de la producción de alimentos. Alcanzar este logro, sin comprometer la integridad del medio ambiente en regiones exportadoras, es un reto aún mayor. En este contexto, la tesis analiza los efectos de la liberalización del comercio mundial, considerando distintas tecnologías de producción agraria, sobre unos indicadores de seguridad alimentaria en diferentes regiones del mundo y sobre distintos indicadores ambientales, teniendo en cuenta escalas diferentes en América Latina y el Caribe. La tesis utiliza el modelo “International Model for Policy Analysis of Agricultural Commodities and Trade (IMPACT)” – un modelo dinámico de equilibrio parcial del sector agrícola a escala global – para modelar la apertura de los mercados agrícolas así como diferentes escenarios de la producción hasta el año 2050. Los resultados del modelo están vinculados a modelos biofísicos para poder evaluar los cambios en la huella hídrica y la calidad del agua, así como para cuantificar los impactos del cambio en el uso del suelo sobre la biodiversidad y los stocks de carbono en 2050. Los resultados indican que la apertura de los mercados agrícolas es muy importante para mejorar la seguridad alimentaria a nivel mundial, sin embargo, produce también presiones ambientales indeseables en algunas regiones de América Latina. Contrastando dos escenarios que consideran distintas modos de producción, la expansión de la tierra agrícola frente a un escenario de la producción más intensiva, se demuestra que las mejoras de productividad son generalmente superiores a la expansión de las tierras agrícolas, desde un punto de vista económico e ambiental. En cambio, los escenarios de intensificación sostenible no sólo hacen posible una mayor producción de alimentos, sino que también generan menos impactos medioambientales que los otros escenarios futuros en todas sus dimensiones: biodiversidad, carbono, emisiones de nitratos y uso del agua. El análisis muestra que hay un “trade-off” entre el objetivo de alcanzar la sostenibilidad ambiental y el objetivo de la seguridad alimentaria, independiente del manejo agrícola en el futuro. En segundo lugar, a la luz de la reciente crisis de los precios de alimentos en los años 2007/08, la tesis analiza los impactos de la apertura de los mercados agrícolas en la transmisión de precios de los alimentos en seis países de América Latina: Argentina, Brasil, Chile, Colombia, México y el Perú. Para identificar las posibles relaciones de cointegración entre los índices de precios al consumidor de alimentos y los índices de precios de agrarios internacionales, sujetos a diferentes grados de apertura de mercados agrícolas en los seis países de América Latina, se utiliza un modelo simple de corrección de error (single equation error correction). Los resultados indican que la integración global de los mercados agrícolas ha dado lugar a diferentes tasas de transmisión de precios en los países investigados. Sobre todo en el corto plazo, las tasas de transmisión dependen del grado de apertura comercial, mientras que en el largo plazo las tasas de transmisión son elevadas, pero en gran medida independientes del régimen de comercio. Por lo tanto, durante un período de shocks de precios mundiales una mayor apertura del comercio trae consigo más inestabilidad de los precios domésticos a corto plazo y la resultante persistencia en el largo plazo. Sin embargo, estos resultados no verifican necesariamente la utilidad de las políticas comerciales, aplicadas frecuentemente por los gobiernos para amortiguar los shocks de precios. Primero, porque existe un riesgo considerable de volatilidad de los precios debido a cambios bruscos de la oferta nacional si se promueve la autosuficiencia en el país; y segundo, la política de proteccionismo asume el riesgo de excluir el país de participar en las cadenas de suministro de alto valor del sector agrícola, y por lo tanto esa política podría obstaculizar el desarrollo económico. Sin embargo, es indispensable establecer políticas efectivas para reducir la vulnerabilidad de los hogares a los aumentos repentinos de precios de alimentos, lo cual requiere una planificación gubernamental precisa con el presupuesto requerido disponible. En tercer lugar, la globalización afecta a la estructura de una economía y, por medios distintos, la distribución de los ingreso en un país. Perú sirve como ejemplo para investigar más profundamente las cuestiones relacionadas con los cambios en la distribución de los ingresos en zonas rurales. Perú, que es un país que está cada vez más integrado en los mercados mundiales, consiguió importantes descensos en la pobreza extrema en sus zonas rurales, pero a la vez adolece de alta incidencia de pobreza moderada y de desigualdad de los ingresos en zonas rural al menos durante el periodo comprendido entre 2004 y 2012. Esta parte de la tesis tiene como objetivo identificar las fuerzas impulsoras detrás de estas dinámicas en el Perú mediante el uso de un modelo de microsimulación basado en modelos de generación de ingresos aplicado a nivel los hogares rurales. Los resultados indican que la fuerza principal detrás de la reducción de la pobreza ha sido el crecimiento económico general de la economía, debido a las condiciones macroeconómicas favorables durante el periodo de estudio. Estos efectos de crecimiento beneficiaron a casi todos los sectores rurales, y dieron lugar a la disminución de la pobreza rural extrema, especialmente entre los agricultores de papas y de maíz. En parte, estos agricultores probablemente se beneficiaron de la apertura de los mercados agrícolas, que es lo que podría haber provocado un aumento de los precios al productor en tiempos de altos precios mundiales de los alimentos. Sin embargo, los resultados también sugieren que para una gran parte de la población más pobre existían barreras de entrada a la hora de poder participar en el empleo asalariado fuera de la agricultura o en la producción de cultivos de alto valor. Esto podría explicarse por la falta de acceso a unos activos importantes: por ejemplo, el nivel de educación de los pobres era apenas mejor en 2012 que en 2004; y también las dotaciones de tierra y de mano de obra, sobre todo de los productores pobres de maíz y patata, disminuyeron entre 2004 y 2012. Esto lleva a la conclusión de que aún hay margen para aplicar políticas para facilitar el acceso a estos activos, que podría contribuir a la erradicación de la pobreza rural. La tesis concluye que el comercio agrícola puede ser un importante medio para abastecer una población mundial creciente y más rica con una cantidad suficiente de calorías. Para evitar adversos efectos ambientales e impactos negativos para los consumidores y de los productores pobres, el enfoque debe centrarse en las mejoras de la productividad agrícola, teniendo en cuenta los límites ambientales y ser socialmente inclusivo. En este sentido, será indispensable seguir desarrollando soluciones tecnológicas que garanticen prácticas de producción agrícola minimizando el uso de recursos naturales. Además, para los pequeños pobres agricultores será fundamental eliminar las barreras de entrada a los mercados de exportación que podría tener efectos indirectos favorables a través de la adopción de nuevas tecnologías alcanzables a través de mercados internacionales. ABSTRACT The world is in a state of rapid transition. Ongoing globalization, population growth, rising living standards and increasing urbanization, accompanied by changing dietary patterns throughout the world, are increasing the demand for food. Together with more open trade regimes, this has triggered growing international agricultural trade during the last decade. For many Latin American countries, which are gifted with relative natural resource abundance, these trends have fueled rapid export growth of primary goods. In just 30 years, the Latin American agricultural market share has almost doubled from 10% in 1980 to 18% in 2010. These market developments have given rise to a debate around a number of crucial issues related to the role of agricultural trade for global food security, for the environment or for poverty reduction in developing countries. This thesis uses an integrated framework to analyze a broad array of possible impacts related to transforming agricultural and rural markets in light of globalization, and in particular of increasing trade activity. Specifically, the following issues are approached: First, global food production will have to rise substantially by the year 2050 to meet effective demand of a nine billion people world population which poses major challenges to food production systems. Doing so without compromising environmental integrity in exporting regions is an even greater challenge. In this context, the thesis explores the effects of future global trade liberalization on food security indicators in different world regions and on a variety of environmental indicators at different scales in Latin America and the Caribbean, in due consideration of different future agricultural production practices. The International Model for Policy Analysis of Agricultural Commodities and Trade (IMPACT) –a global dynamic partial equilibrium model of the agricultural sector developed by the International Food Policy Research Institute (IFPRI)– is applied to run different future production scenarios, and agricultural trade regimes out to 2050. Model results are linked to biophysical models, used to assess changes in water footprints and water quality, as well as impacts on biodiversity and carbon stocks from land use change by 2050. Results indicate that further trade liberalization is crucial for improving food security globally, but that it would also lead to more environmental pressures in some regions across Latin America. Contrasting land expansion versus more intensified agriculture shows that productivity improvements are generally superior to agricultural land expansion, from an economic and environmental point of view. Most promising for achieving food security and environmental goals, in equal measure, is the sustainable intensification scenario. However, the analysis shows that there are trade-offs between environmental and food security goals for all agricultural development paths. Second, in light of the recent food price crisis of 2007/08, the thesis looks at the impacts of increasing agricultural market integration on food price transmission from global to domestic markets in six Latin American countries, namely Argentina, Brazil, Chile, Colombia, Mexico and Peru. To identify possible cointegrating relationships between the domestic food consumer price indices and world food price levels, subject to different degrees of agricultural market integration in the six Latin American countries, a single equation error correction model is used. Results suggest that global agricultural market integration has led to different levels of price path-through in the studied countries. Especially in the short-run, transmission rates depend on the degree of trade openness, while in the long-run transmission rates are high, but largely independent of the country-specific trade regime. Hence, under world price shocks more trade openness brings with it more price instability in the short-term and the resulting persistence in the long-term. However, these findings do not necessarily verify the usefulness of trade policies, often applied by governments to buffer such price shocks. First, because there is a considerable risk of price volatility due to domestic supply shocks if self-sufficiency is promoted. Second, protectionism bears the risk of excluding a country from participating in beneficial high-value agricultural supply chains, thereby hampering economic development. Nevertheless, to reduce households’ vulnerability to sudden and large increases of food prices, effective policies to buffer food price shocks should be put in place, but must be carefully planned with the required budget readily available. Third, globalization affects the structure of an economy and, by different means, the distribution of income in a country. Peru serves as an example to dive deeper into questions related to changes in the income distribution in rural areas. Peru, a country being increasingly integrated into global food markets, experienced large drops in extreme rural poverty, but persistently high rates of moderate rural poverty and rural income inequality between 2004 and 2012. The thesis aims at disentangling the driving forces behind these dynamics by using a microsimulation model based on rural household income generation models. Results provide evidence that the main force behind poverty reduction was overall economic growth of the economy due to generally favorable macroeconomic market conditions. These growth effects benefited almost all rural sectors, and led to declines in extreme rural poverty, especially among potato and maize farmers. In part, these farmers probably benefited from policy changes towards more open trade regimes and the resulting higher producer prices in times of elevated global food price levels. However, the results also suggest that entry barriers existed for the poorer part of the population to participate in well-paid wage-employment outside of agriculture or in high-value crop production. This could be explained by a lack of sufficient access to important rural assets. For example, poor people’s educational attainment was hardly better in 2012 than in 2004. Also land and labor endowments, especially of (poor) maize and potato growers, rather decreased than increased over time. This leads to the conclusion that there is still scope for policy action to facilitate access to these assets, which could contribute to the eradication of rural poverty. The thesis concludes that agricultural trade can be one important means to provide a growing and richer world population with sufficient amounts of calories. To avoid adverse environmental effects and negative impacts for poor food consumers and producers, the focus should lie on agricultural productivity improvements, considering environmental limits and be socially inclusive. In this sense, it will be crucial to further develop technological solutions that guarantee resource-sparing agricultural production practices, and to remove entry barriers for small poor farmers to export markets which might allow for technological spill-over effects from high-value global agricultural supply chains.

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.

Multi-scale study of hydrogen isotopes structural properties in solid phase in the context of inertial fusion target manufacturing

Designing the ignition and high-gain targets for inertial confinement fusion (ICF) requires a condensed uniform layer of the hydrogen fuel on the inner surface of a spherical polymer shell. The fuel layers have to be highly uniform in thickness and roughness.

Toward Multi-Scale Object-Based Data Fusion

This paper proposes a new methodology for object based 2-D data fu- sion, with a multiscale character. This methodology is intended to be use in agriculture, specifically in the characterization of the water status of different crops, so as to have an appropriate water management at a farm-holding scale. As a first approach to its evaluation, vegetation cover vigor data has been integrated with texture data. For this purpose, NDVI maps have been calculated using a multispectral image and Lacunarity maps from the panchromatic image. Preliminary results show this methodology is viable in the integration and management of large volumes of data, which characterize the behavior of agricultural covers at farm-holding scale.

Multi-hazard analysis and identification of priority settlements for land management in Haiti

Seismic hazard study in “La Hispaniola” island in connection with the land tenure situation in the region, in order to define priority areas with a high risk, where some land management recommendations are proposed. The seismic hazard assessment has been carried out following the probabilistic method with a seismogenic zonation and including the major faults of the region as independent units. In order to identify the priority areas, it has taken into account, besides the seismic hazard study, the map of changes of static Coulomb failure stress and the landslide hazard map.

Rapid prototyping of multi-scale biomedical microdevices by combining additive manufacturing technologies

The possibility of designing and manufacturing biomedical microdevices with multiple length-scale geometries can help to promote special interactions both with their environment and with surrounding biological systems. These interactions aim to enhance biocompatibility and overall performance by using biomimetic approaches. In this paper, we present a design and manufacturing procedure for obtaining multi-scale biomedical microsystems based on the combination of two additive manufacturing processes: a conventional laser writer to manufacture the overall device structure, and a direct-laser writer based on two-photon polymerization to yield finer details. The process excels for its versatility, accuracy and manufacturing speed and allows for the manufacture of microsystems and implants with overall sizes up to several millimeters and with details down to sub-micrometric structures. As an application example we have focused on manufacturing a biomedical microsystem to analyze the impact of microtextured surfaces on cell motility. This process yielded a relevant increase in precision and manufacturing speed when compared with more conventional rapid prototyping procedures.

A multi-level analysis of innovation diffusion: The case of solar photovoltaic systems in Germany and the disillusion of grid parity

¿Suministrarán las fuentes de energía renovables toda la energía que el mundo necesita algún día? Algunos argumentan que sí, mientras que otros dicen que no. Sin embargo, en algunas regiones del mundo, la producción de electricidad a través de fuentes de energía renovables ya está en una etapa prometedora de desarrollo en la que su costo de generación de electricidad compite con fuentes de electricidad convencionales, como por ejemplo la paridad de red. Este logro ha sido respaldado por el aumento de la eficiencia de la tecnología, la reducción de los costos de producción y, sobre todo, los años de intervenciones políticas de apoyo financiero. La difusión de los sistemas solares fotovoltaicos (PV) en Alemania es un ejemplo relevante. Alemania no sólo es el país líder en términos de capacidad instalada de sistemas fotovoltaicos (PV) en todo el mundo, sino también uno de los países pioneros donde la paridad de red se ha logrado recientemente. No obstante, podría haber una nube en el horizonte. La tasa de difusión ha comenzado a declinar en muchas regiones. Además, las empresas solares locales – que se sabe son importantes impulsores de la difusión – han comenzado a enfrentar dificultades para manejar sus negocios. Estos acontecimientos plantean algunas preguntas importantes: ¿Es ésta una disminución temporal en la difusión? ¿Los adoptantes continuarán instalando sistemas fotovoltaicos? ¿Qué pasa con los modelos de negocio de las empresas solares locales? Con base en el caso de los sistemas fotovoltaicos en Alemania a través de un análisis multinivel y dos revisiones literarias complementarias, esta tesis doctoral extiende el debate proporcionando riqueza múltiple de datos empíricos en un conocimiento de contexto limitado. El primer análisis se basa en la perspectiva del adoptante, que explora el nivel "micro" y el proceso social que subyace a la adopción de los sistemas fotovoltaicos. El segundo análisis es una perspectiva a nivel de empresa, que explora los modelos de negocio de las empresas y sus roles impulsores en la difusión de los sistemas fotovoltaicos. El tercero análisis es una perspectiva regional, la cual explora el nivel "meso", el proceso social que subyace a la adopción de sistemas fotovoltaicos y sus técnicas de modelado. Los resultados incluyen implicaciones tanto para académicos como políticos, no sólo sobre las innovaciones en energía renovable relativas a la paridad de red, sino también, de manera inductiva, sobre las innovaciones ambientales impulsadas por las políticas que logren la competitividad de costes. ABSTRACT Will renewable energy sources supply all of the world energy needs one day? Some argue yes, while others say no. However, in some regions of the world, the electricity production through renewable energy sources is already at a promising stage of development at which their electricity generation costs compete with conventional electricity sources’, i.e., grid parity. This achievement has been underpinned by the increase of technology efficiency, reduction of production costs and, above all, years of policy interventions of providing financial support. The diffusion of solar photovoltaic (PV) systems in Germany is an important frontrunner case in point. Germany is not only the top country in terms of installed PV systems’ capacity worldwide but also one of the pioneer countries where the grid parity has recently been achieved. However, there might be a cloud on the horizon. The diffusion rate has started to decline in many regions. In addition, local solar firms – which are known to be important drivers of diffusion – have started to face difficulties to run their businesses. These developments raise some important questions: Is this a temporary decline on diffusion? Will adopters continue to install PV systems? What about the business models of the local solar firms? Based on the case of PV systems in Germany through a multi-level analysis and two complementary literature reviews, this PhD Dissertation extends the debate by providing multiple wealth of empirical details in a context-limited knowledge. The first analysis is based on the adopter perspective, which explores the “micro” level and the social process underlying the adoption of PV systems. The second one is a firm-level perspective, which explores the business models of firms and their driving roles in diffusion of PV systems. The third one is a regional perspective, which explores the “meso” level, i.e., the social process underlying the adoption of PV systems and its modeling techniques. The results include implications for both scholars and policymakers, not only about renewable energy innovations at grid parity, but also in an inductive manner, about policy-driven environmental innovations that achieve the cost competiveness.

Analysis of Contributions to NO2 Ambient Air Quality Levels in Madrid City (Spain) through Modeling. Implications for the Development of Policies and Air Quality Monitoring

As environmental standards become more stringent (e.g. European Directive 2008/50/EC), more reliable and sophisticated modeling tools are needed to simulate measures and plans that may effectively tackle air quality exceedances, common in large cities across Europe, particularly for NO2. Modeling air quality in urban areas is rather complex since observed concentration values are a consequence of the interaction of multiple sources and processes that involve a wide range of spatial and temporal scales. Besides a consistent and robust multi-scale modeling system, comprehensive and flexible emission inventories are needed. This paper discusses the application of the WRF-SMOKE-CMAQ system to the Madrid city (Spain) to assess the contribution of the main emitting sectors in the region. A detailed emission inventory was compiled for this purpose. This inventory relies on bottom-up methods for the most important sources. It is coupled with the regional traffic model and it makes use of an extensive database of industrial, commercial and residential combustion plants. Less relevant sources are downscaled from national or regional inventories. This paper reports the methodology and main results of the source apportionment study performed to understand the origin of pollution (main sectors and geographical areas) and define clear targets for the abatement strategy. Finally the structure of the air quality monitoring is analyzed and discussed to identify options to improve the monitoring strategy not only in the Madrid city but the whole metropolitan area.

On the Extension of the Analytic Nodal Diffusion Solver ANDES to Sodium Fast Reactors

Within the framework of the Collaborative Project for a European Sodium Fast Reactor, the reactor physics group at UPM is working on the extension of its in-house multi-scale advanced deterministic code COBAYA3 to Sodium Fast Reactors (SFR). COBAYA3 is a 3D multigroup neutron kinetics diffusion code that can be used either as a pin-by-pin code or as a stand-alone nodal code by using the analytic nodal diffusion solver ANDES. It is coupled with thermalhydraulics codes such as COBRA-TF and FLICA, allowing transient analysis of LWR at both fine-mesh and coarse-mesh scales. In order to enable also 3D pin-by-pin and nodal coupled NK-TH simulations of SFR, different developments are in progress. This paper presents the first steps towards the application of COBAYA3 to this type of reactors. ANDES solver, already extended to triangular-Z geometry, has been applied to fast reactor steady-state calculations. The required cross section libraries were generated with ERANOS code for several configurations. The limitations encountered in the application of the Analytic Coarse Mesh Finite Difference (ACMFD) method –implemented inside ANDES– to fast reactors are presented and the sensitivity of the method when using a high number of energy groups is studied. ANDES performance is assessed by comparison with the results provided by ERANOS, using a mini-core model in 33 energy groups. Furthermore, a benchmark from the NEA for a small 3D FBR in hexagonal-Z geometry and 4 energy groups is also employed to verify the behavior of the code with few energy groups.

Computational methods to create and analyze a digital gene expression atlas of embryo development from microscopy images

Abstract The creation of atlases, or digital models where information from different subjects can be combined, is a field of increasing interest in biomedical imaging. When a single image does not contain enough information to appropriately describe the organism under study, it is then necessary to acquire images of several individuals, each of them containing complementary data with respect to the rest of the components in the cohort. This approach allows creating digital prototypes, ranging from anatomical atlases of human patients and organs, obtained for instance from Magnetic Resonance Imaging, to gene expression cartographies of embryo development, typically achieved from Light Microscopy. Within such context, in this PhD Thesis we propose, develop and validate new dedicated image processing methodologies that, based on image registration techniques, bring information from multiple individuals into alignment within a single digital atlas model. We also elaborate a dedicated software visualization platform to explore the resulting wealth of multi-dimensional data and novel analysis algo-rithms to automatically mine the generated resource in search of bio¬logical insights. In particular, this work focuses on gene expression data from developing zebrafish embryos imaged at the cellular resolution level with Two-Photon Laser Scanning Microscopy. Disposing of quantitative measurements relating multiple gene expressions to cell position and their evolution in time is a fundamental prerequisite to understand embryogenesis multi-scale processes. However, the number of gene expressions that can be simultaneously stained in one acquisition is limited due to optical and labeling constraints. These limitations motivate the implementation of atlasing strategies that can recreate a virtual gene expression multiplex. The developed computational tools have been tested in two different scenarios. The first one is the early zebrafish embryogenesis where the resulting atlas constitutes a link between the phenotype and the genotype at the cellular level. The second one is the late zebrafish brain where the resulting atlas allows studies relating gene expression to brain regionalization and neurogenesis. The proposed computational frameworks have been adapted to the requirements of both scenarios, such as the integration of partial views of the embryo into a whole embryo model with cellular resolution or the registration of anatom¬ical traits with deformable transformation models non-dependent on any specific labeling. The software implementation of the atlas generation tool (Match-IT) and the visualization platform (Atlas-IT) together with the gene expression atlas resources developed in this Thesis are to be made freely available to the scientific community. Lastly, a novel proof-of-concept experiment integrates for the first time 3D gene expression atlas resources with cell lineages extracted from live embryos, opening up the door to correlate genetic and cellular spatio-temporal dynamics. La creación de atlas, o modelos digitales, donde la información de distintos sujetos puede ser combinada, es un campo de creciente interés en imagen biomédica. Cuando una sola imagen no contiene suficientes datos como para describir apropiadamente el organismo objeto de estudio, se hace necesario adquirir imágenes de varios individuos, cada una de las cuales contiene información complementaria respecto al resto de componentes del grupo. De este modo, es posible crear prototipos digitales, que pueden ir desde atlas anatómicos de órganos y pacientes humanos, adquiridos por ejemplo mediante Resonancia Magnética, hasta cartografías de la expresión genética del desarrollo de embrionario, típicamente adquiridas mediante Microscopía Optica. Dentro de este contexto, en esta Tesis Doctoral se introducen, desarrollan y validan nuevos métodos de procesado de imagen que, basándose en técnicas de registro de imagen, son capaces de alinear imágenes y datos provenientes de múltiples individuos en un solo atlas digital. Además, se ha elaborado una plataforma de visualization específicamente diseñada para explorar la gran cantidad de datos, caracterizados por su multi-dimensionalidad, que resulta de estos métodos. Asimismo, se han propuesto novedosos algoritmos de análisis y minería de datos que permiten inspeccionar automáticamente los atlas generados en busca de conclusiones biológicas significativas. En particular, este trabajo se centra en datos de expresión genética del desarrollo embrionario del pez cebra, adquiridos mediante Microscopía dos fotones con resolución celular. Disponer de medidas cuantitativas que relacionen estas expresiones genéticas con las posiciones celulares y su evolución en el tiempo es un prerrequisito fundamental para comprender los procesos multi-escala característicos de la morfogénesis. Sin embargo, el número de expresiones genéticos que pueden ser simultáneamente etiquetados en una sola adquisición es reducido debido a limitaciones tanto ópticas como del etiquetado. Estas limitaciones requieren la implementación de estrategias de creación de atlas que puedan recrear un multiplexado virtual de expresiones genéticas. Las herramientas computacionales desarrolladas han sido validadas en dos escenarios distintos. El primer escenario es el desarrollo embrionario temprano del pez cebra, donde el atlas resultante permite constituir un vínculo, a nivel celular, entre el fenotipo y el genotipo de este organismo modelo. El segundo escenario corresponde a estadios tardíos del desarrollo del cerebro del pez cebra, donde el atlas resultante permite relacionar expresiones genéticas con la regionalización del cerebro y la formación de neuronas. La plataforma computacional desarrollada ha sido adaptada a los requisitos y retos planteados en ambos escenarios, como la integración, a resolución celular, de vistas parciales dentro de un modelo consistente en un embrión completo, o el alineamiento entre estructuras de referencia anatómica equivalentes, logrado mediante el uso de modelos de transformación deformables que no requieren ningún marcador específico. Está previsto poner a disposición de la comunidad científica tanto la herramienta de generación de atlas (Match-IT), como su plataforma de visualización (Atlas-IT), así como las bases de datos de expresión genética creadas a partir de estas herramientas. Por último, dentro de la presente Tesis Doctoral, se ha incluido una prueba conceptual innovadora que permite integrar los mencionados atlas de expresión genética tridimensionales dentro del linaje celular extraído de una adquisición in vivo de un embrión. Esta prueba conceptual abre la puerta a la posibilidad de correlar, por primera vez, las dinámicas espacio-temporales de genes y células.

Implicaciones de la accesibilidad configuracional en la movilidad peatonal. El caso de Madrid = The implications of configurational accessibility in pedestrian mobility. The case of Madrid

- Resumen La hipótesis que anima esta tesis doctoral es que algunas de las características del entorno urbano, en particular las que describen la accesibilidad de su red de espacio público, podrían estar relacionadas con la proporción de viajes a pie o reparto modal, que tiene cada zona o barrio de Madrid. Uno de los puntos de partida de dicha hipótesis que el entorno urbano tiene una mayor influencia sobre los viaje a pie que en sobre otros modos de transporte, por ejemplo que en los viajes de bicicleta o en transporte público; y es que parece razonable suponer que estos últimos van a estar más condicionadas por ejemplo por la disponibilidad de vías ciclistas, en el primer caso, o por la existencia de un servicio fiable y de calidad, en el segundo. Otra de las motivaciones del trabajo es que la investigación en este campo de la accesibilidad del espacio público, en concreto la denominada “Space Syntax”, ha probado en repetidas ocasiones la influencia de la red de espacio público en cómo se distribuye la intensidad del tráfico peatonal por la trama urbana, pero no se han encontrado referencias de la influencia de dicho elemento sobre el reparto modal. De acuerdo con la hipótesis y con otros trabajos anteriores se propone una metodología basada en el análisis empírico y cuantitativo. Su objetivo es comprobar si la red de espacio público, independientemente de otras variables como los usos del suelo, incluso de las variables de ajenas entorno no construido, como las socioeconómicas, está o no relacionada estadísticamente con la proporción de peatones viajes en las zonas urbanas. Las técnicas estadísticas se utilizan para comprobar sistemáticamente la asociación de las variables del entorno urbano, denominadas variables independientes, con el porcentaje de viajes a pie, la variable dependiente. En términos generales, la metodología es similar a la usada en otros trabajos en este campo como los de CERVERÓ y KOCKLEMAN (1997), CERVERÓ y DUNCAN (2003), o para los que se utilizan principalmente en la revisión general de TRB (2005) o, más recientemente, en ZEGRAS (2006) o CHATMAN (2009). Otras opciones metodológicas, como los métodos de preferencias declaradas (ver LOUVIERE, HENSHER y SWAIT, 2000) o el análisis basado en agentes (PENN & TURNER, 2004) fueron descartados, debido a una serie de razones, demasiado extensas para ser descritas aquí. El caso de estudio utilizado es la zona metropolitana de Madrid, abarcándola hasta la M-50, es decir en su mayor parte, con un tamaño aproximado de 31x34 Km y una población de 4.132.820 habitantes (aproximadamente el 80% de la población de la región). Las principales fuentes de datos son la Encuesta Domiciliaria de Movilidad de 2004 (EDM04), del Consorcio Regional de Transportes de Madrid que es la última disponible (muestra: > 35.000 familias,> 95.000 personas), y un modelo espacial del área metropolitana, integrando el modelo para calcular los índices de Space Syntax y un Sistema de Información Geográfica (SIG). La unidad de análisis, en este caso las unidades espaciales, son las zonas de transporte (con una población media de 7.063 personas) y los barrios (con una población media de 26.466 personas). Las variables del entorno urbano son claramente el centro del estudio. Un total de 20 índices (de 21) se seleccionan de entre los más relevantes encontrados en la revisión de la producción científica en este campo siendo que, al mismo tiempo, fueran accesibles. Nueve de ellos se utilizan para describir las características de los usos del suelo, mientras que otros once se usan para describir la red de espacios públicos. Estos últimos incluyen las variables de accesibilidad configuracional, que son, como se desprende de su título, el centro del estudio propuesto. La accesibilidad configuracional es un tipo especial de accesibilidad que se basa en la configuración de la trama urbana, según esta fue definida por HILLIER (1996), el autor de referencia dentro de esta línea de investigación de Space Syntax. Además se incluyen otras variables de la red de espacio público más habituales en los estudios de movilidad, y que aquí se denominan características geométricas de los elementos de la red, tales como su longitud, tipo de intersección, conectividad, etc. Por último se incluye además una variable socioeconómica, es decir ajena al entorno urbano, para evaluar la influencia de los factores externos, pues son varios los que pueden tener un impacto en la decisión de caminar (edad, género, nivel de estudios, ingresos, tasa de motorización, etc.). La asociación entre las variables se han establecido usando análisis de correlación (bivariante) y modelos de análisis multivariante. Las primeras se calculan entre por pares entre cada una de las 21 variables independientes y la dependiente, el porcentaje de viajes a pie. En cuanto a los segundos, se han realizado tres tipos de estudios: modelo multivariante general lineal, modelo multivariante general curvilíneo y análisis discriminante. Todos ellos son capaces de generar modelos de asociación entre diversas variables, pudiéndose de esta manera evaluar con bastante precisión en qué medida cada modelo reproduce el comportamiento de la variable dependiente, y además, el peso o influencia de cada variable en el modelo respecto a las otras. Los resultados fundamentales del estudio se expresan en dos modelos finales alternativos, que demuestran tener una significativa asociación con el porcentaje de viajes a pie (R2 = 0,6789, p <0,0001), al explicar las dos terceras partes de su variabilidad. En ellos, y en general en todo el estudio realizado, se da una influencia constante de tres índices en particular, que quedan como los principales. Dos de ellos, de acuerdo con muchos de los estudios previos, corresponden a la densidad y la mezcla de usos del suelo. Pero lo más novedoso de los resultados obtenidos es que el tercero es una medida de la accesibilidad de la red de espacio público, algo de lo que no había referencias hasta ahora. Pero, ¿cuál es la definición precisa y el peso relativo de cada uno en el modelo, es decir, en la variable independiente? El de mayor peso en la mayor parte de los análisis realizados es el índice de densidad total (n º residentes + n º puestos de trabajo + n º alumnos / Ha). Es decir, una densidad no sólo de población, sino que incluye algunas de las actividades más importantes que pueden darse una zona para generar movilidad a pie. El segundo que mayor peso adquiere, llegando a ser el primero en alguno de los análisis estadísticos efecturados, es el índice de accesibuilidad configuracional denominado integración de radio 5. Se trata de una medida de la accesibilidad de la zona, de su centralidad, a la escala de, más un menor, un distrito o comarca. En cuanto al tercero, obtiene una importancia bastante menor que los anteriores, y es que representa la mezcla de usos. En concreto es una medida del equilibrio entre los comercios especializados de venta al por menor y el número de residentes (n º de tiendas especializadas en alimentación, bebidas y tabaco / n º de habitantes). Por lo tanto, estos resultados confirman buena parte de los de estudios anteriores, especialmente los relativas a los usos del suelo, pero al mismo tiempo, apuntan a que la red de espacio público podría tener una influir mayor de la comprobada hasta ahora en la proporción de peatones sobre el resto de modos de transportes. Las razones de por qué esto puede ser así, se discuten ampliamente en las conclusiones. Finalmente se puede precisar que dicha conclusión principal se refiere a viajes de una sola etapa (no multimodales) que se dan en los barrios y zonas del área metropolitana de Madrid. Por supuesto, esta conclusión tiene en la actualidad, una validez limitada, ya que es el resultado de un solo caso — Abstract The research hypothesis for this Ph.D. Thesis is that some characteristics of the built environment, particularly those describing the accessibility of the public space network, could be associated with the proportion of pedestrians in all trips (modal split), found in the different parts of a city. The underlying idea is that walking trips are more sensitive to built environment than those by other transport modes, such as for example those by bicycle or by public transport, which could be more conditioned by, e.g. infrastructure availability or service frequency and quality. On the other hand, it has to be noted that the previously research on this field, in particular within Space Syntax’s where this study can be referred, have tested similar hypothesis using pedestrian volumes as the dependent variable, but never against modal split. According to such hypothesis, research methodology is based primarily on empirical quantitative analysis, and it is meant to be able to assess whether public space network, no matter other built environment and non-built environment variables, could have a relationship with the proportion of pedestrian trips in urban areas. Statistical techniques are used to check the association of independent variables with the percentage of walking in all trips, the dependent one. Broadly speaking this methodology is similar to that of previous studies in the field such as CERVERO&KOCKLEMAN (1997), CERVERO & DUNCAN (2003), or to those used mainly in the general review of T.R.B. (2005) or, more recently in ZEGRAS (2006) or CHATMAN (2009). Other methodological options such as stated choice methods (see LOUVIERE, HENSHER & SWAIT, 2000) or agent based analysis (PENN & TURNER, 2004), were discarded, due to a number of reasons, too long to be described here. The case study is not the entire Madrid’s metropolitan area, but almost (4.132.820 inhabitants, about 80% of region´s population). Main data sources are the Regional Mobility Home Based Survey 2004 (EDM04), which is the last available (sample: >35.000 families, > 95.000 individuals), and a spatial model of the metropolitan area, developed using Space Syntax and G.I.S. techniques. The analysis unit, in this case spatial units, are both transport zones (mean population = 7.063) and neighborhoods (mean population = 26.466). The variables of the built environment are clearly the core of the study. A total of 20 (out of 21) are selected from among those found in the literature while, at the same time, being accessible. Nine out of them are used to describe land use characteristics while another eleven describe the network of public spaces. Latter ones include configurational accessibility or Space Syntax variables. This is a particular sort of accessibility related with the concept of configuration, by HILLIER (1996), one of the main authors of Space Syntax, But it also include more customary variables used in mobility research to describe the urban design or spatial structure (here public space network), which here are called geometric characteristics of the such as its length, type of intersection, conectivity, density, etc. Finally a single socioeconomic variable was included in order to assess the influence non built environment factors that also may have an impact on walking (age, income, motorization rate, etc.). The association among variables is worked out using bi-variate correlation analysis and multivariate-analysis. Correlations are calculated among the 21 independent variables and the dependent one, the percentage of walking trips. Then, three types of multi-variate studies are run: general linear, curvilinear and discriminant multi-variate analysis. The latter are fully capable of generating complex association models among several variables, assessing quite precisely to what extent each model reproduces the behavior of the dependent variable, and also the weight or influence of each variable in the model. This study’s results show a consistent influence of three particular indexes in the two final alternative models of the multi-variate study (best, R2=0,6789, p<0,0000). Not surprisingly, two of them correspond to density and mix of land uses. But perhaps more interesting is that the third one is a measure of the accessibility of the public space network, a variable less important in the literature up to now. Additional precisions about them and their relative weight could also be of some interest. The density index is not only about population but includes most important activities in an area (nº residents + nº jobs+ nº students/Ha). The configurational index (radius 5 integration) is a measure of the accessibility of the area, i.e. centrality, at the scale of, more a less, a district. Regarding the mix of land uses index, this one is a measure of the balance between retail, in fact local basic retail, and the number of residents (nº of convenience shops / nº of residents). Referring to their weights, configurational index (radius 5 integration) gets the higher standardized coefficient of the final equation. However, in the final equations, there are a higher number of indexes coming from the density or land use mix categories than from public space network enter. Therefore, these findings seem to support part of the field’s knowledge, especially those concerning land uses, but at the same time they seem to bring in the idea that the configuration of the urban grid could have an influence in the proportion of walkers (as a part of total trips on any transport mode) that do single journey trips in the neighborhoods of Madrid, Spain. Of course this conclusion has, at present, a limited validity since it’s the result of a single case. The reasons of why this can be so, are discussed in the last part of the thesis.

Water scarcity and climate change impact and vulnerability in irrigated agriculture in Mediterranean river basins

Actualmente, la escasez de agua constituye un importante problema en muchos lugares del mundo. El crecimiento de la población, la creciente necesidad de alimentos, el desarrollo socio-económico y el cambio climático ejercen una importante y cada vez mayor presión sobre los recursos hídricos, a la que muchos países van a tener que enfrentarse en los próximos anos. La región Mediterránea es una de las regiones del mundo de mayor escasez de recursos hídricos, y es además una de las zonas más vulnerables al cambio climático. La mayoría de estudios sobre cambio climático prevén mayores temperaturas y una disminución de las precipitaciones, y una creciente escasez de agua debida a la disminución de recursos disponibles y al aumento de las demandas de riego. En el contexto actual de desarrollo de políticas se demanda cada vez más una mayor consideración del cambio climático en el marco de las políticas sectoriales. Sin embargo, los estudios enfocados a un solo sector no reflejan las múltiples dimensiones del los efectos del cambio climático. Numerosos estudios científicos han demostrado que el cambio climático es un fenómeno de naturaleza multi-dimensional y cuyos efectos se transmiten a múltiples escalas. Por tanto, es necesaria la producción de estudios y herramientas de análisis capaces de reflejar todas estas dimensiones y que contribuyan a la elaboración de políticas robustas en un contexto de cambio climático. Esta investigación pretende aportar una visión global de la problemática de la escasez de agua y los impactos, la vulnerabilidad y la adaptación al cambio climático en el contexto de la región mediterránea. La investigación presenta un marco integrado de modelización que se va ampliando progresivamente en un proceso secuencial y multi-escalar en el que en cada etapa se incorpora una nueva dimensión. La investigación consta de cuatro etapas que se abordan a lo largo de cuatro capítulos. En primer lugar, se estudia la vulnerabilidad económica de las explotaciones de regadío del Medio Guadiana, en España. Para ello, se utiliza un modelo de programación matemática en combinación con un modelo econométrico. A continuación, en la segunda etapa, se utiliza un modelo hidro-económico que incluye un modelo de cultivo para analizar los procesos que tienen lugar a escala de cultivo, explotación y cuenca teniendo en cuenta distintas escalas geográficas y de toma de decisiones. Esta herramienta permite el análisis de escenarios de cambio climático y la evaluación de posibles medidas de adaptación. La tercera fase consiste en el análisis de las barreras que dificultan la aplicación de procesos de adaptación para lo cual se analizan las redes socio-institucionales en la cuenca. Finalmente, la cuarta etapa aporta una visión sobre la escasez de agua y el cambio climático a escala nacional y regional mediante el estudio de distintos escenarios de futuro plausibles y los posibles efectos de las políticas en la escasez de agua. Para este análisis se utiliza un modelo econométrico de datos de panel para la región mediterránea y un modelo hidro-económico que se aplica a los casos de estudio de España y Jordania. Los resultados del estudio ponen de relieve la importancia de considerar múltiples escalas y múltiples dimensiones en el estudio de la gestión de los recursos hídricos y la adaptación al cambio climático en los contextos mediterráneos de escasez de agua estudiados. Los resultados muestran que los impactos del cambio climático en la cuenca del Guadiana y en el conjunto de España pueden comprometer la sostenibilidad del regadío y de los ecosistemas. El análisis a escala de cuenca hidrográfica resalta la importancia de las interacciones entre los distintos usuarios del agua y en concreto entre distintas comunidades de regantes, así como la necesidad de fortalecer el papel de las instituciones y de fomentar la creación de una visión común en la cuenca para facilitar la aplicación de los procesos de adaptación. Asimismo, los resultados de este trabajo evidencian también la capacidad y el papel fundamental de las políticas para lograr un desarrollo sostenible y la adaptación al cambio climático es regiones de escasez de agua tales como la región mediterránea. Especialmente, este trabajo pone de manifiesto el potencial de la Directiva Marco del Agua de la Unión Europea para lograr una efectiva adaptación al cambio climático. Sin embargo, en Jordania, además de la adaptación al cambio climático, es preciso diseñar estrategias de desarrollo sostenible más ambiciosas que contribuyan a reducir el riesgo futuro de escasez de agua. ABSTRACT Water scarcity is becoming a major concern in many parts of the world. Population growth, increasing needs for food production, socio-economic development and climate change represent pressures on water resources that many countries around the world will have to deal in the coming years. The Mediterranean region is one of the most water scarce regions of the world and is considered a climate change hotspot. Most projections of climate change envisage an increase in temperatures and a decrease in precipitation and a resulting reduction in water resources availability as a consequence of both reduced water availability and increased irrigation demands. Current policy development processes require the integration of climate change concerns into sectoral policies. However, sector-oriented studies often fail to address all the dimensions of climate change implications. Climate change research in the last years has evidenced the need for more integrated studies and methodologies that are capable of addressing the multi-scale and multi-dimensional nature of climate change. This research attempts to provide a comprehensive view of water scarcity and climate change impacts, vulnerability and adaptation in Mediterranean contexts. It presents an integrated modelling framework that is progressively enlarged in a sequential multi-scale process in which a new dimension of climate change and water resources is addressed at every stage. It is comprised of four stages, each one explained in a different chapter. The first stage explores farm-level economic vulnerability in the Spanish Guadiana basin using a mathematical programming model in combination with an econometric model. Then, in a second stage, the use of a hydro-economic modelling framework that includes a crop growth model allows for the analysis of crop, farm and basin level processes taking into account different geographical and decision-making scales. This integrated tool is used for the analysis of climate change scenarios and for the assessment of potential adaptation options. The third stage includes the analysis of barriers to the effective implementation of adaptation processes based on socioinstitutional network analysis. Finally, a regional and country level perspective of water scarcity and climate change is provided focusing on different possible socio-economic development pathways and the effect of policies on future water scarcity. For this analysis, a panel-data econometric model and a hydro-economic model are applied for the analysis of the Mediterranean region and country level case studies in Spain and Jordan. The overall results of the study demonstrate the value of considering multiple scales and multiple dimensions in water management and climate change adaptation in the Mediterranean water scarce contexts analysed. Results show that climate change impacts in the Guadiana basin and in Spain may compromise the sustainability of irrigation systems and ecosystems. The analysis at the basin level highlights the prominent role of interactions between different water users and irrigation districts and the need to strengthen institutional capacity and common understanding in the basin to enhance the implementation of adaptation processes. The results of this research also illustrate the relevance of water policies in achieving sustainable development and climate change adaptation in water scarce areas such as the Mediterranean region. Specifically, the EU Water Framework Directive emerges as a powerful trigger for climate change adaptation. However, in Jordan, outreaching sustainable development strategies are required in addition to climate change adaptation to reduce future risk of water scarcity.

Drivers in adopting adaptation strategies to face increased water scarcity in agriculture. A case study in Doñana (Spain) and Makueni (Kenya)

La agricultura es uno de los sectores más afectados por el cambio climático. A pesar de haber demostrado a lo largo de la historia una gran capacidad para adaptarse a nuevas situaciones, hoy en día la agricultura se enfrenta a nuevos retos tales como satisfacer un elevado crecimiento en la demanda de alimentos, desarrollar una agricultura sostenible con el medio ambiente y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. El potencial de adaptación debe ser definido en un contexto que incluya el comportamiento humano, ya que éste juega un papel decisivo en la implementación final de las medidas. Por este motivo, y para desarrollar correctamente políticas que busquen influir en el comportamiento de los agricultores para fomentar la adaptación a estas nuevas condiciones, es necesario entender previamente los procesos de toma de decisiones a nivel individual o de explotación, así como los efectos de los factores que determinan las barreras o motivaciones de la implementación de medidas. Esta Tesis doctoral trata de profundizar en el análisis de factores que influyen en la toma de decisiones de los agricultores para adoptar estrategias de adaptación al cambio climático. Este trabajo revisa la literatura actual y desarrolla un marco metodológico a nivel local y regional. Dos casos de estudio a nivel local (Doñana, España y Makueni, Kenia) han sido llevados a cabo con el fin de explorar el comportamiento de los agricultores hacia la adaptación. Estos casos de estudio representan regiones con notables diferencias en climatología, impactos del cambio climático, barreras para la adaptación y niveles de desarrollo e influencia de las instituciones públicas y privadas en la agricultura. Mientras el caso de estudio de Doñana representa un ejemplo de problemas asociados al uso y escasez del agua donde se espera que se agraven en el futuro, el caso de estudio de Makueni ejemplifica una zona fuertemente amenazada por las predicciones de cambio climático, donde adicionalmente la falta de infraestructura y la tecnología juegan un papel crucial para la implementación de la adaptación. El caso de estudio a nivel regional trata de generalizar en África el comportamiento de los agricultores sobre la implementación de medidas. El marco metodológico que se ha seguido en este trabajo abarca una amplia gama de enfoques y métodos para la recolección y análisis de datos. Los métodos utilizados para la toma de datos incluyen la implementación de encuestas, entrevistas, talleres con grupos de interés, grupos focales de discusión, revisión de estudios previos y bases de datos públicas. Los métodos analíticos incluyen métodos estadísticos, análisis multi‐criterio para la toma de decisiones, modelos de optimización de uso del suelo y un índice compuesto calculado a través de indicadores. Los métodos estadísticos se han utilizado con el fin de evaluar la influencia de los factores socio‐económicos y psicológicos sobre la adopción de medidas de adaptación. Dentro de estos métodos se incluyen regresiones logísticas, análisis de componentes principales y modelos de ecuaciones estructurales. Mientras que el análisis multi‐criterio se ha utilizado con el fin de evaluar las opciones de adaptación de acuerdo a las opiniones de las diferentes partes interesadas, el modelo de optimización ha tenido como fin analizar la combinación óptima de medidas de adaptación. El índice compuesto se ha utilizado para evaluar a nivel regional la implementación de medidas de adaptación en África. En general, los resultados del estudio ponen de relieve la gran importancia de considerar diferentes escalas espaciales a la hora de evaluar la implementación de medidas de adaptación al cambio climático. El comportamiento de los agricultores es diferente entre lugares considerados a una escala local relativamente pequeña, por lo que la generalización de los patrones del comportamiento a escalas regionales o globales resulta relativamente compleja. Los resultados obtenidos han permitido identificar factores determinantes tanto socioeconómicos como psicológicos y calcular su efecto sobre la adopción de medidas de adaptación. Además han proporcionado una mejor comprensión del distinto papel que desempeñan los cinco tipos de capital (natural, físico, financiero, social y humano) en la implementación de estrategias de adaptación. Con este trabajo se proporciona información de gran interés en los procesos de desarrollo de políticas destinadas a mejorar el apoyo de la sociedad a tomar medidas contra el cambio climático. Por último, en el análisis a nivel regional se desarrolla un índice compuesto que muestra la probabilidad de adoptar medidas de adaptación en las regiones de África y se analizan las causas que determinan dicha probabilidad de adopción de medidas. ABSTRACT Agriculture is and will continue to be one of the sectors most affected by climate change. Despite having demonstrated throughout history a great ability to adapt, agriculture today faces new challenges such as meeting growing food demands, developing sustainable agriculture and reducing greenhouse gas emissions. Adaptation policies planned on global, regional or local scales are ultimately implemented in decision‐making processes at the farm or individual level so adaptation potentials have to be set within the context of individual behaviour and regional institutions. Policy instruments can play a formative role in the adoption of such policies by addressing incentives/disincentives that influence farmer’s behaviour. Hence understanding farm‐level decision‐making processes and the influence of determinants of adoption is crucial when designing policies aimed at fostering adoption. This thesis seeks to analyse the factors that influence decision‐making by farmers in relation to the uptake of adaptation options. This work reviews the current knowledge and develops a methodological framework at local and regional level. Whilst the case studies at the local level are conducted with the purpose of exploring farmer’s behaviour towards adaptation the case study at the regional level attempts to up‐scale and generalise theory on adoption of farmlevel adaptation options. The two case studies at the local level (Doñana, Spain and Makueni, Kenya) encompass areas with different; climates, impacts of climate change, adaptation constraints and limits, levels of development, institutional support for agriculture and influence from public and private institutions. Whilst the Doñana Case Study represents an area plagued with water‐usage issues, set to be aggravated further by climate change, Makueni Case study exemplifies an area decidedly threatened by climate change where a lack of infrastructure and technology plays a crucial role in the uptake of adaptation options. The proposed framework is based on a wide range of approaches for collecting and analysing data. The approaches used for data collection include the implementation of surveys, interviews, stakeholder workshops, focus group discussions, a review of previous case studies, and public databases. The analytical methods include statistical approaches, multi criteria analysis for decision‐making, land use optimisation models, and a composite index based on public databases. Statistical approaches are used to assess the influence of socio‐economic and psychological factors on the adoption or support for adaptation measures. The statistical approaches used are logistic regressions, principal component analysis and structural equation modelling. Whilst a multi criteria analysis approach is used to evaluate adaptation options according to the different perspectives of stakeholders, the optimisation model analyses the optimal combination of adaptation options. The composite index is developed to assess adoption of adaptation measures in Africa. Overall, the results of the study highlight the importance of considering various scales when assessing adoption of adaptation measures to climate change. As farmer’s behaviour varies at a local scale there is elevated complexity when generalising behavioural patterns for farmers at regional or global scales. The results identify and estimate the effect of most relevant socioeconomic and psychological factors that influence adoption of adaptation measures to climate change. They also provide a better understanding of the role of the five types of capital (natural, physical, financial, social, and human) on the uptake of farm‐level adaptation options. These assessments of determinants help to explain adoption of climate change measures and provide helpful information in order to design polices aimed at enhancing societal support for adaptation policies. Finally the analysis at the regional level develops a composite index which suggests the likelihood of the regions in Africa to adopt farm‐level adaptation measures and analyses the main causes of this likelihood of adoption.

Building resilience to water scarcity in Southern Spain: A case study of rice farming in Doñana protected wetlands

Agricultural water management needs to evolve in view of increased water scarcity, especially when farming and natural protected areas are closely linked. In the study site of Don?ana (southern Spain), water is shared by rice producers and a world heritage biodiversity ecosystem. Our aim is to contribute to defining adaptation strategies that may build resilience to increasing water scarcity and minimize water conflicts among agricultural and natural systems. The analytical framework links a participatory process with quantitative methods to prioritize the adaptation options. Bottom-up proposed adaptation measures are evaluated by a multi-criteria analysis (MCA) that includes both socioeconomic criteria and criteria of the ecosystem services affected by the adaptation options. Criteria weights are estimated by three different methods?analytic hierarchy process, Likert scale and equal weights?that are then compared. Finally, scores from an MCA are input into an optimization model used to determine the optimal land-use distribution in order to maximize utility and land-use diversification according to different scenarios of funds and water availability. While our results show a spectrum of perceptions of priorities among stakeholders, there is one overriding theme that is to define a way to restore part of the rice fields to natural wetlands. These results hold true under the current climate scenario and evenmore so under an increased water scarcity scenario.

Exploring strategic farming choices to respond to mitigation and adaptation to climate change

Las alteraciones del sistema climático debido al aumento de concentraciones de gases de efecto invernadero (GEI) en la atmósfera, tendrán implicaciones importantes para la agricultura, el medio ambiente y la sociedad. La agricultura es una fuente importante de emisiones de gases de efecto invernadero (globalmente contribuye al 12% del total de GEI), y al mismo tiempo puede ser parte de la solución para mitigar las emisiones y adaptarse al cambio climático. Las acciones frente al desafío del cambio climático deben priorizar estrategias de adaptación y mitigación en la agricultura dentro de la agenda para el desarrollo de políticas. La agricultura es por tanto crucial para la conservación y el uso sostenible de los recursos naturales, que ya están sometidos a impactos del cambio climático, al mismo tiempo que debe suministrar alimentos para una población creciente. Por tanto, es necesaria una coordinación entre las actuales estrategias de política climática y agrícola. El concepto de agricultura climáticamente inteligente ha surgido para integrar todos estos servicios de la producción agraria. Al evaluar opciones para reducir las amenazas del cambio climático para la agricultura y el medio ambiente, surgen dos preguntas de investigación: • ¿Qué información es necesaria para definir prácticas agrarias inteligentes? • ¿Qué factores influyen en la implementación de las prácticas agrarias inteligentes? Esta Tesis trata de proporcionar información relevante sobre estas cuestiones generales con el fin de apoyar el desarrollo de la política climática. Se centra en sistemas agrícolas Mediterráneos. Esta Tesis integra diferentes métodos y herramientas para evaluar las alternativas de gestión agrícola y políticas con potencial para responder a las necesidades de mitigación y adaptación al cambio climático. La investigación incluye enfoques cuantitativos y cualitativos e integra variables agronómicas, de clima y socioeconómicas a escala local y regional. La investigación aporta una recopilación de datos sobre evidencia experimental existente, y un estudio integrado sobre el comportamiento de los agricultores y las posibles alternativas de cambio (por ejemplo, la tecnología, la gestión agrícola y la política climática). Los casos de estudio de esta Tesis - el humedal de Doñana (S España) y la región de Aragón (NE España) - permiten ilustrar dos sistemas Mediterráneos representativos, donde el uso intensivo de la agricultura y las condiciones semiáridas son ya una preocupación. Por este motivo, la adopción de estrategias de mitigación y adaptación puede desempeñar un papel muy importante a la hora de encontrar un equilibrio entre la equidad, la seguridad económica y el medio ambiente en los escenarios de cambio climático. La metodología multidisciplinar de esta tesis incluye una amplia gama de enfoques y métodos para la recopilación y el análisis de datos. La toma de datos se apoya en la revisión bibliográfica de evidencia experimental, bases de datos públicas nacionales e internacionales y datos primarios recopilados mediante entrevistas semi-estructuradas con los grupos de interés (administraciones públicas, responsables políticos, asesores agrícolas, científicos y agricultores) y encuestas con agricultores. Los métodos de análisis incluyen: meta-análisis, modelos de gestión de recursos hídricos (modelo WAAPA), análisis multicriterio para la toma de decisiones, métodos estadísticos (modelos de regresión logística y de Poisson) y herramientas para el desarrollo de políticas basadas en la ciencia. El meta-análisis identifica los umbrales críticos de temperatura que repercuten en el crecimiento y el desarrollo de los tres cultivos principales para la seguridad alimentaria (arroz, maíz y trigo). El modelo WAAPA evalúa el efecto del cambio climático en la gestión del agua para la agricultura de acuerdo a diferentes alternativas políticas y escenarios climáticos. El análisis multicriterio evalúa la viabilidad de las prácticas agrícolas de mitigación en dos escenarios climáticos de acuerdo a la percepción de diferentes expertos. Los métodos estadísticos analizan los determinantes y las barreras para la adopción de prácticas agrícolas de mitigación. Las herramientas para el desarrollo de políticas basadas en la ciencia muestran el potencial y el coste para reducir GEI mediante las prácticas agrícolas. En general, los resultados de esta Tesis proporcionan información sobre la adaptación y la mitigación del cambio climático a nivel de explotación para desarrollar una política climática más integrada y ayudar a los agricultores en la toma de decisiones. Los resultados muestran las temperaturas umbral y la respuesta del arroz, el maíz y el trigo a temperaturas extremas, siendo estos valores de gran utilidad para futuros estudios de impacto y adaptación. Los resultados obtenidos también aportan una serie de estrategias flexibles para la adaptación y la mitigación a escala local, proporcionando a su vez una mejor comprensión sobre las barreras y los incentivos para su adopción. La capacidad de mejorar la disponibilidad de agua y el potencial y el coste de reducción de GEI se han estimado para estas estrategias en los casos de estudio. Estos resultados podrían ayudar en el desarrollo de planes locales de adaptación y políticas regionales de mitigación, especialmente en las regiones Mediterráneas. ABSTRACT Alterations in the climatic system due to increased atmospheric concentrations of greenhouse gas emissions (GHG) are expected to have important implications for agriculture, the environment and society. Agriculture is an important source of GHG emissions (12 % of global anthropogenic GHG), but it is also part of the solution to mitigate emissions and to adapt to climate change. Responses to face the challenge of climate change should place agricultural adaptation and mitigation strategies at the heart of the climate change agenda. Agriculture is crucial for the conservation and sustainable use of natural resources, which already stand under pressure due to climate change impacts, increased population, pollution and fragmented and uncoordinated climate policy strategies. The concept of climate smart agriculture has emerged to encompass all these issues as a whole. When assessing choices aimed at reducing threats to agriculture and the environment under climate change, two research questions arise: • What information defines smart farming choices? • What drives the implementation of smart farming choices? This Thesis aims to provide information on these broad questions in order to support climate policy development focusing in some Mediterranean agricultural systems. This Thesis integrates methods and tools to evaluate potential farming and policy choices to respond to mitigation and adaptation to climate change. The assessment involves both quantitative and qualitative approaches and integrates agronomic, climate and socioeconomic variables at local and regional scale. The assessment includes the collection of data on previous experimental evidence, and the integration of farmer behaviour and policy choices (e.g., technology, agricultural management and climate policy). The case study areas -- the Doñana coastal wetland (S Spain) and the Aragón region (NE Spain) – illustrate two representative Mediterranean regions where the intensive use of agriculture and the semi-arid conditions are already a concern. Thus the adoption of mitigation and adaptation measures can play a significant role for reaching a balance among equity, economic security and the environment under climate change scenarios. The multidisciplinary methodology of this Thesis includes a wide range of approaches for collecting and analysing data. The data collection process include revision of existing experimental evidence, public databases and the contribution of primary data gathering by semi-structured interviews with relevant stakeholders (i.e., public administrations, policy makers, agricultural advisors, scientist and farmers among others) and surveys given to farmers. The analytical methods include meta-analysis, water availability models (WAAPA model), decision making analysis (MCA, multi-criteria analysis), statistical approaches (Logistic and Poisson regression models) and science-base policy tools (MACC, marginal abatement cost curves and SOC abatement wedges). The meta-analysis identifies the critical temperature thresholds which impact on the growth and development of three major crops (i.e., rice, maize and wheat). The WAAPA model assesses the effect of climate change for agricultural water management under different policy choices and climate scenarios. The multi-criteria analysis evaluates the feasibility of mitigation farming practices under two climate scenarios according to the expert views. The statistical approaches analyses the drivers and the barriers for the adoption of mitigation farming practices. The science-base policy tools illustrate the mitigation potential and cost effectiveness of the farming practices. Overall, the results of this Thesis provide information to adapt to, and mitigate of, climate change at farm level to support the development of a comprehensive climate policy and to assist farmers. The findings show the key temperature thresholds and response to extreme temperature effects for rice, maize and wheat, so such responses can be included into crop impact and adaptation models. A portfolio of flexible adaptation and mitigation choices at local scale are identified. The results also provide a better understanding of the stakeholders oppose or support to adopt the choices which could be used to incorporate in local adaptation plans and mitigation regional policy. The findings include estimations for the farming and policy choices on the capacity to improve water supply reliability, abatement potential and cost-effective in Mediterranean regions.