Exploiting the multiscale synergy among ocean variables: application to the improvement of remote sensing salinity maps

• Autores: Marta Umbert
• Directores de la Tesis: Antonio Turiel (dir. tes.), Adriano José Camps Carmona (dir. tes.), Joaquim Ballabrera Poy (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2015
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Emili García-Ladona (presid.), Mercè Vall-Llossera Ferran (secret.), Jacqueline Boutin (voc.)
• Materias:
  • Ciencias de la tierra y del espacio
    • Oceanografía
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TDX
• Resumen

  • Les imatges de teledetecció de la superfície oceànica proporcionen una vista sinòptica de la complexa geometria de la circulació oceànica, dominada per la variabilitat de mesoescala. Estructures com filaments i vòrtex són presents en els diferents escalars advectats pel flux oceànic. L’origen més probable d’aquestes estructures és el caràcter turbulent dels corrents, aquestes estructures són persistents amb el temps i compatibles amb la dinàmica mesoscalar oceànica. A escales espacials de quilòmetres o més, la turbulència és principalment 2D, i una complexa geometria, plena de filaments i remolins de mides diferents, emergeix en les imatges superficials de teledetecció de concentració de clorofil·la-a, salinitat superficial, així com en altres escalars més coneguts com són la temperatura superficial i la topografia dinàmica. L’objectiu d’aquesta tesi és explorar i aplicar metodologies de mapatge que permeten millorar la qualitat de mapes de teledetecció oceànica en general, i en particular de la salinitat superficial del mar (SSS). Les diferents metodologies emprades en aquesta tesi han estat aplicades amb l’objectiu específic de millorar els mapes de teledetecció de salinitat superficial del mar proveïts per la missió SMOS de l’Agència Espaial Europea. SMOS és el primer satèl·lit capaç de mesurar la humitat del sol i salinitat oceànica des de l’espai a escala global. La primera part d’aquesta tesi se centra a analitzar les característiques dels productes de nivell 2 (L2) de salinitat de SMOS i produir mapes de nivell 3 (L3) de salinitat utilitzant aproximacions clàssiques: millora del filtratge, mitjana ponderada i Interpolació Òptima. En el curs de la nostra recerca obtenim un conjunt de recomanacions de com processar les dades de SMOS començant des del nivell L2. Aquesta tesi també presenta una nova tècnica de fusió de dades que permet explotar les estructures turbulentes comunes entre diferents variables oceàniques, representant un pas endavant en la cadena de processat per generar mapes de nivell 4 (L4). Aquesta tècnica de fusió es basa teòricament en les propietats geomètriques dels traçadors advectats per la dinàmica oceànica (Turiel et al., 2005a). Degut a l’efecte de forta cissalla als fluits turbulents, l’estructura espacial d’un traçador oceànic hereta algunes propietats del flux subjacent, i en particular el seu arranjament geomètric. Com a conseqüència, les diferents variables oceàniques mostren propietats d’escala similars a la cascada d’energia turbulenta (Seuront and Schmitt, 2005; Nieves et al., 2007; Nieves and Turiel, 2009; Isern-Fontanet et al., 2007). El mètode de fusió agafa un senyal de menor qualitat (afectat per soroll, forats de dades i/o de resolució més baixa) i en millora la seva qualitat. A més d’això, el mètode de fusió és capaç d’extrapolar les dades de forma geofísicament coherent. Aquesta millora del senyal s’aconsegueix utilitzant una altra variable oceànica adquirida amb major qualitat, cobertura espacial més gran i/o millor resolució. Un punt clau d’aquesta aproximació és la suposició de l’existència d’una estructura multifractal de les imatges de teledetecció oceànica (Lovejoy et al., 2001b), i que les línies de singularitat de les diferents variables de l’oceà coincideixen. Sota aquestes premises, els gradients de les dues variables a fusionar estan relacionats per una matriu suau. Com a primera i simple aproximació, s’assumeix que aquesta matriu és proporcional a la identitat; això porta a un esquema de regressió lineal local. Aquesta tesi mostra que aquesta aproximació senzilla permet reduir l’error i millorar la cobertura del producte de nivell 4 resultant. D’altra banda, s’obté informació sobre la relació estadística entre les dues variables fusionades, ja que la dependència funcional entre elles es determina per cada punt de la imatge.