Análisis y validación de nuevos productos SMOS de interés en agricultura e hidrología

Resum

La humedad del suelo ha sido ampliamente reconocida como una variable clave en los campos de la agricultura, la climatología o la hidrología y, por lo tanto, los potenciales beneficios sociales de una estimación precisa de la humedad del suelo son importantes. Por ello, la comunidad científica está haciendo un gran esfuerzo para abordar la estimación de la humedad del suelo en grandes áreas a través de sensores in situ, modelización y sensores remotos. Es en estos últimos donde en las últimas décadas se han realizado los mayores avances. A lo largo de los últimos 40 años han sido muchas las misiones espaciales usadas para estimar la humedad del suelo de forma remota. Estas misiones han utilizado tanto sensores activos como pasivos para medir la humedad, la mayoría de ellos funcionando dentro del espectro de microondas. Debido a su sensibilidad al cambio en las propiedades dieléctricas de la superficie terrestre con respecto al contenido de humedad, esta región espectral resulta la más adecuada para estimar la humedad de suelo. Si bien las bandas del espectro de microondas han sido utilizadas con éxito en numerosas misiones, es la banda L la que mejores resultados ofrece a la hora de estimar la humedad del suelo de forma remota. Varias han sido las misiones lanzadas para estimar específicamente la humedad del suelo en esta banda, tales como la misión Soil Moisture Ocean Salinity (SMOS), de la Agencia Espacial Europea (ESA), la misión Aquarius/SAC-D o la misión Soil Moisture Active Passive (SMAP), ambas de la National Aeronautics and Space Administration (NASA). La estimación de la humedad del suelo de forma remota tiene la ventaja de cubrir grandes áreas e identificar eventos a escala global, proporcionando información útil sobre la variabilidad espacio-temporal de esta variable. Sin embargo, una limitación que presenta la observación de la humedad del suelo es que se realiza en los primeros centímetros del suelo (en general, 0-5 cm), dependiendo de las características y del contenido de humedad en el suelo. Para determinadas aplicaciones dentro de la hidrología o la agricultura es más importante la estimación de la humedad en la zona radicular del suelo, ya que es en esta zona donde se almacena el agua disponible para las plantas. El objetivo de esta tesis ha sido doble. Por una parte, validar distintos productos de humedad del suelo superficial de las misiones SMOS y Aquarius para comprobar la fiabilidad de la estimación de la humedad del suelo. Por otra parte, y una vez validadas las observaciones remotas, crear y evaluar nuevos productos diseñados para su uso en hidrología y agricultura a partir de las estimaciones de humedad superficial. Dentro del primer objetivo se han evaluado las últimas versiones de los diferentes productos de humedad procedentes de SMOS y Aquarius. Para ello se utilizaron diferentes estrategias de validación comparando los valores observados por los satélites con las mediciones in situ de dos redes de estaciones de medición de humedad del suelo. La primera red utilizada fue la Red de Estaciones de Medición de la Humedad del Suelo de la Universidad de Salamanca (REMEDHUS), localizada entre las provincias de Zamora, Valladolid y Salamanca, con un área aproximada de 1300 km2. La segunda fue Inforiego, localizada a lo largo de la cuenca hidrográfica del Duero, en Castilla y León, cubriendo una superficie aproximada de 65000 km2. Los resultados expuestos en esta tesis muestran que las estimaciones de SMOS son consistentes con las mediciones in situ, siendo ligeramente mejores los obtenidos en la comparación con la red Inforiego. Este estudio mostró que la versión 5.51 del producto SMOS L2 cumple con la exactitud esperada de la misión (0.04 m3m-3) y su fiabilidad lo hace adecuado para desarrollar nuevos productos derivados de la humedad superficial, tales como los presentados en este trabajo. Los resultados de la comparación entre las estimaciones de los productos de Aquarius y las mediciones in situ también fueron consistentes en todas las estrategias aplicadas. No obstante, aunque tanto Aquarius como SMOS muestran una cierta subestimación con respecto a las medidas in situ, son las mediciones de este último satélite las que mayor coincidencia presentan con las medidas proporcionadas por las dos redes usadas. El segundo objetivo de esta tesis fue obtener productos de valor añadido a partir de las mediciones de humedad del suelo superficial proporcionadas por SMOS. Se diseñaron y evaluaron un estimador del agua en la zona radicular y otro para el agua disponible para las plantas. Para ello se utilizó el modelo recursivo Soil Water Index (SWI), dependiente del tiempo que tarda en llegar la humedad superficial a la zona radicular (T). Debido a su crucial importancia, este parámetro fue estudiado exhaustivamente y se determinó la mejor alternativa estadística para su cálculo. La metodología expuesta se evaluó usando como referencia medidas de humedad in situ, tanto superficial como en profundidad, proporcionadas por la red REMEDHUS. Los resultados de las comparaciones fueron buenos tanto para las estimaciones de humedad en la zona radicular (25 y 50 cm de profundidad) como para el agua disponible para las plantas, demostrando la utilidad de la metodología aplicada para agricultura e hidrología.