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Evaluation of the improvement of streamflow prediction through the assimilation of remotely sensed soil moisture observations

El objetivo principal de esta tesis es evaluar si la asimilacion de datos de humedad superficial del suelo obtenidos mediante tecnicas de teledeteccion, en modelos hidrologicos es capaz de mejorar la prediccion de caudales en los rios a la salida de las cuencas. Este objetivo general se concreta en los siguientes objetivos especificos: 1) evaluar la respuesta de modelos de diferente configuracion espacial (agregados, semi-distribuidos, distribuidos), a la asimilacion de datos, con el fin de conseguir una mejora en la simulacion de caudales; 2) evaluar la influencia de las caracteristicas de cada cuenca (como tamano, topografia, clima o usos del suelo) en los resultados de la asimilacion de datos; 3) evaluar la posible mejora obtenida en la simulacion de escorrentia mediante la asimilacion de datos de sensores como ASCAT o SMOS, que observan diferentes frecuencias (banda C y banda L); 4) evaluar la mejora en la prediccion de escorrentia al asimilar en un modelo distribuido el producto de alta resolucion (1-km) desarrollado en el Barcelona Expert Center y obtenido a partir de los datos de los satelites SMOS y MODIS; 5) evaluar la influencia que las diferentes tecnicas de re-escalado de la informacion observada tienen sobre los resultados de la asimilacion, y por ultimo; 6) evaluar la influencia que tiene sobre los resultados de la asimilacion el valor de error de observacion atribuido a cada satelite. Un segundo objetivo de esta tesis es la evaluacion del modelo TOPLATS como herramienta de simulacion de caudales en cuencas Mediterraneas, y se concreto en los siguientes objetivos especificos: 1) llevar a cabo una revision bibliografica en profundidad de los diferentes trabajos desarrollados con TOPLATS anteriormente, con especial atencion a aquellos en los que se trabajo en la calibracion del modelo y en el analisis de sus diferentes parametros; 2) desarrollar un analisis de sensibilidad muy completo del modelo, en el que se analice la sensibilidad de la escorrentia superficial, el flujo base, la evapotranspiracion, la humedad del suelo y de la eficiencia enfocada a los diferentes rangos de caudal, a diferentes parametros; 3) comparar dos metodos de analisis de sensibilidad de diferente complejidad y costo computacional; 4) evaluar la efectividad de un algoritmo de optimizacion como herramienta de calibracion del modelo aplicado a diferentes escalas temporales; 5) comparar la influencia que tiene sobre la calibracion de un modelo la seleccion de periodos de calibracion continuos o discontinuos seleccionados en funcion de la variabilidad climatica que contienen; y 6) evaluar la eficiencia del modelo para predecir correctamente los caudales simulados en cuencas mediterraneas de diferente tamano y diferentes condiciones climaticas, tanto cuando el modelo es aplicado en paso horario como diario.

This PhD thesis has as its main objective to evaluate whether the assimilation of remotely sensed surface soil moisture data into hydrological models can improve their streamflow prediction. This general objective includes the evaluation of data assimilation with models of different spatial configuration (i.e. lumped, semi-distributed or fully distributed), the use of L-band and C-band microwave remote sensing observations (i.e., ASCAT and SMOS) as assimilation data sources, the use of SSM downscaled products, the application of different re-scaling techniques used for matching observations to simulated surface soil moisture, or the valuation of different observation error estimations. This PhD thesis also aims to evaluate TOPMODEL-based Land Surface-Atmosphere Transfer Scheme (TOPLATS) as a streamflow simulation tool in Mediterranean catchments. This includes performing a sensitivity analysis of the model, with two different methods, and performing model calibration by means of an optimization algorithm.