Observación de la distribución del manto de nieve con vehículos aéreos no tripulados sobre la transición entre el ambiente forestal y sub-alpino en el Pirineo aragonés.

Este es un trabajo enfocado al estudio del uso de vehículos aéreos no tripulados para la observación y estudio de la nieve. En ese sentido se pretende conocer la viabilidad de esta nueva tecnología en este campo de la investigación, intentando conocer qué tipo de resultados se pueden obtener con su uso. En zonas abiertas y desnudas dichos resultados han sido óptimos. Pero en contraposición, las zonas con presencia de vegetación arbórea mas o menos densas han supuesto impedimentos para la observación y estimación de los espesores de nieve hasta el momento. Ese es uno de los retos existentes en este tipo de estudios sobre la nieve, ya que la interacción entre el manto nivoso y la vegetación resulta de gran relevancia para conocer el espesor que puede haber bajo el dosel forestal, y la imposibilidad de verlo de forma directa presenta un problema que hasta el momento no se ha conseguido evitar. Así pues, con este trabajo se va a realizar un estudio de la nieve a través del uso de los drones sobre esas zonas para comprobar si se pueden conseguir estimaciones óptimas del espesor y la distribución de la nieve con las imágenes de gran resolución y las geolocalizaciones centimétricas que ofrecen.<br /

Comparando procesos nivales sobre diferentes cordilleras ibéricas

13 páginas.- Presentación elaborada para las Jornadas IPErinas 2016, celebradas en Zaragoza, el 15 de diciembre de 2016Peer reviewe

Variabilidad espacial del espesor de nieve en la franja superior del bosque subalpino: observación con VANT en el Pirineo Central

Estudiar la evolución espaciotemporal del manto de nieve en zonas de montaña es necesario para comprender el régimen estacional de ríos y torrentes, así como numerosos procesos físicos, ecológicos y socioeconómicos en zonas de montaña. Su dinámica está regulada en gran parte por la interacción que realiza con su entorno, fundamentalmente con el clima, las condiciones topográficas y las características de la vegetación con la que interactúa. El ecotono del Limite Superior del Bosque representa la transición entre el ambiente forestal subalpino al alpino, cubriendo grandes extensiones y marcadas elevaciones en el Pirineo con una fuerte presencia de nieve a lo largo del año. Este trabajo analiza y compara la distribución del espesor de nieve en las zonas más altas de los bosques de montaña del sector del Balneario de Panticosa (Pirineo Central Aragonés), usando productos derivados de fotogrametría obtenidos mediante el uso de Vehículos Aéreos No Tripulados (VANTs), en seis campañas de observación en el invierno y primavera de los años 2020 a 2022.Los vuelos fotogramétricos fueron ejecutados con un VANT Ebee X de ala fija Sense Fly RTK y un cuadricóptero DJI Matrice 300 RTK con el que se cubrieron zonas de umbría y solana en dos laderas de orientación distinta (este y oeste) y en los que se contó con presencia de nieve continua entre los meses de diciembre y mayo. A partir de las imágenes georreferenciadas obtenidas con los diferentes vuelos, se derivaron insumos geoespaciales con el programa de fotogrametría Pix4D obteniendo como producto final nubes de puntos tridimensionales. De la comparación entre dichas nubes con presencia y ausencia de nieve se determinó la distribución espacial del espesor de nieve. A su vez, se generaron métricas de distribución espacial del bosque con distancias al límite del dosel y altura de la masa arbórea que, junto a variables topográficas como índices de exposición al viento, pendiente y radiación solar derivadas de las nubes de puntos con ausencia de nieve, se emplearon para evaluar la influencia de estas variables en la distribución del manto de nieve para los inviernos de 2021 y 2022. Como resultados principales se ha demostrado el potencial de las tecnologías geoespaciales de alto detalle VANT, para monitorear procesos ambientales de la criósfera y biosfera en zonas de montaña de difícil acceso. La base de datos generada con estos sistemas de teledetección ha permitido identificar el efecto del dosel forestal en la acumulación de nieve en espacios abiertos del bosque a partir de métricas de la distribución espacial de los árboles evidenciando una mayor presencia de espesor de nieve en zonas abiertas. También se comprobó la importancia de las variables topográficas en la distribución espacio temporal del manto de nieve en la zona de estudio, en el que las laderas a sotavento y apantalladas por los árboles registraron mayores espesores. Estos resultados destacan la alta variabilidad espacial del manto nival en zonas forestales. En este sentido, las métricas de la distribución del dosel forestal presentan una gran influencia, pero no pueden ser consideradas como la variable explicativa única para el entendimiento de la distribución espacial del manto de nieve en zonas abiertas en el bosque de montaña. <br /

Método Multi-Híbrido FEM-MoM-PO para el Análisis de Problemas de Dispersión y Radiación

A general fully coupled multi-hybrid method in three dimensions (3D) combining the Finite Element Method (FEM), the Method of Moments (MoM), and a high frequency asymptotic technique, Physical Optics (PO), is presented. Complex radiating structures are analyzed with FEM (which easily handles complex geometries, permeable materials, anisotropy, and so on) while small and medium size perfect electric conductor (PEC) objects are rigorously analyzed using MoM; large PEC objects can be efficiently analyzed with PO. Furthermore, different regions of the same object can be modeled with MoM and PO. That provides the possibility, for instance, of taking into account the edge effects of PEC objects without the need of introducing artificial line currents at the edges, as the Physical Theory of Diffraction (PTD) does. Several numerical results are presented showing the validity of the method

Assessing the Impact of Different Measurement Time Intervals on Observed Long-Term Wind Speed Trends

During the last two decades climate studies have reported a tendency toward a decline in measured near-surface wind speed in some regions of Europe, North America, Asia and Australia. This weakening in observed wind speed has been recently termed >global stilling>, showing a worldwide average trend of -0.140 m s -1 dec -1 during last 50-years. The precise cause of the >global stilling> remains largely uncertain and has been hypothetically attributed to several factors, mainly related to: (i) an increasing surface roughness (i.e. forest growth, land use changes, and urbanization); (ii) a slowdown in large-scale atmospheric circulation; (iii) instrumental drifts and technological improvements, maintenance, and shifts in measurements sites and calibration issues; (iv) sunlight dimming due to air pollution; and (v) astronomical changes. This study proposed a novel investigation aimed at analyzing how different measurement time intervals used to calculate a wind speed series can affect the sign and magnitude of long-term wind speed trends. For instance, National Weather Services across the globe estimate daily average wind speed using different time intervals and formulae that may affect the trend results. Here we analyzed near-surface wind speed trends recorded at 19 land-based stations across Spain comparing monthly mean wind speed series obtained from: (a) daily mean wind speed data averaged from standard 10-min mean observations at 0000, 0700, 1300 and 1800 UTC; and (b) average wind speed of 24 hourly measurements (i.e., wind run measurements) from 0000 to 2400 UTC. As a complementary analysis, in this study we also quantified the impact of anemometer drift (i.e. bearing malfunction) by presenting preliminary results (i.e. 11 months of paired measurements) from a comparison of one new anemometer sensor against one malfunctioned anemometer sensor due to old bearings.We would like to thank the AEMET for supplying wind speed data. C. A-M. received a postdoctoral fellowship # JCI-2011-10263. Research supported by projects CGL2011-27574-C02-02, CGL2011-27536/HID and CGL2011-29263-C02-01 financed by the Spanish Commission of Science and Technology.Peer Reviewe

Thinning of the Monte Perdido Glacier in the Spanish Pyrenees since 1981

Producción CientíficaThis paper analyzes the evolution of the Monte Perdido Glacier, the third largest glacier in the Pyrenees, from 1981 to the present. We assessed the evolution of the glacier's surface area by analysis of aerial photographs from 1981, 1999, and 2006, and changes in ice volume by geodetic methods with digital elevation models (DEMs) generated from topographic maps (1981 and 1999), airborne lidar (2010) and terrestrial laser scanning (TLS, 2011, 2012, 2013, and 2014) data. We interpreted the changes in the glacier based on climate data from nearby meteorological stations. The results indicate that the degradation of this glacier accelerated after 1999. The rate of ice surface loss was almost three times greater during 1999–2006 than during earlier periods. Moreover, the rate of glacier thinning was 1.85 times faster during 1999–2010 (rate of surface elevation change  = −8.98 ± 1.80 m, glacier-wide mass balance  = −0.73 ± 0.14 m w.e. yr−1) than during 1981–1999 (rate of surface elevation change  = −8.35 ± 2.12 m, glacier-wide mass balance  = −0.42 ± 0.10 m w.e. yr−1). From 2011 to 2014, ice thinning continued at a slower rate (rate of surface elevation change  = −1.93 ± 0.4 m yr−1, glacier-wide mass balance  = −0.58 ± 0.36 m w.e. yr−1). This deceleration in ice thinning compared to the previous 17 years can be attributed, at least in part, to two consecutive anomalously wet winters and cool summers (2012–2013 and 2013–2014), counteracted to some degree by the intense thinning that occurred during the dry and warm 2011–2012 period. However, local climatic changes observed during the study period do not seem sufficient to explain the acceleration of ice thinning of this glacier, because precipitation and air temperature did not exhibit statistically significant trends during the study period. Rather, the accelerated degradation of this glacier in recent years can be explained by a strong disequilibrium between the glacier and the current climate, and likely by other factors affecting the energy balance (e.g., increased albedo in spring) and feedback mechanisms (e.g., heat emitted from recently exposed bedrock and debris covered areas).Ministerio de Economía, Industria y Competitividad - IBERNIEVE (project CGL2014-52599-P)Ministerio de Agricultura y Pesca, Alimentación y Medio Ambiente (project 844/2013

Intercomparison of UAV platforms for mapping snow depth distribution in complex alpine terrain

[EN]Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) offer great flexibility in acquiring images in inaccessible study areas, which are then processed with stereo-matching techniques through Structure-from-Motion (SfM) algorithms. This procedure allows generating high spatial resolution 3D point clouds. The high accuracy of these 3D models allows the production of detailed snow depth distribution maps through the comparison of point clouds from different dates. In this way, UAVs allow monitoring of remote areas that were not achievable previously. The large number of works evaluating this novel technique has not, to date, conducted a systematic evaluation of concurrent snowpack observations with different UAV devices. Taking into account this, and also bearing in mind that potential users of this technique may be interested in exploiting ready-to-use commercial devices, we conducted an evaluation of the snow depth distribution maps with different commercial UAVs. During the 2018-19 snow season, two multi-rotors (Parrot Anafi and DJI Mavic Pro2) and one fixed-wing device (SenseFly eBee plus) were used on three different dates over a small test area (5 ha) within Izas Experimental Catchment in the Central Pyrenees. Simultaneously, snowpack distribution was retrieved with a Terrestrial Laser Scanner (TLS, RIEGL LPM-321) and was considered as ground truth. Three different georeferencing methods (Ground Control Points, ICP algorithm over snow-free areas and RTK-GPS positioning) were tested, showing equivalent performances under optimum illumination conditions. Additionally, for the three acquisition dates, both multi-rotors were flown at two distinct altitudes (50 and 75 m) to evaluate impact on the obtained snow depth maps. The evaluation with the TLS showed an equivalent performance of the two multi-rotors, with mean RMSE below 0.23 m and maximum volume deviations of less than 5%. Flying altitudes did not show significant differences in the obtained maps. These results were obtained under contrasted snow surface characteristics. This study reveals that under good illumination conditions and in relatively small areas, affordable commercial UAVs provide reliable estimations of snow distribution compared to more sophisticated and expensive close-range remote sensing techniques. Results obtained under overcast skies were poor, demonstrating that UAV observations require clear-sky conditions and acquisitions around noon to guarantee a homogenous illumination of the study area.This work was supported by the research projects of the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness projects "El papel de la nieve en la hidrologia de la peninsula iberica y su respuesta a procesos de cambio global-CGL2017-82216-R" and the JPI-Climate co-funded call of the European Commission and INDECIS and CROSSDRO which are part of ERA4CS, and ERA-NET. Authors do not have any conflict of interest.). J. Revuelto is supported by a "Juan de la Cierva Incorporacion" postdoctoral fellow of the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities (Grant IJC2018-036260-I). I. Vidaller is supported by the Grant FPU18/04978 and is studying in the PhD program in the University of Zaragoza (Earth Science Department)

Aplicación de dispositivos UAV para el estudio del manto nival en entornos de alta montaña: El papel de la iluminación en la calidad de los productos finales.

La fotogrametría sobre UAVs es una de las metodologías que más desarrollo ha tenido para el estudio de la criosfera en la última década, debido a su buena resolución temporal y autonomía. En este trabajo se ha puesto a prueba la aplicabilidad de este método en un entorno de alta montaña del Pirineo aragonés (cuenca de Izas) bajo diferentes condiciones de iluminación, con el fin de comprobar cuál es el papel que dichas condiciones desempeñan en la calidad de los productos finales. Para ello se han realizado 5 vuelos con un dispositivo UAV de ala fija a distintas horas del día, con diferentes ángulos de incidencia solar, propiciando la aparición de sombras topográficas y distintas condiciones de iluminación en el área de estudio. Para cuantificar la precisión de esta metodología se han comparado las nubes de puntos de los vuelos con una nube de puntos generada de manera el mismo día con láser escáner terrestre, método validado en el área de estudio. Los resultados muestran que para los vuelos con buenas condiciones de iluminación el error medio es – 0,01m y el error absoluto 0,07m. Los resultados confirman el potencial de esta metodología para el estudio del manto nival a escala detalle. Sin embargo, en condiciones de iluminación malas encontramos ausencia de datos y niveles de error sustancialmente más elevados. A modo de ejemplo de aplicación se genera un mapa de espesor de nieve en el área de estudio a partir de la nube de puntos del mejor vuelo del UAV y la nube de puntos del vuelo LiDAR PNOA del Instituto geográfico nacional. A partir de los valores de espesor del manto nival obtenidos, se ha puesto en relación la distribución del manto nival en la cuenca con las principales variables topográficas: Altitud, pendiente, curvatura, TPI y radiación potencial.<br /

The Multiple Snow Data Assimilation System (MuSA v1.0)

Accurate knowledge of the seasonal snow distribution is vital in several domains including ecology, water resources management, and tourism. Current spaceborne sensors provide a useful but incomplete description of the snowpack. Many studies suggest that the assimilation of remotely sensed products in physically based snowpack models is a promising path forward to estimate the spatial distribution of snow water equivalent (SWE). However, to date there is no standalone, open-source, community-driven project dedicated to snow data assimilation, which makes it difficult to compare existing algorithms and fragments development efforts. Here we introduce a new data assimilation toolbox, the Multiple Snow Data Assimilation System (MuSA), to help fill this gap. MuSA was developed to fuse remotely sensed information that is available at different timescales with the energy and mass balance Flexible Snow Model (FSM2). MuSA was designed to be user-friendly and scalable. It enables assimilation of different state variables such as the snow depth, SWE, snow surface temperature, binary or fractional snow-covered area, and snow albedo and could be easily upgraded to assimilate other variables such as liquid water content or snow density in the future. MuSA allows the joint assimilation of an arbitrary number of these variables, through the generation of an ensemble of FSM2 simulations. The characteristics of the ensemble (i.e., the number of particles and their prior covariance) may be controlled by the user, and it is generated by perturbing the meteorological forcing of FSM2. The observational variables may be assimilated using different algorithms including particle filters and smoothers as well as ensemble Kalman filters and smoothers along with their iterative variants. We demonstrate the wide capabilities of MuSA through two snow data assimilation experiments. First, 5 m resolution snow depth maps derived from drone surveys are assimilated in a distributed fashion in the Izas catchment (central Pyrenees). Furthermore, we conducted a joint-assimilation experiment, fusing MODIS land surface temperature and fractional snow-covered area with FSM2 in a single-cell experiment. In light of these experiments, we discuss the pros and cons of the assimilation algorithms, including their computational cost.</p