Guia de Instrumentos y Metodos de Observacion Meteorologicos

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Guía de Instrumentos y Métodos de Observación Meteorológicos

P-OBS_111350

Edición de 2008 Actualizada en 2010

www.wmo.int

OMM-N° 8

Guía de Instrumentos y Métodos de Observación Meteorológicos OMM-Nº 8

Edición de 2008 Actualizada en 2010

2014

NOTA DE LA EDICIÓN METEOTERM, la base terminológica de la OMM, puede consultarse en la página web: http://www.wmo.int/pages/prog/lsp/meteoterm_wmo_es.html. La lista de abreviaciones figura también en la siguiente dirección: http://www.wmo.int/pages/themes/acronyms/index_es.html.

AGRADECIMIENTO La OMM quisiera agradecer la inestimable contribución de la Agencia Estatal de Meteorología (AEMET) en la elaboración (traducción, edición y maquetación) de esta publicación en español.

OMM-Nº 8 © Organización Meteorológica Mundial, 2008 La OMM se reserva el derecho de publicación en forma impresa, electrónica o de otro tipo y en cualquier idioma. Pueden reproducirse pasajes breves de las publicaciones de la OMM sin autorización siempre que se indique claramente la fuente completa. La correspondencia editorial, así como todas las solicitudes para publicar, reproducir o traducir la presente publicación (o artículos) parcial o totalmente deberán dirigirse al: Presidente de la Junta de publicaciones Organización Meteorológica Mundial (OMM) 7 bis, avenue de la Paix Case postale 2300 CH-1211 Genève 2, Suiza

Tel.: +41 (0) 22 730 8403 Fax.: +41 (0) 22 730 8040 Correo electrónico: [email protected]

NOTA Las denominaciones empleadas en las publicaciones de la OMM y la forma en que aparecen presentados los datos que contienen no entrañan, de parte de la Organización, juicio alguno sobre la condición jurídica de ninguno de los países, territorios, ciudades o zonas citados o de sus autoridades, ni respecto de la delimitación de sus fronteras o límites. Las opiniones expresadas en las publicaciones de la OMM son las del autor y no reflejan necesariamente las de la OMM. La mención de determinados productos o sociedades mercantiles no implica que la OMM los favorezca o recomiende con preferencia a otros análogos que no se mencionan ni se anuncian.

PREFACIO

Uno de los objetivos de la Organización Meteorológica Mundial (OMM) consiste en coordinar las actividades de sus 188 Miembros en lo relativo a la producción de datos e información sobre el tiempo, el clima y el agua, de acuerdo con normas acordadas internacionalmente. Teniendo en cuenta esta circunstancia, cada reunión del Congreso Meteorológico Mundial adopta disposiciones integradas en un Reglamento Técnico en el que se estipulan las prácticas y los procedimientos meteorológicos que deben seguir los Estados y Territorios Miembros de la OMM. Ese Reglamento Técnico se complementa con una serie de manuales y de guías en los que se describen con mayor detalle las prácticas, los procedimientos y las especificaciones que los Miembros deben seguir y aplicar. Los manuales contienen prácticas obligatorias mientras que las guías, como la presente, comprenden prácticas recomendadas. La primera edición de la Guía de Instrumentos y Métodos de Observación Meteorológicos se publicó en 1954 y constaba de 12 capítulos. Desde entonces, la normalización ha sido una de las principales preocupaciones de las actividades de la Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación (CIMO), y la CIMO ha revisado periódicamente el contenido de la Guía, formulando recomendaciones, adiciones y enmiendas cuando ha sido posible. La presente edición, la séptima, es una versión totalmente revisada que incluye temas y capítulos adicionales que reflejan los últimos avances tecnológicos. Su finalidad, así como la de las ediciones anteriores, es proporcionar una orientación completa y actualizada de los medios más eficaces para llevar a cabo observaciones y mediciones meteorológicas. La presente edición se preparó gracias a la colaboración de 42 expertos procedentes de 17 países y fue adoptada por la decimocuarta reunión de la CIMO (Ginebra, diciembre de 2006). En la presente Guía se describen la mayoría de instrumentos, sistemas y técnicas utilizados regularmente, desde los más sencillos hasta los más complejos y sofisticados, pero no se trata de abordar los métodos e instrumentos utilizados únicamen-

te con fines de investigación o experimentales. Además, la Guía no pretende ser un manual de instrucciones detallado para uso de observadores y técnicos, sino que está más bien destinada a servir de base para la preparación de manuales por parte de los Servicios Meteorológicos e Hidrológicos Nacionales (SMHN) o de otros usuarios interesados que operan sistemas de observación, con miras a satisfacer sus necesidades específicas. Sin embargo, tampoco se trata de especificar en detalle el diseño de los instrumentos puesto que ello podría obstaculizar su evolución. En cambio, es preferible circunscribir la normalización a los requisitos esenciales de los instrumentos y limitar las recomendaciones a las características generalmente comunes de las diversas configuraciones de un sistema de instrumentos o de medición. Aunque la Guía está destinada fundamentalmente a los SMHN, muchas otras organizaciones e instituciones educativas y de investigación que realizan observaciones meteorológicas la han encontrado útil, con lo cual también se han tenido en cuenta sus necesidades en el momento de prepararla. Además, muchos fabricantes de instrumentos han reconocido la utilidad de la Guía para la elaboración y la producción de instrumentos y sistemas especialmente adaptados a las necesidades de los Miembros. Habida cuenta de la considerable demanda de ejemplares de esta publicación, se tomó la decisión de ponerla a disposición de todos los usuarios interesados en el sitio web de la OMM. Por consiguiente, en nombre de la OMM, quisiera expresar mi agradecimiento a todos los SMHN, comisiones técnicas, equipos de expertos e individuos que han contribuido a la presente publicación.

(M. Jarraud) Secretario General

ÍNDICE Página PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS CAPÍTULO 1.

Generalidades ...................................................................................................

I.1–1

CAPÍTULO 2.

Medición de la temperatura ..............................................................................

I.2–1

CAPÍTULO 3.

Medición de la presión atmosférica ..................................................................

I.3–1

CAPÍTULO 4.

Medición de la humedad ..................................................................................

I.4–1

CAPÍTULO 5.

Medición del viento de superficie ....................................................................

I.5–1

CAPÍTULO 6.

Medición de la precipitación ............................................................................

I.6–1

CAPÍTULO 7.

Medición de la radiación ..................................................................................

I.7–1

CAPÍTULO 8.

Medición de la duración de la insolación ........................................................

I.8–1

CAPÍTULO 9.

Medición de la visibilidad .................................................................................

I.9–1

CAPÍTULO 10. Medición de la evaporación .............................................................................

I.10–1

CAPÍTULO 11. Medición de la humedad del suelo ..................................................................

I.11–1

CAPÍTULO 12. Medición de la presión, la temperatura y la humedad en altitud ....................

I.12–1

CAPÍTULO 13. Medición del viento en altitud .........................................................................

I.13–1

CAPÍTULO 14. Observación del tiempo presente y del tiempo pasado; estado del terreno ....

I.14–1

CAPÍTULO 15. Observación de las nubes .................................................................................

I.15–1

CAPÍTULO 16. Medición del ozono ..........................................................................................

I.16–1

CAPÍTULO 17. Medición de la composición atmosférica .........................................................

I.17–1

I.6

GUÍA DE INSTRUMENTOS Y MÉTODOS DE OBSERVACIÓN METEOROLÓGICOS

Página PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN CAPÍTULO 1.

Mediciones de estaciones meteorológicas automáticas ...................................

II.1–1

CAPÍTULO 2.

Mediciones y observaciones en estaciones meteorológicas aeronáuticas ........

II.2–1

CAPÍTULO 3.

Observaciones desde aeronaves ........................................................................

II.3–1

CAPÍTULO 4.

Observaciones marinas .....................................................................................

II.4–1

CAPÍTULO 5.

Técnicas especiales de perfilamiento para la capa límite y la troposfera .........

II.5–1

CAPÍTULO 6.

Mediciones con cohetes en la estratosfera y la mesosfera ...............................

II.6–1

CAPÍTULO 7.

Localización de los focos de parásitos atmosféricos .........................................

II.7–1

CAPÍTULO 8.

Observaciones desde satélites ...........................................................................

II.8–1

CAPÍTULO 9.

Mediciones por radar ........................................................................................

II.9–1

CAPÍTULO 10. Técnicas de globos ............................................................................................

II.10–1

CAPÍTULO 11. Observaciones urbanas .....................................................................................

II.11–1

CAPÍTULO 12. Mediciones meteorológicas viarias ...................................................................

II.12–1

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN CAPÍTULO 1.

Gestión de la calidad ........................................................................................

III.1–1

CAPÍTULO 2.

Muestreo de variables meteorológicas ..............................................................

III.2–1

CAPÍTULO 3.

Reducción de datos ...........................................................................................

III.3–1

CAPÍTULO 4.

Prueba, calibración e intercomparación ...........................................................

III.4–1

CAPÍTULO 5.

Capacitación de especialistas en instrumentos ................................................

III.5–1

LISTA DE CONTRIBUIDORES A LA GUÍA ......................................................................................

Ap.1–1

PARTE I MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

ÍNDICE PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

I.1

ÍNDICE Página CAPÍTULO 1. GENERALIDADES ................................................................................................. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

I.1–1

Observaciones meteorológicas .................................................................................... Sistemas de observación meteorológica ...................................................................... Requisitos generales que ha de cumplir una estación meteorológica ......................... Requisitos generales que han de cumplir los instrumentos ........................................ Normas y definiciones de medición ............................................................................ Incertidumbre de las mediciones ................................................................................

I.1–1 I.1–3 I.1–3 I.1–7 I.1–8 I.1–10

Anexo 1.A. Centros Regionales ..............................................................................................

I.1–19

Anexo 1.B. Clasificaciones de emplazamientos de las estaciones terrestres de observación en superficie ........................................................................................................

I.1–21

Anexo 1.C. Descripción de la exposición en las estaciones .....................................................

I.1–32

Anexo 1.D. Requisitos de incertidumbre de las mediciones operativas y rendimiento de los instrumentos ................................................................................................................

I.1–34

Referencias y bibliografía complementaria ............................................................................

I.1–40

CAPÍTULO 2. MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA ......................................................................

I.2–1

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Generalidades .............................................................................................................. Termómetros de líquido en cápsulas de vidrio ............................................................ Termógrafos mecánicos ............................................................................................... Termómetros eléctricos ................................................................................................ Protección contra las radiaciones ................................................................................

I.2–1 I.2–4 I.2–11 I.2–12 I.2–17

Anexo. Determinación de los puntos fijos de la Escala Internacional de Temperatura de 1990

I.2–20

Referencias y bibliografía complementaria ............................................................................

I.2–22

CAPÍTULO 3. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA .......................................................

I.3–1

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12

Generalidades .............................................................................................................. Barómetros de mercurio .............................................................................................. Barómetros electrónicos .............................................................................................. Barómetros aneroides .................................................................................................. Barógrafos .................................................................................................................... Barómetros de tubo de Bourdon ................................................................................. Variación barométrica ................................................................................................. Requisitos generales de exposición .............................................................................. Exposición del barómetro ............................................................................................ Comparación, calibración y mantenimiento .............................................................. Ajuste de las lecturas del barómetro a otros niveles .................................................... Tendencia de la presión y característica de la tendencia de la presión .......................

I.3–1 I.3–3 I.3–8 I.3–12 I.3–13 I.3–14 I.3–14 I.3–15 I.3–15 I.3–17 I.3–22 I.3–23

Anexo 3.A. Corrección de las lecturas del barómetro en condiciones normales ......................

I.3–24

Anexo 3.B. Barómetros patrón regionales ...............................................................................

I.3–27

Referencias y bibliografía complementaria ............................................................................

I.3–28

I.2

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

Página CAPÍTULO 4. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD ............................................................................ 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

I.4–1

Generalidades .............................................................................................................. El psicrómetro ............................................................................................................. Higrómetro de cabello ................................................................................................. Higrómetro de punto de rocío con espejo enfriado .................................................... Higrómetro de condensación de cloruro de litio calentado (célula de punto de rocío) ....................................................................................................................... Higrómetros eléctricos de resistencia y de capacitancia .............................................. Higrómetros de absorción de radiación electromagnética .......................................... Seguridad ..................................................................................................................... Instrumentos de referencia y calibración ....................................................................

I.4–19 I.4–22 I.4–23 I.4–24 I.4–25

Anexo 4.A. Definiciones y especificaciones del vapor de agua en la atmósfera .......................

I.4–29

Anexo 4.B. Fórmulas para el cálculo de las mediciones de la humedad ..................................

I.4–32

Referencias y bibliografía complementaria ............................................................................

I.4–33

CAPÍTULO 5. MEDICIÓN DEL VIENTO DE SUPERFICIE ...........................................................

I.5–1

4.6 4.7 4.8 4.9

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10

I.4–1 I.4–6 I.4–13 I.4–16

Generalidades .............................................................................................................. Estimación del viento .................................................................................................. Métodos instrumentales simples ................................................................................. Anemómetros de cazoletas y de hélice ........................................................................ Veletas ......................................................................................................................... Otros sensores de viento ............................................................................................. Sensores y combinaciones de sensores para la medición de las componentes ........... Métodos de procesamiento de datos ........................................................................... Exposición de los instrumentos de viento .................................................................. Calibración y mantenimiento .....................................................................................

I.5–1 I.5–4 I.5–5 I.5–5 I.5–6 I.5–7 I.5–7 I.5–7 I.5–10 I.5–13

Anexo. Longitud de rugosidad eficaz ......................................................................................

I.5–14

Referencias y bibliografía complementaria ............................................................................

I.5–16

CAPÍTULO 6. MEDICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN ....................................................................

I.6–1

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7

Generalidades .............................................................................................................. Emplazamiento y exposición ...................................................................................... Medidores de precipitación no registradores ............................................................... Errores y correcciones en los medidores ...................................................................... Medidores de precipitación registradores .................................................................... Medición del rocío, de la acumulación de hielo y de la precipitación de niebla ........ Medición de la caída de nieve y de la capa de nieve ...................................................

I.6–1 I.6–3 I.6–4 I.6–6 I.6–9 I.6–13 I.6–16

Anexo 6.A. Emplazamientos para la intercomparación de la precipitación .............................

I.6–20

Anexo 6.B. Procedimientos que se sugieren para la corrección de las mediciones de la precipitación ...........................................................................................................................

I.6–21

Anexo 6.C. Procedimiento normalizado para la calibración en laboratorio de pluviómetros de intensidad de lluvia por captación .....................................................................................

I.6–22

Referencias y bibliografía complementaria ............................................................................

I.6–25

ÍNDICE

I.3

Página CAPÍTULO 7. MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN ...........................................................................

I.7–1

7.1 Generalidades .............................................................................................................. 7.2 Medición de la radiación solar directa ........................................................................ 7.3 Medición de la radiación celeste global y difusa ......................................................... 7.4 Medición de la radiación total y de onda larga ........................................................... 7.5 Medición de magnitudes de radiación especiales ........................................................ 7.6 Medición de la radiación ultravioleta .......................................................................... Anexo 7.A. Nomenclatura de las magnitudes radiométricas y fotométricas ............................

I.7–1 I.7–5 I.7–12 I.7–22 I.7–26 I.7–28 I.7–34

Anexo 7.B. Magnitudes meteorológicas, símbolos y definiciones de radiación .......................

I.7–36

Anexo 7.C. Requisitos que deben reunir los Centros radiométricos mundiales, regionales y nacionales ............................................................................................................................

I.7–38

Anexo 7.D. Fórmulas útiles ....................................................................................................

I.7–41

Anexo 7.E. Radiación celeste difusa — Corrección del efecto del anillo de sombra .................

I.7–43

Referencias y bibliografía complementaria ............................................................................

I.7–44

CAPÍTULO 8. MEDICIÓN DE LA DURACIÓN DE LA INSOLACIÓN .........................................

I.8–1

8.1 Generalidades .............................................................................................................. 8.2 Instrumentos y sensores .............................................................................................. 8.3 Exposición del heliógrafo ............................................................................................ 8.4 Fuentes generales de error ........................................................................................... 8.5 Calibración .................................................................................................................. 8.6 Mantenimiento ........................................................................................................... Anexo. Algoritmo para estimar la duración de la insolación a partir de mediciones de la irradiancia global directa .....................................................................................................

I.8–1 I.8–4 I.8–7 I.8–8 I.8–8 I.8–10

Referencias y bibliografía complementaria ............................................................................

I.8–12

CAPÍTULO 9. MEDICIÓN DE LA VISIBILIDAD ..........................................................................

I.9–1

9.1 Generalidades .............................................................................................................. 9.2 Estimación visual del alcance óptico meteorológico ................................................... 9.3 La medición del alcance óptico meteorológico con instrumentos ............................. Referencias y bibliografía complementaria ............................................................................

I.9–1 I.9–5 I.9–8 I.9–15

CAPÍTULO 10. MEDICIÓN DE LA EVAPORACIÓN ....................................................................

I.10–1

I.8–11

10.1 Generalidades .............................................................................................................. I.10–1 10.2 Atmómetros ................................................................................................................. I.10–2 10.3 Evaporímetros de cubeta y tanques de evaporación ................................................... I.10–3 10.4 Evapotranspirómetros (lisímetros) .............................................................................. I.10–6 10.5 Estimación de la evaporación a partir de superficies naturales ................................... I.10–8 Referencias y bibliografía complementaria ............................................................................ I.10–11 CAPÍTULO 11. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD DEL SUELO .......................................................

I.11–1

11.1 Generalidades .............................................................................................................. I.11–1 11.2 Medición gravimétrica directa del contenido hídrico del suelo .................................. I.11–4 11.3 Contenido hídrico del suelo: métodos indirectos ....................................................... I.11–5 11.4 Instrumentación para medir el potencial hídrico del suelo ........................................ I.11–8 11.5 Teledetección de la humedad del suelo ....................................................................... I.11–10 11.6 Selección del emplazamiento y tamaño de la muestra ............................................... I.11–11 Referencias y bibliografía complementaria ............................................................................ I.11–12

I.4

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

Página CAPÍTULO 12. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN, LA TEMPERATURA Y LA HUMEDAD EN ALTITUD ....................................................................................................... 12.1 Generalidades .............................................................................................................. 12.2 Electrónica de las radiosondas ..................................................................................... 12.3 Sensores de temperatura .............................................................................................. 12.4 Sensores de presión ..................................................................................................... 12.5 Sensores de humedad relativa ..................................................................................... 12.6 Equipo de la estación terrestre ..................................................................................... 12.7 Operaciones de radiosondas ........................................................................................ 12.8 Errores de las radiosondas ........................................................................................... 12.9 Comparación, calibración y mantenimiento .............................................................. 12.10 Cálculos e información ...............................................................................................

I.12–1 I.12–1 I.12–7 I.12–8 I.12–11 I.12–14 I.12–17 I.12–18 I.12–20 I.12–32 I.12–36

Anexo 12.A. Requisitos de incertidumbre (error típico) de las mediciones en altitud en meteorología sinóptica, interpretados para las mediciones convencionales en altitud y del viento ............................................................................................................................... I.12–38 Anexo 12.B. Límites de rendimiento para vientos en altitud y para temperatura, humedad relativa y altura geopotencial medidas por radiosonda ............................................ I.12–39 Anexo 12.C. Directrices para organizar intercomparaciones de radiosondas y para el establecimiento de emplazamientos de prueba ................................................................... I.12–44 Referencias y bibliografía complementaria ............................................................................ I.12–50 CAPÍTULO 13. MEDICIÓN DEL VIENTO EN ALTITUD ............................................................. 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7

Generalidades .............................................................................................................. Sensores e instrumentos de medición del viento en altitud ....................................... Métodos de medición .................................................................................................. Ubicación del equipo en tierra .................................................................................... Fuentes de error ........................................................................................................... Comparación, calibración y mantenimiento .............................................................. Correcciones ................................................................................................................

I.13–1 I.13–1 I.13–5 I.13–11 I.13–14 I.13–14 I.13–19 I.13–21

Referencias y bibliografía complementaria ............................................................................ I.13–23 CAPÍTULO 14. OBSERVACIONES DEL TIEMPO PRESENTE Y DEL TIEMPO PASADO; ESTADO DEL TERRENO ..............................................................................................................

I.14–1

14.1 Generalidades .............................................................................................................. I.14–1 14.2 Observación del tiempo presente y del tiempo pasado ............................................... I.14–2 14.3 Observación del estado del terreno ............................................................................. I.14–8 14.4 Observación de fenómenos especiales ........................................................................ I.14–9 Anexo. Criterios para determinar la intensidad de precipitación débil, moderada o fuerte ..... I.14–10 Referencias y bibliografía complementaria ............................................................................ I.14–11 CAPÍTULO 15. OBSERVACIÓN DE LAS NUBES ..........................................................................

I.15–1

15.1 Generalidades .............................................................................................................. I.15–1 15.2 Estimación y observación de la nubosidad, la altura de la base de las nubes y el tipo de nubes por observadores humanos ............................................................ I.15–3 15.3 Mediciones de la nubosidad con instrumentos ........................................................... I.15–5 15.4 Medición de la altura de la base de las nubes con instrumentos ................................ I.15–7 15.5 Mediciones del tipo de nubes con instrumentos ........................................................ I.15–12 15.6 Otras propiedades relacionadas con las nubes ............................................................ I.15–12 Referencias y bibliografía complementaria ............................................................................ I.15–13

ÍNDICE

I.5

Página CAPÍTULO 16. MEDICIÓN DEL OZONO ................................................................................... 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6

I.16–1

Consideraciones generales ........................................................................................... I.16–1 Mediciones del ozono superficial ................................................................................ I.16–3 Mediciones del ozono total ......................................................................................... I.16–5 Mediciones del perfil vertical de ozono ....................................................................... I.16–12 Correcciones de las medidas del ozono ....................................................................... I.16–17 Observaciones desde aeronaves y satélites .................................................................. I.16–18

Anexo 16.A. Unidades de medida del ozono total y local ....................................................... I.16–20 Anexo 16.B. Teoría de la medición ......................................................................................... I.16–22 Referencias y bibliografía complementaria ............................................................................ I.16–24 CAPÍTULO 17. MEDICIÓN DE LA COMPOSICIÓN ATMOSFÉRICA ..........................................

I.17–1

17.1 Generalidades .............................................................................................................. I.17–1 17.2 Medición de las variables específicas ........................................................................... I.17–1 17.3 Garantía de la calidad .................................................................................................. I.17–11 Referencias y bibliografía complementaria ............................................................................ I.17–13

I.6

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES CAPÍTULO 1

I.1-1

GENERALIDADES

1.1

OBSERVACIONES METEOROLÓGICAS

1.1.1

Generalidades

Las observaciones meteorológicas (así como las ambientales y geofísicas afines) se realizan por diversas razones. Se utilizan para la preparación en tiempo real de análisis meteorológicos, predicciones y avisos de tiempo violento, para el estudio del clima, para las operaciones locales sensibles a las condiciones meteorológicas (por ejemplo, operaciones locales de vuelo en aeródromos o trabajos de construcción en instalaciones terrestres y marítimas), para la hidrología y la meteorología agrícola, y con fines de investigación meteorológica y climatológica. El objeto de la Guía de Instrumentos y Métodos de Observación Meteorológicos es apoyar esas actividades proporcionando asesoramiento sobre prácticas idóneas para realizar mediciones y observaciones meteorológicas. Por supuesto, existen muchas otras fuentes de asesoramiento complementario, y los usuarios deberían remitirse a las referencias que figuran al final de cada capítulo para consultar una amplia bibliografía de la teoría y la práctica de los instrumentos y métodos de observación. Las referencias abarcan asimismo material sobre prácticas nacionales, normas nacionales e internacionales, y bibliografía específica. También comprenden una lista de informes sobre conferencias técnicas, instrumentación y comparaciones internacionales de instrumentos publicados por la Organización Meteorológica Mundial (OMM) para la Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación (CIMO). Muchos otros manuales y guías publicados por la OMM tratan sobre aplicaciones particulares de las observaciones meteorológicas (véanse especialmente los relativos al Sistema Mundial de Observación (OMM, 2010b y 2010d), meteorología aeronáutica (OMM, 1990), hidrología (OMM, 2008), meteorología agrícola (OMM, 2010a) y climatología (OMM, 1983). La garantía de la calidad y el mantenimiento son especialmente importantes para las mediciones con instrumentos. A lo largo de esta Guía se formulan muchas recomendaciones con el fin de satisfacer los requisitos de rendimiento establecidos. En particular, la parte III está dedicada a la garantía y la

gestión de la calidad de los sistemas de observación. A este respecto, se reconoce que la gestión de la calidad y la formación profesional de especialistas en instrumentos son tareas de suma importancia. Por lo tanto, siguiendo la recomendación de la CIMO1, varias asociaciones regionales de la OMM han establecido Centros Regionales de Instrumentos (CRI) para mantener los niveles de calidad y proporcionar asesoramiento en lo concerniente a las mediciones meteorológicas. En el anexo 1.A figuran sus atribuciones y los lugares donde se encuentran. Asimismo, atendiendo a la recomendación de la Comisión Técnica Mixta OMM/COI sobre Oceanografía y Meteorología Marina (CMOMM)2 (OMM, 2009), se ha creado una red de Centros Regionales de Instrumentos Marinos (CRIM) cuya misión es desempeñar funciones similares en lo que respecta a la meteorología marina y otras mediciones oceanográficas afines. Sus atribuciones y sus localizaciones se indican en el anexo 4.A del capítulo 4 de la parte II. Las definiciones y normas establecidas en la presente Guía (véase la sección 1.5.1) siempre serán conformes a las normas adoptadas a nivel internacional. Los documentos fundamentales de referencia son el Vocabulario meteorológico internacional (OMM, 1992) y el International Vocabulary of Basic and General Terms in Metrology (Vocabulario internacional de términos fundamentales y generales de metrología) (ISO, 2008). 1.1.2

Representatividad

La representatividad de una observación es el grado de exactitud con el que describe el valor de una variable necesaria para una finalidad específica. Por lo tanto, no constituye una calidad fija de una observación, sino que se deriva de una evaluación conjunta de la instrumentación, el intervalo de medición y la exposición teniendo en cuenta las necesidades de una aplicación en particular. Por

1

Formulada por la Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación en su novena reunión (1985) mediante la Recomendación 19 (CIMO-IX).

2

Formulada por la Comisión Técnica Mixta OMM/COI sobre Oceanografía y Meteorología Marina (CMOMM) en su tercera reunión (2009) mediante la Recomendación 1 (CMOMM-III).

I.1-2

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

ejemplo, las observaciones sinópticas normalmente deberían ser representativas de un área de hasta 100 km en torno a la estación, mientras que en el caso de aplicaciones de pequeña escala o local la dimensión del área que se tiene en cuenta puede ser de 10 km o menos. Concretamente, las aplicaciones tienen sus propias escalas temporales y espaciales a la hora de realizar tareas de promediado y de trabajar con la densidad de las estaciones y con la resolución de los fenómenos, es decir, preferiblemente, son pequeñas para la meteorología agrícola y grandes para las predicciones mundiales a largo plazo. Las escalas utilizadas en predicción están estrechamente relacionadas con las escalas temporales de los fenómenos; así pues, para las predicciones meteorológicas a más corto plazo se requieren observaciones más frecuentes desde una red más densa en una zona limitada, con el fin de detectar cualquier fenómeno de pequeña escala y su rápido desarrollo. Remitiéndose a diversas fuentes (OMM, 2001; 2010d; Orlanski, 1975), las escalas meteorológicas horizontales pueden clasificarse de la manera siguiente, con una incertidumbre de factor dos: a) microescala (menos de 100 m) para la meteorología agrícola; por ejemplo, evaporación; b) topoescala o escala local (100 m a 3 km); por ejemplo, contaminación del aire, tornados; c) mesoescala (3 km a 100 km); por ejemplo, tormentas, brisa de mar y de montaña; d) gran escala (100 km a 3 000 km); por ejemplo, frentes, diversos ciclones, formaciones de nubes; e) escala planetaria (más de 3 000 km); por ejemplo, ondas largas en la troposfera superior. En la sección 1.6 se trata de las incertidumbres requeridas y alcanzables de los sistemas de instrumentos. Las incertidumbres alcanzables especificadas pueden obtenerse utilizando sistemas de instrumentos adecuados y manejados de manera correcta, pero, en la práctica, no siempre se consiguen. Las prácticas de observación idóneas requieren aptitudes, formación, equipo y apoyo, de los que no siempre se dispone en la cuantía suficiente. Los intervalos con los que deberían efectuarse las mediciones varían en función de la aplicación, a saber, minutos para la aviación, horas para la agricultura y días para las descripciones climáticas. Las disposiciones sobre el almacenamiento de datos pretenden conseguir un equilibrio entre la capacidad disponible y las necesidades de los usuarios. Es difícil lograr una buena exposición que sea representativa en escalas de entre unos pocos metros

y 100 km (véase la sección 1.3). Los errores debidos a una exposición no representativa pueden ser mucho mayores que los previstos para el sistema de instrumentos aislado. Una estación situada en una colina o en la costa probablemente no sea representativa en gran escala o en mesoescala. Sin embargo, con el tiempo, incluso en estaciones no representativas, la homogeneidad de las observaciones puede permitir a los usuarios emplear eficazmente los datos de esas estaciones para efectuar estudios climáticos. En el anexo 1.B se examina más detalladamente la representatividad de los emplazamientos a la vez que se ofrecen directrices sobre la clasificación de los emplazamientos para las estaciones de observación de superficie situadas en tierra con el fin de indicar su representatividad para la medición de diferentes variables. 1.1.3

Metadatos

La finalidad de la presente Guía y de las publicaciones afines de la OMM consiste en garantizar la fiabilidad de las observaciones mediante la normalización. Sin embargo, los recursos y las circunstancias locales pueden dar lugar a desviaciones con respecto a las normas acordadas en materia de instrumentación y exposición. Un ejemplo típico es el de las regiones sujetas a nevadas copiosas, donde los instrumentos se instalan a mayor altitud de la habitual de modo que puedan ser útiles tanto en invierno como en verano. A menudo, los usuarios de las observaciones meteorológicas deben conocer la exposición real, el tipo y la condición del equipo y su funcionamiento, y tal vez las circunstancias de las observaciones. Hoy en día, esto es particularmente importante en el estudio del clima, en el que deben examinarse los historiales detallados de las estaciones. Hay que mantener metadatos (datos sobre datos) de todas las cuestiones relacionadas con el establecimiento y el mantenimiento de la estación que se especifican en la sección 1.3, y de los cambios que se producen, inclusive el historial de la calibración y del mantenimiento y los cambios en la exposición y de personal (OMM, 2003). Los metadatos son importantes sobre todo para los elementos particularmente sensibles a la exposición, como la precipitación, el viento y la temperatura. Una forma especialmente importante de metadatos es la información sobre la existencia, la disponibilidad y la calidad de datos meteorológicos y los metadatos sobre ellos.

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

1.2

SISTEMAS DE OBSERVACIÓN METEOROLÓGICA

Los requisitos de los datos de observación pueden satisfacerse utilizando sistemas de medición in situ o teledetección (incluso a bordo de vehículos espaciales), según la capacidad de los diversos sistemas de teledetección para medir los elementos necesarios. En OMM (2010d) se especifican los requisitos en términos de escala mundial, regional y nacional, y según el ámbito de aplicación. El Sistema Mundial de Observación, concebido para satisfacer estos requisitos, se compone del subsistema de superficie y del subsistema espacial. El subsistema de superficie comprende una amplia variedad de tipos de estaciones según las aplicaciones particulares (por ejemplo, estación sinóptica de superficie, estación de observación en altitud, estación climatológica, etc.). El subsistema espacial comprende varios vehículos espaciales con misiones de observación a bordo y el segmento terrestre asociado para el mando, el control y la recepción de datos. Los párrafos y capítulos siguientes de la presente Guía tratan del subsistema de superficie y, en menor medida, del subsistema espacial. Para obtener ciertas observaciones meteorológicas mediante sistemas automatizados, por ejemplo, el tiempo presente, es necesario adoptar un método basado en el empleo de sensores múltiples, en el que se aplica un algoritmo para calcular el resultado de los datos que ofrecen varios sensores.

I.1-3

Altura de la base de las nubes Visibilidad Temperatura Humedad relativa Presión atmosférica Precipitación Capa de nieve Insolación y/o radiación solar Temperatura del suelo Evaporación

(capítulo 15) (capítulo 9) (capítulo 2) (capítulo 4) (capítulo 3) (capítulo 6) (capítulo 6) (capítulos 7 y 8) (capítulo 2) (capítulo 10)

Existen instrumentos que pueden medir todos estos elementos, salvo el tipo de nubes. Sin embargo, con la tecnología actual, los instrumentos para observar el tiempo presente y pasado, la nubosidad y la altura de las nubes y la capa de nieve no permiten hacer las observaciones de toda la gama de los fenómenos como las puede efectuar un observador humano. Algunas estaciones meteorológicas realizan mediciones en altura (capítulos 12 y 13 de la parte I), mediciones de la humedad del suelo (capítulo 11 de la parte I), del ozono (capítulo 16 de la parte I) y de la composición de la atmósfera (capítulo 17 de la parte I), y en algunas se recurre a sistemas de instrumentos especiales que se describen en la parte II de esta Guía. Los detalles de los métodos de observación y los instrumentos apropiados se recogen en los capítulos siguientes de esta Guía.

1.3

REQUISITOS GENERALES QUE HA DE CUMPLIR UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA

En OMM (2010d) se indican en forma pormenorizada los requisitos de los elementos que han de observarse según el tipo de estación y la red de observación. En esta sección se examinan los requisitos de observación de una estación climatológica característica o una estación de la red sinóptica de superficie. En una estación que realiza observaciones de superficie se observan los siguientes elementos (los capítulos se refieren a la parte I de esta Guía): Tiempo presente (capítulo 14) Tiempo pasado (capítulo 14) Dirección y velocidad del viento (capítulo 5) Nubosidad (capítulo 15) Tipo de nubes (capítulo 15)

1.3.1

Estaciones meteorológicas automáticas

La mayoría de los elementos requeridos para fines sinópticos, climatológicos o aeronáuticos pueden medirse con instrumentos automáticos (capítulo 1 de la parte II). A medida que aumenta la capacidad de los sistemas automáticos, también lo hace constantemente la proporción de estaciones meteorológicas meramente automáticas con respecto a las estaciones meteorológicas dotadas de personal/observadores (con instrumentos automáticos o sin elIos). Las orientaciones que se dan en los siguientes párrafos sobre el emplazamiento y la exposición, los cambios de instrumentos, y la inspección y el mantenimiento se aplican igualmente a las estaciones meteorológicas automáticas y a las estaciones meteorológicas dotadas de personal.

I.1-4

1.3.2

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

Observadores

Los observadores meteorológicos son necesarios por varias razones, como las que se enumeran a continuación: a) para efectuar observaciones sinópticas y/o climatológicas con la exactitud y representatividad adecuadas utilizando los instrumentos apropiados; b) para mantener los instrumentos, la documentación de metadatos y los emplazamientos de observación en buen estado; c) para codificar y enviar las observaciones (a falta de sistemas automáticos de codificación y comunicación); d) para mantener dispositivos de registro in situ, en particular el cambio de mapas, cuando se proporcionen; e) para hacer o cotejar registros semanales y/o mensuales de datos climatológicos cuando no se disponga de sistemas automáticos o estos sean inadecuados; f) para proporcionar observaciones suplementarias o de reserva cuando el equipo automático no haga observaciones de todos los elementos requeridos o cuando esté fuera de servicio; g) para responder a las consultas efectuadas por el público y los especialistas. Los observadores deberían estar especializados o tener un diploma de un Servicio Meteorológico que acredite su competencia para efectuar observaciones con arreglo a las normas exigidas. Deberían ser capaces de interpretar las instrucciones sobre el uso de instrumentos y las técnicas manuales aplicables a sus propios sistemas particulares de observación. Las orientaciones sobre los requisitos de formación en instrumentos de los observadores figuran en el capítulo 5 de la parte III. 1.3.3

Emplazamiento y exposición

1.3.3.1

Elección del emplazamiento

Las estaciones meteorológicas de observación están concebidas de modo que se puedan efectuar mediciones (u observaciones) representativas según el tipo de la estación de que se trate. Por tanto, una estación de la red sinóptica debería hacer observaciones que se ajusten a los requisitos de la escala sinóptica, en tanto que una estación de observación meteorológica aeronáutica debería hacer observaciones que describan las condiciones específicas del emplazamiento local (aeródromo). Cuando las estaciones se utilizan con diversos fines, por ejemplo,

aeronáuticos, sinópticos y climatológicos, los requisitos más estrictos determinarán la ubicación precisa de un emplazamiento de observación y sus sensores asociados. En OMM (1993) figura un estudio detallado sobre el emplazamiento y la exposición. Por ejemplo, las siguientes consideraciones se aplican a la elección del emplazamiento y a los requisitos de exposición de los instrumentos de una estación sinóptica o climatológica típica en una red regional o nacional: a) Los instrumentos exteriores deberían instalarse en terreno llano, a poder ser de una dimensión no inferior a 25 metros por 25 metros cuando haya muchas instalaciones, pero en los casos en los que haya relativamente pocas instalaciones (como en la figura 1.1) el terreno puede ser mucho más pequeño, por ejemplo de 10 metros por 7 metros (el recinto). El terreno debería estar cubierto de hierba corta o de una superficie representativa de la localidad, rodeada de una cerca o estacas para impedir la entrada de personas no autorizadas. En el recinto, se reserva una parcela de unos 2 metros por 2 metros para las observaciones referentes al estado del suelo y su temperatura a profundidades iguales o inferiores a 20 cm (capítulo 2 de la parte I) (las temperaturas del suelo a profundidades superiores a los 20 cm pueden medirse fuera de esta parcela). La figura 1.1 muestra un ejemplo de la distribución de dicha estación (tomado de OMM, 2010b). b) No debería haber laderas empinadas en las proximidades, y el emplazamiento no debería encontrarse en una hondonada. Si no se cumplen estas condiciones, las observaciones pueden presentar peculiaridades de importancia únicamente local. c) El emplazamiento debería estar suficientemente alejado de árboles, edificios, muros u otros obstáculos. La distancia entre cualquiera de esos obstáculos (incluidas las vallas) y el pluviómetro no debería ser inferior aI doble de la altura del objeto por encima del borde del aparato, y preferentemente debería cuadruplicar la altura. d) El registrador de luz solar, el pluviómetro y el anemómetro han de exponerse de manera que satisfagan sus requisitos, y, preferentemente, en el mismo lugar que los demás instrumentos. e) Cabe señalar que el recinto tal vez no sea el mejor lugar para estimar la velocidad y dirección del viento, por lo que quizás convenga elegir un punto de observación más expuesto al viento. f) Los emplazamientos muy abiertos, que son adecuados para la mayoría de los instrumentos, resultan inapropiados para los pluviómetros.

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

I.1-5

Norte North

1.5 m m 1,5

1,5 m m 1.5

1.5 1,5 m m Cup-counter Anemómetro anemometer de cazoletas on slender sobre poste 2 m pole delgado de 2 m

1.5 1,5m m Thermometer Garita de screen termómetros 100 cm Soil thermometer Termómetro de suelo

2m

Raingauge 1 1 Pluviómetro

3m

Pluviómetro Raingauge 22

Termómetro de suelo Soil thermometer

1,5 1.5m m East Este

West Oeste

1,5 m m 1.5

Recording Pluviógrafo raingauge

1.5 m m 1,5

30 cm

60 cm

Forjadoslab Concrete 1,4 m 1.4 m

Term. Min. therm mínima

Termómetro de mínima Grass minimum thermometer sobre hierba

1m

75 m 2m Soil thermometers Termómetros de suelo

1,25 m 1.25 m

5m

20 cm 10 cm 5cm Bare-soil minimum Termómetro de mínima thermometer sobre suelo desnudo

Sunshine Heliógrafo recorder sobre on 2pilar m de 2m pillar

1.5 m 1,5

Baredesnudo patch to bedebe Bloque que kept weeded mantenerse húmedo

2m 1m

1.5 m m 1,5 1m

South Sur

Figura 1.1. Disposición de una estación de observación en el hemisferio norte que muestra las distancias

En tales lugares, la captación del agua de lluvia es reducida, salvo en condiciones de vientos débiles, y se necesita algún tipo de protección. g) Cuando haya árboles o edificios a cierta distancia del entorno del recinto de instrumentos que impidan divisar con suficiente amplitud el horizonte, deberían elegirse otros puntos para las observaciones de luz solar o radiación. h) El lugar desde donde se realice la observación de las nubes y de la visibilidad debería ser lo más despejado posible y permitir la visión más amplia posible del cielo y del paraje circundante. i) En las estaciones costeras, conviene que desde la estación pueda dominarse el mar abierto. Sin embargo, no debería estar demasiado cerca del borde de un acantilado porque los remolinos de viento que este provoque afectarán a las mediciones de la precipitación y el viento. j) El mejor lugar para realizar observaciones de nubes y visibilidad durante la noche es un emplazamiento no afectado por luces extrañas.

Es obvio que algunas de las consideraciones antes señaladas son en cierto modo contradictorias y requieren soluciones intermedias. En los capítulos siguientes se ofrece información pormenorizada sobre los instrumentos y mediciones específicos. 1.3.3.2

Coordenadas de la estación

La posición de una estación indicada en el modelo del geoide terrestre 1996 (EGM96) del Sistema Geodésico Mundial 1984 (WGS-84) debe conocerse y registrarse con precisión3. Las coordenadas de una estación son: a) la latitud en grados, minutos y segundos enteros; b) la longitud en grados, minutos y segundos enteros;

3

Para una explicación sobre el WGS-84 y las cuestiones relativas al registro, véase OACI, 2002.

I.1-6

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

c) la altura de la estación sobre el nivel medio del mar4, es decir, la elevación de la estación, en metros hasta el segundo decimal. Estas coordenadas se refieren a la parcela desde la que se efectúan las observaciones y pueden ser distintas de las de la ciudad, el pueblo o el aeródromo que dan el nombre a la estación. La elevación de la estación se define como la altura sobre el nivel medio del mar del terreno en que se encuentra el pluviómetro o, cuando no lo hubiere, del terreno situado bajo la garita del termómetro. Si no hay pluviómetro ni garita, la elevación viene dada por el nivel medio del terreno en las proximidades de esta estación. Si la estación proporciona datos sobre la presión, la elevación a la cual se refiere la presión de la estación ha de especificarse por separado. Se trata del nivel de referencia al que se refieren los informes barométricos en la estación; esos valores barométricos se denominan “presión en la estación”, y se sobrentiende que se refieren al nivel indicado para dar continuidad a los registros de presión (OMM, 2010e). Si la estación se encuentra en un aeródromo, han de especificarse otras elevaciones (véase el capítulo 2 de la parte II, y OMM, 1990). En OMM (1992) se dan definiciones de medidas de la altura y del nivel medio del mar.

1.3.4

Cambios de instrumentos y homogeneidad

Las características de un emplazamiento de observación cambian generalmente con el transcurso del tiempo; por ejemplo, debido al crecimiento de árboles o a la construcción de edificios en terrenos adyacentes. Los emplazamientos deberían elegirse de manera que se reduzcan al mínimo estos efectos, cuando sea posible. Debería mantenerse y actualizarse regularmente la documentación relativa a los rasgos geográficos y a la exposición del emplazamiento, que constituiría parte de los metadatos (véase el anexo 1.C y OMM, 2003).

4

La definición de nivel medio del mar (NMM) figura en OMM, 1992. El nivel de referencia predeterminado del NMM deberá ser un geoide bien definido, como el modelo del geoide terrestre 1996 (EGM96) del Sistema Geodésico Mundial 1984 (WGS-84) [Geoide: superficie equipotencial del campo gravitatorio terrestre que mejor se ajusta, en el sentido de los mínimos cuadrados, al NMM mundial].

Es particularmente importante minimizar los efectos de los cambios de instrumentos y/o de los cambios de emplazamiento de instrumentos específicos. Aunque se conozcan bien las características estáticas de los nuevos instrumentos, cuando estos se utilizan operativamente pueden introducir cambios aparentes en la climatología del emplazamiento. Para obviar esta eventualidad, las observaciones realizadas con nuevos instrumentos deberían compararse durante un amplio período (al menos un año; véase la Guía de prácticas climatológicas (OMM, 1983)) antes de abandonar el sistema de medición previo. Lo mismo se aplica en caso de un cambio de emplazamiento. Si este procedimiento no puede aplicarse en todos los emplazamientos, es esencial realizar comparaciones en emplazamientos representativos seleccionados, para tratar de deducir cambios en los datos de medición que pueden deberse a una nueva tecnología o a cambios forzados de emplazamiento.

1.3.5

Inspección y mantenimiento

1.3.5.1

Inspección de las estaciones

Todas las estaciones sinópticas terrestres y las estaciones climatológicas principales deberían inspeccionarse al menos una vez cada dos años. Las estaciones meteorológicas agrícolas y las estaciones especiales deberían inspeccionarse a intervalos suficientemente cortos para garantizar el mantenimiento de una elevada calidad de las observaciones, así como el correcto funcionamiento de los instrumentos. El principal objetivo de dichas inspecciones es cerciorarse de que: a) el emplazamiento y la exposición de los instrumentos sean conocidos, aceptables y estén debidamente documentados; b) los instrumentos sean del tipo autorizado, estén en buen estado y sean contrastados regularmente con sus instrumentos patrón, según proceda; c) exista uniformidad en los métodos de observación y en los procedimientos para el cálculo de magnitudes derivadas de las observaciones; d) los observadores sean competentes para realizar sus tareas; e) los metadatos estén actualizados. En la sección 1.5 se ofrece más información sobre la normalización de instrumentos.

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

1.3.5.2

Mantenimiento

El emplazamiento y los instrumentos de observación deberían recibir un mantenimiento regular para evitar un deterioro significativo de la calidad de las observaciones entre las distintas inspecciones de las estaciones. Los programas de mantenimiento periódico (preventivo) comprenden el cuidado regular de los emplazamientos de observación (por ejemplo, corte de la hierba y limpieza de las superficies de los instrumentos expuestos), así como la verificación de los instrumentos automáticos recomendada por los fabricantes. Las verificaciones rutinarias del control de la calidad realizadas en la estación o en un punto central deberían estar pensadas para detectar las averías del equipo lo antes posible. Según el tipo de avería y de estación, el equipo debería sustituirse o repararse con arreglo a las prioridades y a la periodicidad convenidas. Como parte de los metadatos, es especialmente importante llevar un registro de las averías de los instrumentos y de los cambios de exposición, y tomar medidas correctivas cuando los datos se utilicen con fines climatológicos. En OMM (2010b) figura más información sobre la inspección y gestión de estaciones.

1.4

REQUISITOS GENERALES QUE HAN DE CUMPLIR LOS INSTRUMENTOS

1.4.1

Características convenientes

Los requisitos más importantes que han de satisfacer los instrumentos meteorológicos son los siguientes: a) incertidumbre, según el requisito especificado para la variable de que se trate; b) fiabilidad y estabilidad; c) facilidad de funcionamiento, calibración y mantenimiento; d) sencillez de diseño que sea coherente con los requisitos; e) durabilidad; f) nivel de costo aceptable de los instrumentos, los bienes fungibles y las piezas de recambio. Con respecto a los dos primeros requisitos, es importante que un instrumento pueda mantener la incertidumbre conocida durante un largo período. Esto es mucho mejor que disponer de una elevada incertidumbre inicial que no puede mantenerse durante mucho tiempo en condiciones operativas.

I.1-7

Las calibraciones iniciales de los instrumentos revelarán, en general, desviaciones del resultado ideal, por lo que será preciso efectuar correcciones en los datos observados durante las operaciones normales. Es importante conservar las correcciones con los instrumentos en el emplazamiento de observación y dar a los observadores indicaciones claras sobre su uso. La sencillez, la robustez y la facilidad de funcionamiento y mantenimiento son importantes, ya que la mayoría de los instrumentos meteorológicos se utilizan continuamente, año tras año, y pueden estar situados lejos de las instalaciones de reparación adecuadas. Una construcción robusta resulta especialmente conveniente en los instrumentos que están total o parcialmente expuestos a la intemperie. A menudo, si se reúnen estas características, será posible reducir los gastos generales para proporcionar buenas observaciones, compensándose así el costo inicial. 1.4.2

Instrumentos registradores

En muchos de los instrumentos registradores utilizados en meteorología, el movimiento del elemento de detección es amplificado por palancas que mueven una pluma sobre una banda de papel adosada a un tambor accionado, a su vez, por un aparato de relojería. Estos registradores deberían estar lo más exentos posible de fricción, no solamente en los cojinetes, sino también entre la pluma y el papel. Se debería disponer de algún medio para ajustar la presión de la pluma sobre el papel, aunque dicha presión debería reducirse al mínimo que permita lograr un trazo continuo legible. En los registradores accionados por un aparato de relojería debería disponerse también de medios para registrar las horas. Al diseñar instrumentos registradores para utilizarlos en climas fríos hay que cuidar especialmente de que su funcionamiento no resulte afectado adversamente por fríos extremos y por la humedad, y de que los observadores puedan realizar los procedimientos habituales (registro de las horas, etc.), aunque lleven guantes. Los instrumentos registradores deberían compararse frecuentemente con instrumentos de lectura directa. Cada vez es mayor el número de instrumentos que utilizan registros electrónicos en cinta magnética o en microcircuitos de semiconductores. Muchas de las consideraciones especificadas para los cojinetes, la fricción y el funcionamiento con tiempo frío se aplican también a los componentes mecánicos de estos instrumentos.

I.1-8

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

1.5

NORMAS Y DEFINICIONES DE MEDICIÓN

1.5.1

Definiciones de los patrones de medición

Con los términos “patrón” y otros similares se conocen los diversos instrumentos, métodos y escalas utilizados para conocer la incertidumbre de las mediciones. El International Vocabulary of Basic and General Terms in Metrology (Vocabulario internacional de metrología — Conceptos fundamentales y generales, y términos asociados) contiene una nomenclatura para los patrones de medición, que fue elaborada simultáneamente por la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM), la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), la Federación Internacional de Química Clínica y Laboratorios Médicos (IFCC), la Organización Internacional de Normalización (ISO), la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (IUPAP) y la Organización Internacional de Metrología Legal (OIML), y publicada por la ISO. La versión actual es la JCGM 200:2008, que puede consultarse en http://www.bipm.org/en/ publications/guides/vim.html. A continuación figuran algunas definiciones: Patrón de medición: realización de la definición de una magnitud dada, con un valor determinado y una incertidumbre de medición asociada, utilizada como referencia.

Patrón de medición primario (patrón primario): patrón establecido aplicando un procedimiento de medición de referencia primario, o creado como un objeto, elegido por consenso. Ejemplo 1: Patrón primario de concentración de cantidad de una sustancia preparado mediante la disolución de una cantidad de sustancia conocida de un componente químico en un volumen de solución conocido. Ejemplo 2: Patrón primario de presión basado en mediciones separadas de fuerza y de área. Patrón de medición secundario (patrón secundario): patrón establecido mediante una calibración respecto de un patrón primario de la misma magnitud. Patrón de medición de referencia (patrón de referencia): patrón concebido para la calibración de otros patrones de magnitud de un tipo determinado en una organización dada y en un emplazamiento dado. Patrón de medición de trabajo (patrón de trabajo): patrón utilizado habitualmente para calibrar o verificar instrumentos de medición o sistemas de medición. Notas: 1)

Un patrón de trabajo se calibra normalmente respecto de

un patrón de referencia.

Ejemplo 1: Patrón de medición másico de 1 kg con una incertidumbre tipo asociada de 3 µg.

2)

Ejemplo 2: Resistor patrón de medición de 100 Ω con una incertidumbre tipo asociada de 1 Ω.

Patrón de transferencia: patrón utilizado como intermediario para comparar patrones.

Un patrón de trabajo utilizado con fines de verificación

también suele denominarse “patrón de verificación” o “patrón de control”.

Nota:

Patrón de medición internacional: patrón reconocido por los signatarios de un acuerdo internacional para una utilización mundial. Ejemplo 1: El prototipo internacional del kilogramo.

Dispositivo de medición de transferencia (dispositivo de transferencia): dispositivo utilizado como intermediario para comparar patrones. Nota:

Patrón de medición nacional (patrón nacional): patrón reconocido por las autoridades nacionales para servir, en un estado o economía, como base para asignar valores de cantidad a otros patrones de medición de la magnitud de que se trate.

Cuando el intermediario no es un patrón debería utili-

zarse el término “dispositivo de transferencia”.

A veces, los patrones pueden utilizarse como dispositivos

de transferencia.

Patrón itinerante: patrón, a veces de una construcción especial, destinado al transporte entre diferentes lugares.

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

Patrón colectivo: serie de medidas materiales o instrumentos de medición similares que cumplen, mediante su uso combinado, la función de un patrón. Ejemplo: La Referencia Radiométrica Mundial. Notas: 1)

Normalmente, un patrón colectivo suele estar destinado a

proporcionar un solo valor de una magnitud. 2)

El valor proporcionado por un patrón colectivo es una me-

dia apropiada de los valores proporcionados por cada uno de los instrumentos.

Trazabilidad: propiedad del resultado de una medición o del valor de un patrón que permite relacionarlo con referencias especificadas, generalmente patrones nacionales e internacionales, a través de una cadena ininterrumpida de comparaciones, todas con incertidumbres especificadas. Trazabilidad metrológica: propiedad de un resultado de medida por la cual el resultado puede relacionarse con una referencia mediante una cadena ininterrumpida y documentada de calibraciones, cada una de las cuales contribuye a la incertidumbre de medida. Calibración: operación que, en condiciones especificadas, determina, en una primera etapa, la relación entre los valores y las incertidumbres de las mediciones que proporcionan los patrones de medición y las indicaciones correspondientes con las incertidumbres de medición asociadas y, en una segunda etapa, utiliza esta información para establecer una relación que permita obtener un resultado de medición a partir de una indicación. Notas: 1)

I.1-9

presión y la radiación se indican en el capítulo 3 de la parte I (anexo 3.B) y en el capítulo 7 de la parte I (anexo 7.C), respectivamente. En general, los patrones regionales son designados por las asociaciones regionales, y los patrones nacionales, por cada uno de los Miembros. Salvo que se especifique otra cosa, los instrumentos designados como patrones regionales y nacionales deberían compararse mediante patrones itinerantes, al menos una vez cada cinco años. No es indispensable que los instrumentos utilizados como patrones itinerantes tengan la incertidumbre de los patrones primarios o secundarios; sin embargo, deberían ser lo suficientemente robustos como para soportar el transporte sin que cambie su calibración. Análogamente, los instrumentos utilizados en la práctica en un Servicio deberían compararse periódicamente, directa o indirectamente, con los patrones nacionales. Las comparaciones de instrumentos dentro de un Servicio deberían realizarse, en la medida de lo posible, en el momento en que los instrumentos se envían a una estación y, posteriormente, durante cada una de las inspecciones periódicas de la estación, tal y como se recomienda en la sección 1.3.5. Los instrumentos patrón portátiles utilizados por los inspectores deberían verificarse con los instrumentos patrón del Servicio antes y después de cada gira de inspección. Deberían efectuarse comparaciones entre instrumentos operativos de diferentes diseños (o principios de funcionamiento), para garantizar la homogeneidad de las mediciones en el espacio y en el tiempo (véase la sección 1.3.4). 1.5.3

Símbolos, unidades y constantes

1.5.3.1

Símbolos y unidades

Una calibración puede expresarse mediante un enunciado,

una función de calibración, un diagrama de calibración, una curva de calibración o una tabla de calibración. En ciertos casos, puede consistir en una corrección aditiva o multiplicativa de la indicación con una incertidumbre de medición asociada. 2)

La calibración no debería confundirse con la operación de

ajuste de un sistema de medición, a la que, a menudo, se denomina erróneamente “autocalibración”, ni con la verificación de la calibración.

1.5.2

Procedimientos de normalización

Con objeto de controlar eficazmente la normalización de los instrumentos meteorológicos a escala nacional e internacional, la OMM ha adoptado un sistema de patrones nacionales y regionales. Las ubicaciones de los patrones regionales para la

Las mediciones efectuadas con instrumentos proporcionan valores numéricos. La finalidad de estas mediciones consiste en obtener magnitudes físicas o meteorológicas que representen las condiciones de la atmósfera local. Para las actividades meteorológicas, las lecturas de los instrumentos representan variables, tales como la “presión atmosférica”, “la temperatura del aire” o “la velocidad del viento”. Habitualmente, una variable con el símbolo a se representa como a = {a}·[a], en donde {a} constituye el valor numérico y [a] el símbolo de la unidad. Los principios generales relativos a las magnitudes, las unidades y los símbolos se especifican en ISO (1993) y en IUPAP (1987). Se debería utilizar el Sistema Internacional de Unidades (SI) como sistema

I.1-10

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

de unidades para la evaluación de los elementos meteorológicos incluidos en los informes destinados al intercambio internacional. La Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) (1998) se encarga de publicar y actualizar este sistema. El Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) (1995) y la ISO (1993) publican guías para la utilización del SI. Las variables que no hayan sido definidas como un símbolo internacional por el Sistema Internacional de Magnitudes pero que se utilizan comúnmente en la meteorología, pueden encontrarse en las International Meteorological Tables (Tablas meteorológicas internacionales) (OMM, 1966) y en los capítulos correspondientes de la presente Guía. En las observaciones meteorológicas deberían utilizarse las siguientes unidades: a) presión atmosférica, p, en hectopascales (hPa)5; b) temperatura, t, en grados Celsius (°C), o T, en kelvin (K); Nota: Las escalas de temperatura Celsius y Kelvin deberían adaptarse a la definición exacta de la Escala Internacional de Temperatura (para 2004: ITS-90, véase BIPM, 1990).

c) velocidad del viento, tanto en las observaciones de superficie como en altitud, en metros por segundo (m s–1); d) dirección del viento en grados dextrorsum (en el sentido de las agujas del reloj) a partir del norte o en la escala 0-36, donde 36 es el viento del norte y 09 el viento del este (°); e) humedad relativa, U, en porcentaje (%); f) precipitación (cantidad total) en milímetros (mm) o en kilogramos por metro cuadrado (kg m–2)6; g) intensidad de la precipitación, Ri , en milímetros por hora (mm h–1) o en kilogramos por metro cuadrado por segundo (kg m–2 s–1)7; h) equivalente en agua de la nieve en kilogramos por metro cuadrado (kg m–2); i) evaporación en milímetros (mm); j) visibilidad en metros (m);

5

La unidad “pascal” es la principal unidad derivada del SI para indicar la magnitud de la presión. La unidad y símbolo “bar” es una unidad que no pertenece al SI; en cualquier documento donde se emplee, esta unidad (bar) deberá definirse en relación con el SI. Se recomienda dejar de utilizarla. Por definición, 1 mbar (milibar) ≡ 1 hPa (hectopascal).

6

Suponiendo que 1 mm sea igual a 1 kg m–2 independientemente de la temperatura.

7

Recomendación 3 (CSB-XII), anexo 1, adoptada mediante la Resolución 4 (EC-LIII).

k) irradiancia en vatios por metro cuadrado y exposición radiante en julios por metro cuadrado (W m–2, J m–2); l) duración de la insolación en horas (h); m) altura de las nubes en metros (m); n) nubosidad en octas; o) geopotencial, utilizado en las observaciones en altitud, en metros geopotenciales tipo (m’). Nota:

La altura, el nivel o la altitud se presentan con respecto

a una referencia bien definida. Las referencias habituales son el nivel medio del mar (NMM), la altitud de la estación o la aeronave a 1 013,2 hPa.

EI metro geopotencial tipo se define como 0,980 665 del metro dinámico; para los niveles de la troposfera, el geopotencial se aproxima en valor numérico a la altura expresada en metros. 1.5.3.2

Constantes

Se han adoptado las siguientes constantes para uso meteorológico: a) temperatura absoluta del punto normal de hielo T0 = 273,15 K (t = 0,00 °C); b) temperatura absoluta del punto triple del agua T = 273,16 K (t = 0,01 °C), según se define en la ITS-90; c) gravedad normal tipo ( gn ) = 9,806 65 m s–2; d) densidad del mercurio a 0 °C = 1,359 51·104 kg m–3. Los valores de otras constantes se indican en OMM (1966; 1988).

1.6

INCERTIDUMBRE DE LAS MEDICIONES

1.6.1

Mediciones meteorológicas

1.6.1.1

Generalidades

Esta sección trata de las definiciones que corresponden a la evaluación de la exactitud y a la medición de las incertidumbres en las mediciones físicas, y concluye con las especificaciones de las incertidumbres requeridas y alcanzables en meteorología. En primer lugar, se examinan algunas cuestiones que surgen particularmente en las mediciones meteorológicas. El termino medición se define minuciosamente en la sección 1.6.2, pero en la mayor parte de esta Guía se utiliza en un sentido menos estricto con el

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

significado de proceso de medición o su resultado, que también puede denominarse “observación”. Una muestra es una sola medición, en general, una de una serie de lecturas puntuales o instantáneas de un sistema de sensores, de la que se obtiene un valor medio o suavizado para hacer una observación. En los capítulos 2 y 3 de la parte III se ofrece un enfoque más teórico de este aspecto. Los términos exactitud, error e incertidumbre se definen minuciosamente en la sección 1.6.2, en la que se explica que la exactitud es un término cualitativo cuya expresión numérica es la incertidumbre. Esta constituye una práctica idónea y es la que se ha adoptado en la presente Guía. Anteriormente, se procedía al uso común y menos preciso de exactitud como en “una exactitud de ±x”, que debería leerse “una incertidumbre de x”. 1.6.1.2

Fuentes y estimaciones de error

Las fuentes de error en las diversas mediciones meteorológicas se tratan en forma detallada en los siguientes capítulos de la Guía pero, en general, pueden considerarse como la acumulación producida a través de la cadena de trazabilidad y de las condiciones de medición. Como ejemplo para analizar la manera en que surgen los errores conviene tomar la temperatura del aire, pero también se puede adaptar fácilmente el siguiente razonamiento a la presión, al viento y a otras magnitudes meteorológicas. En lo que respecta a la temperatura, las fuentes de error en una medición individual son las siguientes: a) Errores en los patrones internacionales, nacionales y de trabajo, y en las comparaciones realizadas entre ellos. Pueden considerarse desdeñables para aplicaciones meteorológicas. b) Errores en las comparaciones entre los patrones de trabajo, itinerantes y/o de verificación y los instrumentos de campo utilizados en el laboratorio o en los baños Iíquidos sobre el terreno (si así se establece la trazabilidad). Son pequeños si el método es idóneo (por ejemplo, con una incertidumbre de ±0,1 K en el nivel de confianza del 95 por ciento, incluidos los errores mencionados en el párrafo a)), pero pueden muy bien ser mayores, según las aptitudes del operador y la calidad del equipo. c) No linealidad, deriva, repetibilidad y reproducibilidad en el termómetro sobre el terreno y su transductor (según el tipo de elemento de termómetro). d) Grado de eficacia de la transferencia de calor entre el elemento del termómetro y el aire en la

I.1-11

garita meteorológica, que debería garantizar que el elemento se encuentra en equilibrio térmico con el aire (relacionado con la constante de tiempo o el coeficiente de retardo del sistema). En una garita ventilada y de diseño apropiado este error será muy pequeño, pero en otros casos puede ser grande. e) Grado de eficacia de la garita meteorológica, que debería garantizar que el aire de la garita se encuentre a la misma temperatura que el aire inmediatamente circundante. Cuando el diseño de la garita es adecuado, este error es pequeño, pero la diferencia entre una garita eficaz y otra ineficaz puede ser de 3 °C o más, en algunas circunstancias. f) Exposición, que debería garantizar que la garita se encuentre a una temperatura representativa de la región que se ha de vigilar. Las fuentes y sumideros de calor próximos (edificios u otras superficies no representativas que rodeen o estén por debajo de la garita) y la topografía (montículos y límites de separación entre superficies de tierra y agua) pueden dar lugar a errores importantes. Los metadatos de la estación deberían ofrecer una descripción adecuada de la exposición que se actualice periódicamente (véase el anexo 1.C) para informar a los usuarios de datos acerca de los posibles errores de exposición. En todos los apartados anteriores surgen errores sistemáticos y errores aleatorios. Es posible reducir los efectos de las fuentes de error d) a f) si las operaciones se llevan a cabo cuidadosamente y se dispone de un terreno propicio para el emplazamiento; de lo contrario, estas fuentes pueden dar lugar a un error general muy grande. Sin embargo, a veces no se tienen en cuenta al examinar los errores, como si la calibración del sensor en un laboratorio pudiera definir completamente el error total. En meteorología es difícil establecer el valor verdadero (Linacre, 1992). Comparando sobre el terreno instrumentos bien diseñados pueden determinarse las características de los instrumentos para dar una buena estimación de la incertidumbre derivada de los apartados a) a e) anteriores. Si se ha documentado debidamente la exposición de la estación, los efectos de la exposición imperfecta pueden corregirse sistemáticamente para algunos parámetros (por ejemplo, para el viento; véase OMM, 2002) y para otros deberían estimarse. Si la región cuenta con suficientes estaciones fiables, un procedimiento operativo eficaz de control de calidad lo constituye la comparación de los datos de la estación con los campos analizados

I.1-12

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

numéricamente que utilizan datos de las estaciones vecinas. Las diferencias entre las observaciones individuales en la estación y los valores interpolados del campo analizado se deben a los errores en el campo, así como a la calidad del funcionamiento de la estación. Sin embargo, durante un período dado, el error medio en cada punto del campo analizado puede ser considerado cero si las estaciones circundantes son adecuadas para efectuar un buen análisis. En ese caso, es posible calcular las desviaciones media y típica de las diferencias entre la estación y el campo analizado y pueden considerarse como los errores en el sistema de medición de la estación (incluidos los efectos de exposición). La incertidumbre en la estimación del valor medio durante un largo período puede resultar, pues, muy reducida (si las circunstancias en la estación no cambian), lo cual sirve de base para estudiar el cambio climático. Definiciones de mediciones y sus errores

1.6.2

La siguiente terminología relativa a la exactitud de las mediciones se ha extraído de ISO (2008), que contiene numerosas definiciones aplicables a las prácticas de las observaciones meteorológicas. ISO (1995) da orientaciones prácticas sumamente útiles y detalladas sobre el cálculo y la expresión de la incertidumbre en las mediciones.

Valor verdadero (de una cantidad): valor coherente con la definición de determinada cantidad. = ±

Notas: 1)

Valor que se obtendría con una medición perfecta.

2)

Los valores verdaderos son, por su propia naturaleza, inde-

terminados.

Exactitud (de medición): grado de concordancia entre el resultado de una medición y un valor verdadero del mesurando. Notas: 1)

La “exactitud” es un concepto cualitativo.

2)

El término “precisión” no debería utilizarse en lugar de “exac-

titud”.

Repetibilidad (de resultados de mediciones): grado de concordancia entre los resultados de mediciones sucesivas del mismo mesurando realizadas en las mismas condiciones de medición. Notas: 1)

Estas condiciones se denominan condiciones de repetibilidad.

2)

Las condiciones de repetibilidad comprenden: a) el mismo procedimiento de medición; b) el mismo observador; c) el mismo instrumento de medición, usado en las mismas condiciones (incluidas las meteorológicas); d) el mismo lugar;

Medición: serie de operaciones cuyo objetivo es determinar el valor de una magnitud.

e) repetición durante un período breve. 3)

La repetibilidad puede expresarse cuantitativamente en fun-

ción de las características de dispersión de los resultados. Nota:

Las operaciones pueden realizarse automáticamente.

Resultado de una medición: valor atribuido a un mesurando (la magnitud física que se mide), obtenido por medición.

Reproducibilidad (de resultados de mediciones): grado de concordancia entre los resultados de mediciones del mismo mesurando realizadas en distintas condiciones de medición.

Notas:

Notas:

1)

1)

Cuando se da un resultado, debería precisarse si se refiere a

Para que la especificación de reproducibilidad sea válida

la indicación, al resultado incorrecto o al resultado correcto, y

hay que especificar las condiciones que han cambiado.

si se han promediado varios valores.

2)

2)

Tales condiciones pueden comprender lo siguiente: a) el principio de medición;

La especificación completa de los resultados de una

medición comprende información sobre la incertidumbre de la

b) el método de medición;

medición.

c) el observador; d) el instrumento de medición;

Resultado correcto: resultado de una medición después de corregir el error sistemático.

e) el patrón de referencia; f) el lugar; g) las condiciones de utilización (incluidas las meteorológicas);

Valor (de una cantidad): magnitud de determinada cantidad expresada generalmente como una unidad de medición multiplicada por un número.

h) el tiempo. 3) 4)

Ejemplo: Longitud de una varilla: 5,34 m.

La reproducibilidad puede expresarse cuantitativamente en

función de las características de dispersión de los resultados. En este caso, por resultado se entiende, generalmente, los

resultados corregidos.

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

Incertidumbre de medición (incertidumbre): parámetro no negativo que caracteriza la dispersión de los valores atribuidos al mesurando, sobre la base de la información utilizada.

I.1-13

realizadas en condiciones de repetibilidad, menos un valor verdadero del mesurando. Notas: 1)

Error sistemático es igual a error menos error aleatorio.

Notas:

2)

Al igual que ocurre con el valor verdadero, el error sistemá-

1)

tico y sus causas no pueden conocerse totalmente.

La incertidumbre de medición comprende componentes

que surgen de efectos sistemáticos, tales como los componentes asociados con las correcciones y los valores asignados a los patrones de medición, así como con la incertidumbre relativa a las definiciones. A veces, no se corrigen los efectos sistemáticos

Corrección: valor añadido algebraicamente al resultado no corregido de una medición para compensar un error sistemático.

estimados, sino que se incorporan componentes asociados a la incertidumbre. 2)

El parámetro puede ser, por ejemplo, una desviación típica

denominada incertidumbre típica (o un determinado múltiplo de ella) o bien la semianchura de un intervalo con una probabi-

1.6.3

Características de los instrumentos

lidad de cobertura determinada. 3)

La incertidumbre de medición comprende, en general,

muchos componentes. Algunos de ellos pueden estudiarse mediante una evaluación de tipo A de la incertidumbre a partir

Se han extraído de ISO (2008) otras propiedades de instrumentos que es preciso conocer para evaluar su incertidumbre.

de la distribución estadística de los valores de series de mediciones y pueden caracterizarse por desviaciones típicas. Los demás componentes, que pueden evaluarse mediante una evaluación de tipo B de la incertidumbre, también pueden caracte-

Sensibilidad: cambio en la respuesta de un instrumento de medición dividido por el correspondiente cambio en el estímulo.

rizarse por desviaciones típicas, evaluadas a partir de funciones de densidad de probabilidad basadas en la experiencia o en otra información. 4)

Nota: La sensibilidad puede depender del valor del estímulo.

En general, se sobrentiende que en una determinada infor-

mación la incertidumbre de medición está asociada con un valor determinado asignado a un mesurando. Una modificación de este valor da lugar a una modificación de la incertidumbre asociada.

Error (de medición): resultado de una medición menos un valor verdadero del mesurando. Nota:

Discriminación: capacidad de un instrumento de medición para responder a pequeños cambios en el valor del estímulo. Resolución: expresión cuantitativa de la capacidad de un dispositivo de indicación para distinguir significativamente entre valores situados muy cerca de la cantidad indicada.

Como no puede determinarse un valor verdadero, en la

práctica, se utiliza un valor verdadero convencional.

Desviación: el valor menos su valor verdadero convencional. Error aleatorio: resultado de una medición menos la media que resultaría de un número infinito de mediciones del mismo mesurando realizadas en condiciones de repetibilidad. Notas: 1)

Error aleatorio es igual a error menos error sistemático.

2)

Como solo puede tomarse un número finito de mediciones,

únicamente es posible determinar una estimación del error aleatorio.

Error sistemático: media que resultaría de un número infinito de mediciones del mismo mesurando,

Histéresis: propiedad de un instrumento de medición según la cual su respuesta a determinado estímulo depende de la secuencia de los estímulos precedentes. Estabilidad (de un instrumento): capacidad de un instrumento para mantener constantes sus características metrológicas en el tiempo. Deriva: variación lenta con el tiempo de una característica metrológica de un instrumento de medición. Tiempo de respuesta: intervalo entre el instante en que un estímulo está sometido a determinado cambio repentino y el instante en que la respuesta alcanza los límites especificados, y se mantiene en ellos, en torno a su valor estable definitivo.

I.1-14

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

En meteorología se utilizan frecuentemente otras definiciones, como las siguientes: σ

Especificaciones de tiempo de respuesta: con frecuencia se da el tiempo correspondiente al 90 por ciento del cambio instantáneo. El tiempo correspondiente al 50 por ciento del cambio instantáneo se denomina a veces semitiempo.

T

–

O

Cálculo del tiempo de respuesta: en la mayoría de los sistemas sencillos, la respuesta ante un cambio instantáneo es:

Figura 1.2. Distribución de datos en una comparación de instrumentos

Y = A(1 – e–t/τ )

Si se efectúan n comparaciones de un instrumento operativo manteniendo constantes la variable medida y todas las demás variables significativas, se establece la mejor estimación del valor verdadero utilizando un patrón de referencia, y la variable medida tiene una distribución gaussiana8, los resultados pueden representarse como en la figura 1.2. _ En esta figura T es el valor verdadero, O es la media de los n valores O observados con un instrumento y σ es la desviación típica de los valores observados con respecto a sus valores medios.

(1.1)

donde Y es el cambio después del tiempo transcurrido t; A es la amplitud del cambio instantáneo aplicado; t es el tiempo transcurrido a partir del cambio instantáneo; y τ es una variable característica del sistema que tiene la dimensión del tiempo. La variable τ se denomina constante de tiempo o coeficiente de inercia. Es el tiempo que tarda el instrumento, tras un cambio instantáneo, en alcanzar 1/e de la lectura estable definitiva. En otros sistemas la respuesta es más complicada y no se examinará en este contexto (véase también el capítulo 2 de la parte III). Error de inercia: error que puede darse en una serie de mediciones debido al tiempo finito de respuesta del instrumento de observación. 1.6.4

Incertidumbres de medición de un solo instrumento

Para la expresión y el cálculo de incertidumbres debería utilizarse ISO (1995), donde figura una serie de definiciones y métodos prácticos de información detallados, y una exposición completa de métodos estadísticos apropiados, con numerosos ejemplos. 1.6.4.1

Distribuciones estadísticas de las observaciones

Para determinar la incertidumbre de una medición individual, en primer lugar, se ha de considerar la aplicación de un método estadístico. Para tal fin, se dan las siguientes definiciones (ISO, 1995; 2008): a) incertidumbre típica; b) incertidumbre ampliada; c) varianza, desviación típica; d) intervalo de cobertura estadística.

En esta situación se pueden identificar las siguientes características: a) El error sistemático, a menudo denominado _ sesgo, dado por la diferencia algebraica O – T. Los errores sistemáticos no pueden suprimirse pero con frecuencia pueden reducirse. Puede aplicarse un factor de corrección para compensar el efecto sistemático. Normalmente, deberían efectuarse calibraciones y ajustes adecuados para suprimir los errores sistemáticos de los sensores. Los errores sistemáticos ocasionados por efectos del medio ambiente o del emplazamiento solo pueden reducirse. b) El error aleatorio, que surge de variaciones temporales y espaciales impredecibles o estocásticas. La medición de este efecto aleatorio puede expresarse mediante la desviación típica σ determinada tras n mediciones, donde n debería ser suficientemente grande. En principio, _ σ es una medición de la incertidumbre de O. c) La exactitud de la medición, que es el grado de concordancia entre el resultado de una medición y un valor verdadero del mesurando. La exactitud de un instrumento de medición es la capacidad de dar respuestas que se aproximen

8

Sin embargo, cabe señalar que algunas variables meteorológicas no siguen una distribución gaussiana. Véase la sección 1.6.4.2.3.

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

a un valor verdadero. Cabe señalar que la “exactitud” es un concepto cualitativo. d) La incertidumbre de una medición, la cual representa un parámetro asociado con el resultado de una medición, que, a su vez, caracteriza la dispersión de los valores que cabe atribuir al mesurando. Las incertidumbres asociadas con los efectos aleatorios y sistemáticos causantes del error pueden evaluarse para expresar la incertidumbre de la medición. 1.6.4.2

Estimación del valor verdadero

En la práctica habitual, las observaciones se utilizan para hacer una estimación del valor verdadero. Si no existe un error sistemático o ha sido eliminado de los datos, es posible aproximarse al valor verdadero tomando la media de un gran número de mediciones independientes realizadas cuidadosamente. Cuando se dispone de pocas mediciones, el valor medio tiene una distribución propia y es posible indicar únicamente ciertos límites dentro de los cuales cabe esperar que se halle el valor verdadero. Para proceder así, se ha de elegir una probabilidad estadística (nivel de confianza) para los límites, y es preciso conocer la distribución de errores de las medias. Natrella (1966) ofrece una explicación muy práctica y clara de este concepto y de otros afines. Una discusión más detallada aparece en Eisenhart (1963). 1.6.4.2.1

Estimación del valor verdadero: cuando n es grande

Límite inferior:

LU = X + k ⋅

LL = X − k ⋅

factor, de conformidad con el nivel de confianza elegido, que puede obtenerse utilizando la función de la distribución normal. He aquí algunos valores de k: Nivel de confianza

90%

95%

99%

k

1,645

1,960

2,575

El nivel de confianza utilizado en la tabla se basa en el supuesto de que el valor verdadero no se encuentre fuera del límite particular (superior o inferior) que ha de calcularse. Cuando se desee determinar el nivel de confianza de modo que el valor verdadero se encuentre entre ambos límites, hay que considerar las zonas exteriores, tanto superior como inferior. Teniendo esto presente, se puede ver que k toma el valor 1,96 para un 95 por ciento de probabilidad de que el valor verdadero de la media se encuentra entre los límites LU y LL . 1.6.4.2.2

Estimación del valor verdadero: cuando n es pequeño

Cuando n es pequeño, las medias de las muestras siguen la distribución t de Student, siempre que los errores de observación tengan una distribución gaussiana o casi gaussiana. En esta situación, para un nivel de confianza elegido, se pueden obtener los límites superior e inferior a partir de las operaciones siguientes: Límite superior:

Cuando el número de observaciones n es grande, la distribución de las medias de las muestras es gaussiana, incluso cuando los propios errores de observación no lo son. En esta situación, o cuando se sabe por otras razones que la distribución de las medias de las muestras es gaussiana, los límites entre los cuales cabe esperar que se halle el valor verdadero de la media se obtienen a partir de las operaciones siguientes: Límite superior:

I.1-15

σ n

(1.2)

σ n

(1.3)

LU ≈ X + t ⋅

Límite inferior:

LL ≈ X − t ⋅

(1.4)

n

σˆ n

(1.5)

donde t es un factor (t de Student) que depende del nivel de confianza elegido y del número n de mediciones; y σ^ es la estimación de la desviación típica de toda la población, efectuada a partir de las mediciones obtenidas, utilizando: n

( X i − X )2

_ _ donde X es el promedio de las observaciones O corregido en función del error sistemático; σ es la desviación típica de toda la población y k es un

σˆ

σˆ 2 =

i =1

n −1

=

n ⋅ σ 02 n −1

(1.6)

donde Xi es un valor individual Oi corregido en función del error sistemático.

I.1-16

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

He aquí algunos valores de t: Nivel de confianza

90%

95%

99%

1

6,314

12,706

63,657

4

2,132

2,776

4,604

8

1,860

2,306

3,355

60

1,671

2,000

2,660

df

donde df son los grados de libertad, relacionados con el número de mediciones por df = n – 1. El nivel de confianza utilizado en la tabla se basa en el supuesto de que el valor verdadero no se encuentre fuera del límite particular (superior o inferior) que ha de calcularse. Cuando se desee determinar el nivel de confianza de modo que el valor verdadero se encuentre entre los dos límites, hay que dejar un margen para el caso en que n sea grande. Teniendo esto presente, se puede ver que t toma el valor 2,306 para un 95 por ciento de probabilidad de que el valor verdadero de la media se encuentre entre los límites LU y LL cuando la estimación se hace a partir de nueve mediciones (df = 8). Los valores de t se aproximan a los valores de k a medida que n es más grande, y puede verse que los valores de k son casi igualados por los valores de t cuando df es igual a 60. Por esta razón, se utilizan con frecuencia las tablas de k (en lugar de las tablas de t), cuando el número de mediciones de un valor medio es superior a 60, más o menos. 1.6.4.2.3

Estimación del valor verdadero: comentarios adicionales

Los investigadores deberían considerar si es probable que la distribución de errores sea o no gaussiana. La distribución de algunas variables, como la insolación, la visibilidad, la humedad y la altura de la base de las nubes, no es gaussiana y, por consiguiente, su tratamiento matemático ha de hacerse de conformidad con reglas válidas para cada distribución particular (Brooks y Carruthers, 1953). En la práctica, las observaciones contienen tanto errores aleatorios como sistemáticos. En cada caso, hay que corregir el error sistemático del valor medio observado, si se sabe que existe. Al proceder así, la estimación del valor verdadero resulta imprecisa a causa de los errores aleatorios indicados por las expresiones y debido a cualquier componente desconocido del error sistemático. Deberían establecerse

límites de incertidumbre del error sistemático y sumarse los correspondientes a los errores aleatorios para obtener la incertidumbre total. Sin embargo, a menos que la incertidumbre del error sistemático pueda expresarse en términos probabilísticos y combinarse debidamente con el error aleatorio, no se conocerá el nivel de confianza. Por lo tanto, conviene determinar completamente el error sistemático. 1.6.4.3

Expresión de la incertidumbre

Si se observan efectos aleatorios y sistemáticos, pero no es posible efectuar ni aplicar reducciones o correcciones, debería estimarse la incertidumbre resultante. Esta incertidumbre se determina después de realizar una estimación de la incertidumbre que surge de los efectos aleatorios y de la corrección imperfecta del resultado en función de los efectos sistemáticos. Es una práctica común expresar la incertidumbre como “incertidumbre ampliada” con respecto al “intervalo de cobertura estadística”. Con el fin de guardar coherencia con la práctica común que se adopta en metrología, debería utilizarse el 95 por ciento del nivel de confianza, o k = 2, para todos los tipos de mediciones: = k· σ = 2· σ

(1.7)

Por consiguiente, el valor verdadero, definido en la sección 1.6.2, puede expresarse como: = ± = ±2 σ 1.6.4.4

Medición de valores discretos

Aunque resulta posible describir correctamente el estado de la atmósfera mediante variables o magnitudes físicas, algunos fenómenos meteorológicos se expresan en términos de valores discretos. La detección de la insolación, la precipitación o las descargas eléctricas, y la precipitación engelante constituyen ejemplos típicos de esos valores. Todos estos parámetros pueden expresarse únicamente mediante “sí” o “no”. Hay una serie de parámetros, todos ellos pertenecientes al grupo de fenómenos de tiempo presente, donde existen más de dos posibilidades. Por ejemplo, es necesario distinguir entre llovizna, lluvia, nieve, granizo y sus combinaciones cuando se informa de las condiciones de tiempo presente. Para esos fines no son aplicables cálculos como los indicados anteriormente. Algunos de estos parámetros están relacionados con un valor umbral numérico (por ejemplo, la detección de la

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

insolación utilizando la intensidad de la radiación directa), y la incertidumbre de cualquier variable derivada (por ejemplo, la duración de la insolación) puede determinarse a partir de la incertidumbre estimada de la variable inicial (por ejemplo, la intensidad de la radiación directa). Sin embargo, este método es únicamente aplicable en el caso de los parámetros derivados, y no en el de los fenómenos típicos de tiempo presente. Aunque no pueda presentarse un método numérico sencillo, se dispone de varias técnicas estadísticas para determinar la calidad de dichas observaciones. Estas técnicas se basan en comparaciones efectuadas entre dos conjuntos de datos, uno de los cuales sirve de referencia. Tal comparación da lugar a una matriz de contingencia, que representa las frecuencias correlacionadas de los fenómenos mutuos. En la forma más sencilla, cuando una variable es booleana (“sí” o “no”), se trata de una matriz de dos por dos donde los elementos del eje diagonal muestran el número de sucesos iguales mientras que en los demás elementos de la matriz aparecen los “aciertos perdidos” y las “falsas alarmas”. Una matriz de esa índole permite determinar los resultados o índices de verificación de manera que sean representativos de la calidad de la observación. Esta técnica se describe en Murphy y Katz (1985). En Kok (2000) se expone el tema a grandes rasgos. 1.6.5

Exactitud requerida

1.6.5.1

Generalidades

La incertidumbre con que debería medirse una variable meteorológica cambia de acuerdo con el fin específico para el que se requiere la medición. En general, los límites de rendimiento de un dispositivo o sistema de medición estarán determinados por la variabilidad del elemento que ha de medirse en las escalas espaciales y temporales apropiadas para la aplicación. Puede considerarse que toda medición se compone de dos partes: la señal y el ruido. La señal constituye la magnitud que se ha de determinar, y el ruido es la parte irrelevante. El ruido puede proceder de varias fuentes: de un error de observación, porque la observación no se realiza en el momento ni en el lugar adecuados, o porque en la magnitud observada se producen irregularidades de corta duración o pequeña escala sin interés para las observaciones, y es necesario corregirlas. Suponiendo que el error de observación pudiera reducirse conforme se deseara, el ruido derivado de otras causas fijaría un límite a la exactitud. Una mayor perfección en

I.1-17

la técnica de observación permitiría mejorar la medición del ruido, pero no daría resultados mucho mejores de la señal. En el otro extremo, un instrumento —cuyo error sea mayor que la amplitud de la propia señal— puede proporcionar poca o ninguna información sobre la señal. Así pues, para diversos fines, las amplitudes del ruido y de la señal sirven, respectivamente, para determinar: a) los límites de rendimiento por encima de los cuales es innecesaria la mejora; y b) los límites de rendimiento por debajo de los cuales los datos obtenidos tendrían un valor insignificante. Este argumento de definir y determinar los límites a) y b) anteriores fue desarrollado ampliamente por la OMM (1970) para los datos de observación en altitud. Sin embargo, las especificaciones de los requisitos no se deducen por lo general de ese razonamiento, sino de las percepciones del rendimiento que pueden lograrse en la práctica, por un lado, y de las necesidades de los usuarios de los datos, por otro. 1.6.5.2

Rendimiento requerido y alcanzable

El rendimiento de un sistema de medición comprende su fiabilidad, el capital, los gastos fijos y de amortización y la resolución espacial, pero el rendimiento que interesa en este contexto se limita a la incertidumbre (incluida la resolución de escala) y la resolución en el tiempo. Se han formulado varias especificaciones de requisitos, y tanto las necesidades como la capacidad cambian con el tiempo. Las especificaciones señaladas en el anexo 1.D son las más fidedignas en el momento de redactarse el texto, y muchas pueden considerarse orientaciones útiles para el desarrollo, si bien no son totalmente definitivas. Los requisitos de las variables más utilizadas en meteorología sinóptica, aeronáutica y marina y en climatología se resumen en el anexo 1.D9, en el que solo se indican los requisitos para las mediciones de superficie que se intercambian internacionalmente.

9

Establecidos por el Equipo de expertos de la CSB sobre las necesidades de datos procedentes de estaciones meteorológicas automáticas (2004) y aprobados por el presidente de la CIMO para incluirlos en esta edición de la Guía tras celebrar consultas con los presidentes de las demás comisiones técnicas.

I.1-18

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

En OMM (2010c) se detallan los requisitos de los centros del Sistema Mundial de Proceso de Datos y de Predicción en materia de datos de observación para el intercambio mundial y regional. El requisito de incertidumbre para las mediciones del viento se indica por separado para la velocidad y la dirección, por ser así como se consigna la información sobre el viento. La capacidad de los distintos sensores o sistemas de observación para cumplir los requisitos especificados cambia constantemente, a medida que avanza la tecnología relativa a instrumentos y observación. Las características de los sensores o sistemas típicos de que se dispone actualmente se

indican en el anexo 1.D10. Debería señalarse que la incertidumbre operativa alcanzable en muchos casos no responde a los requisitos especificados. En el caso de algunas de las magnitudes, estas incertidumbres solo pueden lograrse con el equipo y los procedimientos de la máxima calidad. Los requisitos de incertidumbre relativos a las mediciones en altitud se abordan en el capítulo 12 de la parte I.

10 Establecidas por el Equipo de expertos de la CIMO sobre tecnología y técnicas de medición en superficie (2004) y confirmadas por el presidente de la CIMO para incluirlas en la presente Guía.

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

I.1-19

ANEXO 1.A CENTROS REGIONALES 1. Considerando la necesidad de realizar la calibración y el mantenimiento regulares de los instrumentos meteorológicos para atender las crecientes necesidades de datos meteorológicos e hidrológicos de gran calidad, la necesidad de establecer la jerarquía de trazabilidad de las mediciones respecto de las normas del Sistema Internacional de Unidades (SI), los requerimientos de los Miembros sobre la normalización de instrumentos meteorológicos y medioambientales afines, la necesidad de comparaciones y evaluaciones internacionales de instrumentos en apoyo de la compatibilidad y homogeneidad de los datos a nivel mundial, la necesidad de formar expertos en instrumentos y el papel desempeñado por los Centros Regionales de Instrumentos (CRI) de la Red mundial de sistemas de observación de la Tierra, el Programa de prevención de los desastres naturales y de atenuación de sus efectos y otros programas multisectoriales de la OMM, se ha recomendado lo siguiente:11

e) un CRI debe desarrollar sus propios procedimientos de aseguramiento de la calidad; f) un CRI debe participar en comparaciones interlaboratorios de instrumentos y métodos de calibración normalizados, u organizarlas; g) un CRI debe, cuando proceda, utilizar los recursos y las capacidades de la Región como mejor convenga a esta; h) un CRI debe, en la medida de lo posible, aplicar normas internacionales relativas a los laboratorios de calibración, como la norma ISO/IEC 17025; i) una autoridad reconocida debe evaluar un CRI como mínimo una vez cada cinco años, para verificar sus capacidades y su rendimiento.

A. Los CRI con capacidades y funciones completas deberían contar con las capacidades siguientes para el desempeño de sus correspondientes funciones:

k)

Funciones correspondientes: j)

l) Capacidades: a) un CRI debe disponer de las instalaciones y el equipo de laboratorio necesarios para desempeñar las funciones adecuadas para la calibración de instrumentos meteorológicos y medioambientales afines o tener acceso a los mismos; b) un CRI debe mantener un conjunto de instrumentos meteorológicos patrón y establecer la trazabilidad de sus propias normas e instrumentos de medición respecto del SI; c) un CRI debe contar con un personal directivo y técnico cualificado, con la experiencia necesaria en el desempeño de sus funciones; d) un CRI debe desarrollar sus propios procedimientos técnicos para la calibración de instrumentos meteorológicos y medioambientales afines, empleando para ello equipos de calibración utilizados por el CRI;

11 Recomendación de la Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación en su decimocuarta reunión, celebrada en 2006.

m)

n)

o) p)

un CRI debe ayudar a los Miembros de la Región a calibrar sus instrumentos nacionales patrón meteorológicos y de vigilancia medioambiental afines; un CRI debe participar en intercomparaciones de la OMM y/o regionales de instrumentos u organizarlas, atendiendo a las recomendaciones pertinentes de la CIMO; atendiendo a las recomendaciones pertinentes sobre el Marco de gestión de la calidad de la OMM, un CRI debe llevar a cabo aportaciones positivas a los Miembros en lo referente a la calidad de las mediciones; un CRI debe asesorar a los Miembros sobre las preguntas que se planteen en materia de rendimiento de los instrumentos, su mantenimiento y la disponibilidad de material didáctico al respecto; un CRI debe participar activamente en la organización de talleres regionales sobre instrumentos meteorológicos y medioambientales afines, o ayudar a ella; un CRI debe cooperar con otros CRI en la normalización de las mediciones meteorológicas y medioambientales afines; un CRI debe informar regularmente a los Miembros, y presentar anualmente un informe12 al presidente de la asociación regional y a la Secretaría de la OMM acerca de los servicios ofrecidos a los Miembros y sobre las actividades realizadas.

12 Se recomienda utilizar la web para este fin.

I.1-20

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

B. Los CRI con capacidades y funciones básicas deberían contar con las capacidades siguientes para el desempeño de sus correspondientes funciones: Capacidades:

Funciones correspondientes: j)

un CRI debe ayudar a los Miembros de la Región a calibrar sus instrumentos nacionales patrón meteorológicos y de vigilancia medioambiental afines de conformidad con la capacidad b); k) atendiendo a las recomendaciones pertinentes sobre el Marco de gestión de la calidad de la OMM, un CRI debe llevar a cabo aportaciones positivas a los Miembros en lo referente a la calidad de las mediciones; l) un CRI debe asesorar a los Miembros sobre las preguntas que se planteen en materia de rendimiento de los instrumentos, su mantenimiento y la disponibilidad de material didáctico al respecto; m) un CRI debe cooperar con otros CRI en la normalización de los instrumentos meteorológicos y medioambientales afines; n) un CRI debe informar regularmente a los Miembros, y presentar anualmente un informe14 al presidente de la asociación regional y a la Secretaría de la OMM acerca de los servicios ofrecidos a los Miembros y sobre las actividades realizadas.

a) un CRI debe disponer de las instalaciones y el equipo de laboratorio necesarios para desempeñar las funciones adecuadas para la calibración de instrumentos meteorológicos y medioambientales afines; b) un CRI debe mantener un conjunto de instrumentos meteorológicos patrón13 y establecer la trazabilidad de sus propias normas e instrumentos de medición respecto del SI; c) un CRI debe contar con un personal directivo y técnico cualificado, con la experiencia necesaria en el desempeño de sus funciones; d) un CRI debe desarrollar sus propios procedimientos técnicos para la calibración de instrumentos meteorológicos y medioambientales afines, empleando para ello equipos de calibración utilizados por el CRI; e) un CRI debe desarrollar sus propios procedimientos de aseguramiento de la calidad; f) un CRI debe participar en comparaciones interlaboratorios de instrumentos y métodos de calibración normalizados, u organizarlas; g) un CRI debe, cuando proceda, utilizar los recursos y las capacidades de la Región como mejor convenga a esta; h) un CRI debe, en la medida de lo posible, aplicar normas internacionales relativas a los laboratorios de calibración, como la norma ISO/IEC 17025; i) una autoridad reconocida debe evaluar un CRI como mínimo una vez cada cinco años, para verificar sus capacidades y su rendimiento.

2. Las asociaciones regionales interesadas han designado los siguientes Centros Regionales de Instrumentos: Argel (Argelia), El Cairo (Egipto), Casablanca (Marruecos), Nairobi (Kenya) y Gaborone (Botswana), para la AR I; Pekín (China) y Tsukuba (Japón) para la AR II; Buenos Aires (Argentina) para la AR III; Bridgetown (Barbados), Mount Washington (Estados Unidos de América) y San José (Costa Rica) para la AR IV; Manila (Filipinas) y Melbourne (Australia) para la AR V; Bratislava (Eslovaquia), Liubliana (Eslovenia) y Trappes (Francia) para la AR VI.

13 Para la calibración de una o más de las variables siguientes: temperatura, humedad, presión u otras especificadas por la Región.

14 Se recomienda utilizar la web para este fin.

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

I.1-21

ANEXO 1.B CLASIFICACIONES DE EMPLAZAMIENTOS DE LAS ESTACIONES TERRESTRES DE OBSERVACIÓN EN SUPERFICIE

Las condiciones del entorno de un emplazamiento15 pueden generar errores de medición que van más allá de las tolerancias previstas para los instrumentos. En general, se presta más atención a las características del equipo que a las condiciones del entorno donde se realizan las mediciones; sin embargo, son a menudo esas condiciones las que distorsionan los resultados, afectando su representatividad, especialmente cuando se trate de un sitio que se supone es representativo de una zona extensa (es decir, entre 100 y 1 000 km2). En la presente Guía figuran los criterios de exposición para varios sensores. Pero, ¿qué se tendría que hacer cuando no se den las condiciones estipuladas? Existen emplazamientos que no cumplen con los criterios de exposición recomendados. Por consiguiente, se ha establecido una clasificación para ayudar a determinar la representatividad de un emplazamiento concreto a pequeña escala (efectos del entorno inmediato). Así, un emplazamiento de clase 1 puede considerarse como un emplazamiento de referencia, mientras que un emplazamiento de clase 5 es un lugar donde los obstáculos circundantes crean un entorno inapropiado para realizar mediciones meteorológicas que pretendan ser representativas de una zona extensa (al menos de decenas de kilómetros cuadrados) y donde, por ende, se debería evitar realizar dichas mediciones. Cuanto más baja sea la clase del emplazamiento, mayor será la representatividad de las mediciones de un área de gran extensión. Un emplazamiento con una clasificación baja (un número alto) puede seguir siendo valioso para una aplicación concreta que precise de mediciones en ese lugar en particular, incluidos los obstáculos locales.

Al vincular las mediciones con sus grados de incertidumbre, la clasificación se puede utilizar para definir la clase máxima de una estación con el fin de integrarla en una red determinada o usarla para una aplicación concreta. En un mundo perfecto, todas las estaciones ostentarían la clase 1, pero el mundo real no es perfecto y son necesarias algunas concesiones. Lo mejor es aceptar esta situación y documentarla mediante esta clasificación de emplazamientos. A juzgar por la experiencia de Météo-France, el proceso de clasificación permite que los integrantes y los administradores de una red tengan más en cuenta los criterios de exposición y, por lo tanto, a menudo se seleccionen mejores emplazamientos. Como mínimo, el entorno escogido se reconoce y documenta en los metadatos. Evidentemente, es posible e incluso recomendable documentar de forma exhaustiva las características del emplazamiento, aunque ello podría conllevar el riesgo de incrementar la complejidad de los metadatos, lo que a menudo podría restringir su utilización operativa. Esa es la razón por la cual se ha determinado esta clasificación de emplazamientos, con el fin de condensar la información y facilitar el uso operativo de la información de los metadatos. No se asigna un único grado de clasificación a cada emplazamiento en su conjunto. Cada parámetro que se mide en un emplazamiento dispone de su propia clasificación que, a veces, es diferente de la del resto. Si fuera necesaria una clasificación global de un emplazamiento, se podría aplicar el valor máximo de los grados de los parámetros.

Cada tipo de medición que se realice en un determinado emplazamiento está sujeto a una clasificación por separado.

Se debería revisar periódicamente la categoría de cada emplazamiento pues las condiciones del entorno pueden variar a lo largo del tiempo. Se recomienda realizar sistemáticamente, cada año, una comprobación visual: en caso de que algunas características del entorno hayan cambiado es necesario un nuevo proceso de clasificación.

15 Un “emplazamiento” es el lugar donde está instalado el instrumento.

Se debería actualizar la clasificación de un emplazamiento al menos cada cinco años.

I.1-22

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

En el texto que figura a continuación, la clasificación se ha completado (ocasionalmente) con una estimación de la incertidumbre correspondiente al lugar, que se ha de añadir a la incertidumbre proyectada de las mediciones. Esta estimación se apoya en estudios bibliográficos o en algunas pruebas comparativas.

ejemplo, más de un kilómetro). Una forma de juzgar si el relieve del entorno es representativo consiste en preguntarse si cambiaría la clase al desplazarse la estación unos 500 metros. En caso de respuesta negativa, el relieve constituye una característica natural de la zona y no se ha de tener en cuenta.

El principal objetivo de esta clasificación consiste en documentar la presencia de obstáculos cercanos al lugar de las mediciones. Por consiguiente, puede que no se tenga en cuenta el relieve natural del paisaje si está situado a cierta distancia (por

En general, un terreno accidentado o un área urbana conllevan un número de clase más elevado. En esos casos se puede añadir al número de clase 4 o 5 un indicador “S” que señala un entorno o una aplicación especiales (por ejemplo, 4S).

TEMPERATURA Y HUMEDAD DEL AIRE Los sensores situados dentro de una garita deberán montarse a una altura determinada por el servicio meteorológico (entre 1,25 m y 2 m, de acuerdo con lo indicado en la presente Guía). La altura nunca debería ser inferior a 1,25 m. El respeto del límite superior es menos estricto, ya que el gradiente de temperatura con la altura decrece con esta última. Por ejemplo, en el caso de sensores situados a alturas de entre 1,5 m y 2 m la diferencia en la temperatura es inferior a 0,2 °C. Las principales discrepancias se deben a superficies y sombras artificiales: a) Los obstáculos que rodean la garita influyen en el equilibrio radiativo de la misma. Al emitir una radiación infrarroja más caliente o reflejar las radiaciones, un obstáculo vertical próximo a una garita puede impedir el paso de la radiación solar o “protegerla” del enfriamiento radiativo nocturno del aire. b) Se debería evitar la cercanía de superficies artificiales que podrían elevar la temperatura del aire. El alcance de su influencia depende de las condiciones del viento, pues este afecta a la circulación del aire. Hay que tener en cuenta las superficies reflectantes o fuentes de calor que no son naturales o que son artificiales (por ejemplo, edificios, superficies de hormigón o aparcamientos), así como los puntos de agua (por ejemplo, estanques, lagos o zonas de riego). Se debería evitar la sombra de obstáculos cercanos. Sin embargo, la influencia del relieve natural no se toma en consideración para la clasificación (véase más arriba). La altura indicada de crecimiento de la vegetación representa la altura de la vegetación bajo unas condiciones de mantenimiento “regular”. Se distingue entre la altura estructural de la vegetación (según las especies locales) y la altura resultante de un mantenimiento deficiente. Por lo tanto, la clasificación de un emplazamiento determinado se asigna dando por supuesto que el lugar está correctamente conservado (salvo cuando no sea factible). Clase 1 a) Terreno plano, horizontal, rodeado de espacios abiertos, con una pendiente inferior a 1/3 (19°). b) Suelo cubierto con una vegetación natural y baja (menos de 10 cm) característica de la región. c) Punto de medición situado: i) a más de 100 m de una fuente de calor o de una superficie reflectante (edificios, superficies de hormigón, aparcamientos, etc.); ii) a más de 100 m de una extensión de agua (a no ser que sea importante en la región); iii) fuera del alcance de cualquier proyección de sombras cuando la elevación del Sol sobrepase los 5°. Se considera que una fuente de calor (o una extensión de agua) ejerce influencia cuando ocupe más del 10% del área circundante en un radio de 100 m alrededor de la garita, abarque el 5% de un anillo situado entre 10 m y 30 m del centro o cubra el 1% de un círculo de 10 m de radio.

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

Fuentes de calor (edificios, superficies de hormigón, aparcamientos)

S = superficie de las fuentes de calor

≤ 19º

S ≤ 5%

Vegetación baja < 10 cm 100 m

10 m S ≤ 1%

I.1-23

≥ 100 m

Lago...

30 m

S ≤ 10%

5º CLASE 1

≥ 100 m

Clase 2 a) Terreno plano, horizontal, rodeado de espacios abiertos, con una pendiente inferior a 1/3 (19°). b) Suelo cubierto con una vegetación natural y baja (menos de 10 cm) característica de la región. c) Punto de medición situado: i) a más de 30 m de una fuente artificial de calor o de una superficie reflectante (edificios, superficies de hormigón, aparcamientos, etc.); ii) a más de 30 m de una extensión de agua (a no ser que sea importante en la región); iii) fuera del alcance de cualquier proyección de sombras cuando la elevación del Sol sobrepase los 7°. Se considera que una fuente de calor (o una extensión de agua) ejerce influencia cuando ocupe más del 10% del área circundante en un radio de 30 m alrededor de la garita, abarque el 5% de un anillo situado entre 5 m y 10 m del centro o cubra el 1% de un círculo de 5 m de radio. Fuentes de calor (edificios, superficies de hormigón, aparcamientos)

S = superficie de las fuentes de calor

≤ 19º

S ≤ 5%

Vegetación < 10 cm 30 m

5m S ≤ 1%

≥ 30 m

Lago...

10 m

S ≤ 10%

7º CLASE 2

≥ 30 m

Clase 3 (incertidumbre adicional estimada: 1 °C) a) Suelo cubierto con una vegetación natural y baja (menos de 25 cm) característica de la región. b) Punto de medición situado: i) a más de 10 m de una fuente artificial de calor o de una superficie reflectante (edificios, superficies de hormigón, aparcamientos, etc.); ii) a más de 10 m de una extensión de agua (a no ser que sea importante en la región); iii) fuera del alcance de cualquier proyección de sombras cuando la elevación del Sol sobrepase los 7°. Se considera que una fuente de calor (o una extensión de agua) ejerce influencia cuando ocupe más del 10% del área circundante en un radio de 10 m alrededor de la garita o abarque el 5% de un círculo de 5 m de radio.

I.1-24

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

S = superficie de las fuentes de calor

Fuentes de calor (edificios, superficies de hormigón, aparcamientos) Vegetación < 25 cm

S ≤ 5%

≥ 10 m

Lago...

≥ 10 m

5m S ≤ 10% 7º CLASE 3

10 m

Clase 4 (incertidumbre adicional estimada: 2 °C) a) Cerca de fuentes artificiales de calor y de superficies reflectantes (edificios, superficies de hormigón, aparcamientos, etc.) o de una extensión de agua (a no ser que sea importante en la región) que ocupen: i) menos del 50% de la superficie dentro de un área circular de 10 m de radio alrededor de la garita; ii) menos del 30% de la superficie dentro de un área circular de 3 m de radio alrededor de la garita. b) Fuera del alcance de cualquier proyección de sombras cuando la elevación del Sol sobrepase los 20°. S = superficie de las fuentes de calor Fuentes de calor (edificios, superficies de hormigón, aparcamientos)

S ≤ 30% 3m

20º

< 10 m

S ≤ 50% 10 m

CLASE 4

Clase 5 (incertidumbre adicional estimada: 5 °C) Emplazamiento que no cumple con los requisitos de la clase 4. PRECIPITACIÓN El viento es la principal fuente de alteración de las mediciones de la precipitación, a causa del efecto de los instrumentos sobre el flujo de aire. A no ser que el pluviómetro esté artificialmente protegido contra el viento, por ejemplo con un paravientos, los mejores emplazamientos a menudo se hallan en claros de bosques o de huertos, entre los árboles, en zonas de matorrales, o donde cualquier otro objeto actúe eficazmente como cortavientos, contrarrestando las corrientes que vengan de cualquier dirección. La condición ideal de una instalación consiste en colocar el equipo en un área que esté uniformemente rodeada de obstáculos de la misma altura. Se considera un obstáculo cualquier objeto con una anchura angular igual o superior a 10°.

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

I.1-25

La elección de este tipo de emplazamiento no es compatible con las restricciones referentes a la altura de otros equipos de medición. En la práctica, estas condiciones son muy poco realistas. Si los obstáculos no fueran uniformes tendrían tendencia a generar turbulencias que podrían distorsionar las mediciones, y este efecto se intensificaría en caso de precipitación sólida. Por esta razón, criterios de elevación más realistas imponen que se mantengan ciertos obstáculos a una distancia determinada aunque, de forma deliberada, no se tenga en cuenta la orientación de dichos obstáculos respecto a la dirección dominante del viento. De hecho, las fuertes precipitaciones están a menudo asociadas con factores de convección, con lo cual la dirección del viento no es necesariamente la del viento dominante. Se considera que los obstáculos tienen una altura uniforme cuando el cociente entre la altura máxima y la mínima es inferior a 2. Para la altura de los obstáculos se utiliza como referencia la altura de la superficie de captación del pluviómetro. Clase 1 a) Terreno plano, horizontal, rodeado de espacios abiertos, con una pendiente inferior a 1/3 (19°). Pluviómetro rodeado de obstáculos de altura uniforme, dentro de un ángulo de elevación de entre 14° y 26° (obstáculos a una distancia equivalente a entre 2 y 4 veces su altura). b) Terreno plano, horizontal, rodeado de espacios abiertos, con una pendiente inferior a 1/3 (19°). Con un pluviómetro artificialmente a resguardo contra el viento en una garita, el instrumento no necesita particularmente estar protegido por obstáculos de altura uniforme. En ese caso, cualquier otro obstáculo debe situarse a una distancia de al menos 4 veces su altura.

26,5º

14º

d ≥ 2h

d ≤ 4h

19º

o bien Ángulo de elevación

h

Obstáculo

d ≥ 4h ≤ 19º

≥ 10º (ángulo de elevación < 14º)

Clase 2 (incertidumbre adicional estimada: hasta 5%) a) Terreno plano, horizontal, rodeado de espacios abiertos, con una pendiente inferior a 1/3 (19°). b) Los posibles obstáculos deben situarse a una distancia de al menos dos veces su altura (con respecto a la altura de la superficie de captación del pluviómetro). Ángulo de elevación

h

Obstáculo

d ≥ 2h ≤ 19º ≥ 10º (ángulo de elevación ≤ 26,5º)

I.1-26

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

Clase 3 (incertidumbre adicional estimada: hasta 15%) a) Terreno rodeado de espacios abiertos, con una pendiente inferior a ½ (≤ 30°). b) Los posibles obstáculos deben situarse a una distancia mayor que la altura del obstáculo.

Ángulo de elevación

h

d≥h ≤ 30º (ángulo de elevación ≤ 45º)

Clase 4 (incertidumbre adicional estimada: hasta 25%) a) Terreno con una pendiente pronunciada (> 30°). b) Los posibles obstáculos deben situarse a una distancia mayor que la mitad (½) de la altura del obstáculo.

h

Ángulo de elevación d 30º

(ángulo de elevación > 45º)

Clase 5 (incertidumbre adicional estimada: hasta 100%) Obstáculos situados a una distancia menor que la mitad (½) de su altura (árboles, tejados, muros, etc.).

VIENTO DE SUPERFICIE Los criterios convencionales sobre elevación determinan que los sensores deberán situarse 10 m por encima de la superficie del suelo y en terreno abierto. En este caso se considera terreno abierto una superficie donde los obstáculos estén situados a una distancia mínima equivalente al menos a diez veces su altura. RUGOSIDAD Las mediciones del viento no solo se ven alteradas por los obstáculos circundantes, sino también por la rugosidad del terreno. Según la definición de la OMM, el viento de superficie para estaciones terrestres es el que sopla a una altura geométrica de 10 m y con una longitud de rugosidad de 0,03 m.

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

I.1-27

El anterior se considera como viento de referencia para el cual se conocen las condiciones exactas (10 m de altura y longitud de rugosidad de 0,03 m). Por lo tanto, es necesario disponer de información sobre la rugosidad del terreno que rodea el emplazamiento de medición. Esa rugosidad debería utilizarse para expresar el viento medido con respecto al viento de referencia, pero se trata de un procedimiento que solo se puede aplicar cuando los obstáculos no estén demasiado cerca. Las cuestiones relacionadas con la rugosidad del terreno y con el procedimiento de corrección se describen en el capítulo 5 de la parte I de esta Guía. A continuación, como recordatorio, se reproduce la clasificación de rugosidad que figura en el anexo del capítulo 5 de la parte I: Clasificación del terreno realizada por Davenport (1960) y adaptada por Wieringa (1980b) según la longitud de rugosidad aerodinámica z0 Breve descripción del terreno

z0 (m)

2

Marismas, nieve; ausencia de vegetación, ausencia de obstáculos

0,005

3

Terreno llano y despejado; hierba, algunos obstáculos aislados

0,03

4

Cultivos bajos; obstáculos ocasionales grandes, x/H > 20

0,10

5

Cultivos altos; obstáculos dispersos, 15 < x/H < 20

0,25

6

Parques, matorrales; numerosos obstáculos, x/H ≈ 10

0,5

7

Grandes obstáculos regularmente distribuidos (suburbios, bosques)

1,0

8

Aglomeraciones urbanas con edificios de diversas alturas

≥2

Clase

Nota: En esta tabla x representa la distancia característica de un obstáculo a barlovento y H la altura de los principales obstáculos. Para una descripción más detallada y actualizada de las clases de terreno véase Davenport y otros (2000).

CLASIFICACIÓN DEL ENTORNO La presencia de obstáculos representa, casi invariablemente, una reducción de las lecturas de los vientos medios aunque afecte en menor medida a las ráfagas de viento. La clasificación que figura a continuación parte del supuesto de una medición efectuada a 10 m, que es la elevación estándar de una medición meteorológica. Cuando las mediciones se realizan a una altura inferior (por ejemplo, las que se llevan a cabo a 2 m, como es el caso —a veces— de las mediciones con fines agrometeorológicos), se tiene que aplicar una clase 4 o 5 (véase a continuación) con un indicador S (situación especial). Si existen varios obstáculos con una altura superior a 2 m, se recomienda instalar los sensores 10 m por encima de la altura media de los obstáculos. Este método permite minimizar la influencia de las barreras físicas aledañas y representa una solución permanente para eliminar parte de los efectos de ciertos obstáculos. Por otro lado, tiene el inconveniente de precisar mástiles más altos de lo normal y, por lo tanto, más caros. Su uso puede plantearse para algunos lugares y, cuando eso ocurra, la altura de los obstáculos que se habrá de tener en cuenta es la que supere el nivel de 10 m por debajo de los sensores (por ejemplo, en el caso de un anemómetro instalado a 13 m de altura, el “suelo” de referencia de los obstáculos estará a 3 m de altura y entonces se considerará que la altura efectiva de un obstáculo de 7 m es de 4 m). En la clasificación que figura a continuación se considera que un obstáculo es cualquier objeto con una anchura angular de más de 10°, excepto, según se señala, cuando se trate de obstáculos altos y estrechos. Los desniveles (positivos o negativos) del paisaje que no sean característicos del mismo, se considerarán obstáculos.

I.1-28

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

Clase 1 a) El mástil debería situarse a una distancia equivalente al menos a 30 veces la altura de los obstáculos circundantes. b) Los sensores deberían estar situados a una distancia mínima equivalente a 15 veces el ancho de los obstáculos estrechos (mástil, árboles delgados) que superen los 8 m de altura. Se pueden ignorar los obstáculos aislados de menos de 4 m de altura. Ángulo de elevación

h

d ≥ 30h (ángulo de elevación ≤ 1,9º) Obstáculo voluminoso

Obstáculo delgado > 8 m Anchura

≥ 10º ≥ 15 anchura Se ignoran los obstáculos de menos de 4 m de altura

El índice de clase de rugosidad se sitúa entre 2 y 4 (longitud de rugosidad ≤ 0,1 m). clase de rugosidad ≤ 4

Clase 2 (incertidumbre adicional estimada: hasta 30%; es posible aplicar correcciones) a) El mástil debería situarse a una distancia de al menos 10 veces la altura de los obstáculos circundantes. b) Los sensores deberían estar situados a una distancia mínima equivalente a 15 veces el ancho de los obstáculos estrechos (mástil, árboles delgados) que superen los 8 m de altura. Se pueden ignorar los obstáculos aislados de menos de 4 m de altura. Obstáculo delgado > 8 m Ángulo de elevación d ≥ 10h (ángulo de elevación ≤ 5,7º)

≥ 10º

Anchura h

≥ 15 anchura

Se ignoran los obstáculos de menos de 4 m de altura

El índice de clase de rugosidad se sitúa entre 2 y 5 (longitud de rugosidad ≤ 0,25 m). clase de rugosidad ≤ 5 Nota:

Cuando el mástil esté situado a una distancia equivalente al menos a 20 veces la altura de los obstáculos circundantes, se

puede aplicar una corrección (véase el capítulo 5 de la parte I). En algunas situaciones, se pueden aplicar correcciones en caso de obstáculos más cercanos.

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

I.1-29

Clase 3 (incertidumbre adicional estimada: hasta 50%; no es posible aplicar correcciones) a) El mástil debería situarse a una distancia de al menos 5 veces la altura de los obstáculos circundantes. b) Los sensores deberían estar situados a una distancia mínima equivalente a 10 veces el ancho de los obstáculos estrechos (mástil, árboles delgados) que superen los 8 m de altura. Se pueden ignorar los obstáculos aislados de menos de 5 m de altura. Ángulo de elevación

Anchura h

>8m

d ≥ 5h (ángulo de elevación ≤ 11,3º)

≥ 10 anchura

Se ignoran los obstáculos de menos de 5 m de altura

Clase 4 (incertidumbre adicional estimada: más de 50%) a) El mástil debería situarse a una distancia de al menos 2,5 veces la altura de los obstáculos circundantes. b) Dentro de un radio de 40 m, no hay obstáculos con anchura angular superior a 60° y altura mayor de 10 m. Se pueden ignorar los obstáculos aislados de menos de 6 m de altura, únicamente para las mediciones realizadas a 10 m o más de altura. Ángulo de elevación

No > 10 m

h > 60º

d ≥ 2,5h (ángulo de elevación ≤ 21,8º)

Se ignoran los obstáculos de menos de 6 m de altura

40 m

Clase 5 (incertidumbre adicional estimada: no se puede definir) Emplazamiento que no cumple con los requisitos de la clase 4. RADIACIÓN GLOBAL Y DIFUSA Se deberán evitar los obstáculos cercanos. En la clasificación, no se toman en cuenta las sombras proyectadas por el relieve natural. Se podrán omitir los obstáculos no reflectantes que estén más allá del horizonte visible. Se considera que un obstáculo es reflectante cuando su índice de albedo es superior a 0,5. La posición de referencia de los ángulos de elevación influye en el elemento sensible del instrumento. Clase 1 a) No se proyecta ninguna sombra sobre el sensor cuando la elevación del Sol es mayor de 5°. En el caso de las regiones situadas a una latitud superior o igual a 60°, este límite se reduce a 3°. b) No hay obstáculos reflectantes (que no proyecten sombras) con altura angular superior a 5° y una anchura angular total de más de 10°.

5º No proyecta ninguna sombra

5º No hay obstáculos (que no proyecten sombras) con una anchura angular total de más de 10°

I.1-30

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

Clase 2 a) No se proyecta ninguna sombra sobre el sensor cuando la elevación del Sol es mayor de 7°. En el caso de las regiones situadas a una latitud superior o igual a 60°, este límite se reduce a 5°. b) No hay obstáculos reflectantes (que no proyecten sombras) con altura angular superior a 7° y una anchura angular total de más de 20°.

7º

7º

No hay obstáculos (que no proyecten sombras) con una anchura angular total de más de 20°

Clase 3 a) No se proyecta ninguna sombra sobre el sensor cuando la elevación del Sol es mayor de 10°. En el caso de las regiones situadas a una latitud superior o igual a 60°, este límite se reduce a 7°. b) No hay obstáculos reflectantes (que no proyecten sombras) con altura angular superior a 15° y una anchura angular total de más de 45°.

15º

10º

No hay obstáculos (que no proyecten sombras) con una anchura angular total de más de 45°

Clase 4 Ningún día del año hay proyección de sombras durante más del 30% del día.

≤ 30% del día No hay proyección de sombras durante más del 30% del día

Clase 5 Al menos un día al año se proyectan sombras durante más del 30% del día. RADIACIÓN DIRECTA Y DURACIÓN DE LA INSOLACIÓN Se deberán evitar los obstáculos cercanos. En la clasificación, no se toman en cuenta las sombras proyectadas por el relieve natural. Se podrán omitir los obstáculos que estén más allá del horizonte visible. La posición de referencia de los ángulos de elevación constituye el elemento sensible del instrumento. Clase 1 No se proyecta ninguna sombra sobre el sensor cuando la elevación del Sol es mayor de 3°.

3º

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

Clase 2 No se proyecta ninguna sombra sobre el sensor cuando la elevación del Sol es mayor de 5°.

5º

Clase 3 No se proyecta ninguna sombra sobre el sensor cuando la elevación del Sol es mayor de 7°.

7º

Clase 4 Ningún día del año hay proyección de sombras durante más del 30% del día.

≤ 30% del día

No se proyecta ninguna sombra durante más del 30% del día

Clase 5 Al menos un día al año se proyectan sombras durante más del 30% del día.

I.1-31

I.1-32

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

ANEXO 1.C DESCRIPCIÓN DE LA EXPOSICIÓN EN LAS ESTACIONES La exactitud con la que una observación describe el estado de una parte específica de la atmósfera no es la misma que la incertidumbre del instrumento, porque el valor de la observación también depende de la exposición del instrumento a la atmósfera. Esta no es una cuestión técnica, por lo que incumbe al observador de la estación o a su asistente describirla. En la práctica, rara vez se dispone de un emplazamiento ideal con una exposición perfecta y, salvo que se tengan datos suficientes sobre la verdadera exposición, no puede determinarse la fiabilidad de las observaciones (OMM, 2002). Los metadatos de la estación deberían abarcar los siguientes aspectos de la exposición de los instrumentos: a) altura de los instrumentos por encima de la superficie (o por debajo de ella, para la temperatura del suelo); b) tipo de garita y grado de ventilación para la temperatura y la humedad; c) grado de interferencia de otros instrumentos u objetos (mástiles, ventiladores, etc.); d) microescala y topoescala de la zona circundante al instrumento, en particular: i) estado de la superficie del recinto, que influye en la temperatura y en la humedad; obstáculos importantes situados en las inmediaciones (edificios, vallas, árboles, etc.) y su tamaño; ii) grado en que el horizonte se ve obstruido para las observaciones de insolación y de radiación; iii) rugosidad del terreno y principal vegetación de los alrededores, que influyen en el viento; iv) todas las características topoescalares del terreno, como pequeñas pendientes, calzadas o superficies de agua;

v)

principales características mesoescalares del terreno, como costas, montañas o zonas urbanizadas.

La mayoría de estas características son semipermanentes, pero debería dejarse constancia de todos los cambios significativos (crecimiento de la vegetación, nuevos edificios, etc.) en el libro de registro de la estación, indicando la fecha correspondiente. Para documentar la exposición topoescalar, conviene utilizar un mapa con una escala no superior a 1:25 000 que muestre curvas de nivel con diferencias de elevación de ≈ 1 m. En este mapa debería señalarse la localización de edificios y árboles (indicando su altura), la cubierta de la superficie y los instrumentos instalados. En los bordes del mapa deberían indicarse las principales características del terreno más alejado (por ejemplo, zonas construidas, bosques, agua libre o colinas). Las fotografías son útiles si no se trata simplemente de primeros planos del instrumento o de la garita, sino que se han tomado a una distancia suficiente para mostrar el instrumento y el terreno circundante. Estas fotografías deberían tomarse desde todos los puntos cardinales. El mínimo necesario de metadatos relativos a la exposición de instrumentos puede proporcionarse rellenando la plantilla que aparece en la página siguiente para cada estación de una red (véase la figura 1.3). En OMM (2003) se da un ejemplo sobre el modo de proceder. Las clases utilizadas en este contexto para describir la rugosidad del terreno figuran en el capítulo 5 de la parte I de esta Guía. En OMM (2010b) se ofrece una descripción más amplia sobre el tema de los metadatos.

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

Station Estación

I.1-33

Actualización Update

Elevation Elevación

Latitude Latitud

0

Longitude Longitud

200 m

Recinto Enclosure N

Edificio Building Carretera Road Trees, bushes arbustos x xx Árboles, Height(m) (m)del (12) Altura of obstacle obstáculo Elevation de nivel + 3 Curvas contour

Radiation horizon Horizonte de la radiación 1: 6 1: 10 1: 20

8° 4° 0°

N Temperatura yand humedad Temperature humidity:

S Altura del sensor Sensor height ¿Ventilación artificial? Artificial ventilation? Surface cover screen Cubierta de launder superficie bajo la garita Suelo bajo screen la garita Soil under

Precipitación: Precipitation: Viento: Wind:

E

W

N

sí/no yes/no

Altura del pluviómetro Gaugedel rimborde height

Altura del anemómetro Anenomoter height

¿Autónomo? Free-standing?

(Si “no” ha respondido en la pregunta del edificio (if above: “no” building height anterior: altura , width Clase de rugosidad del terreno: al norte

Terrain roughness class: to N

,to E

, al este

, anchura , length, longitud . .

, al sur

, to S,

sí/no yes/no

, al oeste

to W

.

.

Observaciones:

Remarks:

Figura 1.3. Plantilla general para metadatos de exposición en las estaciones

I.1-34

ANEXO 1.D REQUISITOS DE INCERTIDUMBRE DE LAS MEDICIONES OPERATIVAS Y RENDIMIENTO DE LOS INSTRUMENTOS (Véanse las notas explicativas que figuran bajo este cuadro; en la primera fila se indican los números de las columnas)

2

3

4

5

Variable

Rango

Resolución comunicada

Modo de medición/ observación

Incertidumbre de medición requerida

6

7

8

Constante de Tiempo Incertidumbre tiempo del medio de medición sensor de obtención alcanzable

1.

Temperatura

1.1

Temperatura del aire

–80 — +60 °C

0,1 K

I

0,3 K para ≤ –40 °C 0,1 K para > –40 °C y ≤ +40 °C 0,3 K para > +40 °C

20 s

1 min

0,2 K

1.2

Extremos de la temperatura del aire

–80 — +60 °C

0,1 K

I

20 s

1 min

0,2 K

1.3

Temperatura de la superficie del mar Temperatura del suelo

–2 — +40 °C

0,1 K

I

0,5 K para ≤ –40 °C 0,3 K para > –40 °C y ≤ +40 °C 0,5 K para > +40 °C 0,1 K

20 s

1 min

0,2 K

–50 — +50 °C

0,1 K

I

20 s

1 min

0,2 K

–80 — +35 °C

0,1 K

I

20 s

1 min

0,25 K

1.4 2.

Humedad

2.1

Temperatura del punto de rocío

0,1 K

9 Observaciones

En la incertidumbre alcanzable y en la constante de tiempo efectiva puede influir el diseño de la protección del termómetro contra la radiación solar. La constante de tiempo depende de la corriente de aire sobre el sensor.

La incertidumbre de medición depende de la desviación respecto de la temperatura del aire.

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

1

1

2

3

4

5

Variable

Rango

Resolución comunicada

Modo de medición/ observación

Incertidumbre de medición requerida

I

1%

6

7

8

Constante de Tiempo Incertidumbre tiempo del medio de medición sensor de obtención alcanzable

9 Observaciones

Temperatura de bulbo húmedo (psicrómetro) 2.2

Humedad relativa

0 — 100%

1%

Presión

500 — 1 080 hPa

0,1 hPa

I

0,1 hPa

3.2

Tendencia

No especificado

0,1 hPa

I

0,2 hPa

0,2 K

Si se mide directamente y conjuntamente con la temperatura del aire (bulbo seco). Problemas de aspiración y limpieza pueden provocar grandes errores (véase también la nota 11). Ha de tenerse en cuenta el umbral de 0 °C para el bulbo húmedo. Estado sólido y otros

40 s

1 min

3%

2s

1 min

0,15 hPa

0,2 hPa

La constante de tiempo y la incertidumbre alcanzable de los sensores de estado sólido pueden depender considerablemente de la temperatura y de la humedad.

Tanto la presión de la estación como la presión del NMM. La presión dinámica debida al viento puede afectar considerablemente a la incertidumbre de medición si no se toman precauciones. La compensación de temperatura inadecuada del transductor puede afectar significativamente a la incertidumbre de medición. La incertidumbre en la altitud del barómetro afecta a la presión del NMM en las mediciones a bordo de buques. Diferencia entre valores instantáneos.

I.1-35

Presión atmosférica

3.1

1 min

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

3.

20 s

2

3

4

5

Variable

Rango

Resolución comunicada

Modo de medición/ observación

Incertidumbre de medición requerida

6

7

8

Constante de Tiempo Incertidumbre tiempo del medio de medición sensor de obtención alcanzable

Nubes

4.1

Nubosidad

0/8 — 8/8

1/8

I

1/8

n/a

2/8

4.2

Altura de la base de las nubes

0 m — 30 km

10 m

I

10 m para ≤ 100 m 10% para > 100 m

n/a

~10 m

4.3

Altura de la cima de las nubes

No disponible

5.

Viento

5.1

Velocidad

0 — 75 m s–1

0,5 m s–1

P

0,5 m s–1 para ≤ 5 m s–1 10% para > 5 m s–1

Constante de distancia 2—5m

5.2

Dirección

0 — 360°

1°

P

5°

2 y/o 10 min

Coeficiente 2 y/o 10 min de amortiguamiento > 0,3

0,5 m s–1 para ≤ 5 m s–1 10% para > 5 m s–1

5°

Observaciones

Con algoritmos de formación de nubes del período puede estimarse automáticamente la cantidad de nubes bajas. La incertidumbre de medición alcanzable puede determinarse utilizando un objetivo difícil. No existe una definición clara de la altura de la base de las nubes medida con instrumentos (por ejemplo, basada en la profundidad de penetración o en la discontinuidad significativa en el perfil de extinción). Sesgo significativo durante la precipitación.

Promedio superior a 2 y/o 10 minutos. Dispositivos no lineales. El proceso de promediado debe concebirse minuciosamente. Por lo general, la constante de distancia se expresa como duración de la respuesta. Promedios calculados sobre componentes cartesianas (véase la sección 3.6 del capítulo 3 de la parte III de esta Guía). Cuando se utilicen anemómetros ultrasónicos no es necesaria la constante de distancia ni la de tiempo.En el caso de las estaciones móviles, es necesario tener en cuenta el movimiento de la estación, incluida su incertidumbre.

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

4.

9

I.1-36

1

1

2

3

4

5

Variable

Rango

Resolución comunicada

Modo de medición/ observación

Incertidumbre de medición requerida

Constante de Tiempo Incertidumbre tiempo del medio de medición sensor de obtención alcanzable

5.3

Ráfagas

0,1 — 150 m s–1

0,1 m s–1

P

10%

3s

0,5 m s–1 Debería registrarse la media para ≤ 5 m s–1 más alta de 3 s. 10% para > 5 m s–1

6.

Precipitación

6.1

Cantidad (diaria)

0 — 500 mm

0,1 mm

T

0,1 mm para ≤ 5 mm 2% para > 5 mm

n/a

n/a

6.2

Espesor de la nieve

0 — 25 m

1 cm

I

1 cm para ≤ 20 cm 5% para > 20 cm

< 10 s

1 min

La mayor de Magnitud basada en 5% o 0,1 mm cantidades diarias. La incertidumbre de medición depende de la buena recogida aerodinámica del pluviómetro y de la pérdida por evaporación en el pluviómetro calentado. 1 cm Espesor medio en una zona representativa del lugar de observación.

6.3

Espesor de la acumulación de hielo en buques Intensidad de la precipitación

No especificado

1 cm

I

1 cm para ≤ 10 cm 10% para > 10 cm

0,02 mm h–1 — 2 000 mm h–1

0,1 mm h–1

I

(traza): n/a para 0,02 — 0,2 mm h–1 0,1 mm h–1 para 0,2 — 2 mm h–1 5% para > 2 mm h–1

< 30 s

1 min

0 — 24 h

60 s

T

n/a

60 s

Duración de la precipitación (diaria)

8

En condiciones de flujo constante en laboratorio 5% por encima de 2 mm/h, 2% por encima de 10 mm/h In situ 5 mm/h, y 5% por encima de 100 mm/h

9 Observaciones

Valores de incertidumbre correspondientes a precipitación líquida únicamente. El viento afecta considerablemente a la incertidumbre. Los sensores pueden mostrar un comportamiento no lineal considerable. Para < 0,2 mm h–1: la constante de tiempo de los sensores solo para detección (sí/no) se ve afectada considerablemente durante la precipitación sólida cuando se utilizan pluviómetros de captación. Valor umbral de 0,02 mm/h.

I.1-37

6.5

7

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

6.4

6

2

3

4

5

Variable

Rango

Resolución comunicada

Modo de medición/ observación

Incertidumbre de medición requerida

Radiación

7.1

7.2

Duración de la insolación (diaria) Radiación neta, exposición radiante (diaria)

8.

Visibilidad

8.1

7

8

Constante de Tiempo Incertidumbre tiempo del medio de medición sensor de obtención alcanzable

0 — 24 h

60 s

T

0,1 h

20 s

n/a

La mayor de 0,1 h o 2%

No especificado

1 J m–2

T

0,4 MJ m–2 para ≤ 8 MJ m–2 5% para > 8 MJ m–2

20 s

n/a

0,4 MJ m–2 para ≤ 8 MJ m–2 5% para > 8 MJ m–2

Alcance óptico meteorológico (MOR)

10 m — 100 km

1m

I

50 m para ≤ 600 m 10% para > 600 m — ≤ 1 500 m 20% para > 1 500 m

< 30 s

1 y 10 min

La mayor de 20 m o 20%

8.2

Alcance visual en la pista (RVR)

10 m — 2 000 m

1m

P

10 m para ≤ 400 m 25 m para > 400 m — ≤ 800 m 10% para > 800 m

< 30 s

1 y 10 min

La mayor de 20 m o 20%

8.3

Luminancia de fondo

0 — 40 000 cd m–2

1 cd m–2

I

30 s

1 min

10%

9.

Olas

9.1

Altura significativa de las olas Período de las olas

0 — 50 m

0,1 m

P

0,5 m para ≤ 5 m 10% para > 5 m

0,5 s

20 min

0 — 100 s

1s

P

0,5 s

0,5 s

20 min

0,5 m para ≤ 5 m 10% para > 5 m 0,5 s

9.2

9 Observaciones

Exposición radiante expresada como sumas diarias (cantidad) de radiación (neta).

La incertidumbre de medición alcanzable puede depender de la causa del oscurecimiento. Magnitud que se ha de promediar: coeficiente de extinción (véase la sección 3.6 del capítulo 3 de la parte III de esta Guía). Preferencia por el promediado de valores logarítmicos. De conformidad con OMM-No 49, volumen II, anexo A (ed. 2004) y OACI Doc. 9328-AN/908 (segunda ed., 2000). Puede que existan nuevas versiones de estos documentos en las que se especifiquen otros valores. Relacionada con 8,2 RVR.

Promedio en 20 minutos para mediciones con instrumentos. Promedio en 20 minutos para mediciones con instrumentos.

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

7.

6

I.1-38

1

9.3

1

2

3

4

5

Variable

Rango

Resolución comunicada

Modo de medición/ observación

Incertidumbre de medición requerida

Dirección de las olas

10.

Evaporación

10.1

Cantidad de evaporación en el tanque evaporimétrico

6

7

8

Constante de Tiempo Incertidumbre tiempo del medio de medición sensor de obtención alcanzable

0 — 360°

1°

P

10°

0,5 s

0 — 100 mm

0,1 mm

T

0,1 mm para ≤ 5 mm 2% para > 5 mm

n/a

20 min

20°

9 Observaciones

Promedio en 20 minutos para mediciones con instrumentos.

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

Notas: 1. En la columna 1 figura la variable básica. 2. En la columna 2 figura el rango común para la mayoría de las variables; los límites dependen de las condiciones climatológicas locales. 3. En la columna 3 figura la resolución más estricta determinada por el Manual de claves (OMM-N° 306). 4. En la columna 4: I = Instantánea: con el fin de excluir la variabilidad natural en la pequeña escala y el ruido, un valor medio correspondiente a un período de un minuto se considera como el mínimo y el más apropiado; los promedios para períodos de hasta 10 minutos son aceptables. P = Promedio: valores medios correspondientes a un período de tiempo determinado, especificados por los requisitos de codificación. T = Totales: totales para un período de tiempo determinado, especificados por los requisitos de codificación. 5. En la columna 5 se dan los requisitos de incertidumbre de medición recomendados para uso operativo general, es decir, los datos de nivel II conforme a FM 12, 13, 14, 15 y sus equivalentes en BUFR. Fueron adoptados por las ocho comisiones técnicas y son aplicables en meteorología sinóptica, aeronáutica, agrícola y marina, en hidrología, en climatología, etc. Estos requisitos son aplicables tanto en las estaciones meteorológicas dotadas de personal como en las automáticas conforme se establece en el Manual del Sistema Mundial de Observación (OMM-N° 544). Las distintas aplicaciones pueden tener requisitos menos estrictos. El valor especificado de la incertidumbre de medición requerida representa la incertidumbre del valor comunicado con respecto al valor verdadero, e indica el intervalo en que se encuentra el valor verdadero con una probabilidad especificada. El nivel de probabilidad recomendado es 95 por ciento (k = 2), que corresponde al nivel de 2σ para una distribución normal (gaussiana) de la variable. La hipótesis de que todas las correcciones conocidas se tienen en cuenta supone que los errores en los valores comunicados tendrán un valor medio (o sesgo) próximo a cero. Todo sesgo residual debería ser pequeño en comparación con el requisito de incertidumbre de medición especificado. El valor verdadero es el valor que, en condiciones de funcionamiento, caracteriza perfectamente la variable que ha de medirse u observarse en el intervalo de tiempo, en la zona y/o en el volumen representativo requerido, teniendo en cuenta el emplazamiento y la exposición. 6. Las columnas 2 a 5 se refieren a los requisitos establecidos por el Equipo de expertos de la CSB sobre necesidades de datos procedentes de estaciones meteorológicas automáticas en 2004. 7. Las columnas 6 a 8 se refieren al rendimiento operativo típico establecido por el Equipo de expertos de la CIMO sobre tecnología y técnicas de medición de superficie en 2004. 8. La incertidumbre de medición alcanzable (columna 8) se basa en el funcionamiento del sensor en una exposición nominal y recomendada que puede alcanzarse en la práctica operativa. Debería considerarse como una ayuda práctica para que los usuarios puedan determinar requisitos alcanzables y asequibles. 9. n/a: no aplicable. 10. Es preferible el término incertidumbre que el de exactitud (es decir, incertidumbre es conforme a las normas de la ISO sobre la incertidumbre de las mediciones (ISO, 1995)). 11. La temperatura del punto de rocío, la humedad relativa y la temperatura del aire están relacionadas, y, por lo tanto, sus incertidumbres también lo están. En el promediado, la humedad absoluta es la variable principal a la que se da preferencia.

I.1-39

I.1-40

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA Brooks, C. E. P. y N. Carruthers, 1953: Handbook of Statistical Methods in Meteorology. MO 538, Meteorological Office, Londres. Eisenhart, C., 1963: Realistic evaluation of the precision and accuracy of instrument calibration systems. National Bureau of Standards–C, Engineering and Instrumentation, Journal of Research, volumen 67C, número 2, abril a junio de 1963. Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST), 1995: Guide for the Use of the International System of Units (SI) (B. N. Taylor). Publicación especial Nº 811 del NIST, Gaithersburg, Estados Unidos de América. Kok, C. J., 2000: On the Behaviour of a Few Popular Verification Scores in Yes/No Forecasting. Scientific Report, WR-2000-04, KNMI, De Bilt. Linacre, E., 1992: Climate Data and Resources – A Reference and Guide. Routledge, Londres, 366 págs. Murphy, A. H. y R. W. Katz (eds.), 1985: Probability, Statistics and Decision Making in the Atmospheric Sciences. Westview Press, Boulder. Natrella, M. G., 1966: Experimental Statistics. National Bureau of Standards Handbook 91, Washington D. C. Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) / Comité Consultivo de Termometría, 1990: The International Temperature Scale of 1990 (ITS-90) (H. Preston Thomas). Metrologia, 1990, 27, págs. 3 a 10. —, 1998: The International System of Units (SI). Séptima edición, BIPM, Sèvres/París. Organización de Aviación Civil Internacional (OACI), 2002: World Geodetic System — 1984 (WGS-84) Manual. ICAO Doc 9674-AN/946. Segunda edición, Québec. Organización Internacional de Normalización (ISO), 1993: ISO Standards Handbook: Quantities and Units. ISO 31:1992, tercera edición, Ginebra. —, 1995: Guide to the Expression of Uncertainty of Measurement. Publicada en nombre de BIPM/ IEC/IFCC/ISO/IUPAC/IUPAP y OIML, primera edición, Ginebra. —, 2008: International Vocabulary of Basic and General Terms in Metrology. Elaborado por BIPM/ ISO/OIML/IEC/IFCC/IUPAC e IUPAP, tercera edición, Ginebra. Organización Meteorológica Mundial (OMM), 1966: International Meteorological Tables (S. Letestu, ed.) (modificación de 1973), WMO-No. 188, Ginebra.

—, 1970: Performance Requirements of Aerological Instruments (C. L. Hawson). Nota técnica Nº 112, WMO-No. 267. TP.151, Ginebra. —, 1983: Guía de prácticas climatológicas, segunda edición, OMM-Nº 100, Ginebra (versión actualizada disponible en inglés en http://library.wmo.int/ pmb_ged/wmo_100_en.pdf ). —, 1988: Reglamento Técnico. Volumen I, apéndice A, OMM-Nº 49, Ginebra. —, 1990: Guía de los sistemas de observación y difusión de información en los aeródromos, OMM-Nº 731, Ginebra. —, 1992: Vocabulario meteorológico internacional. Segunda edición, OMM-Nº 182, Ginebra. —, 1993: Siting and Exposure of Meteorological Instruments (J. Ehinger). Informe Nº 55 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 589, Ginebra. —, 2001: Compendio de apuntes para la formación de personal agrometeorológico de las Clases II y III, segunda edición, OMM-Nº 551, Ginebra. —, 2002: Station exposure metadata needed for judging and improving the quality of observations of wind, temperature and other parameters ( J. Wieringa y E. Rudel). Ponencias presentadas en la Conferencia técnica de la OMM sobre instrumentos y métodos de observación meteorológicos y medioambientales (TECO-2002), Informe Nº 75 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 1123, Ginebra. —, 2003: Guidelines on Climate Metadata and Homogenization (P. Llansó, ed.). Informe Nº 53 del Programa Mundial de Datos y Vigilancia del Clima (PMDVC), WMO/TD-No. 1186, Ginebra. —, 2008: Guía de prácticas hidrológicas. OMM-Nº 168, Ginebra. —, 2009: Comisión Técnica Mixta OMM/COI sobre Oceanografía y Meteorología Marina, tercera reunión, OMM-Nº 1049, Ginebra. —, 2010a: Guía de prácticas agrometeorológicas. OMM-Nº 134, Ginebra. —, 2010b: Guía del Sistema Mundial de Observación. OMM-Nº 488, Ginebra. —, 2010c: Manual del Sistema Mundial de Proceso de Datos y de Predicción. Volumen I – Aspectos mundiales, apéndice II-2, OMM-Nº 485, Ginebra. —, 2010d: Manual del Sistema Mundial de Observación. Volumen I – Aspectos mundiales, OMM-Nº 544, Ginebra. —, 2010e: Weather Reporting. Volume A – Observing stations, WMO-No. 9, Ginebra.

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

Orlanski, I., 1975: A rational subdivision of scales for atmospheric processes. Bulletin of the American Meteorological Society, 56, págs. 527 a 530. Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (IUPAP), 1987: Symbols, Units, Nomenclature and

I.1-41

Fundamental Constants in Physics. Documento IUPAP-25 de la SUNAMCO (E. R. Cohen y P. Giacomo), reproducida de Physica 146A, págs. 1 a 68.

I.1-42

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

CAPÍTULO 2. MEDICIÓN DE LA CAPÍTULO 2TEMPERATURA

I.2-1

MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA

2.1

GENERALIDADES

2.1.1

Definición

La OMM (1992) define la temperatura como la magnitud física que caracteriza el movimiento aleatorio medio de las moléculas en un cuerpo físico. Cuando dos cuerpos están en contacto térmico terminan teniendo la misma temperatura, siendo este uno de los comportamientos característicos de la temperatura. Por lo tanto, la temperatura representa el estado termodinámico de un cuerpo y su valor está determinado por la dirección del flujo neto de calor entre dos cuerpos. En un sistema de este tipo, se dice que el cuerpo que pierde calor globalmente en favor del otro, se encuentra a mayor temperatura. Sin embargo, resulta difícil definir la magnitud física de la temperatura con respecto al “estado de un cuerpo”. La solución que se ha encontrado consiste en definir una escala de temperaturas aprobada internacionalmente basada en puntos de congelación y en puntos triples universales1. La escala que se está aplicando actualmente es la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (EIT-90)2 y su temperatura se indica con T90 . Para el rango de valores meteorológicos (–80 a +60 °C) esta escala se basa en una relación lineal entre la resistencia eléctrica del platino y el punto triple del agua, definido como 273,16 kelvin (BIPM, 1990). Para fines meteorológicos se miden las temperaturas de numerosos medios. La variable más comúnmente medida es la temperatura del aire (a diversas alturas). Otras variables son la temperatura mínima de la hierba, la del terreno, la del suelo y la temperatura del agua de mar. La OMM (1992) define la temperatura del aire como “la temperatura leída en un termómetro expuesto al aire, protegido de la radiación solar directa”. Aunque esta definición no se pueda utilizar como definición de la magnitud termodinámica propiamente dicha, sirve para la mayoría de las aplicaciones. 1

2

El órgano autorizado en lo referente a esta escala es la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM), Sèvres (París); véase http://www.bipm.org. El Comité Consultivo de Termometría de la BIPM es el órgano ejecutivo encargado de establecer y aplicar la EIT. Se puede consultar información práctica sobre la Escala Internacional de Temperatura de 1990 en su propio sitio web: http://www.its-90.com.

2.1.2

Unidades y escalas

La temperatura termodinámica (T), expresada en kelvin (K), también conocida como “temperatura kelvin”, es la temperatura básica. Un kelvin equivale a 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua. En meteorología se utiliza casi siempre la temperatura (t ) en grados Celsius (o “temperatura Celsius”), definida por la ecuación 2.1 (a partir de la referencia secundaria del punto de congelación del cuadro 2 del anexo): t/°C = T/K – 273,15

(2.1)

Una diferencia de temperatura de un grado Celsius (ºC) es igual a un kelvin (K). Cabe señalar que la unidad K se utiliza sin el símbolo de grado. En la escala termodinámica de temperaturas, las mediciones se expresan como diferencias respecto del cero absoluto (0 K), que es la temperatura a la cual las moléculas de cualquier sustancia carecen de energía cinética. La escala de temperaturas generalmente utilizada desde 1990 es la EIT-90 (véase el anexo), basada en determinados valores de temperatura asignados a ciertos estados de equilibrio reproducibles (véase el cuadro 1 del anexo), y en determinados instrumentos patrón calibrados a esas temperaturas. La EIT se definió de tal manera que la temperatura medida en esta escala coincide con la temperatura termodinámica, y cualquier diferencia está dentro de los márgenes de incertidumbre de las mediciones. Además de los puntos fijos de esta escala, existen también otros puntos de referencia secundarios (véase el cuadro 2 del anexo). Las temperaturas de interés meteorológico se obtienen mediante la interpolación entre los puntos fijos, aplicando las fórmulas normalizadas que figuran en el anexo.

2.1.3

Requisitos meteorológicos

2.1.3.1

Generalidades

Los requisitos meteorológicos para las mediciones de temperatura en meteorología están relacionados principalmente con: a) el aire cerca de la superficie de la Tierra; b) la superficie del terreno;

I.2-2

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

c) el suelo a diversas profundidades; d) los niveles de superficie del mar y de los lagos; e) la atmósfera superior. Estas mediciones son necesarias, conjuntamente o por separado, y a escala local o mundial, para introducir datos en los modelos de predicción numérica del tiempo, para fines hidrológicos y agrícolas, y como indicadores de la variabilidad del clima. La temperatura local tiene también importancia fisiológica para las actividades cotidianas de la población mundial. Las mediciones de temperatura pueden necesitarse en forma de registros continuos, o pueden obtenerse a intervalos de tiempo diferentes. En este capítulo se examinan los requisitos relacionados con a), b) y c).

2.1.3.2

Todos los instrumentos de medición de temperatura deberían entregarse con un certificado que confirmara el cumplimiento de las especificaciones adecuadas en cuanto a incertidumbre de las mediciones o a prestaciones del instrumento, o bien con un certificado de calibración que indicara las correcciones que habría que aplicar para obtener la incertidumbre de medición requerida. Esta comprobación y calibración iniciales deberían ser realizadas por una institución nacional competente o por un laboratorio de calibración acreditado. Posteriormente, se verificarían los instrumentos de medición de temperatura a intervalos regulares, utilizando para ello un patrón adecuado según el instrumento o sensor a calibrar.

2.1.3.3

Requisitos de exactitud

El intervalo de valores, el grado de resolución de la información y la incertidumbre requeridos en las mediciones de temperatura aparecen detallados en el capítulo 1 de la parte I de esta Guía. En la práctica, puede no resultar económico proporcionar termómetros que cumplan directamente las condiciones requeridas. En cambio, se utilizan termómetros menos costosos, calibrados con arreglo a un patrón de laboratorio, introduciendo las correcciones necesarias en las lecturas obtenidas. Es preciso limitar la magnitud de las correcciones, a fin de mantener dentro de un margen los errores residuales. Los valores de funcionamiento del termómetro se escogerán, asimismo, de modo que reflejen el margen de variación del clima local. A título de ejemplo, en el cuadro inferior figura un intervalo aceptable de valores de calibración y de error para termómetros que abarcan una escala de medición típica.

Tiempos de respuesta de los termómetros

Para las observaciones meteorológicas ordinarias no hay ventaja alguna en utilizar termómetros con una constante de tiempo o con un coeficiente de retardo muy pequeños, ya que la temperatura del aire fluctúa constantemente hasta en uno o dos grados en pocos segundos. Por eso, para obtener una lectura representativa con este tipo de termómetros habría que calcular la media de varias lecturas, en tanto que los termómetros con una constante de tiempo mayor tienden a suavizar las fluctuaciones rápidas. Sin embargo, una constante de tiempo demasiado grande puede dar lugar a errores si los cambios de temperatura duran períodos largos. Se recomienda que la constante de tiempo, definida como el tiempo necesario para que el termómetro registre el 63,2 por ciento de un cambio discreto de la temperatura del aire, sea de 20 segundos. La constante de tiempo depende del flujo de aire sobre el sensor.

Requisitos característicos de los termómetros 2.1.3.4 Tipo de termómetro

Ordinario Máxima

Mínima

Ámbito de la escala (ºC)

–30 a 45

–30 a 50 – 40 a 40

Intervalo de calibración (ºC)

–30 a 40

–25 a 40

–30 a 30

< 0,2 K

0,2 K

0,3 K

Diferencia máxima entre corrección máxima y mínima dentro de la escala 0,2 K

0,3 K

0,5 K

Variación máxima de la corrección en cualquier intervalo de 10 ºC

0,1 K

0,1 K

Error máximo

0,1 K

Registro de las circunstancias en que se efectúan las mediciones

La temperatura es uno de los parámetros meteorológicos cuya medición es muy sensible a la exposición. Para los estudios sobre el clima en particular, las mediciones de temperatura resultan afectadas por el estado del entorno circundante, la vegetación, la presencia de edificios u otros objetos, la cubierta del suelo, el estado y las diferencias de diseño del escudo o de la pantalla contra las radiaciones, y otros cambios en el equipo. Por consiguiente, es importante llevar registros no solo de los datos de temperatura, sino también de las circunstancias en que se han realizado las mediciones. Esta información se conoce como metadatos (datos acerca de datos).

CAPÍTULO 2. MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA

2.1.4

Métodos de medición

Una forma de medir la temperatura de un objeto consiste en dejar que el termómetro alcance la temperatura del objeto (es decir, ponerlo en equilibrio termodinámico con este), y efectuar entonces la medición de la temperatura de dicho termómetro. También se puede determinar la temperatura mediante un radiómetro, sin necesidad de alcanzar un equilibrio térmico. Toda propiedad física de una sustancia que sea función de la temperatura puede servir de base para construir un termómetro. Las propiedades utilizadas generalmente en los termómetros meteorológicos son la dilatación térmica y la variación de la resistencia eléctrica con la temperatura. Los termómetros radiométricos operan en la banda infrarroja del espectro electromagnético y se utilizan, entre otras aplicaciones, para medir la temperatura desde satélites. Existe una técnica especial para determinar la temperatura del aire utilizando muestreo ultrasónico que ha sido diseñado con objeto de determinar la velocidad del aire y que, además, proporciona la velocidad media de las moléculas de aire y, por consiguiente, su temperatura (OMM, 2002a). Los termómetros que indican la temperatura ambiente suelen denominarse termómetros ordinarios, y los que indican las temperaturas extremas a lo largo de un período de tiempo se denominan termómetros de máxima o de mínima. Existen varios textos de uso corriente sobre el diseño de instrumentos y prácticas de laboratorio para la medición de temperatura, por ejemplo, Jones (1992) y Middleton y Spilhaus (1960). Teniendo en cuenta los conceptos de la termometría, cuando se trate de aplicaciones meteorológicas, habría que tratar de utilizar únicamente tecnologías específicas a causa de las limitaciones impuestas por las características del clima o del medio ambiente. 2.1.4.1

Exposición y emplazamiento de los termómetros

La radiación del sol, las nubes, el suelo y otros objetos circundantes atraviesa el aire sin modificar apreciablemente su temperatura, pero un termómetro expuesto al aire libre puede absorber una cantidad de radiación considerable. En consecuencia, su temperatura puede diferir de la temperatura verdadera del aire en una magnitud que dependerá de la intensidad de la radiación y del cociente entre la radiación absorbida y el calor disipado. Para algunos elementos de estos termómetros, como el

I.2-3

finísimo alambre de los termómetros de resistencia de hilo descubierto, la diferencia de temperatura puede ser muy pequeña o incluso insignificante, pero con los utilizados más habitualmente la diferencia de temperatura puede alcanzar los 25 K en condiciones extremadamente desfavorables. Así pues, para asegurarse de que el termómetro esté a la temperatura verdadera del aire es necesario protegerlo de la radiación mediante una garita o protección que le sirva a la vez de soporte. Esta garita lo protegerá también de las precipitaciones, permitirá al aire circular libremente a su alrededor e impedirá que se dañe accidentalmente. Dependiendo de las corrientes de aire locales, las precipitaciones sobre el sensor bajarán las temperaturas del mismo, haciendo que este funcione como un termómetro húmedo. No obstante, la circulación de aire puede verse obstaculizada cuando se forma escarcha. Hay diversas maneras de reducir los errores de observación en tales circunstancias, entre ellas el diseño especial de las garitas o de los instrumentos de medición de la temperatura integrando, por ejemplo, ventilación artificial. Sin embargo, en el caso de la ventilación artificial, se debería evitar cuidadosamente la influencia impredecible de la combinación de deposiciones húmedas y evaporación durante los episodios de precipitaciones, lloviznas, niebla y similares. Sparks (1970) facilita información general sobre conceptos de mediciones de temperaturas aplicables en prácticas operativas. A fin de obtener resultados representativos cuando se comparan las lecturas termométricas de lugares y momentos diferentes, es también indispensable normalizar la exposición de la garita y, por consiguiente, del termómetro propiamente dicho. En las actividades meteorológicas habituales, la temperatura del aire observada debería ser representativa del estado del aire que rodea la estación en un área lo más extensa posible, y a una altura de entre 1,2 y 2,0 m por encima del nivel del suelo. Este último dato se especifica porque en las capas más bajas de la atmósfera pueden darse importantes gradientes verticales de temperatura. El mejor lugar para realizar las mediciones es, pues, por encima del nivel del suelo, con exposición directa al sol y al viento, y libre de la sombra o proximidad de árboles, edificios u otros objetos que obstruyan. Las pendientes muy inclinadas y las depresiones del terreno están expuestas a condiciones excepcionales, por lo que convendría evitarlas. En los pueblos y ciudades, las características locales suelen ser más marcadas que en las zonas rurales. Las observaciones de temperatura en las cimas de los edificios son de dudoso valor y utilidad, debido al gradiente vertical variable de temperatura que existe en esos lugares, y al efecto del propio edificio sobre la distribución de la temperatura.

I.2-4

2.1.4.2

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

Patrones de temperatura

marcar una escala de temperatura sobre el tubo o sobre un soporte firmemente unido a aquel.

Patrones de laboratorio Los laboratorios nacionales de patrones tendrán y mantendrán termómetros patrón primarios. Un laboratorio meteorológico nacional u otro laboratorio de calibración acreditado tendrán como patrón de trabajo un termómetro de resistencia de platino de gran pureza, trazado al patrón nacional. La incertidumbre de este termómetro podrá ser verificada periódicamente en una célula de punto triple del agua. El punto triple del agua está exactamente definido, y puede ser reproducido en una célula de punto triple con una incertidumbre de 1·10–4 K. Patrones de campo El psicrómetro de referencia de la OMM (OMM, 1992) es el instrumento de referencia para determinar la relación entre la temperatura del aire, medida con instrumentos de superficie convencionales, y la temperatura verdadera del aire. Este instrumento ha sido diseñado como aparato autónomo y no necesita garita ni protección; es el más exacto de que se dispone para evaluar y comparar sistemas de instrumentos. No está concebido para ser utilizado en las actividades cotidianas de meteorología y permite medir temperaturas con una incertidumbre de 0,04 K (con un nivel de confianza del 95 por ciento). El capítulo 4 de la parte I contiene más información al respecto.

2.2

2.2.1

TERMÓMETROS DE LÍQUIDO EN CÁPSULAS DE VIDRIO

Descripción general

Para las observaciones de rutina de la temperatura del aire, incluidas las correspondientes a las temperaturas máxima, mínima y del termómetro húmedo, se utilizan todavía habitualmente termómetros de líquido en cápsula de vidrio. Estos termómetros indican la temperatura mediante la dilatación relativa de un líquido puro con respecto al vidrio que lo contiene. El tubo tiene una delgada perforación conectada al bulbo principal; el volumen del líquido en el termómetro es tal que el bulbo se encuentra completamente lleno, mientras que el tubo solo lo está parcialmente para todas las temperaturas a medir. Los cambios de volumen del líquido respecto de su recipiente se traducirán en cambios en la columna líquida; calibrando el instrumento mediante un termómetro patrón, será posible

El líquido que se emplea depende del intervalo de temperaturas que se requiera; se suele utilizar el mercurio, para temperaturas superiores a su punto de congelación (–38,3 °C), o bien el alcohol etílico u otros líquidos orgánicos puros para temperaturas más bajas. El vidrio debería ser normal o borosilicatado, del tipo aprobado para su uso en termómetros. El diseño del bulbo es delgado pero suficientemente resistente para facilitar la conducción de calor hacia y desde el bulbo y su contenido. Una perforación más estrecha facilita el movimiento del líquido en el tubo para un cambio de temperatura dado, pero reduce el intervalo útil de temperatura del termómetro para una longitud determinada del tubo. Antes de graduarlo, el termómetro debería estar adecuadamente templado, a fin de atenuar los cambios lentos que se producen en el vidrio por efecto del envejecimiento. La construcción de los termómetros meteorológicos responde a cuatro tipos principales: a) revestidos, con la escala grabada en el tubo del termómetro; b) revestidos, con la escala grabada en una tira de vidrio opalino fijada al tubo del termómetro en el interior del receptáculo; c) sin revestimiento, con la graduación marcada en el tubo y montado sobre un soporte de metal, porcelana o madera donde figuran los números de la escala; d) sin revestimiento, con la escala grabada sobre el tubo. En algunos termómetros el vidrio del tubo forma una lente en su parte frontal para ofrecer una imagen aumentada de la columna de mercurio. Los tipos a) y b) presentan, frente a los tipos c) y d), la ventaja de que las marcas de su escala están protegidas de la intemperie. En los dos últimos tipos es necesario volver a ennegrecer las marcas del termómetro de cuando en cuando; por otra parte, son más fáciles de construir que los de tipo a) y b). Los tipos a) y d) tienen la ventaja de ser menos propensos a los errores de paralaje (véase la sección 2.2.4). En HMSO (1980) figura información general sobre termómetros diseñados para ser utilizados en prácticas meteorológicas. Sea cual sea el tipo que se adopte, ni el revestimiento ni la montura deberían ser demasiado voluminosos, ya que ello supondría una capacidad calorífica muy elevada. Al mismo tiempo, deberían ser suficientemente robustos para no resultar

CAPÍTULO 2. MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA

dañados durante las manipulaciones o el transporte. Para los termómetros de mercurio en cápsula de vidrio, especialmente los de máxima, es importante que el vacío que queda por encima de la columna de mercurio sea casi perfecto. Todos los termómetros deberían estar graduados para una inmersión total, excepto los que miden la temperatura del suelo. A continuación se exponen, en los apartados correspondientes, los requisitos especiales que deberían reunir los termómetros, según su finalidad. 2.2.1.1

Termómetros (de estación) ordinarios

Estos termómetros son los más exactos de todos los de uso meteorológico. Generalmente son del tipo de mercurio en cápsula de vidrio. Las marcas de su escala están a intervalos de 0,2 K o 0,5 K, y la escala es más amplia que la de los demás termómetros meteorológicos. El termómetro ordinario se utiliza cubierto por una garita, para evitar errores debidos a la radiación. Un soporte lo mantiene en posición vertical, con el bulbo en el extremo inferior. El bulbo es o bien cilíndrico, o en forma de cebolla. Un par de termómetros ordinarios puede ser utilizado como psicrómetro si uno de ellos está equipado con una vaina de bulbo húmedo3.

las partes de la columna que hayan quedado separadas se puedan unir fácilmente. 2.2.1.3

Termómetros de máxima

El tipo de termómetro de máxima recomendado es el de mercurio en cápsula de vidrio, con un estrechamiento entre el bulbo y el comienzo de la escala. Dicho estrechamiento impide que la columna de mercurio descienda aunque disminuya la temperatura. Sin embargo, el observador puede “reajustar” el termómetro sujetando firmemente el extremo del bulbo hacia abajo, y sacudiendo a continuación el brazo hasta que la columna de mercurio se reunifique. Los termómetros de máxima deberían estar montados a un ángulo de unos 2 grados respecto de la horizontal, con el bulbo en el extremo inferior para que la columna de mercurio se apoye en el estrechamiento sin que la gravedad le obligue a atravesarlo. Es conveniente que la perforación se ensanche en el extremo superior del tubo, para que

3

Las temperaturas registradas con termómetros de bulbo húmedo se explican en el capítulo 4 de la parte I.

Termómetros de mínima

En lo que se refiere a los termómetros de mínima, el instrumento más habitual es un termómetro de alcohol con un índice de vidrio oscuro, de unos 2 cm de longitud, sumergido en el alcohol. En el tubo de estos termómetros hay siempre algo de aire, por lo que conviene dotarlos de una cámara de seguridad en su extremo superior, de un tamaño suficiente para que el instrumento pueda soportar una temperatura de 50 °C sin sufrir daños. Los termómetros de mínima deberían estar sustentados de manera análoga a los termómetros de máxima, en posición casi horizontal. Los termómetros de mínima pueden utilizar diversos tipos de líquidos como, por ejemplo, el alcohol etílico, el pentano o el tolueno. Es importante que el líquido sea lo más puro posible, ya que la presencia de ciertas impurezas aumenta la tendencia del líquido a polimerizarse bajo los efectos de la luz y con el paso del tiempo; la polimerización modifica los resultados de la calibración. En el caso del alcohol etílico, por ejemplo, el alcohol debería estar completamente libre de acetona. Los termómetros de mínima se utilizan también para obtener la temperatura mínima de la hierba. 2.2.1.4

2.2.1.2

I.2-5

Termómetros de suelo

Para medir las temperaturas del suelo a profundidades iguales o inferiores a 20 cm se utilizan habitualmente termómetros de mercurio en cápsulas de vidrio cuyos tubos forman un ángulo recto u otro ángulo apropiado por debajo de la graduación más baja. El bulbo del termómetro se inserta en el suelo hasta la profundidad requerida, y la lectura de la escala se hace con el termómetro in situ. Estos termómetros están graduados para ser introducidos hasta la profundidad de medición. Como el resto del instrumento se mantiene a la temperatura del aire, debería haber en el extremo del tubo una cámara de seguridad que permita la expansión del mercurio. Para medir temperaturas a profundidades superiores a 20 cm se recomienda usar termómetros de mercurio en cápsula de vidrio montados sobre tubos de madera, vidrio o plástico, con los bulbos recubiertos de cera o de pintura metálica. El conjunto termómetro/tubo se suspende o se introduce entonces en tubos de metal o de plástico de paredes

I.2-6

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

delgadas, previamente hundidos en el suelo hasta la profundidad requerida. En climas fríos, el extremo superior del tubo externo debería sobresalir del suelo hasta una altura superior a la de la cubierta de nieve que se espere tener. La técnica consistente en utilizar tubos verticales de acero no es adecuada para medir la variación diurna de la temperatura del suelo, particularmente en suelos secos, y los cálculos de las propiedades térmicas del suelo basados en esas mediciones podrían tener un margen de error importante a causa de la influencia del calor de la capa de superficie. El alto valor de la constante de tiempo, como consecuencia de una mayor capacidad calorífica, permite extraer estos termómetros del tubo externo y efectuar la lectura antes de que la temperatura varíe apreciablemente respecto de la temperatura del suelo. Cuando el suelo esté cubierto de nieve, para que el observador pueda acercarse a la línea de termómetros sin alterar la cubierta de nieve, se recomienda construir una pasarela de poco peso paralela a dicha línea. Esta pasarela debería estar diseñada de manera que su parte superior se pudiera desmontar entre una serie de lecturas y la siguiente sin alterar la cubierta de nieve. 2.2.2

Procedimientos de medición

2.2.2.1

Lectura de termómetros ordinarios

La lectura de los termómetros debería hacerse lo más rápidamente posible, a fin de evitar cambios de temperatura imputables a la presencia del observador. Dado que el menisco o índice de líquido y la escala del termómetro no están en un mismo plano, habrá que tener cuidado para evitar los errores de paralaje. Para no incurrir en estos errores, el observador deberá cerciorarse de que la línea recta definida por su ojo y el menisco o índice formen un ángulo recto con el tubo del termómetro. Como las escalas de los termómetros no contienen, por lo general, subdivisiones inferiores a la quinta parte de un grado, las lecturas redondeadas a la décima de grado más próxima, que son esenciales en psicrometría, deberán hacerse por estimación. Las correcciones por errores de escala, si las hay, deberían aplicarse a las lecturas. La lectura y puesta en estación de los termómetros de máxima y de mínima tendrían que efectuarse al menos dos veces al día y se deberían comparar con frecuencia estas lecturas

con las de un termómetro ordinario para asegurarse de que no haya errores importantes. 2.2.2.2

Medición de temperaturas mínimas de la hierba

La temperatura mínima de la hierba es la temperatura más baja alcanzada a lo largo de una noche por un termómetro expuesto al aire libre sobre la hierba corta. Esta temperatura se mide con un termómetro de mínima como el que se describe en la sección 2.2.1.3. El termómetro debería estar montado sobre un soporte adecuado que lo sustente con una inclinación de unos 2 grados respecto de la horizontal, con el bulbo a menor altura que el tubo, entre 25 y 50 mm por encima del suelo, y en contacto con las puntas de la hierba. Cuando el suelo esté cubierto de nieve, el termómetro debería estar situado inmediatamente por encima de la superficie de la nieve, lo más cerca posible de esta sin llegar a tocarla. Normalmente, el termómetro se expone a la última hora de observación antes de la puesta del sol, y la lectura se realiza a la mañana siguiente. Durante el día, el instrumento se guarda protegido por una garita, o en el interior. No obstante, en las estaciones que no cuentan con ningún observador a la puesta del sol podría ser necesario dejar el termómetro expuesto durante todo el día. En caso de un sol intenso, el alcohol del instrumento podría evaporarse y condensarse en la parte superior del tubo. Puede reducirse este efecto colocando una garita metálica negra revestida de una funda de algodón sobre el extremo del termómetro que contiene la cámara de seguridad; esta garita absorbe más radiación y alcanza, por consiguiente, una temperatura mayor que el resto del instrumento. De ese modo, si se forma vapor, este se condensará en un punto del tubo, por debajo del extremo superior de la columna de alcohol. 2.2.2.3

Medición de las temperaturas del suelo

Las profundidades típicas para las mediciones de temperatura del suelo son 5, 10, 20, 50 y 100 cm por debajo de la superficie, si bien es posible realizarlas también a otras profundidades. El lugar de medición debería ser una porción de terreno llano y despejado, de unos 75 cm2, representativa del suelo circundante del que se deseen tomar datos. Si la superficie no fuera representativa de los alrededores, su extensión no debería ser inferior a 100 m2. Cuando el suelo esté cubierto de nieve, es

CAPÍTULO 2. MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA

conveniente medir también la temperatura de la cubierta de nieve. Si no hay demasiada nieve, se puede apartar del suelo antes de efectuar las lecturas, y colocarla después de nuevo en su lugar. Al describir un emplazamiento para medir la temperatura del suelo, se debería anotar el tipo de suelo, la cubierta de suelo y el grado y dirección de la pendiente del terreno. Siempre que sea posible, se deberían indicar las constantes físicas del suelo, tales como la densidad aparente, la conductividad térmica o el contenido de humedad a la capacidad de campo. Además, se deberían incluir el nivel de la capa freática (si no estuviera a más de 5 m de la superficie) y la estructura del suelo. En las estaciones agrometeorológicas es conveniente realizar el registro continuo de las temperaturas del suelo y del aire a diferentes niveles en la capa adyacente al suelo (desde el nivel del suelo hasta unos 10 m por encima del límite superior de la vegetación predominante). 2.2.3

Emplazamiento y exposición del termómetro

Tanto los termómetros ordinarios como los de máxima y mínima se usan siempre protegidos por una garita instalada sobre un soporte. Los termómetros de extremas van montados sobre soportes adecuados que los mantienen en un ángulo de unos 2 grados respecto de la horizontal, con el bulbo a menor altura que el tubo. El termómetro de mínimas de la hierba se coloca y se expone en el lugar de medición tal y como se indica en la sección 2.2.2.2. En una estación en que la nieve sea persistente y de profundidad variable, puede utilizarse un soporte que permita subir o bajar el termómetro a fin de mantener la altura correcta por encima de la superficie de la nieve. 2.2.4

Causas de error en los termómetros de líquido en cápsula de vidrio

Los errores más comunes en los termómetros de líquido en cápsula de vidrio son: a) errores elásticos; b) errores causados por el tubo saliente; c) errores de paralaje y errores de lectura ostensibles; d) cambios en el volumen del bulbo producidos por la presión externa o interna; e) capilaridad;

I.2-7

f) errores de división de la escala y de calibración; g) dilatación desigual del líquido y del vidrio en el rango considerado. Los tres últimos tipos de errores pueden minimizarse en el proceso de fabricación, e incluirse entre las correcciones que se aplicarán a los valores observados. Los tres primeros merecen cierta consideración. Los errores de tipo d) no suelen producirse cuando los termómetros se utilizan para fines meteorológicos. 2.2.4.1

Errores elásticos

Existen dos tipos de errores elásticos: reversibles e irreversibles. El primero solo reviste importancia cuando se expone un termómetro a un amplio intervalo de temperatura en un corto período de tiempo. Así, si se observa la lectura de un termómetro en el punto de ebullición y, poco después, en el punto de congelación, la temperatura indicada será un poco baja al principio, y luego aumentará lentamente hasta alcanzar el valor correcto. Este error depende de la calidad del vidrio empleado en el termómetro, y puede llegar a ser de 1 K (con vidrio de la mejor calidad no pasaría de 0,03 K) y sería proporcionalmente menor para intervalos de temperatura más reducidos. Este efecto carece de importancia en las mediciones meteorológicas, si se descarta la posibilidad de un error en la calibración original. Los cambios irreversibles pueden tener mayor relevancia. El bulbo del termómetro tiende a contraerse lentamente a lo largo de los años, haciendo con ello que el nivel cero aumente. El mayor cambio tendrá lugar durante el primer año, y a partir de entonces el ritmo de variación disminuirá progresivamente. Esta alteración puede reducirse sometiendo el bulbo a tratamiento térmico y utilizando el vidrio más adecuado. Incluso, con el vidrio de mejor calidad, este cambio podría ser al principio de 0,01 K al año. Para que las mediciones sean precisas, especialmente con los termómetros de inspección o de comprobación, se debería volver a determinar el cero periódicamente, y aplicar las correcciones adecuadas. 2.2.4.2

Errores causados por el tubo saliente

Por lo general, los termómetros utilizados para medir la temperatura del aire están completamente rodeados de aire a una temperatura más o menos uniforme, y se calibran sumergiéndolos completamente, o solo hasta el punto más alto de la columna

I.2-8

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

de mercurio (es decir, se los calibra por inmersión total o parcial). Cuando se utiliza uno de estos termómetros para determinar la temperatura de un medio físico que no rodea el tubo, de manera que la temperatura efectiva de este sea distinta de la del bulbo, se obtendrá un error.

el intervalo de temperaturas y en toda la longitud del tubo que se utilice, el valor unitario de la escala variará a lo largo del tubo, por lo que, antes de utilizarlo, el termómetro debe ser calibrado por el fabricante en base a un termómetro patrón.

En las aplicaciones meteorológicas, lo más probable es que esto ocurra al comprobar la calibración de un termómetro ordinario en un recipiente que contenga otro líquido a una temperatura apreciablemente diferente de la del ambiente, y en el que solo esté sumergido el bulbo o la parte inferior del tubo.

2.2.4.5

2.2.4.3

Errores de paralaje y errores de lectura ostensibles

Si el termómetro no se observa a la altura del plano perpendicular al tubo que pasa por el punto más alto de la columna del líquido, se obtendrán errores de paralaje. El error será mayor cuanto más grueso sea el tubo del termómetro y cuanto mayor sea el ángulo entre la línea de observación efectiva y la correcta. Este error solo puede evitarse extremando la precaución en el momento de la observación. Si el termómetro es de mercurio en cápsula de vidrio y está suspendido verticalmente, como en una garita corriente, la lectura deberá efectuarse en el plano horizontal que pasa por el punto más alto de la columna de mercurio. Generalmente, también pueden producirse errores cuando, al aproximarse para realizar la lectura, el observador altera de algún modo el medio circundante. Así pues, es necesario que el observador efectúe la lectura lo más rápido posible, redondeada a la décima de grado más próxima. Los errores de lectura ostensibles suelen tener una magnitud de 1°, 5° o 10° y se pueden evitar si el observador verifica por segunda vez las decenas y unidades del valor medido después de realizar la lectura inicial. 2.2.4.4

Errores debidos a diferencias de dilatación

El coeficiente de dilatación cúbica del mercurio es de 1,82· 10–4 K–1, y el de la mayoría de los vidrios está comprendido entre 1,0· 10–5 y 3,0· 10–5 K–1. El coeficiente de dilatación del vidrio es, pues, una fracción importante del coeficiente de dilatación del mercurio, y no es posible ignorarlo. Dado que ni los coeficientes de dilatación cúbica del mercurio y del vidrio, ni la sección transversal de la perforación del tubo, son estrictamente constantes en todo

Errores asociados a los termómetros de alcohol

Los coeficientes de dilatación de los líquidos utilizados en los termómetros de alcohol son mucho mayores que los del mercurio, y sus puntos de congelación, mucho más bajos (el alcohol etílico se congela a –115 °C). En los termómetros de mínima se utiliza el alcohol porque es incoloro, y porque su mayor coeficiente de dilatación permite utilizar una perforación mayor. Los termómetros de este tipo son menos precisos que los de mercurio de igual precio y calidad. Además de las desventajas que generalmente presentan los termómetros de líquido en cápsulas de vidrio, los termómetros de alcohol tienen algunas peculiaridades propias: a) Adherencia del alcohol al vidrio: a diferencia del mercurio, los líquidos orgánicos suelen mojar el vidrio, con lo cual, cuando la temperatura cae rápidamente, cierta cantidad de líquido puede quedar en las paredes de la perforación, haciendo que la lectura del termómetro sea más baja. Si el instrumento está suspendido verticalmente, el líquido irá escurriendo gradualmente hacia abajo. b) Rotura de la columna de líquido: en la parte superior del tubo del termómetro se suelen formar gotas de líquido por evaporación y condensación. Aunque estas gotas pueden llegar a reunirse con la columna principal, podrían producirse errores al comienzo del proceso, antes de que el fenómeno sea perceptible. La columna se rompe también a veces durante el transporte. Este error se aminora durante la fabricación cuando el termómetro se sella a su temperatura más baja, de modo que contenga la cantidad máxima de aire en el tubo. c) Cambios lentos del líquido: los líquidos orgánicos utilizados tienden a polimerizarse con el paso del tiempo y con la exposición a la luz, lo que hace que el volumen del líquido disminuya gradualmente. La presencia de impurezas puede acelerar este efecto; se ha demostrado, en particular, que la presencia de acetona en el alcohol etílico resulta muy perjudicial. Por consiguiente, habrá que extremar las precauciones al preparar el líquido para el termómetro. Este efecto podría acentuarse si se utilizan tintes para colorear el líquido, con el fin de que este sea más visible.

CAPÍTULO 2. MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA

La reducción de los errores producidos por la rotura de la columna de líquido, y los cuidados generales de los termómetros de alcohol, se abordan al final del capítulo. 2.2.5

Comparación y calibración en condiciones reales y en laboratorio

2.2.5.1

Calibración en laboratorio

La calibración de termómetros en laboratorio debería ser realizada por instituciones nacionales especializadas o por laboratorios de calibración acreditados. Para los termómetros de líquido en cápsula de vidrio se debería utilizar un baño líquido, en el interior del cual tendría que ser posible mantener la temperatura en el valor deseado, dentro del intervalo requerido. La rapidez con que varíe la temperatura del líquido no debería rebasar los límites recomendados, y el aparato de calibración habría de disponer de algún medio para agitar el líquido. Los termómetros de referencia y los que se sometan a prueba deberían estar suspendidos independientemente del recipiente, totalmente sumergidos y sin tocar los lados. Debería llevarse a cabo un número suficiente de mediciones para asegurarse de que las correcciones a aplicar representan el funcionamiento del instrumento en condiciones normales, con errores causados por la interpolación en cualquier punto intermedio no mayores que los errores no sistemáticos (véase el capítulo 4 de la parte III). 2.2.5.2

Comprobaciones y calibración en condiciones reales

Todos los termómetros de líquido en cápsula de vidrio experimentan cambios graduales del nivel cero. Por esta razón será conveniente comprobarlos a intervalos regulares, en términos generales una vez cada dos años. Deberían mantenerse en posición vertical, a temperatura ambiente, al menos durante 24 horas antes de comenzar el proceso de comprobación. El punto de congelación puede comprobarse llenando casi completamente un vaso Dewar con hielo picado obtenido a partir de agua destilada, y humedeciéndolo con más agua destilada. Tanto el espacio entre los trozos de hielo como el fondo del vaso deberían estar exentos de aire. El agua debería mantenerse a 2 cm por debajo de la superficie del

I.2-9

hielo. Un termo ordinario bastará para sumergir totalmente la mayoría de los termómetros hasta que alcancen su punto de congelación. Los termómetros deberían insertarse de manera que la columna de mercurio o de alcohol sobresaliera lo menos posible del hielo. Antes de leer la temperatura indicada se dejarían transcurrir al menos 15 minutos para que el termómetro alcanzara la temperatura del punto de fusión del hielo. Cada termómetro se debería mover hacia atrás y hacia adelante entre la mezcla, e inmediatamente se leería hasta una décima parte del intervalo de la escala. A continuación, sería preciso tomar otras lecturas a intervalos de cinco minutos y calcular un valor medio. Para cubrir otros puntos de la escala puede tomarse como referencia un termómetro patrón itinerante o un termómetro patrón de inspección. La comparación se debería efectuar sumergiendo el termómetro de referencia junto con el termómetro o termómetros sometidos a prueba en un recipiente hondo lleno de agua. Suele ser más conveniente operar en el interior, especialmente si brilla el sol, y los mejores resultados se obtendrán cuando el agua esté a la temperatura ambiente, o próxima a ella. Cada termómetro se comparará con el termómetro de referencia; los que sean de un mismo tipo podrán compararse entre sí. Para cada comparación, se sujetarán los termómetros con los bulbos juntos, se moverán hacia adelante y hacia atrás en el agua durante aproximadamente un minuto, y seguidamente se hará la lectura. Deberá ser factible leer ambos termómetros sin variar la profundidad de inmersión; con esta condición, los bulbos deberían estar sumergidos en el agua a la mayor profundidad posible. La mayoría de los termómetros meteorológicos están calibrados para su inmersión total; siempre y cuando la diferencia entre las temperaturas del agua y del aire no exceda de 5 K, la corrección del tubo saliente debería ser insignificante. Con frecuencia ocurre que, encontrándose los bulbos a la misma profundidad, la altura de la columna de mercurio (o de otro líquido) del termómetro sometido a comprobación no estará muy próxima a la del termómetro de referencia. Por esta razón, habría que tener cuidado para evitar los errores de paralaje. Sería preciso llevar a cabo estas comparaciones al menos tres veces para cada par de termómetros. Para cada conjunto de comparaciones, la media de las diferencias entre lecturas no debería exceder de las tolerancias especificadas en el cuadro de la sección 2.1.3.2. Los termómetros de suelo pueden comprobarse mediante este método, pero habría que dejarlos en

I.2-10

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

el agua durante al menos 30 minutos para que la cera en la que están introducidos los bulbos alcance la temperatura del agua. Dado que su constante de tiempo tiene un valor alto, es difícil comprobar bien los termómetros de suelo a menos que la temperatura del agua pueda mantenerse muy constante. Si la prueba se hace cuidadosamente en agua cuya temperatura no varíe más que 1 K en 30 minutos, la diferencia respecto de la lectura corregida del termómetro de referencia no debería exceder de 0,25 K. 2.2.6

Correcciones

Al ser entregados por primera vez, los termómetros (identificados por un número de serie) deberían ir acompañados de un certificado fechado que confirme que cumplen con la incertidumbre requerida, o de un certificado de calibración fechado en el que se indiquen las correcciones que se deberían aplicar a las lecturas para respetar los requerimientos de incertidumbre. Por lo general, si el margen de error encontrado en determinados puntos del rango de un termómetro (por ejemplo, 0 °C, 10 °C, 20 °C) no excede en ningún caso de 0,05 K, no serán necesarias correcciones, y el instrumento podrá utilizarse directamente como un termómetro ordinario en garitas con ventilación natural, o como un termómetro de máxima, de mínima, de suelo o de mínima de la hierba. Si los errores de esos puntos fueran superiores a 0,05 K, debería facilitarse al observador, en el lugar de la lectura, una tabla de correcciones con instrucciones claras sobre la manera de aplicarlas. Los termómetros para los que normalmente se deberían entregar certificados son: a) los que se utilizan en psicrómetros ventilados; b) los que utilizan los inspectores como patrones itinerantes; c) los que se utilizan como referencia de calibración en el laboratorio; d) los que se utilizan para fines especiales en los que esté justificada la aplicación de correcciones. Si se van a utilizar en psicrómetros ventilados, convendría escoger termómetros idénticos. 2.2.7

Mantenimiento

2.2.7.1

Rotura de la columna de líquido

El fallo más habitual es la rotura de la columna del líquido, especialmente durante los desplazamientos. Los termómetros más propensos a este tipo de incidentes son los de alcohol (de mínima). Otros

problemas que plantean estos termómetros son la adherencia del alcohol al vidrio y la formación de gotas de alcohol por destilación en la parte de la perforación correspondiente al soporte. Por lo general, una columna de líquido rota puede recomponerse sujetando el termómetro con el extremo del bulbo hacia abajo y golpeándolo suave y rápidamente con los dedos o con algún objeto elástico que no sea demasiado duro. El golpeteo debería continuar durante algún tiempo (cinco minutos, si fuera necesario), pasado el cual, el termómetro debería colgarse o colocarse de pie en un recipiente adecuado, con el bulbo hacia abajo, durante al menos una hora, a fin de que el alcohol que pudiera seguir adherido al vidrio escurra hacia la columna principal. Si este procedimiento no diera resultado, un método más drástico consistirá en refrigerar el bulbo en una mezcla congelante de agua y sal, manteniendo templada la parte superior del tubo; hecho esto, el líquido caerá lentamente por destilación a la columna principal. Otra posibilidad será mantener vertical el termómetro, con el bulbo en un recipiente de agua templada, al tiempo que se golpea o sacude el tubo, sacándolo del agua en cuanto la cima del alcohol alcance la cámara de seguridad situada en la parte superior del tubo. Este método deberá emplearse con precaución, ya que el instrumento podría reventar si el alcohol invade la cámara de seguridad. 2.2.7.2

Ilegibilidad de la escala

Otro de los problemas de los termómetros de líquido en cápsula de vidrio sin revestimiento es que, con el tiempo, la escala puede llegar a ser ilegible. Esto se subsanará en la estación frotando la escala con un lápiz oscuro o con un lápiz de grafito. 2.2.8

Seguridad

El mercurio, que es el líquido más habitualmente utilizado en los termómetros de líquido en cápsula de vidrio, es tóxico si se ingiere o si se inhala su vapor. Si un termómetro se rompiera y no se limpiaran las gotitas de mercurio sería peligroso para la salud, especialmente en espacios cerrados (en el capítulo 3 de la parte I, en la sección 3.2 sobre barómetros de mercurio, se dan indicaciones sobre limpieza en caso de rotura). Además, podrían existir limitaciones para el transporte de termómetros de mercurio en aeronaves, o la obligación de adoptar medidas especiales de precaución para evitar el derrame del mercurio en caso de rotura. Convendría ser informado al respecto por la autoridad o compañía de transporte pertinente.

CAPÍTULO 2. MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA

2.3

TERMÓGRAFOS MECÁNICOS

2.3.1

Descripción general

Los tipos de termógrafos mecánicos que aún se utilizan habitualmente están dotados de sensores bimetálicos o de tubo de Bourdon, ya que son relativamente económicos, fiables y portátiles. Sin embargo, no son fáciles de adaptar para registrar datos a distancia o electrónicamente. Estos termógrafos incorporan un mecanismo de gráfica rotatoria común a la familia de instrumentos de registro clásicos. En términos generales, los termógrafos deberían poder funcionar en un rango de temperaturas de unos 60 K, o incluso 80 K si se van a utilizar en climas continentales. Los valores de la escala estarán espaciados de modo que sea posible leer sin dificultad la temperatura a intervalos de 0,2 K, en una banda registradora de tamaño razonable. Para ello, debería disponerse lo necesario para modificar la puesta a cero del instrumento en concordancia con la estación del año. El error máximo de un termógrafo no debería exceder de 1 K. 2.3.1.1

Termógrafo bimetálico

En los termógrafos bimetálicos, el movimiento de la plumilla registradora está controlado por el cambio de curvatura de una cinta o hélice bimetálica, un extremo de la cual está rígidamente unido a un brazo fijado al armazón. Debería ser posible realizar un ajuste fino de dicho brazo, a fin de poder modificar el cero del instrumento cuando fuera necesario. Además, el instrumento debería permitir alterar los valores de la escala ajustando la longitud de la palanca que transfiere el movimiento de la lámina bimetálica a la plumilla; idealmente, sería conveniente dejar este ajuste en manos de personal autorizado. El elemento bimetálico debería estar adecuadamente protegido contra la corrosión; para ello, lo mejor sería contar con una laminación fuerte de cobre, níquel o cromo, aunque una capa de laca puede resultar adecuada en algunos climas. A una velocidad del aire de 5 m s–1 la constante de tiempo habitual es de unos 25 segundos. 2.3.1.2

Termógrafo de tubo de Bourdon

En este caso, la disposición general es similar a la del tipo bimetálico, pero el elemento sensible a la temperatura tiene forma de tubo metálico curvo, de sección plana y elíptica, y está relleno de alcohol. El tubo de Bourdon es menos sensible que el elemento bimetálico y, por lo general, es necesario

I.2-11

un mecanismo multiplicador del nivel que dé una escala con valor suficiente. A una velocidad del aire de 5 m s–1 la constante de tiempo habitual es de unos 6 segundos. 2.3.2

Procedimientos de medición

Con objeto de mejorar la resolución de la lectura, los termógrafos se ajustarán con frecuencia, en diferentes estaciones del año, de acuerdo con el rango de temperaturas considerado en cada caso en los dos tipos de banda existentes. La fecha exacta del cambio de un conjunto de bandas a otro variará según el lugar, pero una vez que se efectúe habrá que ajustar el instrumento. Esta operación se debería llevar a cabo o bien en la garita, en un día nuboso y ventoso, a una hora en que la temperatura fuera prácticamente constante, o bien en un recinto donde la temperatura fuera constante. El ajuste se realizará aflojando el tornillo que sujeta el brazo de la plumilla a su vástago, desplazando seguidamente el brazo hasta la posición correcta, y apretando de nuevo los tornillos. A continuación, el instrumento debería permanecer tal como ha quedado, hasta que se efectuara una nueva comprobación y se introdujeran los ajustes necesarios. 2.3.3

Exposición y emplazamiento

Estos instrumentos se deberían exponer en una garita meteorológica de gran tamaño. 2.3.4

Fuentes de error

En el propio mecanismo del termógrafo, la fricción es una de las principales causas de error. Ello puede deberse a un mal alineamiento de la hélice con respecto al vástago. A menos que se coloque en su sitio exacto, la hélice actuará como un potente resorte y, si tiene un anclaje rígido, empujará el vástago principal contra uno de los laterales de la articulación. En los instrumentos modernos esto no debería suponer un problema importante ya que la fricción entre la plumilla y la banda puede reducirse al mínimo ajustando adecuadamente la suspensión de la compuerta. 2.3.5

Comparación y calibración

2.3.5.1

Calibración en laboratorio

Existen fundamentalmente dos métodos para la calibración en laboratorio de los termógrafos

I.2-12

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

bimetálicos. Uno de ellos se basa en la fijación del instrumento en una determinada posición, con el elemento bimetálico sumergido en un baño de agua. El otro consiste en instalar el termógrafo en una cámara de calibración adquirida en el mercado, equipada con un mecanismo de control de la temperatura del aire, un ventilador y un termómetro de referencia. Las comparaciones deberían efectuarse a dos temperaturas distintas, a partir de las cuales se podrán determinar los cambios que fueran necesarios respecto del cero y del mecanismo de ampliación. Los ajustes de la escala deberían ser efectuados por personal autorizado, y solo después de consultar el correspondiente manual del fabricante del instrumento. 2.3.5.2

Comparación en condiciones reales

Dado que la constante de tiempo del instrumento puede llegar a ser la mitad de la del termómetro de mercurio ordinario, las comparaciones de rutina de las lecturas del bulbo seco y del termógrafo a horas predeterminadas no coincidirán exactamente, por lo general, aunque el instrumento funcione perfectamente. Un procedimiento mejor consiste en comprobar la lectura del instrumento en un día adecuado y a una hora en que la temperatura sea casi constante (normalmente, en un día nublado y ventoso), o bien en comparar las lecturas mínimas de la gráfica del termógrafo con la lectura del termómetro de mínima colocado en la misma garita. Seguidamente, pueden efectuarse los ajustes necesarios mediante el tornillo de regulación. 2.3.6

Correcciones

Por lo general, los termógrafos no se entregan con certificados con correcciones. Si las comprobaciones efectuadas en la estación indican que el instrumento tiene demasiados errores, y no es posible corregirlos in situ, debería enviarse el instrumento a un laboratorio de calibración apropiado para su reparación y recalibrado. 2.3.7

Mantenimiento

El mantenimiento de rutina consistirá en inspeccionar el estado general externo, el juego de las articulaciones, la inclinación del brazo registrador, el ajuste de la plumilla, el ángulo entre el brazo ampliador y el brazo registrador, y la programación

del reloj del mecanismo de gráficas. Estos exámenes deberían realizarse de conformidad con las recomendaciones del fabricante. En general, habría que manipular con cuidado la hélice para evitar que sufra daños mecánicos y a fin de que se mantenga limpia. Las articulaciones del vástago también deberían mantenerse limpias y lubricarse periódicamente con una pequeña cantidad de lubricante de relojes. La mecánica del instrumento es muy simple y, si se adoptan las precauciones adecuadas para que la fricción sea mínima y para evitar la corrosión, debería prestar un buen servicio.

2.4

TERMÓMETROS ELÉCTRICOS

2.4.1

Descripción general

Los instrumentos eléctricos se utilizan mucho actualmente en meteorología para medir las temperaturas. Su virtud principal estriba en su capacidad de proporcionar una señal de salida adecuada para indicar, registrar, almacenar o transmitir a distancia datos de temperatura. Los sensores más frecuentemente utilizados son las resistencias eléctricas, los termómetros de semiconductor (termistores) y los termopares. 2.4.1.1

Termómetros de resistencia eléctrica

Una de las maneras de representar la temperatura consiste en medir la resistencia eléctrica de un material cuando esta varía de forma conocida con la temperatura de dicho material. Para pequeñas variaciones de la temperatura el aumento de la resistencia de los metales puros es proporcional al cambio de la temperatura, según expresa la ecuación 2.2: RT = R0 [1 + α (T – T0 )]

(2.2)

donde (T – T0 ) es pequeño; RT es la resistencia de una determinada cantidad del metal a la temperatura T ; R0 es su resistencia a la temperatura de referencia T0 , y α es el coeficiente de temperatura de la resistencia en las proximidades de T0 . Tomando 0 °C como temperatura de referencia, la ecuación 2.2 se convierte en: RT = R0 (1 + α · t)

(2.3)

CAPÍTULO 2. MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA

Para cambios de temperatura mayores y para ciertas aleaciones metálicas, la ecuación 2.4 expresa esta relación con mayor exactitud: RT = R0 [1 + α (T – T0 ) + β (T – T0 )2]

(2.4)

Tomando 0 °C como temperatura de referencia, la ecuación 2.4 vendrá expresada como: RT = R0 (1 + α · t + β · t 2 )

(2.5)

Estas ecuaciones expresan la variación proporcional de la resistencia de un termómetro real, de tal modo que los valores de los coeficientes α y β puedan obtenerse por calibración del termómetro de que se trate. A partir de esos resultados puede obtenerse la función inversa, t, en función de R. Dicha función puede expresarse en forma de serie polinomial de (R 0 – R T ), es decir, t = t (R0 – RT ) = c1 (R0 – RT ) + c2 (R0 – RT )2 + … Un buen termómetro de resistencia metálica satisfará los requisitos siguientes: a) sus propiedades físicas y químicas permanecerán invariables en todo el rango de medición de temperatura; b) su resistencia aumentará uniformemente a medida que aumente la temperatura, sin interrupción a lo largo del rango de medición; c) influencias externas tales como la humedad, la corrosión o las deformaciones físicas no alterarán su resistencia de manera apreciable; d) sus características se mantendrán inalteradas durante al menos dos años; e) su resistencia y coeficiente térmico deberían ser lo suficientemente elevados como para ser utilizados en un circuito de medición. El platino puro es el material que mejor satisface estos requisitos. Por ello, se utiliza en los termómetros patrón primarios necesarios para transferir la EIT-90 entre las distintas localizaciones de los instrumentos. Los termómetros de platino también se usan como patrones secundarios y para los sensores operativos. En la práctica, los termómetros se someten a envejecimiento artificial antes de su utilización, y los destinados a fines meteorológicos suelen estar fabricados de aleaciones de platino, níquel o cobre y, ocasionalmente, tungsteno. Lo normal es que estén herméticamente sellados con una cubierta de cerámica. Su constante de tiempo es menor que la de los termómetros de líquido en cápsula de vidrio.

2.4.1.2

I.2-13

Termómetros de semiconductor

Otro tipo de elemento de resistencia habitualmente utilizado es el termistor. Se trata de un semiconductor con un coeficiente térmico de resistencia relativamente elevado, que puede ser positivo o negativo, según el material. Las mezclas de óxidos metálicos sinterizados son adecuadas para fabricar termistores, por lo general en forma de pequeños discos, varillas o esferas, y a menudo recubiertos de vidrio. El valor de la temperatura en función de la resistencia, R, del termistor viene expresado por la ecuación 2.6: R = a exp (b/T )

(2.6)

donde a y b son constantes, y T es la temperatura del termistor expresada en kélvines. Desde un punto de vista termométrico, los termistores presentan las ventajas siguientes: a) su elevado coeficiente térmico de resistencia permite reducir el voltaje aplicado a través de un puente de resistencia y obtener a la vez la misma sensibilidad, reduciendo de ese modo, o incluso eliminando, la necesidad de tener en cuenta la resistencia de los conductores y sus variaciones; b) sus elementos pueden fabricarse de muy pequeño tamaño, de modo que su baja capacidad térmica implique una constante de tiempo pequeña; sin embargo, los termistores muy pequeños, cuya capacidad térmica es baja, presentan la desventaja de que, para un valor de disipación dado, el efecto de autocalentamiento es mayor que para los termómetros grandes y, por ello, habrá que cuidar de que la disipación de energía sea baja. La resistencia de un termistor típico varía en un factor de 100 o 200 en el intervalo de temperaturas de –40 °C a 40 °C.

2.4.1.3

Termopares

En 1821 Seebeck descubrió que en el punto de contacto entre dos metales diferentes se generaba una pequeña fuerza electromotriz. Si se construye un circuito simple con dos metales y con el punto de reunión entre estos a una misma temperatura, la fuerza electromotriz resultante será nula, ya que las dos fuerzas electromotrices generadas, una en cada unión, serán exactamente opuestas y se anularán entre sí. Si se altera la temperatura de una de

I.2-14

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

las uniones, las dos fuerzas ya no se cancelarán, y se obtendrá una fuerza electromotriz neta en el circuito; es decir, pasará corriente. Cuando haya varias uniones, la fuerza electromotriz resultante será la suma algebraica de las distintas fuerzas electromotrices. La magnitud y el signo de la fuerza electromotriz de contacto que se establece en una de las uniones, sea cual sea, dependerá de los tipos de metales unidos y de la temperatura del punto de unión, y podrá representarse empíricamente para dos metales cualesquiera, mediante la expresión: (ET – Es ) = α (T – Ts ) + β (T – Ts )2

(2.7)

donde ET es la fuerza electromotriz de contacto a una temperatura T, y Es es la fuerza electromotriz a una temperatura de referencia Ts , siendo α y β constantes. Si hubiera dos uniones a temperaturas T1 y T2 , la fuerza electromotriz neta En (la fuerza electromotriz térmica) vendrá expresada por (E1 – E2 ), donde E1 es la fuerza electromotriz a la temperatura T1 y E2 es la fuerza electromotriz de contacto a la temperatura T2 . El valor En puede representarse también mediante una fórmula cuadrática del tipo indicado para (ET – Es ) con una buena aproximación: En = E1 – E2

(2.8)

En = a(T1 – T2 ) + b (T1 – T2 )2

(2.9)

donde a y b son constantes para los dos metales en cuestión. Para la mayoría de los fines meteorológicos, generalmente se puede prescindir del valor de b, ya que es siempre pequeño en comparación con a. Los termopares se construyen soldando entre sí hilos de los distintos metales que se utilicen. Estas uniones pueden llegar a ser muy pequeñas, y tener una capacidad calorífica despreciable. Para medir temperaturas se medirá la fuerza electromotriz generada cuando una de las uniones se mantiene a una temperatura de referencia conocida, dejando que la otra alcance la temperatura requerida. Mediante una calibración previa del sistema, puede establecerse una relación directa entre esta fuerza electromotriz y la diferencia de temperatura entre las dos uniones, con lo cual la temperatura desconocida se calcula sumando algebraicamente esa diferencia a la temperatura de referencia conocida. En meteorología, los termopares se utilizan mayormente cuando se necesita un termómetro con una constante de tiempo muy pequeña, del orden de uno o dos segundos, que permita leer y registrar los valores a distancia, por lo general para tareas de investigación especiales. Cuando se desea

conocer la temperatura absoluta, uno de los inconvenientes es que se necesita un recinto a temperatura constante tanto para la unión en frío como para los aparatos auxiliares destinados a medir la fuerza electromotriz generada; los termopares son especialmente útiles para medir diferencias de temperatura, ya que este tipo de situaciones no plantean este inconveniente. Con un aparato suficientemente sensible podrá lograrse una exactitud muy alta, pero será necesario efectuar calibraciones frecuentes. Las combinaciones cobre/constantán o hierro/constantán son adecuadas para las tareas meteorológicas, dado que la fuerza electromotriz que producen por grado Celsius es mayor que la que pueden generar los metales más raros y costosos que se utilizan, por lo general, para altas temperaturas. 2.4.2

Procedimientos de medición

2.4.2.1

Resistencias eléctricas y termistores

Los termómetros de resistencia eléctrica y de termistor pueden conectarse a muy distintos tipos de circuitos de medición eléctricos, muchos de los cuales son variaciones de circuitos de puente de resistencia, equilibrados o no. Para efectuar la medición en un puente equilibrado, se ajusta un potenciómetro de precisión hasta que deje de pasar corriente por un indicador; la posición del brazo del potenciómetro estará relacionada con la temperatura. En un puente no equilibrado, puede medirse la corriente de desequilibrio mediante un galvanómetro; esta, sin embargo, no es simplemente una función de la temperatura, sino que depende en parte de otros efectos. Una alternativa que evita esta situación consiste en utilizar una fuente de corriente constante para alimentar el puente y para medir el voltaje de desequilibrio, a fin de obtener la lectura de la temperatura. En el caso de la medición a distancia, habría que tener en cuenta que el hilo que conecta el termómetro de resistencia con el puente tiene también una resistencia que varía en función de la temperatura. Para evitar estos errores pueden adoptarse las precauciones adecuadas. Los voltímetros digitales pueden utilizarse junto con una fuente de corriente constante para medir la caída de tensión por efecto de la temperatura a lo largo del elemento que constituye el termómetro; la señal de salida puede aparecer directamente expresada en unidades de temperatura. Asimismo, la señal de salida digital puede almacenarse o

CAPÍTULO 2. MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA

transmitirse sin pérdida de exactitud, a fin de ser utilizada más adelante. Si se desea, la señal de salida de los voltímetros digitales puede convertirse de nuevo en un voltaje analógico, por ejemplo, para alimentar un dispositivo registrador. 2.4.2.2

Termopares

Existen dos métodos principales para medir la fuerza electromotriz producida por los termopares: a) medir la corriente producida en el circuito con un galvanómetro sensible; y b) equilibrar la fuerza electromotriz termoeléctrica con una fuerza electromotriz conocida de manera que, de hecho, no fluya ninguna corriente por los termopares. El método a) consiste en conectar directamente el galvanómetro en serie con las dos uniones. El método b) se utilizará, por lo general, cuando se requiera una incertidumbre de medición inferior al 0,5 por ciento. Este procedimiento no dependerá de la magnitud, ni de los cambios de la resistencia de la línea, ya que en el estado equilibrado no fluye corriente alguna. 2.4.3

Exposición y emplazamiento

Las condiciones requeridas para la exposición y el emplazamiento de los termómetros eléctricos serán, por lo general, las mismas que para los termómetros de líquido encapsulado en vidrio (véase la sección 2.2.3). Algunas excepciones son: a) La medición de valores extremos: si el termómetro eléctrico está conectado con un sistema de registro de datos en funcionamiento constante, puede no ser necesario utilizar termómetros de máxima y de mínima por separado. b) La medición de temperaturas de superficie: las propiedades radiativas de los termómetros eléctricos serán diferentes de las de los termómetros de líquido en cápsula de vidrio. Por consiguiente, los termómetros eléctricos expuestos como termómetros de mínima de la hierba (u otros tipos de superficie) registrarán valores diferentes de los termómetros convencionales expuestos en condiciones análogas. Estas diferencias podrán minimizarse instalando el termómetro eléctrico dentro de una cubierta de vidrio. c) La medición de temperaturas del suelo: para medir la variación diurna de la temperatura del suelo resulta bastante inadecuado utilizar termómetros de mercurio en cápsula de vidrio introducidos en tubos de acero en posición vertical, debido a la conducción de calor desde

I.2-15

la superficie. Pueden obtenerse lecturas mucho más representativas colocando termómetros eléctricos en clavijas de latón, insertadas a la profundidad adecuada en una cara vertical de una excavación realizada en el suelo, exenta de perturbaciones. Las conexiones eléctricas se sacan al exterior de la excavación, a través de tubos de plástico, rellenándose a continuación aquella de modo que se restablezcan, en la medida de lo posible, la estratificación y las características de drenaje originales del suelo. 2.4.4

Fuentes de error

2.4.4.1

Resistencias eléctricas y termistores

Las principales causas de error en una medición de temperatura realizada mediante termómetros de resistencia eléctrica son: a) autocalentamiento del termómetro; b) inadecuada compensación de la resistencia del cable conductor; c) inadecuada compensación de las relaciones no lineales en el sensor o en el instrumento procesador; d) cambios bruscos de la resistencia de contacto de los conmutadores. Se produce autocalentamiento porque el paso de corriente por la resistencia genera calor, haciendo que la temperatura del termómetro se eleve por encima de la del medio circundante. La resistencia de los conductores de conexión introducirá un error en la lectura de la temperatura, que será tanto mayor cuanto más largos sean los conductores, por ejemplo, cuando el termómetro de resistencia esté situado a cierta distancia del instrumento de medición; los errores de lectura variarán también con los cambios de temperatura de los cables. Estos errores pueden compensarse utilizando conductores adicionales, resistores estabilizadores, o una red de puentes apropiada. Ni el termómetro de resistencia eléctrica ni el termistor son lineales a lo largo de un rango de temperaturas amplio, pero pueden arrojar un resultado aproximadamente lineal si el rango es limitado. Así pues, habrá que compensar esa falta de linealidades. Esto es aplicable sobre todo a los termistores, a fin de obtener un rango de valores de medición utilizable en meteorología. Con el envejecimiento, la resistencia de contacto de los conmutadores puede experimentar cambios

I.2-16

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

repentinos. Estos cambios pueden ser variables y pasar inadvertidos, a menos que se realicen regularmente calibraciones del sistema (véase la sección 2.4.5). 2.4.4.2

Termopares

Las causas principales de error cuando se mide la temperatura mediante un termopar son: a) Cambios en las resistencias de los conectores provocados por la temperatura. Este efecto puede reducirse al mínimo si los conductores son lo más cortos y compactos posible, y si se mantienen bien aislados. b) Conducción desde la unión a lo largo del conductor cuando existe un gradiente térmico en las proximidades del punto de medición de temperatura. c) Fuerzas electromotrices secundarias erráticas de origen térmico, producidas por la utilización de metales diferentes de los del termopar en el circuito de conexión. Por consiguiente, las diferencias de temperatura en el resto del circuito deberán ser lo más pequeñas posible; esto último es especialmente importante cuando las fuerzas electromotrices que se han de medir son pequeñas (para lo cual, será necesario realizar recalibraciones periódicas). d) Corrientes de fugas que pueden producirse desde circuitos de potencia cercanos. Este efecto puede minimizarse mediante un apantallamiento adecuado de los conductores. e) Corrientes galvánicas que pueden producirse si se humedecen los conductores o las uniones. f) Cambios de temperatura del galvanómetro que alteran sus características (fundamentalmente, modificando su resistencia). Este cambio no afectará en absoluto las lecturas efectuadas mediante potenciómetro, aunque sí afectará los instrumentos de lectura directa. Este efecto puede reducirse al mínimo manteniendo la temperatura del galvanómetro lo más cercana posible a la temperatura a la que fue calibrado el circuito. g) En la medición realizada mediante potenciómetro, cambios en la fuerza electromotriz de la pila patrón con respecto a la cual se ajusta la corriente del potenciómetro, y cambios en la corriente del potenciómetro entre ajustes, que producirán los consiguientes errores en las mediciones de la fuerza electromotriz. Por lo general, estos errores serán pequeños siempre que se trate correctamente la pila patrón y se introduzcan ajustes en la corriente del potenciómetro inmediatamente antes de efectuar una medición de temperatura.

Los errores de tipo a) y f) ponen de relieve la mayor fiabilidad del método potenciométrico cuando se requiere un alto grado de exactitud.

2.4.5

Comparación y calibración

2.4.5.1

Resistencias eléctricas y termistores

Las técnicas y procedimientos básicos para la calibración en laboratorio y para la comprobación en condiciones reales de los termómetros eléctricos serán las mismas que las usadas en los termómetros de líquido en cápsula de vidrio (véase la sección 2.2.5). En general, sin embargo, no será posible trasladar hasta un recinto interior los termómetros de resistencia ya que los conductores eléctricos normales del termómetro deberían someterse también a comprobación. Así pues, las comprobaciones tendrán que efectuarse con los termómetros en el interior de la garita. Será difícil llevar a cabo mediciones comparativas precisas de las temperaturas indicadas por el termómetro eléctrico respecto de un termómetro de referencia de mercurio en cápsula de vidrio, o de un termómetro de resistencia que indique la temperatura local, a menos que haya dos observadores. Dado que el instrumento de medición es parte integrante del termómetro eléctrico, su calibración puede comprobarse sustituyendo el termómetro de resistencia por una caja de décadas resistivas de precisión, y aplicando el equivalente en resistencia a unos incrementos de temperatura fijos de 5 K en el rango de temperaturas operativo. En cualquier punto, el error no debería exceder de 0,1 K. Normalmente, esta operación deberá ser realizada por un técnico. 2.4.5.2

Termopares

Para la calibración y comprobación de los termopares es preciso mantener las uniones en caliente y en frío a temperaturas conocidas con exactitud. Las técnicas e instrumentos necesarios para realizar este trabajo suelen ser muy especializados, y no se describirán en el presente texto. 2.4.6

Correcciones

Cuando se entregan por primera vez, los termómetros eléctricos (que tienen un número de serie) deberían ir acompañados de: a) un certificado fechado que confirme el cumplimiento de la norma apropiada; o bien

CAPÍTULO 2. MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA

b) un certificado de calibración fechado que indique la resistencia real en determinados puntos fijos del rango de temperaturas; estas resistencias deberían utilizarse cuando se comprobase la incertidumbre de medición del instrumento o de la interfaz del sistema antes y durante el funcionamiento; en términos generales, la diferencia entre el valor efectivo de la resistencia y el valor nominal no debería ser superior al equivalente de un error de temperatura de 0,1 o 0,2 K. 2.4.7

Mantenimiento

En las comprobaciones regulares sobre el terreno se deberían detectar cualesquiera cambios que se hubieran producido en la calibración del sistema. Estos podrían ser causados por una alteración de las características eléctricas del termómetro durante largos períodos, por el deterioro de los cables eléctricos o de sus conexiones, por una variación de la resistencia de contacto de los conmutadores, o por cambios en las características eléctricas del equipo de medición. Para determinar el origen exacto y la manera de corregir esos errores se necesitará el equipo adecuado y una formación especializada, y la tarea debería encomendarse únicamente a un técnico de mantenimiento.

2.5

PROTECCIÓN CONTRA LAS RADIACIONES

Las protecciones o garitas contra las radiaciones deberían estar diseñadas de modo que proporcionaran un recinto con una temperatura interna uniforme e igual a la del aire circundante. Deberían rodear completamente el termómetro, y protegerlo del calor radiante, de la precipitación y de otros fenómenos que podrían influir en la medición. Las garitas con ventilación forzada, en donde un ventilador dirige el aire hacia el termómetro, podrán ayudar a evitar errores cuando el microclima dentro de la garita difiera del de la masa de aire circundante. Este tipo de desviación únicamente ocurre cuando la velocidad natural del viento es muy baja (< 1 m s–1). Cuando se utilice este tipo de ventilación artificial, habría que evitar cuidadosamente que se depositaran aerosoles y gotas de lluvia sobre el sensor, lo cual rebajaría su temperatura hacia la temperatura del termómetro húmedo. Para este tipo de protección, el material más adecuado podría ser el metal altamente pulimentado e inoxidable, a causa de su alta reflectividad y baja absorción de calor. No obstante, sería preferible un material aislante térmico

I.2-17

de plástico en razón de la sencillez de su mantenimiento. Si el sistema emplea ventilación natural deberá utilizarse un material aislante térmico. El funcionamiento de las garitas (pautas de respuesta y efectos del microclima que ocasionan errores inoportunos) depende, en gran medida, de su diseño por lo que, al diseñarlas, conviene tomar precauciones y asegurarse de que constituyen una protección contra las radiaciones y de que cuentan con una ventilación suficiente. Desde que se iniciaron las mediciones de temperatura con fines meteorológicos, se han concebido muy diversos tipos de garitas. Tras la introducción de mediciones de temperatura efectuadas en estaciones meteorológicas automáticas, se ha incrementado considerablemente la variedad de estos diseños (véase OMM, 1998a). Habida cuenta de los tipos diversos de aplicaciones concretas y del grado de automatización, así como de la climatología, es difícil recomendar un diseño en particular que pueda adaptarse a todas las mediciones efectuadas en cualquier lugar del mundo. Sin embargo, se han llevado a cabo muchos estudios e intercomparaciones sobre diferentes diseños y su correspondiente funcionamiento. La OMM (1972) expone con claridad información general sobre diseños de garitas. En Andersson y Mattison (1991); Sparks (2001); OMM (1998b; 1998c; 1998d; 2000a; 2000b; 2002b; 2002c; 2002d); y Zanghi (1987) se facilitan los resultados de las intercomparaciones de garitas de termómetros. Una norma internacional, la ISO/DIS 17714, define los tipos de protección más importantes y describe los métodos para determinar o comparar el funcionamiento de las garitas (ISO, 2004). 2.5.1

Garitas de persiana

Los distintos tipos de garitas de persiana se basan, en su mayoría, en la ventilación natural. Las paredes de la garita deberían ser, preferiblemente, de doble persiana; y la base, de listones entrelazados, aunque hay otros tipos de construcción que cumplen los requisitos mencionados. El techo debería ser de dos capas, dispuestas de tal modo que el espacio entre ellas pueda ventilarse. En climas fríos, y habida cuenta de la elevada reflectividad de la nieve (hasta un 88%), la garita debería estar provista también de un doble suelo. Sin embargo, sería preciso que, al mismo tiempo, el suelo fuera fácilmente abatible o basculante, a fin de poder evacuar la nieve que pudiera entrar en caso de temporal. El tamaño y la construcción de la garita deberían poder mantener la capacidad calorífica lo más baja

I.2-18

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

posible y dejar suficiente espacio entre los instrumentos y las paredes. Esta condición excluye toda posibilidad de contacto directo entre los elementos sensores y las paredes, y es particularmente importante en los trópicos, donde la insolación puede llegar a calentar las caras laterales hasta el punto de crear gradientes de temperatura apreciables en la garita. Debería evitarse también el contacto directo entre los elementos sensores y el soporte del termómetro. La garita debería estar pintada por dentro y por fuera con pintura blanca no higroscópica. Cuando hay dos paredes, la capa de aire entre ellas sirve para reducir la cantidad de calor que, de otro modo, pasaría de la cara externa al recinto interior, especialmente si la insolación es intensa. Cuando la intensidad del viento es considerable, se renueva continuamente el aire que hay entre las paredes, disminuyendo con ello aún más la transmisión de calor desde las paredes externas hacia el interior. La libre circulación de aire a través de la garita coadyuva a que la temperatura de la pared interior se adapte a los cambios del aire del ambiente. De este modo, la pared interior ejercerá una menor influencia sobre la temperatura del termómetro. Además, la libre circulación de aire en el interior de la garita permite al termómetro adaptarse a los cambios del aire circundante con mayor rapidez que si solo hubiera intercambios radiativos. Sin embargo, el aire que circula a través de la garita permanece un tiempo limitado en contacto con las paredes exteriores, lo cual puede llegar a alterar su temperatura. Este efecto resulta apreciable cuando el viento es suave y la temperatura de la pared exterior es muy diferente de la temperatura del aire. Así cabe esperar que la temperatura del aire en una garita sea mayor que la temperatura verdadera del aire en días de sol intenso y aire calmado, ligeramente menor en noches despejadas y calmadas, con un posible error de hasta 2,5 K y –0,5 K, respectivamente, en casos extremos. Pueden producirse errores adicionales por efecto del enfriamiento causado por la evaporación en una garita húmeda después de la lluvia. Todos estos errores influyen también directamente en las lecturas de otros instrumentos situados dentro de la garita, por ejemplo higrómetros, evaporímetros, etc. Los errores debidos a variaciones de la ventilación natural pueden reducirse dotando la garita de un sistema de ventilación forzada, adecuadamente diseñado, que mantenga un caudal de ventilación constante y conocido, al menos a velocidades del viento bajas. Al diseñar estos sistemas, convendría tener cuidado de que el calor del ventilador o de otros motores eléctricos no afecte a la temperatura de la garita.

Por lo general se necesita solo una puerta, y la garita estará situada de modo que el sol no dé sobre los termómetros cuando la puerta esté abierta en el momento de la observación. En los trópicos, será necesario utilizar dos puertas para períodos del año diferentes. Análogamente, en las regiones polares (en donde los rayos solares están muy inclinados) habría que adoptar precauciones para proteger el interior de la garita de los rayos directos del sol, o bien situándola en la sombra, o bien instalando la garita sobre un soporte de forma que aquella pueda ser girada hasta un ángulo apropiado mientras la puerta esté abierta para efectuar las lecturas. Aunque todavía la mayoría de las garitas están fabricadas de madera, algunos diseños recientes que utilizan materiales plásticos ofrecen una mayor protección frente a los efectos de la radiación, ya que mejoran el diseño de la persiana y facilitan la circulación del aire. En cualquier caso, la garita y el soporte deberían fabricarse con materiales robustos e instalarse firmemente a fin de que los errores por efecto de la vibración del viento sean mínimos en las lecturas de máxima y mínima de los termómetros. En algunas zonas donde la vibración del viento no puede amortiguarse completamente, se recomienda instalar un soporte de fijación elástico. La cubierta del suelo bajo la garita debería ser de hierba o, en los lugares en que esta no crezca, la superficie natural del lugar. La garita debería mantenerse limpia y pintarse con regularidad; en muchos lugares, suele ser suficiente con volver a pintarla una vez cada dos años, pero en áreas con contaminación atmosférica podría ser necesario hacerlo al menos una vez al año. 2.5.2

Otras protecciones ventiladas artificialmente

La principal alternativa a la exposición en una garita de persiana, ya sea con ventilación natural o artificial, consiste en proteger el bulbo de la radiación directa colocándolo en el eje de dos protecciones cilíndricas concéntricas y produciendo una corriente de aire (de una velocidad de entre 2,5 y 10 m s–1) entre ellas, alejada del bulbo del termómetro. Este tipo de exposición es normal en los psicrómetros de aspiración (véase el capítulo 4 de la parte I). En principio, las protecciones deberían ser de un material aislante térmico, aunque en los psicrómetros de Assmann son de un metal muy pulimentado con objeto de reducir la absorción de la radiación solar. La protección interior se mantiene en contacto con una corriente de aire sobre ambas caras, de modo que su temperatura, y por consiguiente

CAPÍTULO 2. MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA

la del termómetro, pueda asemejarse mucho a la del aire. Las protecciones de este tipo suelen descansar sobre su soporte con el eje en posición vertical; la cantidad de radiación directa que penetra desde el suelo a través de la base es pequeña, y puede reducirse ampliando considerablemente la base de las protecciones bajo el bulbo del termómetro. Cuando exista ventilación artificial producida por un ventilador eléctrico, habría que tener

I.2-19

cuidado de evitar que el calor del motor y del ventilador llegue a los termómetros. En el diseño del psicrómetro de referencia de la OMM se tienen adecuadamente en cuenta los efectos de la radiación y el uso de ventilación artificial y de protecciones, a fin de que el termómetro esté en equilibrio a la temperatura verdadera del aire (véase el capítulo 4 de la parte I).

I.2-20

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

ANEXO DETERMINACIÓN DE LOS PUNTOS FIJOS DE LA ESCALA INTERNACIONAL DE TEMPERATURA DE 1990

Los puntos fijos de la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (EIT-90) que revisten interés para las mediciones meteorológicas aparecen indicados en el cuadro 1, mientras que los puntos de referencia secundarios figuran en el cuadro 2. El método normalizado de interpolar valores entre los puntos fijos consiste en aplicar fórmulas que establecen la relación entre las indicaciones de los instrumentos patrón y los valores de la EIT-90. El instrumento patrón utilizado entre –259,34 °C y 630,74 °C es un termómetro de resistencia de platino para el cual la relación de resistencia R100/R0 es igual a 1,385 0; R100 es la resistencia a 100 °C, y R0 es la resistencia a 0 °C. Entre 0 °C y 630,74 °C, el valor de la resistencia a la temperatura t vendrá dado por la ecuación:

Rt = R0 (1 + A· t + B ·t 2 )

(1)

donde Rt es la resistencia de un hilo de platino a la temperatura t, R0 es su resistencia a 0 °C, y A y B son constantes cuyo valor se obtiene de las mediciones del valor Rt a las temperaturas del punto de ebullición del agua y del punto de congelación del zinc. Entre –189,344 2 y 0 °C, la resistencia a la temperatura t viene dada por la ecuación: Rt = R0 (1 + A ·t + B· t 2 + C· (t – 100) · t 3 )

(2)

donde Rt , R0 , A y B se determinarán de la misma manera que en la ecuación (1), y C se obtendrá mediante una medición a la temperatura del punto de ebullición del oxígeno.

Cuadro 1. Determinación de los puntos fijos en la EIT-90 Estado de equilibrio

Valor asignado en la EIT K

ºC

83,805 8

–189,344 2

Equilibrio entre las fases sólida, líquida y de vapor del mercurio (punto triple del mercurio)

234,315 6

–38,834 4

Equilibrio entre las fases sólida, líquida y de vapor del agua (punto triple del agua)

273,160 0

0,01

Equilibrio entre las fases sólida y líquida del galio (punto de congelación del galio)

302,914 6

29,764 6

Equilibrio entre las fases sólida y líquida del indio (punto de congelación del indio)

429,748 5

156,598 5

Equilibrio entre las fases sólida, líquida y de vapor del argón (punto triple del argón)

CAPÍTULO 2. MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA

I.2-21

Cuadro 2. Puntos de referencia secundarios y sus temperaturas en la EIT-90 Estado de equilibrio

Valor asignado en la EIT K

ºC

Equilibrio entre las fases sólida y de vapor del dióxido de carbono (punto de sublimación del dióxido de carbono) a la presión atmosférica de referencia p0 (1013,25 hPa). La temperatura t como función de la presión de vapor del dióxido de carbono viene dada por la ecuación: t = [1,210 36· 10–2 (p – p0 ) – 8,912 26· 10–6 (p – p0 )2 – 78,464] °C donde p es la presión atmosférica en hPa, en el intervalo de temperaturas de 194 a 195 K

194,686

–78,464

Equilibrio entre las fases sólida y líquida del mercurio (punto de congelación del mercurio) a la presión atmosférica de referencia

234,296

–38,854

Equilibrio entre el hielo y el agua saturada de aire (punto de hielo) a la presión atmosférica de referencia

273,150

0,00

Equilibrio entre las fases sólida, líquida y de vapor del fenoxibenceno (difenil éter) (punto triple del fenoxibenceno)

300,014

26,864

I.2-22

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA Andersson, T. e I. Mattison, 1991: A Field Test of Thermometer Screens. SMHI Report No. RMK 62, Norrköping. Her Majesty’s Stationery Office/Meteorological Office, 1980: Handbook of Meteorological Instruments. Segunda edición, volumen 2: Measurement of temperature, Londres. Jones, E. B., 1992: Jones’ Instrument Technology. Volumen 2: Measurement of temperature and chemical composition, cuarta edición, Butterworths-Heinemann, Oxford. Middleton, W. E. K. y A. F. Spilhaus, 1960: Meteorological Instruments. Tercera edición, University of Toronto Press. Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) / Comité Consultivo de Termometría, 1990: The International Temperature Scale of 1990 (ITS-90) (H. Preston Thomas). Metrologia, 1990, 27, págs. 3 a 10. Organización Internacional de Normalización (ISO), 2004: Meteorología - Mediciones de la Temperatura del Aire - Métodos de prueba para comparar la eficacia de las pantallas térmicas/garitas meteorológicas y definir las características importantes. ISO/DIS 17714, Ginebra. Organización Meteorológica Mundial, 1972: The Effect of Thermometer Screen Design on the Observed Temperature (W. R. Sparks). WMO-No. 315, Ginebra. —, 1992: Measurement of Temperature and Humidity (R. G. Wylie y T. Lalas). Nota técnica Nº 194, WMO-No. 759, Ginebra. —, 1998a: Recent Changes in Thermometer Screen Design and their Impact (A. Barnett, D. B. Hatton y D. W. Jones). Informe Nº 66 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 871, Ginebra. —, 1998b: An investigation of temperature screens and their impact on temperature measurements (J. Warne). Artículos presentados en la Conferencia Técnica de la OMM sobre Instrumentos y Métodos de Observación Meteorológicos y Medioambientales (TECO-98), Informe Nº 70 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 877, Ginebra. —, 1998c: A thermometer screen intercomparison ( J. P. van der Meulen). Artículos presentados en la Conferencia Técnica de la OMM sobre Instrumentos y Métodos de Observación Meteorológicos y Medioambientales (TECO-98), Informe Nº 70 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 877, Ginebra.

—, 1998d: Comparison of meteorological screens for temperature measurement (G. Lefebvre). Artículos presentados en la Conferencia Técnica de la OMM sobre Instrumentos y Métodos de Observación Meteorológicos y Medioambientales (TECO-98), Informe Nº 70 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 877, Ginebra. —, 2000a: A comparison of air temperature radiation screens by field experiments and computational fluid dynamics (CFD) simulations (A. Spetalen, C. Lofseik y P. Ø. Nordli). Artículos presentados en la Conferencia Técnica de la OMM sobre Instrumentos y Métodos de Observación Meteorológicos y Medioambientales (TECO-2000), Informe Nº 74 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 1028, Ginebra. —, 2000b: Temperature measurements: Some considerations for the intercomparison of radiation screens (J. P. van der Meulen). Artículos presentados en la Conferencia Técnica de la OMM sobre Instrumentos y Métodos de Observación Meteorológicos y Medioambientales (TECO-2000), Informe Nº 74 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 1028, Ginebra. —, 2002a: Measurement of temperature with wind sensors during severe winter conditions (M. Musa, S. Suter, R. Hyvönen, M. Leroy, J. Rast y B. Tammelin). Artículos presentados en la Conferencia Técnica de la OMM sobre Instrumentos y Métodos de Observación Meteorológicos y Medioambientales (TECO-2002), Informe Nº 75 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 1123, Ginebra. —, 2002b: Norwegian national thermometer screen intercomparison (M. H. Larre y K. Hegg). Artículos presentados en la Conferencia Técnica de la OMM sobre Instrumentos y Métodos de Observación Meteorológicos y Medioambientales (TECO-2002), Informe Nº 75 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 1123, Ginebra. —, 2002c: Results of an intercomparison of wooden and plastic thermometer screens (D. B. Hatton). Artículos presentados en la Conferencia Técnica de la OMM sobre Instrumentos y Métodos de Observación Meteorológicos y Medioambientales (TECO-2002), Informe Nº 75 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 1123, Ginebra. —, 2002d: Temperature and humidity measurements during icing conditions (M. Leroy, B. Tammelin, R. Hyvönen, J. Rast y M. Musa).

CAPÍTULO 2. MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA

Artículos presentados en la Conferencia Técnica de la OMM sobre Instrumentos y Métodos de Observación Meteorológicos y Medioambientales (TECO-2002), Informe Nº 75 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 1123, Ginebra. Sparks, W. R., 1970: Current concepts of temperature measurement applicable to synoptic networks.

I.2-23

Meteorological Monographs, volumen 11, número 33, pp. 247-251. —, 2001: Field trial of Metspec screens. Informe técnico TR19, Met Office/OD, Wokingham, Reino Unido. Zanghi, F., 1987: Comparaison des Abris Météorologiques. Memorando técnico Nº 11, Météo-France/ SETIM, Trappes.

I.2-24

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

CAPÍTULO 3. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA CAPÍTULO 3

I.3-1

MEDICIÓN DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

3.1

GENERALIDADES

3.1.1

Definición

La presión atmosférica sobre una superficie dada es la fuerza por unidad de área que ejerce sobre dicha superficie el peso de la atmósfera que está encima. La presión es, pues, igual al peso de una columna vertical de aire —que llega hasta el límite exterior de la atmósfera— sobre una proyección horizontal de la superficie. Además de la presión real, hay que determinar también la tendencia de la presión. La tendencia de la presión describe el carácter y la cuantía de la variación de la presión atmosférica durante un período de 3 h, o de otro especificado que finalice en el momento de la observación. Consta de dos partes: la variación de la presión y la característica de la presión. La variación de la presión es la diferencia neta entre las lecturas de presión al comienzo y al final de un intervalo de tiempo especificado. La característica de la presión indica la pauta de variación de la presión durante ese período de tiempo, por ejemplo, una disminución seguida de un aumento, o un aumento seguido de un aumento más rápido. 3.1.2

Unidades y escalas

La unidad básica para las mediciones de presión atmosférica es el pascal (Pa) (o newton por metro cuadrado). Se establece la norma de añadir el prefijo “hecto” a esta unidad cuando se indica la presión con fines meteorológicos, lo que hace que el hectopascal (hPa) —que equivale a 100 Pa— sea la terminología preferente. Esta circunstancia obedece, en gran medida, a que un hectopascal equivale a un milibar (mbar), la unidad utilizada anteriormente. Las escalas de todos los barómetros meteorológicos deberían estar graduadas en hPa. Algunos barómetros están graduados en “milímetros o pulgadas de mercurio en condiciones normales”, (mm Hg)n o (in Hg)n, respectivamente. Cuando sea evidente por el contexto que prevalecen condiciones normales, se pueden utilizar las expresiones más breves “milímetro de mercurio” o “pulgada de mercurio”.

En esas condiciones normales, una columna de mercurio que tenga una altura a escala verdadera de 760 (mm Hg)n ejerce una presión de 1 013,250 hPa. Serán aplicables en tales casos los factores de conversión siguientes: 1 hPa = 0,750 062 (mm Hg)n 1 (mm Hg)n = 1,333 224 hPa En los casos en que se aplique la relación de cálculo convencional entre la pulgada y el milímetro, es decir 1 pulgada (in) = 25,4 mm, se obtienen los factores de conversión siguientes: 1 hPa = 0,029 530 (in Hg)n 1 (in Hg)n = 33,863 9 hPa 1 (mm Hg)n = 0,039 370 08 (in Hg)n Las escalas de los barómetros de mercurio para fines meteorológicos deberían graduarse de tal manera que permitan obtener lecturas de la presión verdadera directamente en las unidades normalizadas si la totalidad del instrumento se mantiene a la temperatura normal de 0 °C y el valor normal de la gravedad es 9,806 65 m s–2. Los barómetros pueden tener más de una escala grabada, por ejemplo, hPa y mm Hg, o hPa e in Hg, siempre y cuando hayan sido calibrados correctamente en condiciones normales. Los datos sobre la presión deberían expresarse en hectopascales. En adelante, en este capítulo se utilizará solo la unidad hectopascal. 3.1.3

Requisitos meteorológicos

Los campos de presión analizados constituyen un requisito fundamental de la ciencia de la meteorología. Es imperativo que esos campos se definan con exactitud, puesto que conforman la base de todas las predicciones subsiguientes relativas al estado de la atmósfera. Las mediciones de la presión deben ser tan exactas como lo permita la tecnología, con sujeción a unos condicionantes económicos realistas, y los procedimientos de medición y calibración han de ser uniformes en todo el mundo. Las comisiones respectivas de la OMM han fijado el nivel de exactitud necesario para que las mediciones de la presión satisfagan los requisitos de

I.3-2

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

diversas aplicaciones meteorológicas, según se describe en el anexo 1.D del capítulo 1 de la parte I, que constituye la referencia primaria para las especificaciones de la medición en esta Guía. Los requisitos son los siguientes: Intervalo de medición:

Objetivo de incertidumbre requerido: Resolución comunicada: Constante de tiempo del sensor: Tiempo de promedio de lecturas:

500 – 1 080 hPa (tanto para la presión en la estación como para la presión al nivel medio del mar) 0,1 hPa 0,1 hPa 20 s 1 min

Se considera que los barómetros nuevos deberían poder cumplir los requisitos referidos en un entorno estrictamente controlado como, por ejemplo, el de un laboratorio equipado adecuadamente. Esos requisitos determinan el objetivo de exactitud apropiado que deberán tener los barómetros antes de ser instalados en un entorno operativo. Una vez instalados los barómetros en un entorno operativo, las limitaciones prácticas pueden hacer necesario un equipo adecuadamente diseñado para que el Servicio Meteorológico Nacional mantenga ese objetivo de exactitud. No solo el barómetro, sino también la exposición debe ser objeto de una atención especial. De todos modos, el funcionamiento de un barómetro de estación de una red operativa, si está calibrado con respecto a un barómetro patrón cuyo error de índice sea conocido y permitido, debería adaptarse a los criterios ya indicados. 3.1.4

Métodos de medición y de observación

Por lo general, las mediciones de la presión atmosférica con fines meteorológicos se realizan mediante barómetros electrónicos, barómetros de mercurio y barómetros aneroides o hipsómetros. Este último tipo de instrumentos, cuyo funcionamiento se basa en la relación entre el punto de ebullición de un líquido y la presión atmosférica, hasta el momento solo ha sido de uso limitado y, por ello, no se tratará con detenimiento en esta publicación. En OMM (1992) se encontrará un análisis muy útil del funcionamiento de los

barómetros digitales (la mayoría de los cuales están provistos de lectura electrónica). Los instrumentos de medición de la presión con fines meteorológicos (barómetros) pueden utilizarse como instrumentos operativos para medir la presión atmosférica si cumplen los requisitos siguientes: a) Los instrumentos deben calibrarse o controlarse periódicamente con respecto a un barómetro patrón (de trabajo) mediante procedimientos aprobados. El intervalo de tiempo entre dos calibraciones debe ser lo suficientemente corto para que el error total absoluto de medición cumpla los requisitos, relativos a la exactitud, que figuran en este capítulo. b) Toda variación de la exactitud (a largo y corto plazo) debe ser muy inferior a los márgenes de tolerancia que se especifican en la sección 3.1.3. Cuando un instrumento haya mostrado en las calibraciones una tendencia a la deriva, solo será utilizable para fines operativos si el intervalo entre calibraciones es lo suficientemente corto para asegurar el grado de exactitud requerido en todo momento. c) Las lecturas del instrumento no deberían verse afectadas por variaciones de la temperatura. Los instrumentos serán idóneos solo si: i) los procedimientos para corregir las lecturas de los efectos de temperatura aseguran el grado de exactitud requerido; y/o ii) el sensor de presión está instalado en un entorno cuya temperatura esté estabilizada de forma que pueda conseguirse la exactitud requerida. Algunos instrumentos miden la temperatura del sensor de presión para compensar los efectos de la temperatura. Será necesario controlar y calibrar esas funciones de compensación cuando se efectúen las calibraciones normales. d) El instrumento debe emplazarse en un entorno cuyas condiciones exteriores no originen errores de medición. Esas condiciones comprenden el viento, la radiación o la temperatura, los golpes y las vibraciones, las fluctuaciones del suministro eléctrico y los “choques” de presión. Debe ponerse mucho cuidado al elegir la posición del instrumento, sobre todo si es un barómetro de mercurio. Es importante que los observadores meteorológicos conozcan a fondo la incidencia de esas condiciones y puedan evaluar si alguna de ellas repercute o no en la exactitud de las lecturas del barómetro en uso. e) El instrumento debería ser de lectura fácil y rápida, y su diseño debe asegurar que la desviación típica de las lecturas sea inferior a un tercio de la exactitud absoluta establecida.

CAPÍTULO 3. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

f)

Cuando el instrumento tenga que ser calibrado fuera de su emplazamiento, la forma de transporte del barómetro no debe afectar a su estabilidad ni a su exactitud. Entre las condiciones que pueden alterar la calibración del barómetro se encuentran los golpes y vibraciones de tipo mecánico, las desviaciones de la vertical y las fluctuaciones de presión considerables, como las que se pueden producir durante el transporte aéreo.

La mayoría de los barómetros de diseño reciente utilizan transductores, que transforman la respuesta del sensor en magnitudes relacionadas con la presión. Estas son procesadas posteriormente por circuitos de integración eléctricos apropiados o por sistemas de adquisición de datos con algoritmos de suavizado adecuados. Para la mayoría de las aplicaciones sinópticas de los barómetros será conveniente una constante de tiempo de unos 10 s (y en ningún caso superior a 20 s). En los barómetros de mercurio, la constante de tiempo es generalmente irrelevante. En los párrafos siguientes se detallarán varios métodos generales para medir la presión atmosférica. Tradicionalmente, el método más utilizado para medir la presión atmosférica consiste en equilibrarla con el peso de una columna de líquido. Por motivos diversos, la exactitud requerida solo puede conseguirse convenientemente si el líquido es mercurio. En general, se considera que los barómetros de mercurio poseen buena estabilidad a largo plazo y exactitud, pero están perdiendo popularidad frente a los barómetros electrónicos de exactitud similar, de mayor facilidad de lectura.

I.3-3

Cada vez se utilizan con mayor frecuencia transductores de presión absoluta, basados en un elemento de cuarzo cristalino. La presión ejercida por un fuelle flexible sobre la superficie del cristal origina sobre este último una fuerza de compresión. Las propiedades piezorresistivas del cristal permiten que la aplicación de presión modifique el equilibrio de un puente de Wheatstone activo. Al equilibrar el puente, es posible determinar la presión con exactitud. Estos tipos de transductores de presión están prácticamente exentos de efectos de histéresis. El punto de ebullición de un líquido es función de la presión a la que hierve. Una vez determinada esa función, se puede utilizar la temperatura de ebullición del líquido, en un hipsómetro, para determinar la presión atmosférica.

3.2

BARÓMETROS DE MERCURIO

Hay una tendencia creciente a abandonar los barómetros de mercurio, debido a las siguientes causas: el vapor de mercurio es altamente tóxico; el mercurio no combinado es corrosivo para las aleaciones de aluminio utilizadas en las estructuras aéreas (de ahí las reglamentaciones que prohíben el manejo o transporte de barómetros de mercurio en algunos países); para el tubo es necesario un vidrio plomado especial; el barómetro es un instrumento muy delicado y difícil de transportar; son también difíciles su mantenimiento y la limpieza del mercurio; la lectura y las correcciones del instrumento deben efectuarse manualmente; y ya se dispone de otros sensores de presión de exactitud y estabilidad equivalentes, provistos de lectura electrónica.

Una membrana elástica, sujeta por los bordes, se deformará si se ejerce más presión en un lado que en otro. En la práctica, ello se consigue gracias a una cápsula de metal cerrada, en la que se ha hecho un vacío total o parcial, y que contiene un muelle metálico resistente que impide que la cápsula ceda a la presión atmosférica externa. Para medir la deformación causada por la diferencia de presión entre el interior y el exterior de la cápsula se utilizan medios mecánicos o eléctricos. Este es el principio del conocido barómetro aneroide.

El principio básico del barómetro de mercurio radica en el hecho de que la presión de la atmósfera se equilibra con el peso de una columna de mercurio. En algunos barómetros la columna de mercurio se pesa en una balanza, pero para los fines meteorológicos corrientes se mide la longitud de la columna de mercurio con una escala graduada en unidades de presión.

Se han desarrollado sensores de presión consistentes en cilindros de paredes finas —de una aleación de níquel— rodeados de vacío. La frecuencia natural de resonancia de esos cilindros varía en función de la diferencia de presión entre el interior del cilindro, que está a la presión atmosférica ambiental, y el exterior del cilindro, mantenido en el vacío.

En las estaciones meteorológicas se utilizan varios tipos de barómetro de mercurio; entre los más utilizados cabe destacar el de cubeta fija y el de Fortin. La longitud que se ha de medir es la distancia comprendida entre el extremo superior de la columna de mercurio y la superficie del mercurio de la cubeta. Está claro que cualquier alteración que se

3.2.1

Requisitos de construcción

I.3-4

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

produzca en la longitud de la columna de mercurio irá acompañada de una variación del nivel del líquido en la cubeta. En el barómetro de Fortin es posible enrasar el mercurio en la cubeta con un índice de marfil, cuyo extremo está situado en el indicador cero de la escala del barómetro. En los barómetros de cubeta fija, denominados con frecuencia barómetros de modelo Kew, no se precisa un enrase del mercurio de la cubeta, ya que la escala grabada sobre el barómetro está ideada para tener en cuenta los cambios de nivel del mercurio de la cubeta. 3.2.2

Requisitos generales

Los requisitos principales que ha de satisfacer un buen barómetro de mercurio de estación son los siguientes: a) su exactitud debería permanecer invariable a lo largo de períodos prolongados de tiempo; en particular, sus efectos de histéresis tendrían que ser pequeños; b) su lectura debería ser fácil y rápida, y en ella habrían de corregirse todos los efectos conocidos; los observadores que utilizan estas correcciones tienen que conocer su importancia para aplicarlas debidamente y no alterar la exactitud de las lecturas; c) no debería perder exactitud durante el transporte; d) el diámetro interior del tubo habría de ser, preferentemente, de 9 mm y nunca inferior a 7 mm; e) el tubo debería prepararse y llenarse al vacío; la pureza del mercurio es muy importante: será mercurio doblemente destilado, desengrasado, repetidamente lavado y filtrado; f) se grabará en el barómetro la temperatura real a la que se supone que la escala da lecturas correctas, en condiciones de gravedad normal; preferentemente, la escala debería estar calibrada para dar lecturas correctas a 0 °C; g) los meniscos no deberían ser planos, salvo cuando el diámetro interior del tubo sea grande (superior a 20 mm); h) en los barómetros marinos el error no debería exceder de 0,5 hPa en ningún punto. El tiempo de respuesta de los barómetros de mercurio de las estaciones terrestres es habitualmente muy corto en comparación con el de los barómetros marinos y el de los instrumentos de medición de la temperatura, la humedad y el viento. 3.2.3

Condiciones normales

Dado que la longitud de la columna de mercurio de un barómetro depende de otros factores,

especialmente la temperatura y la gravedad, además de la presión atmosférica, es preciso especificar las condiciones normales en las que el barómetro debería teóricamente proporcionar lecturas de la presión verdadera. Las convenciones barométricas internacionales contienen las normas que se indican a continuación. 3.2.3.1

Temperatura y densidad normales del mercurio

La temperatura normal a la que se reducen las lecturas del barómetro de mercurio para eliminar los errores relacionados con los cambios de densidad del mercurio inducidos por la temperatura es 0 °C. Se considera que la densidad normal del mercurio a 0 °C es de 1,359 51· 104 kg m–3; para calcular la presión absoluta mediante la ecuación hidrostática, el mercurio de la columna de un barómetro se trata como un fluido incompresible. La densidad del mercurio impuro es diferente de la del mercurio puro. Por ello, la utilización de mercurio impuro causará errores de lectura, ya que la presión indicada es proporcional a la densidad del mercurio. 3.2.3.2

Gravedad normal

En las lecturas barométricas es necesario reducir la aceleración local de la gravedad a la gravedad estándar (normal). Se considera que el valor de la gravedad normal (gn ) es una constante convencional, gn = 9,806 65 m s–2. Nota:

La necesidad de adoptar un valor de referencia arbitrario

para la aceleración de la gravedad se explica en OMM (1966). No es posible establecer con precisión una relación entre este valor y el valor teórico o medido de la aceleración de la gravedad en condiciones especificadas, por ejemplo, a nivel del mar y latitud 45°, porque es muy probable que esos valores varíen cuando se obtengan datos experimentales nuevos.

3.2.4

Lectura de los barómetros de mercurio

Al realizar una observación con un barómetro de mercurio debería leerse primero el termómetro unido. Esta lectura tendría que llevarse a cabo con la mayor rapidez posible ya que la temperatura del termómetro puede ascender debido a la presencia del observador. Para estabilizar las superficies de mercurio debería golpearse ligeramente

CAPÍTULO 3. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

el barómetro con el dedo en dos lugares: cerca del menisco y cerca de la cubeta. Si el barómetro no es de cubeta fija, se debería realizar el ajuste necesario para poner en contacto el mercurio de la cubeta con el índice fijo de referencia. Por último, debería ajustarse el nonio al menisco para tomar la lectura. El nonio está ajustado correctamente cuando su borde horizontal inferior está en contacto con la parte más alta del menisco; con una lupa debería poder verse cualquier rendija de luz filtrada entre el nonio y la parte más alta de la superficie del mercurio. En ningún caso el nonio debería “ocultar” la parte superior del menisco. El ojo del observador tendría que situarse de forma que los bordes anterior y posterior del nonio estén en la línea de visión. 3.2.4.1

Exactitud de las lecturas

La lectura debería redondearse a los 0,1 hPa más próximos. En general, no puede leerse el nonio con una exactitud mayor. Para perfeccionar la lectura de los barómetros de mercurio se han diseñado sistemas ópticos y digitales que, aunque suelen facilitar las observaciones, pueden introducir también nuevas fuentes de error, a menos que se hayan diseñado y calibrado cuidadosamente. 3.2.4.2

I.3-5

a) las variaciones de la depresión de capilaridad de las superficies de mercurio cuando este está contaminado; en zonas con contaminación atmosférica grave proveniente de fuentes industriales, la contaminación del mercurio puede plantear un serio problema y exigir la limpieza relativamente frecuente del mercurio y de la cubeta; b) el ascenso de burbujas de aire hasta la cámara barométrica a través de la columna de mercurio. Estos cambios pueden ser aleatorios, o sistemáticamente positivos o negativos, en función de la causa que los origine. Los cambios de la corrección de índice también están causados por: a) un error imputable al observador, por haber olvidado dar los golpecitos al barómetro antes de iniciar la lectura y no ajustar correctamente el nonio y el punto de referencia; b) la ausencia de equilibrio de temperatura en el barómetro de la estación o en el patrón itinerante; c) la no simultaneidad de las lecturas cuando la presión está cambiando rápidamente. En los barómetros de Fortin, tales cambios pueden obedecer al desplazamiento accidental de la escala ajustable y a la atenuación o desaparición de las marcas que indican los puntos de referencia.

Cambios en la corrección de índice 3.2.4.3

Toda variación de la corrección de índice que se aprecie durante una inspección debería evaluarse según su importancia, teniendo en cuenta los factores siguientes: a) el historial del barómetro; b) la experiencia del inspector en materia de comparaciones; c) la magnitud del cambio observado; d) la desviación típica de las diferencias; e) la disponibilidad en la estación de un barómetro de recambio cuya corrección se conozca con exactitud; f) el comportamiento de los patrones itinerantes durante la gira de inspección; g) la coincidencia o discrepancia entre las lecturas de presión de la estación y las de las estaciones vecinas, reflejadas en el mapa sinóptico diario si se acepta la variación; y h) si se hizo o no la limpieza del instrumento antes de efectuar la comparación. La variación del error de índice en los barómetros de estación, denominada deriva, obedece a:

Cambios permisibles en la corrección del error de índice

Las variaciones de la corrección de índice deberían tratarse de la manera siguiente: a) un cambio de la corrección que no exceda de 0,1 hPa se considerará despreciable, a menos que sea persistente; b) un cambio de la corrección que exceda de 0,1 hPa, pero que no supere 0,3 hPa, puede aceptarse provisionalmente, salvo en el caso de que lo confirme, por lo menos, una inspección ulterior; c) un cambio de la corrección que exceda de 0,3 hPa puede aceptarse provisionalmente solo cuando el barómetro se ha limpiado y no se dispone de otro de repuesto con un valor de corrección conocido; el barómetro debería reemplazarse en cuanto se disponga de otro calibrado correctamente. Se vigilarán atentamente los barómetros cuya corrección de índice varíe según lo descrito en b) y c), y se recalibrarán o sustituirán lo antes posible.

I.3-6

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

Los criterios aplicados a los cambios de la corrección de índice en los barómetros de estación son también aplicables a los instrumentos patrones itinerantes. Las variaciones inferiores a 0,1 hPa podrán despreciarse, salvo cuando sean persistentes. Una variación mayor debería confirmarse y aceptarse únicamente después de repetidas comparaciones. Las correcciones de índice del patrón itinerante efectuadas “antes” y “después” de las visitas de inspección no deberían diferir en más de 0,1 hPa. Así pues, solo deberían emplearse como patrones itinerantes los barómetros que tengan un largo historial de correcciones coherentes. 3.2.5

Corrección de las lecturas barométricas a las condiciones normales

Para convertir las lecturas efectuadas en horas y lugares diferentes en valores utilizables de la presión atmosférica deberían realizarse las correcciones siguientes: a) corrección del error de índice; b) corrección por gravedad; y c) corrección de temperatura. En numerosas aplicaciones meteorológicas operativas se pueden obtener resultados aceptables si se tienen en cuenta las instrucciones facilitadas por el fabricante del barómetro, siempre y cuando quede claro que esos procedimientos proporcionan lecturas de presión con el grado de incertidumbre necesario. Sin embargo, cuando los resultados no sean satisfactorios o se requiera una mayor exactitud, deberían aplicarse unos procedimientos detallados que permitan efectuar las correcciones mencionadas, según se describe en el anexo 3.A. 3.2.6

Errores y fallos de los barómetros de mercurio

3.2.6.1

Incertidumbres en la temperatura del instrumento

La temperatura que indica el termómetro unido no suele ser idéntica a la temperatura media del mercurio, de la escala y de la cubeta. Se puede disminuir el error resultante mediante una exposición conveniente y un procedimiento de observación adecuado. Debe tenerse en cuenta que en un recinto cerrado suele haber un gradiente de temperatura vertical estable y apreciable, que puede arrojar diferencias considerables entre las temperaturas de las partes superior e inferior del barómetro. La utilización de

un ventilador eléctrico puede evitar esa distribución de temperaturas, pero es posible que dé lugar a variaciones de presión locales, por lo que conviene desconectarlo antes de hacer la observación. En condiciones normales, el error asociado a la reducción de la temperatura no excederá de 0,1 hPa si se han tomado las precauciones mencionadas. 3.2.6.2

Vacío imperfecto de la cámara barométrica

Al calibrar un instrumento se supone, por lo general, que hay un vacío perfecto o solo una cantidad despreciable de gas por encima de la columna de mercurio. Toda variación a ese respecto dará lugar a errores en las lecturas de presión. Una manera sencilla de detectar la presencia de gas en el barómetro consiste en inclinar ligeramente el tubo y escuchar si se produce un sonido cuando el mercurio alcanza el extremo superior de la columna, o en examinar el extremo cerrado del tubo para ver si contiene alguna burbuja, cuyo diámetro no debería exceder de 1,5 mm cuando el barómetro esté inclinado. Sin embargo, no es posible detectar de ese modo la presencia de vapor de agua, ya que este se condensa cuando disminuye el volumen de la cámara barométrica. Según la ley de Boyle, el error debido al aire y al vapor de agua no saturado en la cámara barométrica será inversamente proporcional al volumen existente por encima del mercurio. La única manera satisfactoria de eliminar este error consiste en efectuar una calibración nueva en toda la escala; si el error es grande, el tubo debería ser rellenado o sustituido. 3.2.6.3

Depresión capilar de las superficies del mercurio

La altura del menisco y la depresión capilar1 de un tubo determinado pueden variar debido al envejecimiento del tubo de vidrio, a la contaminación del mercurio, a la tendencia de la presión y a la posición del mercurio dentro del tubo. En la medida de lo posible, la altura media del menisco debería observarse durante la calibración original y consignarse su valor en el certificado del barómetro. No deberían corregirse las desviaciones respecto de la altura original del menisco, y esta información tendría que utilizarse únicamente para determinar si

1

La depresión capilar es una reducción de la altura del menisco de un líquido contenido en un tubo en el que el líquido (por ejemplo, mercurio) no moje las paredes del tubo. El menisco es convexo en su superficie superior.

CAPÍTULO 3. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

es necesario o no revisar o recalibrar el barómetro. Una variación de 1 mm en la altura del menisco (de 1,8 a 0,8 mm) para un tubo de 8 mm puede ocasionar un error de aproximadamente 0,5 hPa en la lectura de presión. Debería tenerse presente también que, en barómetros de cubeta fija, una variación grande del ángulo de contacto entre el mercurio y las paredes de la cubeta puede causar errores pequeños, pero apreciables, de la presión observada. 3.2.6.4

Falta de verticalidad

Si la parte inferior de un barómetro simétrico de longitud normal (unos 90 cm), colgado libremente, se desplaza unos 6 mm con respecto a la vertical, la presión que indique tendrá un error por exceso de unos 0,02 hPa. Por lo general, estos barómetros no se apartan tanto de la vertical verdadera. Sin embargo, en los barómetros asimétricos esta fuente de error es más importante. Por ejemplo, si el índice de referencia de la cubeta se encuentra a unos 12 mm del eje, basta con que la cubeta se desplace tan solo 1 mm respecto de la vertical para causar un error de 0,02 hPa. 3.2.6.5

Exactitud general de las lecturas de presión corregidas

En una estación meteorológica ordinaria, la desviación típica de una sola lectura barométrica corregida no debería exceder de 0,1 hPa. Este error se deberá, en gran parte, a la incertidumbre inevitable en la corrección del instrumento, a la incertidumbre relativa a la temperatura del instrumento, y al error originado por el efecto de bombeo de las ráfagas de viento sobre la superficie del mercurio. 3.2.7

Medidas de seguridad durante el manejo del mercurio

El mercurio, se utiliza en grandes cantidades en los barómetros, y como es venenoso, su manejo exige precauciones. El mercurio en estado elemental es líquido a las temperaturas y presiones de la superficie terrestre. Allí donde hay mercurio líquido se forma vapor de mercurio. En sus estados líquido y gaseoso, el mercurio puede ser absorbido a través de la piel e inhalado como vapor. Las propiedades del mercurio se describen en Sax (1975). En muchos países, las reglamentaciones

I.3-7

sobre el manejo de productos peligrosos incluyen las precauciones relativas al manejo del mercurio. Una dosis alta de mercurio puede causar envenenamiento agudo. El mercurio puede acumularse también en los tejidos duros y blandos del cuerpo humano, y una exposición prolongada, incluso a dosis bajas, puede, con el tiempo, afectar a los órganos y hasta causar la muerte. El mercurio ataca principalmente el sistema nervioso central, la boca y las encías, y sus manifestaciones sintomáticas incluyen dolor, pérdida de dientes, reacciones alérgicas, temblores y alteraciones psicológicas. En lo que respecta a las aplicaciones barométricas, los riesgos más importantes están vinculados a los laboratorios donde los barómetros se vacían o llenan con frecuencia. Pueden plantearse también problemas en las estaciones meteorológicas, por ejemplo cuando se rompe un barómetro y no se recoge el mercurio, que puede experimentar una evaporación continua en un recinto cerrado donde hay personas trabajando. El peligro subsiste incluso si se limpia el mercurio después de un accidente y se coloca después en un recipiente adecuado. Al manejar mercurio se tendrá en cuenta lo siguiente: a) Los recipientes que contienen mercurio serán resistentes, se taparán convenientemente para evitar derrames y se inspeccionarán periódicamente. b) El suelo de un recinto en el que se almacena mercurio o en el que se utilizan grandes cantidades de este metal se cubrirá con un material no poroso y sin grietas como el PVC. Las gotitas de mercurio quedarán atrapadas en las pequeñas grietas del suelo, por ejemplo entre las baldosas. Es conveniente extender el material protector unos 10 cm sobre las paredes, con lo que se eliminarán las juntas entre el suelo y las paredes. c) No debe almacenarse mercurio en recipientes metálicos, pues reacciona con casi todos los metales, salvo el hierro, y forma una amalgama que puede ser también peligrosa. El mercurio no debería entrar en contacto con ningún objeto metálico. d) No debe almacenarse mercurio cerca de otras sustancias químicas, especialmente aminas, amoníaco o acetileno. e) El mercurio en grandes cantidades debería almacenarse y manipularse siempre en recintos bien ventilados. El material en bruto debería manipularse en el interior de una campana contra emanaciones, de buena calidad. f) Nunca debería almacenarse el mercurio cerca de una fuente de calor, pues su punto de ebullición

I.3-8

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

es relativamente bajo (357 °C) y puede dar lugar a concentraciones peligrosas de vapor tóxico, especialmente en caso de incendio. g) Cuando se manipule mercurio, tanto el recinto como el personal que trabaja en él deberían inspeccionarse con regularidad para determinar si hay exposición a dosis de mercurio peligrosas. 3.2.7.1

Vertidos y evacuación

Los dos métodos más corrientes para limpiar los vertidos de mercurio son la recogida por aspiración, utilizando un sistema como el que se describe a continuación, o la adsorción/amalgamiento del mercurio con polvo. Los vertidos de mercurio deberían limpiarse de inmediato. El operador debería trabajar provisto de guantes o de guanteletes de PVC, gafas protectoras y, cuando el vertido sea importante, una máscara de respiración con filtro contra las emanaciones de mercurio. Con arreglo a la magnitud del vertido, se recogerá el mercurio mediante un mecanismo aspirador, y se utilizarán después adsorbentes para recoger las gotitas. Es imprescindible utilizar adsorbentes, pues de lo contrario se escaparán docenas de pequeñas gotas, de diámetro inferior a 0,02 mm, que quedarán adheridas a las superficies y no podrán ser eliminadas eficazmente por aspiración. Los sistemas de recogida por aspiración operan haciendo pasar el mercurio por un tubo de plástico de pequeño diámetro hasta un recipiente de vidrio que contendrá por lo menos 3 cm de agua en el fondo; el extremo del tubo quedará sumergido bajo el nivel del agua del recipiente. En la cámara de aire situada sobre el agua del recipiente se introduce un extremo de otro tubo, de diámetro mayor, y se conecta el otro extremo a una aspiradora o bomba de vacío. El agua impide el paso del vapor o de las gotitas de mercurio hacia la aspiradora o bomba. Tras ello, la solución se depositará en un recipiente de plástico, claramente etiquetado, para su tratamiento posterior. Para adsorber o amalgamar el mercurio pueden utilizarse diversos compuestos adsorbentes. En particular, el polvo de zinc, la flor de azufre o el carbono activado. Existen productos comerciales para limpiar el mercurio vertido. Se espolvorea el polvo sobre la superficie y se espera a que aquel adsorba o amalgame el mercurio. Se recoge la mezcla resultante y se coloca en un recipiente de plástico, claramente identificado, para su tratamiento posterior. El mercurio recogido puede ser desechado o recuperado. Las autoridades locales o el proveedor pueden

facilitar instrucciones para eliminar los desechos de mercurio. También el proveedor puede suministrar información sobre la recuperación y purificación del mercurio. 3.2.7.2

Incendios

El mercurio no arde, pero emite humos tóxicos en concentraciones importantes. Después de un incendio, el vapor de mercurio se condensará sobre las superficies frías más cercanas, contaminará áreas extensas y será adsorbido por las superficies porosas, como la madera quemada. En caso de incendio, se evacuará la zona y se tratará de evitar la inhalación de humos. Se informará al cuerpo de bomberos del lugar donde se encuentra el mercurio y de su cantidad. 3.2.7.3

Transporte

El transporte aéreo de mercurio o de instrumentos que contengan mercurio está regulado por la Asociación de Transporte Aéreo Internacional. El traslado por tren o por carretera está regulado, en general, por las reglamentaciones sobre el transporte de sustancias peligrosas que rigen en cada país. Por lo común, el mercurio metálico se debe envasar en recipientes de vidrio o plástico, de capacidad inferior a 2,5 kg, claramente etiquetados, y lo suficientemente protegidos para evitar roturas. Los instrumentos que contienen mercurio deberían embalarse en una caja de cierre hermético, bien acolchada, fabricada con material resistente al mercurio.

3.3

BARÓMETROS ELECTRÓNICOS

La mayoría de los barómetros de diseño reciente están dotados de transductores que transforman la respuesta del sensor en una magnitud eléctrica relacionada con la presión, bien en forma de señales analógicas, por ejemplo, el voltaje (de corriente continua o de corriente alterna con una frecuencia relacionada con la presión real), o bien en forma de señales digitales, por ejemplo, la frecuencia de impulsos o los protocolos normalizados de comunicación de datos como, por ejemplo, RS232, RS422 o IEEE488. Las señales analógicas se pueden visualizar utilizando diversos medidores electrónicos. Para visualizar las salidas digitales, o las salidas analógicas digitalizadas, se emplean monitores y sistemas de adquisición de datos, como los utilizados en las estaciones meteorológicas automáticas.

CAPÍTULO 3. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

La tecnología actual de barómetros digitales recurre a diversos niveles de redundancia para aumentar la exactitud y la estabilidad de las mediciones a largo plazo. Una técnica consiste en utilizar tres sensores de funcionamiento independiente, controlados por un microprocesador centralizado. Se puede conseguir mayor estabilidad y fiabilidad con tres barómetros completamente independientes, dotados de tres juegos de transductores de presión y de microprocesadores. Los sensores de temperatura montados en el interior de cada configuración permiten efectuar automáticamente la compensación de temperatura. La triple redundancia asegurará una excelente estabilidad a largo plazo y la exactitud de las mediciones, incluso en las aplicaciones más exigentes. Estas técnicas permiten controlar y verificar continuamente el funcionamiento individual de cada sensor. El uso de barómetros digitales implica algunos requisitos operativos especiales, particularmente en las estaciones meteorológicas automáticas; existen recomendaciones formales para asegurar una buena práctica (véase el anexo VII del Informe final abreviado de la undécima reunión de la Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación, 1994, OMM-N° 807). Las organizaciones meteorológicas deberían: a) controlar o reajustar la calibración de los barómetros digitales, y repetir esas operaciones regularmente (anualmente, hasta que se determine el grado de deriva); b) asegurar una calibración frecuente de los barómetros digitales y examinar la posibilidad de usar, para este fin, los medios de calibración disponibles a nivel nacional; c) considerar que ciertos tipos de barómetros digitales pueden ser utilizados como patrón itinerante gracias a su portabilidad y a su buena estabilidad a corto plazo; d) considerar que la selección de un tipo específico de barómetro digital debería basarse, no solo en las especificaciones indicadas para el instrumento, sino también en las condiciones medioambientales y en las posibilidades de mantenimiento. Los fabricantes deberían: a) mejorar la independencia de la temperatura y la estabilidad a largo plazo de los barómetros digitales; b) usar interfaces y protocolos de comunicación normalizados para la transmisión de datos; c) disponer de un suministro de energía para los barómetros digitales que opere en un amplio intervalo de valores de tensión en corriente continua (por ejemplo, de 5 a 28 VDC).

3.3.1

I.3-9

Transductores para medir el desplazamiento de la cápsula aneroide

La medición del desplazamiento de la cápsula aneroide sin tocar el instrumento es una necesidad inherente a los aparatos de precisión que miden la presión para aplicaciones meteorológicas. Se utiliza una gran variedad de esos transductores y, en particular, detectores de desplazamiento capacitivos, detectores de desplazamiento potenciométricos, extensómetros situados en puntos estratégicos del sensor, y servosistemas fuerza/equilibrio que mantienen constantes las dimensiones del sensor, independientemente de la presión. Todos los componentes sensibles deben colocarse en un armazón de hierro fundido, que ha de mantenerse a una temperatura constante mediante un calefactor regulado electrónicamente. Debe evitarse absolutamente la condensación de agua. Una técnica eficaz consiste en colocar un agente higroscópico (por ejemplo, cristales de gel de silicio) dentro del armazón y, para impedir la difusión del vapor de agua dentro del mismo, se puede conectar un tubo de plástico largo (de unos 25 m), de un diámetro interior no mayor de 2 mm, entre la toma de presión y la cabeza estática (véase la sección 3.8.1). El armazón debe cerrarse herméticamente, sin por ello impedir que el compartimento donde se mide la presión esté conectado con el exterior. 3.3.2

Barómetros digitales piezorresistivos

Es posible obtener mediciones de presión atmosférica utilizando el efecto piezoeléctrico (piezorresistivo). Una configuración común consta de cuatro resistores, colocados sobre la superficie flexible de un sustrato monolítico de silicio, interconectados de manera que formen un puente de Wheatstone. En los barómetros piezorresistivos digitales se utilizan elementos de cuarzo cristalino, axialmente cargados, que son transductores de la presión absoluta. Se ha elegido el cuarzo cristalino por sus propiedades piezoeléctricas, sus características de estabilidad de frecuencia, sus reducidos efectos de temperatura y sus características de frecuencia reproducibles con precisión. La presión aplicada en un puerto de entrada, por medio de un fuelle flexible, origina una fuerza axial ascendente que da lugar, por tanto, a una fuerza de compresión sobre el elemento de cristal de cuarzo. Puesto que este elemento es, en esencia, una membrana rígida,

I.3-10

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

toda la estructura mecánica sufre deflexiones minúsculas, con lo que queda prácticamente eliminada la histéresis mecánica. El mencionado puente de Wheatstone plenamente activo puede consistir bien en medidores de deformación de semiconductores, o bien en medidores piezorresistivos. Estos extensómetros pueden estar unidos a un fino diafragma circular sujeto a su circunferencia, o difundidos atómicamente en una configuración de diafragma de silicio. En los dispositivos de difusión, el propio chip integrado de silicio es el diafragma. La presión aplicada confiere al diafragma una carga distribuida que, a su vez, produce un esfuerzo de flexión, con las consiguientes deformaciones a las que reacciona el extensómetro. Ese esfuerzo crea una deformación proporcional a la presión aplicada, dando lugar a un desequilibrio del puente. Así pues, la salida del puente es proporcional a la diferencia neta de la presión que actúa sobre el diafragma. Este modo de funcionamiento se basa en el hecho de que la presión atmosférica actúa sobre el elemento sensor que abarca una pequeña celda, en la que se ha hecho el vacío, a través de la cual se somete a los resistores a esfuerzos de tracción y compresión. Debido al efecto piezoeléctrico, los valores de la resistencia cambian proporcionalmente a la presión atmosférica. Para eliminar los errores de temperatura, el sensor suele ir provisto de un termostato. La salida del puente de Wheatstone, alimentado por corriente continua, se transforma en una señal normalizada por medio de un amplificador adecuado. Generalmente, los valores de presión se muestran en una pantalla de cristal líquido o de diodo fotoemisor. En un modelo reciente de transductor de presión piezoeléctrico se determinan dos frecuencias de resonancia del elemento piezoeléctrico. Mediante el cálculo de una función lineal de esas dos frecuencias, y con un conjunto apropiado de variables obtenido después de la calibración, se calcula una presión utilizando un microprocesador independiente de la temperatura del sensor. 3.3.3

Barómetros de resonador cilíndrico

En los barómetros de resonador cilíndrico se emplea un elemento sensor consistente en un cilindro de paredes finas, de una aleación de níquel, que se mantiene en un modo de vibración “circular”

electromagnética. La presión de entrada se mide en función de la variación que se produce en la frecuencia natural de resonancia del sistema mecánico de vibración. Los movimientos de la pared del cilindro se miden mediante una bobina convertidora, cuya señal es amplificada y devuelta a una bobina motora. La presión atmosférica que se desea medir pasa al interior del cilindro, mientras en el exterior se mantiene una referencia de vacío. En estas circunstancias, la frecuencia natural de resonancia de la vibración varía exactamente con el esfuerzo causado dentro de la pared del cilindro debido a la diferencia de presión entre sus superficies. Un aumento de presión da lugar a un incremento de frecuencia. El delgado cilindro tiene la masa y rigidez suficientes como para hacer frente al intervalo de presiones de funcionamiento, y está montado sobre una base sólida. El cilindro está instalado en una cámara de vacío, y su entrada está conectada a la atmósfera libre para los usos meteorológicos. Dado que hay una relación unívoca entre la frecuencia natural de resonancia del cilindro y la presión, se puede calcular la presión atmosférica a partir de la frecuencia de resonancia medida. Sin embargo, hay que tener en cuenta que esa relación, determinada durante la calibración, dependerá de la temperatura y densidad del gas, por lo que habrá que introducir una compensación de temperatura; para ello se recomienda secar el aire antes de enviarlo hacia la entrada. 3.3.4

Lectura de los barómetros electrónicos

El barómetro electrónico mide la presión atmosférica del espacio circundante, o de cualquier espacio al que esté conectado mediante un tubo. Por lo general, el barómetro debería instalarse de forma que la lectura de presión se efectúe al nivel del instrumento. Sin embargo, a bordo de buques o en estaciones terrestres de poca altitud, es posible ajustar el instrumento para que indique la presión al nivel medio del mar, a condición de que la diferencia entre la presión de la estación y la del nivel del mar puedan considerarse constantes. Con el barómetro electrónico es posible obtener lecturas exactas en un dispositivo de lectura digital, cuya escala está graduada generalmente en hPa, aunque puede ser fácilmente adaptado a otras unidades en caso necesario. Por lo general, permite también efectuar grabaciones digitales. Si el dispositivo está controlado por un microprocesador, podrá indicar la tendencia de las variaciones de la presión.

CAPÍTULO 3. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

La exactitud del barómetro electrónico dependerá de la exactitud con que haya sido calibrado, de la eficacia de la compensación de temperatura (método de aire residual, medición y corrección de la temperatura, utilización de termostato), y de la deriva a lo largo del tiempo de calibración del barómetro. En los transductores primarios es posible instalar circuitos que corrijan la falta de linealidad y los efectos de temperatura del sensor, y que conviertan los resultados de las lecturas en unidades normalizadas. Los modelos actuales más corrientes de barómetro comprenden un sensor, un microordenador (con dispositivo de visualización) y un circuito de interfaz para comunicar con los eventuales registradores de datos o con estaciones meteorológicas automáticas. Por lo general, los barómetros electrónicos provistos de más de un transductor o elemento sensor calculan una media ponderada de los resultados de cada uno de los sensores y determinan la presión resultante con una resolución de 0,1 hPa. Durante la calibración, cada uno de los sensores puede verificarse con una resolución de 0,01 hPa, lo que no significa que la exactitud del sensor sea superior a 0,1 hPa (véase la sección 3.10.3.4). 3.3.5

Errores y fallos de los barómetros electrónicos

3.3.5.1

Deriva de calibración

La deriva de calibración es una de las fuentes principales de error de los barómetros electrónicos. Esa deriva suele ser mayor cuando el barómetro es nuevo y disminuye con el paso del tiempo. Pueden producirse saltos en los resultados de una a otra calibración. Para mantener el barómetro en un modo de funcionamiento aceptable, habrá que verificar las correcciones de calibración aplicadas a las lecturas a intervalos relativamente frecuentes (por ejemplo, cada año), a fin de detectar y reemplazar prontamente los sensores defectuosos. La necesidad de verificar frecuentemente la calibración de los barómetros electrónicos conlleva una carga adicional para los Servicios Meteorológicos Nacionales, en particular cuando sus redes barométricas son extensas. A la hora de estudiar la posibilidad de reemplazar los barómetros de mercurio por instrumentos electrónicos deberán tenerse en cuenta los costes de calibración vigentes.

3.3.5.2

I.3-11

Temperatura

Para mantener la calibración es preciso que el barómetro electrónico permanezca a una temperatura constante, de ser posible, similar a la temperatura de calibración. Por lo demás, muchos de los barómetros electrónicos que se encuentran en el mercado no disponen de control de temperatura, por lo que están expuestos a errores mayores. Una buena parte de ellos depende de la medición exacta de la temperatura del sensor y de la corrección electrónica de la presión. Se presupone la ausencia de gradiente térmico en el interior del elemento sensor del barómetro. En situaciones en las que la temperatura cambia suficientemente rápido, pueden producirse errores por histéresis a corto plazo en la presión medida. La variación de la calibración depende también en gran medida del historial térmico del barómetro puesto que una exposición prolongada a temperaturas diferentes de las de calibración puede ocasionar desviaciones en la calibración a medio o largo plazo. Los sistemas electrónicos del barómetro pueden ser también una fuente de error cuando no se mantienen a la misma temperatura del elemento sensor. Es muy frecuente utilizar los barómetros electrónicos en condiciones climáticas extremas, especialmente en las estaciones meteorológicas automáticas. En tales casos, el barómetro puede estar expuesto a temperaturas que exceden de las señaladas en las especificaciones de diseño y calibración proporcionadas por el fabricante. 3.3.5.3

Interferencias eléctricas

Como todos los dispositivos electrónicos de medición sensibles, los barómetros electrónicos deberían protegerse y alejarse de fuentes generadoras de campos magnéticos intensos, como transformadores, ordenadores, radares, etc. Aunque ello no suele ser un problema, puede producir un aumento del ruido que perjudicaría la precisión del dispositivo. 3.3.5.4

Naturaleza del funcionamiento

Los cambios visibles en la calibración de un barómetro electrónico pueden obedecer a que, durante la calibración, el barómetro funciona de modo diferente a como lo hace en el uso operativo. Un instrumento que funciona sin interrupciones y que, por consiguiente, está caliente, proporcionará lecturas de presión diferentes de las de un instrumento que se enciende durante unos segundos.

I.3-12

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

3.4

BARÓMETROS ANEROIDES

3.4.3

Lectura de barómetros aneroides

3.4.1

Requisitos de construcción

3.4.3.1

Exactitud de las lecturas

Las principales ventajas de los barómetros aneroides convencionales frente a los de mercurio son su tamaño reducido y su facilidad de transporte, que los hacen especialmente adecuados para su utilización en el mar o sobre el terreno. Las partes esenciales son una cámara metálica cerrada, en la que se ha hecho un vacío total o parcial, y un sistema de muelles fuertes que impide el colapso de la cámara debido a la presión atmosférica externa. Sea cual sea la presión, habrá un equilibrio entre la fuerza ejercida por los muelles y la de la presión exterior. La cámara aneroide podrá estar fabricada con materiales (acero o aleación de cobre y berilio) cuyas propiedades elásticas permitan a la cámara actuar por sí misma como un muelle. Es necesario disponer de algún medio que permita detectar y visualizar las deformaciones que se produzcan. El dispositivo puede consistir en un sistema de palancas que multipliquen las deformaciones y desplacen un índice sobre una escala graduada que indique la presión. Otra posibilidad es desviar un rayo de luz sobre la escala. En lugar de estas técnicas mecánicas analógicas, algunos barómetros llevan un micrómetro manual, cuyo contador indica la presión directamente en décimas de hectopascal. Se efectúa la lectura cuando el indicador luminoso señala que el micrómetro ha contactado con el aneroide. Este tipo de aneroide es portátil y robusto. 3.4.2

Un barómetro aneroide debería leerse siempre en la misma posición (vertical u horizontal) en la que haya sido calibrado. Antes de proceder a la lectura debería golpearse el instrumento ligeramente. En la medida de lo posible, la lectura debería redondearse a la décima de hPa más próxima. Existen dispositivos ópticos y digitales que mejoran la exactitud de las lecturas y reducen los errores debidos a las palancas mecánicas. 3.4.3.2

Correcciones aplicadas a los barómetros aneroides

El barómetro aneroide debería ajustarse generalmente de forma que la lectura de presión se efectúe al nivel del instrumento. Sin embargo, a bordo de buques o en las estaciones terrestres de baja altitud podrá ajustarse el instrumento para que indique la presión al nivel medio del mar, siempre que se pueda considerar constante la diferencia entre la presión en la estación y la presión al nivel del mar. Deberían corregirse las lecturas de errores instrumentales pero, por lo general, se supone que la compensación de temperatura del instrumento es suficiente y que no es preciso introducir correcciones por gravedad. 3.4.4

Errores y fallos de los barómetros aneroides

3.4.4.1

Compensación incompleta de temperatura

Requisitos de exactitud

Los principales requisitos que debe cumplir un buen barómetro aneroide son los siguientes: a) la compensación de temperatura, de modo que las lecturas no varíen en más de 0,3 hPa para un cambio de temperatura de 30 K; b) los errores de escala en cualquier punto no deberían exceder de 0,3 hPa, y deberían mantener esa tolerancia durante un período de un año como mínimo para usos normales; c) la histéresis debería ser lo suficientemente pequeña para asegurar que la diferencia entre las lecturas efectuadas antes de un cambio de presión de 50 hPa y después de su retorno al valor inicial no exceda de 0,3 hPa; d) el instrumento debería poder resistir los riesgos ordinarios de traslado sin introducir inexactitudes que rebasen los límites estipulados en los apartados anteriores.

En los barómetros aneroides, el debilitamiento del muelle causado por el aumento de temperatura hará que el instrumento indique una presión demasiado alta. Por lo general, este efecto se compensa de dos maneras distintas: a) mediante una unión bimetálica en el sistema de palancas; o b) dejando una cierta cantidad de gas en el interior de la cámara aneroide. En la mayoría de los barómetros aneroides corrientes, la compensación que se obtiene mediante estos métodos es completa solo para cierto valor de la presión de compensación. Es conveniente que todos los barómetros aneroides y barógrafos utilizados en las estaciones meteorológicas estén

CAPÍTULO 3. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

debidamente compensados de temperatura para todo el rango de presión. En los sistemas de lectura digitales adecuados para la automatización, tales correcciones completas pueden formar parte del sistema electrónico. 3.4.4.2

Errores de elasticidad

El barómetro aneroide puede estar expuesto a cambios de presión grandes y rápidos. Por ejemplo, una racha de viento intensa hará que el instrumento acuse un aumento de presión rápido, seguido de un retorno más gradual a su valor original. En tales circunstancias, debido a la histéresis, el barómetro dará una lectura ligeramente distinta de la presión verdadera; es posible que transcurra un lapso de tiempo considerable antes de que esa diferencia se vuelva desdeñable. Sin embargo, dado que los barógrafos y barómetros aneroides de las estaciones de superficie no suelen estar expuestos directamente a tales cambios de presión, sus errores de histéresis no son excesivos. Los cambios lentos que experimenta el metal de la cápsula aneroide con el paso del tiempo generan también un error. Este efecto solo puede compensarse mediante comparaciones con un barómetro patrón efectuadas a intervalos periódicos, por ejemplo anuales. Un buen barómetro aneroide debería conservar una exactitud de 0,1 hPa durante un año o más. A fin de determinar las desviaciones del barómetro respecto de esa exactitud, deberían establecerse procedimientos de inspección regulares con las calibraciones y ajustes necesarios.

3.5

BARÓGRAFOS

3.5.1

Requisitos generales

De los diversos tipos de barógrafos, solo se tratará con detalle el barógrafo aneroide. A efectos sinópticos, se recomienda que las bandas de los barógrafos meteorológicos: a) estén graduadas en hPa; b) permitan leer diferencias de hasta 0,1 hPa; c) tengan un factor de escala de 10 hPa por cada 1,5 cm de banda. Además, son deseables los siguientes requisitos: a) el barógrafo debería utilizar una unidad aneroide de primera clase (véase la sección 3.5.2);

I.3-13

b) el instrumento debería estar compensado de temperatura, de modo que las lecturas no varíen en más de 1 hPa para cambios de temperatura de 20 K; c) los errores de escala no deberían ser superiores a 1,5 hPa en cualquier punto; d) la histéresis debería ser lo suficientemente pequeña para asegurar que la diferencia entre las lecturas efectuadas antes de un cambio de presión de 50 hPa y después de su retorno al valor inicial no exceda de 1 hPa; e) debería disponer de un sistema para señalar la hora que permita hacer las marcas sin necesidad de levantar la cubierta del instrumento; y f) el brazo de la plumilla debería girar en un soporte cuyo eje esté inclinado, de forma que la plumilla se apoye sobre la banda por gravedad; debería contar con algún mecanismo que permita ajustar la posición de la plumilla. Los barógrafos marinos están sujetos a requisitos especiales, que se examinan en el capítulo 4 de la parte II.

3.5.2

Construcción de barógrafos

El principio del barógrafo aneroide es similar al del barómetro aneroide, salvo que se utiliza una plumilla marcadora en vez de un índice, lo que conlleva ciertos cambios de diseño de la cápsula y, por lo general, causa una disminución de la amplificación total y un aumento de la cantidad y tamaño de las cápsulas utilizadas. El “control” del barógrafo puede expresarse como la fuerza que se necesita para desplazar el índice una unidad de la escala (1 hPa), por lo que es igual a la fuerza necesaria para impedir que la plumilla se desplace cuando se produce un cambio de presión de 1 hPa. Se trata de un indicador de los efectos potenciales del rozamiento sobre los detalles del registro. La fuerza necesaria para contrarrestar el movimiento de la cápsula cuando se produce un cambio de presión de 1 hPa es 100 A newtons, donde A es el área de la sección transversal efectiva de la cápsula, expresada en metros cuadrados. Si la amplificación es X, la fuerza necesaria para impedir el desplazamiento de la plumilla será igual a 100 A/X newtons, y variará como A/X. Para un tipo de cápsula y valor de escala determinados, el valor de X será en gran medida independiente de A, de modo que se puede considerar que el control de la plumilla del barógrafo varía aproximadamente con el área de la sección transversal efectiva de la cápsula.

I.3-14

3.5.3

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

Fuentes de error y de inexactitud

Además de las fuentes de error ya mencionadas con respecto a los barómetros aneroides (véase la sección 3.4.4), también es importante el rozamiento entre la plumilla y el papel. El control de la plumilla depende, en gran medida, de la sección transversal efectiva de la cápsula aneroide. En un barógrafo bien construido, el rozamiento de la plumilla es sensiblemente mayor que el rozamiento total de todos los pivotes y cojinetes del instrumento, por lo que debería prestarse especial atención para reducir esos errores, utilizando, por ejemplo, una cápsula aneroide suficientemente grande. Un barógrafo de primera clase debería tener una incertidumbre de 0,2 hPa aproximadamente después de efectuadas las correcciones, y no debería sufrir modificaciones durante uno o dos meses. La variación barométrica leída en el barógrafo debería estar habitualmente dentro de los mismos límites. 3.5.4

Instrumentos con capacidad para el procesamiento de datos

Es posible conectar un barómetro de lectura automática a un ordenador, generalmente un microprocesador, que puede programarse para facilitar muestras de datos apropiadas. A su vez, esos datos pueden representarse gráficamente para obtener un registro similar al de un barógrafo. Existen modelos que imprimen sus propias escalas, con lo que se elimina una fuente de error. 3.5.5

Lectura del barógrafo

La lectura del barógrafo debería efectuarse sin tocar el instrumento. La marcación de la hora, así como toda inspección del instrumento que obligue a levantar la cubierta, etc., debería hacerse siempre después de terminada la lectura. 3.5.5.1

Exactitud de las lecturas

La lectura de la banda debería redondearse a la décima de hectopascal más cercana. La variación barométrica obtenida debería estar dentro de los mismos límites de resolución. 3.5.5.2

Correcciones que se aplicarán a las lecturas del barógrafo

Debería verificarse la compensación de temperatura de cada instrumento antes de utilizarlo y también

ajustarse el factor de escala mediante pruebas en cámara de vacío. Cuando el barógrafo se emplea únicamente para detectar la variación barométrica, no suelen aplicarse correcciones a las lecturas. En tales casos no es importante ajustar con exactitud la posición de la plumilla. Cuando se requieran valores absolutos de presión, debería compararse el registro con las lecturas corregidas de un barómetro de mercurio o de un buen barómetro aneroide al menos una vez cada 24 horas, y los valores deseados se obtendrán por interpolación.

3.6

BARÓMETROS DE TUBO DE BOURDON

Los barómetros de tubo de Bourdon constan generalmente de un elemento sensor —que, como en el caso de la cápsula aneroide, cambia de forma por influjo de los cambios de presión (transductores de presión)— y de un transductor que convierte las variaciones de forma que sean directamente utilizables por el observador. El visualizador puede estar situado lejos del sensor. En los laboratorios de calibración se utilizan como patrones de trabajo o patrones de referencia, instrumentos digitales, precisos y estables, provistos de tubos de Bourdon de cuarzo.

3.7

VARIACIÓN BAROMÉTRICA

Las estaciones que efectúan observaciones al menos cada tres horas utilizan dos métodos: a) la lectura de la variación en el barógrafo; o b) el cálculo de la variación a partir de las correspondientes lecturas del barómetro, corregidas al nivel de la estación; si se ha de escoger entre un barómetro de mercurio común y un barógrafo de escala abierta de primera clase, debería optarse por este último, por las razones que se exponen a continuación. En el supuesto de que el instrumento funcione perfectamente, el error de una sola lectura barométrica es principalmente aleatorio. Por ello, cuando se restan dos lecturas separadas para determinar la magnitud de un cambio los errores pueden ser acumulativos. Los errores del barógrafo son, en parte, de índole sistemática, por lo que en el período relativamente corto de tres horas es probable que tengan el mismo signo y, en consecuencia, disminuyan por sustracción. Otra razón en favor del uso del barógrafo es la ventaja de no tener que corregir las lecturas barométricas al

CAPÍTULO 3. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

nivel de la estación. En todo caso, se utilizará el barógrafo para determinar la característica de la variación barométrica. Los barómetros con visualización digital resultan también muy adecuados para determinar la magnitud y las características de un cambio de presión.

3.8

REQUISITOS GENERALES DE EXPOSICIÓN

Es importante escoger cuidadosamente el lugar de emplazamiento del barómetro en la estación de observación. Los principales requisitos con respecto al lugar de exposición son: temperatura uniforme, buena iluminación, ausencia de corrientes de aire, montaje sólido y vertical, y protección contra manejos bruscos. Por consiguiente, el instrumento debería estar colgado o instalado en un recinto donde la temperatura sea constante o cambie lentamente, y en el que no se produzcan gradientes de temperatura. El instrumento debería estar protegido en todo momento de los rayos directos del sol, y tendría que estar situado lejos de cualquier aparato de calefacción y de las corrientes de aire. 3.8.1

Efecto del viento

Cabe señalar que los efectos del viento afectan a todos los tipos de barómetro. En Liu y Darkow (1989) se ofrece más información al respecto. Cuando prevalezcan vientos racheados, el barómetro no indicará la presión estática verdadera, ya que su lectura fluctuará con la velocidad y la dirección del viento, y la magnitud y el signo de esas fluctuaciones dependerán también de la naturaleza de las puertas y las ventanas del recinto y de su orientación con respecto a la dirección del viento. En el mar, este error estará siempre presente, debido a los movimientos del barco. Un problema semejante se planteará si se instala el barómetro en una habitación con aire acondicionado. Con frecuencia, el viento causa variaciones dinámicas de la presión en el recinto donde se encuentra el instrumento. Estas fluctuaciones vienen a añadirse a la presión estática y, con viento fuerte y racheado, pueden alcanzar una magnitud de 2 o 3 hPa. Suele resultar poco práctico corregirlas porque el efecto de “bombeo” que ejercen sobre la superficie del mercurio depende tanto de la dirección y fuerza del viento como de las condiciones locales en el lugar de emplazamiento del barómetro.

I.3-15

Por esa razón, el “valor medio” no representa solo la presión estática verdadera. Al comparar dos barómetros instalados en dos edificios distintos, debería tenerse en cuenta la posibilidad de que el efecto del viento arroje lecturas diferentes. Este efecto puede atenuarse en gran medida utilizando una cabeza estática entre la atmósfera exterior y la toma de entrada del sensor. Los principios detallados de funcionamiento pueden consultarse en diversas publicaciones (Miksad, 1976; United States Weather Bureau, 1963). La cubeta del barómetro de mercurio será hermética, a excepción de un conector de contacto con una cabeza especial expuesta a la atmósfera, diseñada de tal modo que asegure que la presión en su interior es la presión estática verdadera. Por lo general, los barómetros aneroides y electrónicos tienen conexiones sencillas para permitir el uso de una cabeza estática, que debería localizarse en un entorno abierto al que no afecte la proximidad de ningún edificio. El diseño de dicha cabeza requiere gran cuidado. Las cabezas de presión estática están comercialmente disponibles, pero no hay publicaciones acerca de intercomparaciones que demuestren su funcionamiento. 3.8.2

Efectos del aire acondicionado

El aire acondicionado puede generar una diferencia de presión considerable entre el interior y el exterior de una habitación. Por ello, si un barómetro va a instalarse en un recinto con aire acondicionado se recomienda incorporarle una cabeza estática para que se acople al aire exterior del edificio.

3.9

EXPOSICIÓN DEL BARÓMETRO

3.9.1

Exposición de los barómetros de mercurio

A los requisitos generales de exposición reseñados en las secciones anteriores para los barómetros de mercurio se suman otros requisitos adicionales, que se mencionan a continuación. Siempre es preferible colgar el barómetro en una pared interior. Para conseguir mediciones muy exactas, el mejor lugar es un sótano, sin ventanas ni calefacción, con un pequeño ventilador eléctrico que impida toda estratificación de la temperatura. Se recomienda utilizar luz artificial en todas las observaciones para conseguir condiciones de

I.3-16

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

iluminación uniformes en las lecturas. Para ello, se podrá utilizar un dispositivo de iluminación que proporcione un fondo blanco y ligeramente luminoso para el menisco de mercurio y, si es necesario, para el índice. Si no se utiliza una fuente de luz, habrá que asegurarse de que el menisco y el índice tengan un fondo luminoso, que se puede conseguir utilizando vidrio esmerilado, celuloide blanco o una hoja de papel blanco. Habrá que suministrar también luz artificial para leer las escalas del barómetro y del termómetro unido. No obstante, se tomarán las precauciones necesarias para evitar que la luz artificial caliente el barómetro durante las lecturas. El instrumento debería instalarse en un lugar desprovisto de vibraciones, preferentemente una pared sólida, y con la columna de mercurio en posición vertical. Los errores causados por la desviación respecto de la vertical son más importantes en el caso de los barómetros asimétricos, por lo que tales barómetros deberían instalarse con el eje mayor en posición vertical, de manera que el reglaje verdadero de la superficie del mercurio con respecto al índice no presente errores ni siquiera cuando los instrumentos se desvían de la vertical. Para proteger el instrumento contra el manejo brusco, el polvo y las corrientes de aire, se recomienda colocarlo en una caja que tenga una puerta con bisagra y que disponga de ventilación suficiente a fin de evitar la estratificación del aire en su interior. El transporte de un barómetro de mercurio debería llevarse a cabo con mucho cuidado. El método más seguro es transportarlo en posición invertida dentro de un estuche de madera provisto de una eslinga. Si ningún responsable puede encargarse de trasladar personalmente el barómetro, el transporte deberá efectuarse en un embalaje acolchado, con la cubeta en la parte más alta. Para dar la vuelta al instrumento debería procederse siempre muy lentamente, evitando cualquier movimiento violento. Antes de invertir ciertos tipos de barómetro deberán tomarse precauciones especiales. 3.9.2

Exposición de los barómetros electrónicos

El barómetro electrónico requiere una atmósfera limpia y seca, exenta de sustancias corrosivas. Este tipo de barómetro también debería mantenerse a una temperatura constante (véase la sección 3.3.5.2). El instrumento debería montarse de forma que se eviten las vibraciones y choques mecánicos, y además, sería preciso instalarlo lejos de fuentes

electromagnéticas; cuando esto último no sea posible, habría que proteger los cables y el armazón. Los barómetros con dispositivo de lectura digital tendrían que recibir una iluminación general adecuada, pero no deberían colocarse frente a una ventana u otra fuente de luz intensa. 3.9.3

Exposición de los barómetros aneroides

Los requisitos de exposición del barómetro aneroide son similares a los del barómetro de mercurio (véase la sección 3.9.1), pues cabe la posibilidad de que el instrumento no esté correctamente compensado de los efectos de la temperatura. El lugar de instalación seleccionado debería tener preferiblemente una temperatura razonablemente uniforme durante todo el día. En consecuencia, será un lugar que ofrezca protección contra los rayos del sol directos y contra otras fuentes de calor o frío que puedan causar cambios bruscos y considerables de la temperatura. En las estaciones terrestres es conveniente instalar el barómetro aneroide cerca de uno de mercurio para efectuar comparaciones y normalizaciones (véase la sección 3.10). 3.9.4

Exposición de los barógrafos

El barógrafo debería instalarse en un lugar que ofrezca protección contra los cambios bruscos de temperatura, las vibraciones y el polvo. No debería estar expuesto a la luz solar directa ni hallarse en un lugar donde pueda ser manipulado por personas no autorizadas. La instalación sobre una almohadilla de gomaespuma permitirá disminuir los efectos de la vibración. El lugar elegido debería estar limpio y seco, y el aire relativamente exento de sustancias que pudieran causar corrosión, suciedad en el mecanismo, etc. Con el fin de minimizar el efecto de paralaje, es importante que el frente del instrumento se encuentre a una altura conveniente para realizar la lectura al nivel del ojo en condiciones normales de funcionamiento. La exposición debería permitir que el barógrafo esté uniformemente iluminado y, en caso necesario, se utilizará luz artificial. Cuando haya que enviarlo por avión, o transportarlo por cualquier otro medio a gran altitud, debería desconectarse el brazo de la plumilla y tomarse las precauciones necesarias para que el mecanismo soporte la sobrecarga causada al rebasarse el intervalo normal de medición del instrumento.

CAPÍTULO 3. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

3.10

COMPARACIÓN, CALIBRACIÓN Y MANTENIMIENTO

3.10.1

Requisitos generales para la comparación entre barómetros

A la vista de la importancia que revisten las observaciones exactas de la presión, especialmente con fines aeronáuticos y sinópticos, y teniendo en cuenta los diversos errores posibles a los que está expuesto el barómetro de mercurio, un inspector verificará regularmente todos los barómetros de la estación. En las secciones siguientes se ofrecen algunas orientaciones sobre el equipo que deberá utilizarse en las inspecciones, la frecuencia con que deberían efectuarse y otros temas relacionados. Cuando se empleen barómetros aneroides de precisión como barómetros de estación, deberían verificarse frecuentemente (como mínimo una vez por semana) por comparación con un barómetro de mercurio, y las comprobaciones deberían consignarse en un impreso adecuado o en un libro de registro especial. Puede prescindirse de la comparación con un barómetro de mercurio si se efectúan comparaciones diarias con un segundo barómetro aneroide instalado en la estación y con el análisis de las presiones realizadas en los alrededores de la estación. A efectos de confirmación, deberían efectuarse verificaciones semestrales mediante un patrón itinerante. Para referirse a las diversas categorías de barómetros de un Servicio Meteorológico Nacional podrán utilizarse los símbolos siguientes: A: barómetro patrón primario o secundario, con capacidad para realizar determinaciones de la presión independientes con una incertidumbre de 0,05 hPa o menor; B: barómetro patrón de trabajo, de diseño adecuado para llevar a cabo comparaciones de presión periódicas y con errores conocidos, determinados por comparación con un instrumento patrón primario o secundario; C: barómetro patrón de referencia, utilizado para comparaciones con barómetros patrón itinerantes y para comparaciones con barómetros de estación realizadas durante la inspección sobre el terreno de las estaciones de un Servicio Meteorológico Nacional; S: barómetro (de mercurio, aneroide o electrónico) emplazado en una estación meteorológica ordinaria; P: barómetro de mercurio, de buena calidad y exactitud, que puede trasladarse de una estación a otra sin perder su calibración;

I.3-17

N: barómetro aneroide de precisión, portátil y de primera calidad; Q: barómetro digital de precisión, portátil y de primera calidad, para ser utilizado como patrón itinerante (“Q” es la primera letra del término inglés “quality”; en español, “calidad”); M: microbarógrafo portátil de buena calidad y exactitud. Con objeto de que todos los Servicios Meteorológicos Nacionales establezcan programas similares de corrección de barómetros, conviene que se sigan prácticas uniformes en lo que respecta a la calidad del equipo que se utilizará, la frecuencia de las comparaciones, los procedimientos que se aplicarán, los cambios permisibles en la corrección de índice, y los criterios con respecto a las medidas correctivas. 3.10.2

Equipo utilizado en las comparaciones entre barómetros

3.10.2.1

Barómetro patrón primario

Hay opiniones diferentes sobre cuál es el mejor tipo de barómetro patrón primario. En los párrafos siguientes se describen dos tipos. Un posible patrón primario para la presión atmosférica consiste en una balanza de precisión de pesos muertos, que genera una presión calibrada en función de las masas de precisión utilizadas y del campo de gravedad local. Este tipo de barómetro es relativamente sencillo, y no está expuesto al problema de deriva excesiva que plantean los barómetros de mercurio en un ambiente contaminado. Otro posible patrón primario puede ser un barómetro de mercurio de alta calidad, especialmente diseñado a tal efecto. El patrón primario debe poseer un alto vacío, contener mercurio muy puro, de densidad bien conocida y mantenido a una temperatura constante, y estar emplazado en un entorno protegido de la contaminación. Necesita también una escala de medida calibrada y un dispositivo de lectura óptico. Estos tipos de barómetro miden la presión absoluta con gran exactitud, mientras que las balanzas de pesos muertos son instrumentos que miden la presión manométrica. 3.10.2.2

Barómetro patrón de trabajo

El barómetro patrón de trabajo y el de referencia, así como el itinerante utilizado para las comparaciones

I.3-18

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

con los barómetros de las estaciones, deberían mantener una gran estabilidad durante períodos largos. Estos barómetros pueden ser de mercurio o electrónicos. Los de mercurio deberían tener un tubo con un diámetro interior de al menos 12 mm. También es conveniente que estos instrumentos permitan efectuar comprobaciones del vacío. Todos los instrumentos tendrían que corregirse completa y cuidadosamente con respecto a todos los errores conocidos, que deberían determinarse en dos o más comparaciones recientes con barómetros de categoría superior. 3.10.2.3

Barómetro patrón itinerante

Un barómetro patrón itinerante fiable debe mantener durante el transporte su corrección dentro de un margen de 0,1 hPa. Antes y después de cada gira, debería calibrarse con respecto al patrón de trabajo o de referencia. Una vez efectuada esta operación, no debería abrirse ni ajustarse en modo alguno en tanto no se efectúe la comparación final en la estación de origen de la gira. Para que esté debidamente protegido, el transporte se efectuará manteniéndolo en un estuche acolchado de gran calidad. Cuando el patrón itinerante sea de mercurio debería efectuarse un examen cuidadoso antes de iniciar la gira, a fin de garantizar que el mercurio de la cubeta y del tubo estén limpios, que no haya burbujas en el tubo, y que el vacío de la cámara barométrica sea satisfactorio. Durante el manejo, embalaje y transporte de los patrones itinerantes deberían tomarse todas las precauciones necesarias para reducir al mínimo las posibles causas de variación, por leve que sea, de su corrección de índice. Deberían evitarse los movimientos rápidos y bruscos, que podrían causar el ascenso de burbujas de aire de la cubeta por el tubo del barómetro. Los patrones itinerantes de mercurio deberían transportarse en una caja de cuero o metal, debidamente acolchada, manteniendo siempre el extremo de la cubeta más alto que el tubo. 3.10.2.4

Especificaciones de los barómetros de mercurio portátiles de categoría P

Cuando se utilice un barómetro de mercurio como instrumento de categoría P, deberá estar diseñado de forma que permita comprobar el vacío, o que permita crear un vacío suficiente en la parte alta del tubo mediante una bomba de vacío. Es fundamental que exista una válvula de comprobación

que cierre el tubo herméticamente. Debería presentar también una estabilidad elevada durante períodos largos, y contar con un diámetro interior del tubo de 12 mm como mínimo. Además, será conveniente disponer de un medio para determinar si la cantidad de mercurio en la cubeta fija ha permanecido constante desde su llenado original. Como patrón itinerante se puede utilizar también un barómetro de Fortin, bien construido, con un tubo de diámetro interior no inferior a 9 mm o, preferiblemente, de 12 mm. En lo que concierne a la repetibilidad, se considera necesario un grado de exactitud de alrededor de 0,1 hPa. Los barómetros de categoría P deberían calibrarse para un amplio intervalo de presión y de temperatura, que abarque todos los valores posibles que pudieran presentarse. 3.10.2.5

Especificaciones de los barómetros electrónicos portátiles de categoría P

Los barómetros electrónicos portátiles han alcanzado ya un grado de desarrollo y fiabilidad que permite utilizarlos como barómetros de categoría P. El instrumento deberá tener un historial de fiabilidad, con correcciones asociadas a la deriva pequeñas, determinadas mediante varias comparaciones efectuadas durante un año o más con un barómetro patrón, y por encima del intervalo de presiones máximas a las que se prevé que funcionará el aparato. Se prefiere el barómetro electrónico con varios transductores de presión controlados por un microprocesador independiente. Deberá verificarse la exactitud del mecanismo de compensación de temperatura. Las lecturas de los transductores de presión deben efectuarse sin necesidad de tocarlos, y el barómetro tiene que ser lo suficientemente robusto como para soportar los choques a los que pudiera estar expuesto durante su transporte. 3.10.3

Comparación de barómetros

3.10.3.1

Comparación internacional de barómetros

Las comparaciones internacionales de barómetros tienen una gran importancia. De 1989 a 1991 se llevó a cabo en De Bilt (Países Bajos) la Intercomparación de barómetros digitales automáticos de la OMM. Solo mediante esas comparaciones es posible asegurar la uniformidad de los patrones

CAPÍTULO 3. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

nacionales de los instrumentos de medición de la presión atmosférica, y evitar con ello cualquier discrepancia en los datos de presión entre países diferentes. En la sección 3.10.4 se describe el procedimiento recomendado para realizar esas comparaciones. El programa de comparaciones consiste en: a) comparar el patrón de trabajo nacional B con el patrón primario o secundario A, al menos una vez cada dos años; si los barómetros A y B están situados en el mismo centro, no se necesitan patrones itinerantes; b) comparar el patrón de referencia C con el patrón de trabajo nacional B mediante patrones itinerantes, al menos una vez cada dos años; c) comparar el barómetro de estación S con el patrón de referencia C mediante patrones itinerantes, al menos una vez por año, o por comparación con el patrón de trabajo B cada uno o dos años, según las características conocidas de los barómetros que se utilicen. El que la comparación se realice en la estación o en un servicio central de calibración dependerá de las normativas vigentes. En este último caso no se requieren patrones itinerantes. Se entenderá que el error de cada barómetro al final de cualquier eslabón de la cadena de comparaciones se determina con respecto al barómetro patrón primario o secundario A, de manera que los resultados de las lecturas barométricas corregidas sean absolutos en cada etapa. 3.10.3.2

Inspección de los barómetros de estación

Para inspeccionar los barómetros de estación es apropiado el modelo de Fortin, con un tubo de diámetro interior de 9 mm; consúltense, sin embargo, las restricciones sobre el transporte de instrumentos de mercurio indicadas en la sección 3.2.7.3. Como patrones itinerantes pueden utilizarse también barómetros aneroides de precisión y barómetros electrónicos, siempre que tengan la estabilidad y exactitud necesarias. Se recomienda utilizar tres o más instrumentos a la vez, con el fin de detectar inmediatamente cualquier cambio que se produzca en alguno de ellos. El barómetro aneroide que se utilice con este propósito no debe experimentar efectos de histéresis y, además, debería tener un coeficiente de temperatura despreciable. Estas características se consiguen solo con materiales y diseños especiales. Para que un instrumento se considere adecuado, resulta fundamental que el mecanismo indicador no se apoye sobre la cápsula

I.3-19

aneroide. Los barómetros de lectura digital son muy convenientes como patrones itinerantes, siempre y cuando su estabilidad sea lo suficientemente buena. 3.10.3.3

Procedimientos de comparación de los barómetros de mercurio

En términos generales, se seguirán las instrucciones indicadas en las secciones anteriores. Deberían adoptarse con gran esmero todas las precauciones normales necesarias para el emplazamiento y las lecturas de los barómetros en la estación. Diversos estudios ponen de relieve que, si se toman las precauciones debidas, en una comparación de barómetros pueden alcanzarse normalmente lecturas con una desviación respecto al promedio no superior a 0,05 hPa. Las lecturas comparativas de los barómetros deberían consignarse en formularios adecuados. El instrumento tendría que ir acompañado de un registro permanente de todas las comprobaciones, que incluiría información sobre la fecha de la comparación, la presión y la temperatura a la que se efectuó, y las correcciones obtenidas. Los informes de las comparaciones de barómetros deberían enviarse a los Servicios Meteorológicos Nacionales, donde se evaluarán los errores, se calcularán y publicarán las correcciones, y se determinarán las medidas correctoras necesarias. Sería preciso mantener registros continuos de los datos de comparación de cada barómetro de estación, con objeto de estudiar su respuesta durante un período de años y de detectar sus defectos. Los registros tabulares y/o gráficos constituyen herramientas visuales útiles para un programa de control de la calidad de los barómetros. 3.10.3.4

Verificación de los barómetros electrónicos

Teniendo en cuenta el estado actual de desarrollo de los barómetros electrónicos, es importante verificar su exactitud a intervalos de un año aproximadamente. Según el procedimiento habitual, el barómetro electrónico se calibra en un centro de calibración inmediatamente antes de enviarlo a la estación meteorológica de observación. En esta última se efectuarán durante varios días lecturas coparativas de la presión entre el barómetro electrónico y el patrón itinerante. Tales lecturas deberían realizarse con todos los barómetros colocados a la misma altura, cuando la velocidad del viento sea inferior a 12 m s–1 y la presión sea estable o

I.3-20

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

experimente variaciones inferiores a 1 hPa h–1. Un barómetro electrónico cuya diferencia media con respecto al patrón itinerante exceda de 0,25 hPa debería considerarse no apto para el servicio y tendría que ser devuelto al centro de calibración a fin de ser calibrado de nuevo. Si fuera posible, sería aconsejable instalar dos barómetros electrónicos independientes en una estación meteorológica de observación, preferentemente uno de ellos con una deriva histórica baja. Este último será identificado por el personal del servicio de calibración atendiendo a su historial y se denominará barómetro de deriva baja. A la llegada de cada nuevo barómetro a la estación, se realizará la serie de lecturas comparativas descritas anteriormente y se establecerá la diferencia media entre el barómetro de deriva baja y el nuevo. Finalizada esta operación, deberían efectuarse lecturas diarias con ambos barómetros para luego calcular las correspondientes diferencias entre lecturas y hallar la suma acumulada de 25 diferencias. Si el barómetro de deriva baja y el nuevo presentan derivas distintas, la suma acumulada de esas 25 diferencias variará. Cuando una estación tenga un barómetro de mercurio y otro electrónico, el barómetro de deriva baja será normalmente el de mercurio. Con todo, los valores de deriva baja del barómetro de mercurio deberían verificarse mediante pruebas de calibración regulares. Estas pruebas no constituyen una inspección o una nueva calibración del barómetro electrónico. Cada Servicio Meteorológico Nacional debería establecer procedimientos de inspección y calibración minuciosos para sus instrumentos electrónicos, utilizando como guía el método descrito anteriormente. 3.10.4

Procedimiento general recomendado para la comparación de barómetros situados en emplazamientos diferentes

La comparación de los barómetros es esencial, y debería realizarse de los siguientes modos: a) Si se trata de comparar el barómetro “1” con el barómetro “2”, una persona cualificada debería transportar tres o más patrones itinerantes, preferentemente de categoría P, desde el barómetro “1” al “2”, y retornar al “1”, cerrando así el circuito. Este procedimiento es aplicable tanto entre países como a nivel nacional en cada uno de ellos. De ordinario, el barómetro “1” se encuentra en el laboratorio central de una organización nacional de normalización, o en el

laboratorio de un Servicio Meteorológico Nacional. El barómetro “2” está instalado en otro lugar. El transporte de instrumentos patrón de categorías N y M es facultativo, y podrá prescindirse de M si ambos emplazamientos cuentan con microbarógrafos de buena calidad. b) A efectos de normalización, los patrones itinerantes deberían estar colocados cerca del barómetro objeto de la comparación, y todos los instrumentos estar igualmente expuestos durante 24 horas como mínimo antes de que comiencen las lecturas comparativas oficiales. Una corriente de aire generada por un ventilador eléctrico situado sobre los instrumentos ayudará a igualar sus temperaturas. La temperatura del recinto debería mantenerse en el nivel más uniforme posible. Nota: Debería desconectarse el ventilador antes de iniciar la comparación.

c) Cuando el patrón de categoría M indique que la presión fluctúa rápidamente, no deberían tomarse lecturas comparativas. Debería darse preferencia en las comparaciones a los períodos de calma barométrica, es decir, cuando la presión sea estable o cambie lentamente. d) Las lecturas comparativas deberían realizarse a intervalos uniformes de no menos de 15 minutos. e) De la experiencia se desprende que se necesitan al menos cinco lecturas comparativas para los barómetros de categoría S de las estaciones ordinarias. Para los barómetros de las categorías A, B y C, harán falta al menos diez lecturas comparativas con fines de normalización. f) Cuando las condiciones meteorológicas lo permitan, las lecturas comparativas de estos últimos casos deberían efectuarse a presiones distintas, tanto altas como bajas. g) En el registro debería consignarse lo siguiente: las observaciones del termómetro unido; las lecturas de los patrones itinerantes y las de los barómetros objeto de comparación; la velocidad, dirección y régimen racheado (rafagosidad) del viento; las correcciones por gravedad, por temperatura y por error instrumental; la elevación real por encima del nivel del mar del punto cero de los barómetros; y la latitud, longitud, nombre del lugar, fecha y hora de las observaciones. h) Cuando se utilicen barómetros de categoría N, sus lecturas deberían realizarse con dos o más barómetros aneroides de precisión y corregirse respecto a una referencia común si la comparación con instrumentos de categoría A o B evidencia diferencias en la calibración. Las lecturas corregidas de los barómetros aneroides deben concordar con los márgenes de tolerancia

CAPÍTULO 3. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

i)

j)

estipulados para el instrumento; de no ser así, la comparación se considerará inválida. Cuando en la comparación se utilicen patrones itinerantes, el barómetro “1” debe ser el barómetro patrón de clase más alta disponible en el punto de partida. El barómetro “1” debería ser de categoría A, B o Br (véase la sección 3.10.5.1), siendo la categoría C la calidad más baja aceptable. El barómetro “1” requiere llevar a cabo dos series de comparaciones con los patrones itinerantes, en los momentos siguientes: i) Antes de transportar a mano los patrones itinerantes desde el emplazamiento del barómetro “1” hasta el del barómetro “2”. ii) Después de que los patrones itinerantes vuelvan a su punto de partida, tras su desplazamiento desde y hasta el emplazamiento del barómetro “2”. Deberían comprobarse los resultados de las comparaciones efectuadas “antes” y “después”. Si la concordancia con el barómetro “1” permanece dentro de los márgenes de tolerancia satisfactorios de los instrumentos, cabe suponer que las comparaciones entre los patrones itinerantes y el barómetro “2” permanecen también dentro de las tolerancias establecidas, siempre que se hayan adoptado las debidas precauciones durante todas las etapas del proceso de comparación. Pero si hay un desacuerdo significativo, o se tiene noticia de algún contratiempo con consecuencias perjudiciales para los instrumentos, o si, por cualquier motivo se pone en duda la validez de los datos de la comparación, se considerará que el ejercicio de comparación no tiene validez, y deberá repetirse todo el procedimiento. En la medida en que sea viable, todas las discrepancias deberían estar finalmente expresadas con respecto a una lectura primaria o secundaria de un barómetro de categoría A. Con ello, se establecerá una base común para todas las comparaciones. En el informe sobre las comparaciones debería indicarse el patrón utilizado en cada caso. Nota: Cuando se opte por un programa en el que haya que suprimir los errores barométricos residuales, se dispondrá de un sistema homogéneo de datos barométricos de observación conformes a un solo patrón, que permitirá eliminar los errores de los gradientes horizontales de presión causados por fuentes instrumentales.

k) Será necesario comparar los instrumentos, antes y después de volver a instalar los barómetros en una estación o en un laboratorio, o de la limpieza del mercurio, a fin de detectar rápidamente la aparición de defectos.

3.10.5

Comparación regional de barómetros

3.10.5.1

Nomenclatura y símbolos

I.3-21

Los símbolos descriptivos de las distintas categorías de barómetros son los siguientes: Ar: barómetro de categoría A seleccionado por acuerdo regional como patrón de referencia de los barómetros de la Región; Br: barómetro de categoría B que los Servicios Meteorológicos Nacionales de la Región convienen en utilizar como barómetro patrón de la Región, en caso de que esta no disponga de un barómetro de categoría A. El anexo 3.B contiene la lista de barómetros patrón a nivel regional. 3.10.5.2

Sistema de comparación interregional

A la hora de planificar las comparaciones interregionales han de tenerse en cuenta las medidas siguientes: a) En cada Región, los países Miembros designarán un barómetro patrón primario o secundario A que opere como Ar de la Región. Si en esta no se dispone de un barómetro primario o secundario, se designará conjuntamente un barómetro de categoría B como patrón regional para esa Región, identificado mediante el símbolo Br. Los costos relativos determinarán si para una Región puede considerarse ventajoso designar más de un barómetro patrón. b) Una persona competente se encargará de llevar consigo los patrones itinerantes desde una estación central equipada con un barómetro de categoría Ar hasta una Región próxima provista como mínimo de un barómetro de categoría B o Br. Se efectuará entonces una comparación de los barómetros conforme al método descrito en la sección 3.10.3. A efectos de verificación e intercomparación, a veces resulta conveniente repetir el proceso, y comparar el barómetro Br con un barómetro Ar de otra Región. c) Deberían enviarse copias de los registros de la comparación a cada una de las estaciones centrales provistas de un barómetro de categoría A, y a la estación donde se encuentre el barómetro B o Br que haya sido comparado. Asimismo, deberían enviarse resúmenes de los resultados de la comparación a todos los Servicios Meteorológicos Nacionales de la Región en que esté situado el barómetro B o Br.

I.3-22

3.10.5.3

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

Sistema de comparación internacional dentro de una Región

razonable. Donde esto no pueda llevarse a cabo, la estación debería comunicar, mediante acuerdo de ámbito regional, la altura geopotencial de un “nivel de presión constante” convenido, o la presión reducida a un nivel de referencia acordado para la estación. El nivel seleccionado para cada estación debería comunicarse a la Secretaría de la OMM para su difusión.

Cuando se planifica una comparación internacional deben tenerse en cuenta las medidas siguientes: a) cada Servicio Meteorológico Nacional comparará sus barómetros de categoría B con el barómetro de categoría A de la Región, si se dispone de él, mediante el sistema descrito en la sección 3.10.4; cuando sea posible, debería darse preferencia al barómetro de categoría A de la Región como instrumento patrón de toda la zona; b) cuando en una Región no se disponga de un barómetro de categoría A, se compararán los barómetros de categoría B de los respectivos Servicios Meteorológicos Nacionales de la Región con el barómetro de categoría Br de la Región, conforme a lo descrito en la sección 3.10.4; c) cuando en la ejecución del programa de comparación de barómetros B y Br participe una persona competente, convendrá que efectúe otras comparaciones con barómetros de las categorías B y C durante su viaje de ida y vuelta a la estación en que esté emplazado el barómetro Br de la Región; d) se prepararán copias de los registros y resúmenes de las comparaciones, que se enviarán a los organismos interesados conforme a lo indicado en el apartado c) de la sección 3.10.5.2.

donde p0 es la presión reducida al nivel del mar en hPa; pS es la presión de la estación en hPa; Kp es la constante 0,014 827 5 K/mgp; Hp es la elevación de la estación en mgp; Tmv es la temperatura virtual media en K; TS es la temperatura de la estación en K; TS = 273,15 + t, donde t es la temperatura de la estación en °C; a es el valor supuesto del gradiente vertical en la columna de aire ficticia comprendida entre el nivel del mar y el nivel de elevación de la estación y es igual a 0,006 5 K/mgp; eS es la presión de vapor en la estación en hPa; Ch es el coeficiente 0,12 K/hPa.

3.11

Esta misma fórmula se utiliza a menudo en la forma exponencial:

AJUSTE DE LAS LECTURAS DEL BARÓMETRO A OTROS NIVELES

Para que las lecturas de barómetro efectuadas en estaciones de diferente altitud puedan ser comparadas, es preciso reducirlas al mismo nivel. Para ello se utilizan diversos métodos, aunque hasta el momento la OMM no ha recomendado ninguno en particular, salvo en el caso de las estaciones situadas a un nivel bajo. El método recomendado ha sido descrito en OMM (1954, 1964 y 1968). En OMM (1966) se encontrará una serie completa de fórmulas que pueden utilizarse para cálculos relativos a la presión. 3.11.1

Niveles normalizados

El valor observado de la presión atmosférica debería reducirse al nivel medio del mar (véase el capítulo 1 de la parte I) en todas las estaciones en que ello sea posible con un grado de exactitud

Fórmula de reducción para la presión al nivel del mar para estaciones por debajo de 750 m (de OMM, 1964, pág. 22, ecuación 2):

log10

p0 K p ⋅ H p = = pS Tmv

Kp ⋅ Hp a⋅ Hp TS + + eS ⋅ Ch 2

gn ⋅ Hp R p0 = pS ⋅ exp( ) a⋅ Hp TS + + eS ⋅ Ch 2

(3.1)

(3.2)

donde gn es la gravedad normal tipo, que toma el valor 9,806 65 m s–2, y R es la constante de los gases para el aire seco, que es igual a 287,05 J kg–1 K–1.

3.11.2

Estaciones de nivel bajo

En las estaciones de nivel bajo (es decir, las que se encuentran a una altura de menos de 50 m sobre el nivel medio del mar) las lecturas de presión deberían reducirse al nivel medio del mar añadiendo, al valor de la presión obtenido en la estación, una constante de reducción C con arreglo a la expresión siguiente:

CAPÍTULO 3. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

C = p · Hp /29,27 Tv

(3.3)

donde p es la presión observada en la estación, expresada en hectopascales; Hp es la elevación de la estación en metros; y Tv es el valor normal anual medio de la temperatura virtual en la estación, en kélvines. Nota: La temperatura virtual del aire húmedo es la temperatura a la que el aire seco, sometido a la misma presión, tendría la misma densidad que el aire húmedo. En OMM (1966) se indican los incrementos de temperatura virtual del aire saturado a distintas presiones y temperaturas.

Este procedimiento debería emplearse únicamente en estaciones cuya elevación sea tan baja que, si se sustituye en la ecuación anterior Tv por los valores extremos absolutos de la temperatura virtual, la desviación del resultado generada por las demás aproximaciones de la ecuación (uso de la altura en lugar de la altura geopotencial normalizada, y valores de C pequeños en comparación con p) puede despreciarse en términos comparativos.

3.12

I.3-23

TENDENCIA DE LA PRESIÓN Y CARACTERÍSTICA DE LA TENDENCIA DE LA PRESIÓN

En las estaciones de observación sinóptica en superficie, la tendencia de la presión y la característica de la tendencia de la presión deberían obtenerse a partir de las observaciones de la presión realizadas durante las 3 horas anteriores a la hora de observación (a lo largo de las últimas 24 horas en las regiones tropicales). La característica de la tendencia de la presión suele describirse atendiendo a la forma de la curva registrada por un barógrafo durante el período de 3 horas previo a una observación (OMM, 2010b). Cuando las observaciones son horarias, la magnitud y la característica pueden basarse en solo cuatro observaciones, y ello es susceptible de dar lugar a interpretaciones inexactas. Por esta razón, se recomienda determinar la característica para una frecuencia de observación mayor, por ejemplo a intervalos de 10 minutos (OMM, 1985). Se han definido nueve tipos de característica de la tendencia de la presión (OMM, 2010a, pág. II-4-8).

I.3-24

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

ANEXO 3.A CORRECCIÓN DE LAS LECTURAS DEL BARÓMETRO EN CONDICIONES NORMALES

Corrección del error de índice Los errores residuales de la graduación de la escala de un barómetro deberían determinarse mediante comparación con un instrumento patrón. Pueden contener errores que se deban a la inexactitud en la posición o en la subdivisión de la escala, a la capilaridad o a un vacío imperfecto. Los certificados de comparación con el instrumento patrón deberían especificar las correcciones que habrá que aplicar para subsanar el error de índice en no menos de cuatro puntos de la escala, por ejemplo cada 50 hPa. En un buen barómetro, estas correcciones no deberían exceder de unas décimas de hectopascal. Correcciones por gravedad La lectura de un barómetro de mercurio a una presión y temperatura dadas depende del valor de la gravedad, que varía a su vez con la latitud y con la altitud. Los barómetros destinados a aplicaciones meteorológicas se calibran de modo que proporcionen lecturas de la presión verdadera en condiciones de gravedad normal, es decir, 9,806 65 m s–2, y será necesario corregir toda lectura efectuada para cualquier otro valor de gravedad. Para reducir esas lecturas a la gravedad normal se recomienda el método siguiente. Sean B la lectura observada del barómetro de mercurio, Bt la lectura reducida a la temperatura normal pero no a la gravedad normal, después de corregidos los errores instrumentales, Bn la lectura del barómetro reducida a la gravedad normal y a la temperatura normal, después de corregidos los errores instrumentales, Bca la media climatológica de Bt en la estación, gφ H la aceleración local de la gravedad (en m s–2) en una estación de latitud φ y elevación H por encima del nivel del mar, y gn el valor normal de la aceleración de la gravedad: 9,806 65 m s–2. Las relaciones siguientes son apropiadas: Bn = Bt ( gφ H /gn )

(3.A.1)

Bn = Bt + Bt [( gφ H /gn ) – 1]

(3.A.2)

o bien:

Se puede utilizar la ecuación aproximada 3.A.3, siempre que su resultado no difiera en más de 0,1 hPa del resultado que se habría obtenido con la ecuación 3.A.2: Bn = Bt + Bca [( gφ H /gn ) – 1]

(3.A.3)

La aceleración local de la gravedad, gφH , debería determinarse mediante el procedimiento descrito en la sección siguiente. Debería considerarse que los valores así obtenidos forman parte de la Red internacional de normalización de la gravedad 1971 (International Gravity Standardization Net 1971, IGSN71). Determinación de la aceleración local de la gravedad Para determinar en una estación el valor local de la aceleración de la gravedad con un grado de precisión satisfactorio, debería utilizarse una de las dos técnicas descritas a continuación. La primera técnica consiste en utilizar un gravímetro (instrumento que mide la diferencia entre los valores de la aceleración de la gravedad en dos puntos), y la segunda se basa en las “anomalías de Bouguer”. Debería darse preferencia al método del gravímetro. Si no fuera posible aplicar ninguno de esos dos métodos, podrá calcularse la aceleración local de la gravedad mediante un modelo simple de la Tierra. Utilización de un gravímetro Supongamos que g1 representa el valor conocido de la aceleración local de la gravedad en cierto punto O, generalmente una estación base gravimétrica establecida por una organización geodésica, donde g1 figura en la IGSN71, y supongamos también que g representa el valor desconocido de la aceleración local de la gravedad, expresada en el sistema gravitatorio meteorológico, en otro punto X, del que se desea obtener el valor g. Sea ∆ g la diferencia de aceleración de la gravedad entre los dos lugares, observada mediante un gravímetro. Es decir, el valor en el punto X menos el valor en el

CAPÍTULO 3. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

punto O en un sistema congruente. En tales condiciones, g vendrá dado por la ecuación 3.A.4: g = g1 + ∆ g

(3.A.4)

Utilización de las anomalías de Bouguer Si no se dispone de un gravímetro, es posible utilizar las anomalías de Bouguer interpoladas (AB ) para obtener el valor de g en un punto dado. Es necesario disponer de un mapa de isohipsas de las anomalías, obtenido de una organización geodésica o de una red de estaciones gravimétricas distribuidas conforme a una densidad de al menos una estación por cada 10 000 km2 (no más de 100 km de distancia entre estaciones) en las proximidades del punto. Se pueden utilizar como referencia redes gravimétricas de densidad algo inferior, siempre y cuando la organización geodésica considere que ese método puede dar resultados más fiables que los obtenidos mediante un gravímetro. La definición de la anomalía de Bouguer (AB ) se deduce de la ecuación 3.A.5: gs = ( gφ ,0 )s – C · H + AB

(3.A.5)

donde ( gφ ,0 )s es el valor teórico de la aceleración de la gravedad a la latitud φ al nivel del mar, como se deduce de la fórmula efectivamente utilizada para calcular la anomalía de Bouguer. La fórmula expresa el valor en función de la latitud en algunos sistemas. H es la elevación de la estación (en metros) sobre el nivel del mar a la que se ha medido gs , que es el valor observado de la aceleración de la gravedad (en m s–2); AB es la anomalía de Bouguer (en m s–2); y C es el factor de corrección de elevación utilizado para calcularla (por ejemplo, cuando se utiliza un valor específico de 2,67 para la gravedad de la corteza terrestre, el factor es 0,000 001 968 m s–2). Cuando se desea conocer el valor de g en una estación dada y dicho valor no ha sido medido, el valor de gs debería calcularse mediante la ecuación 3.A.5, a condición de que el valor apropiado de AB correspondiente al emplazamiento de la estación pueda ser interpolado a partir de los mapas de isohipsas mencionados anteriormente o de los datos que representan las anomalías de Bouguer facilitados por una red adecuada de estaciones gravimétricas. Cálculo de la aceleración local de la gravedad Si no fuera posible aplicar ninguno de los métodos precedentes, podrá obtenerse con menor exactitud

I.3-25

el valor local mediante un modelo simple. Según el Sistema Geodésico de Referencia 1980, el valor teórico (gφ 0 ) de la aceleración de la gravedad al nivel medio del mar y a la latitud geográfica φ , se calcula mediante la ecuación 3.A.6: gφ 0 = 9,806 20 (1 – 0,002 644 2 cos 2φ + 0,000 005 8 cos2 2φ ) (3.A.6) El valor local de la aceleración de la gravedad en un punto dado de la superficie del terreno en una estación terrestre se calcula mediante la ecuación 3.A.7: g = gφ 0 – 0,000 003 086 H + 0,000 001 118 (H – H’ )

(3.A.7)

donde g es el valor local calculado de la aceleración de la gravedad, en m s–2, en un punto dado; gφ 0 es el valor teórico de la aceleración de la gravedad en m s–2 al nivel medio del mar y a la latitud geográfica φ , calculado con arreglo a la ecuación 3.A.6 anterior; H es la elevación real del punto, en metros sobre el nivel medio del mar; y H’ es el valor absoluto, en metros, de la diferencia entre la altura del punto y la altura media de la superficie real del terreno comprendida en un círculo de unos 150 km de radio centrado en el punto. El valor local de la aceleración de la gravedad en un punto dado a la altura H sobre el nivel medio del mar sin exceder de 10 km, y cuando dicho punto esté situado sobre la superficie del agua del mar, se calcula mediante la ecuación 3.A.8: g = gφ 0 – 0,000 003 086 H – 0,000 006 88 (D – D’ )

(3.A.8)

donde D es la profundidad del agua, en metros, por debajo del punto dado; y D’ es la profundidad media del agua, en metros, dentro de un círculo de unos 150 km de radio en torno al punto. En estaciones o puntos situados en la costa o en sus proximidades, el valor local de la aceleración de la gravedad debería calcularse, en la medida de lo posible, mediante las ecuaciones 3.A.7 y 3.A.8 en términos de promedio, ponderando el último término de la ecuación 3.A.7 a lo largo del área relativa de la superficie terrestre abarcada por el círculo y haciendo lo propio con el último término de la ecuación 3.A.8 a lo largo del área relativa del mar abarcada por el círculo. Posteriormente se combinan algebraicamente los valores así obtenidos para obtener una corrección que se aplicará al segundo miembro de ambas ecuaciones, según se muestra en la ecuación 3.A.9:

I.3-26

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

g = gφ 0 – 0,000 003 086 H + 0,000 001 118 α (H – H’ ) – 0,000 006 88 (1 – α ) (D – D’ ) (3.A.9)

consiguiente, se precisa un término de corrección para los dos tipos de barómetro de mercurio.

donde α es la fracción de superficie terrestre del área especificada, y H’ y D’ designan las áreas reales de tierra y de agua, respectivamente.

El barómetro de cubeta fija necesita una corrección complementaria. La razón de ello es que un incremento de la temperatura del instrumento da lugar a un aumento del volumen del mercurio y de las áreas de la sección transversal de la cubeta (hierro) y del tubo (vidrio). Debido a esos cambios, el ascenso aparente del mercurio causado por el incremento de temperatura es inferior al que se produciría si las áreas permanecieran constantes. Esto sucede porque parte del mercurio del barómetro pasa a ocupar el incremento de capacidad causado por la dilatación de la cubeta y del tubo.

Correcciones de temperatura Es necesario corregir las lecturas del barómetro a los valores que se habrían obtenido si el mercurio y la escala hubieran estado a temperaturas normales. La temperatura normal de los barómetros de mercurio es 0 °C. Por lo que respecta a las escalas, algunos barómetros las tienen de forma que proporcionan lecturas exactas a esa misma temperatura, 0 °C, aunque otros las dan a 20 °C. La corrección de temperatura que necesitan los barómetros de cubeta ajustable (de tipo Fortin) es diferente de la que necesitan los de cubeta fija, aunque el principio básico que hace necesaria la corrección de temperatura es el mismo para ambos tipos, a saber, que el coeficiente de dilatación térmica cúbica del mercurio es diferente del coeficiente de dilatación térmica lineal de la escala. Por

Por diversas razones, la escala de un barómetro de cubeta fija debe estar calibrada tomando como referencia un barómetro patrón primario de cubeta ajustable. Algunos fabricantes reducen el volumen del mercurio de manera que las lecturas del barómetro de prueba concuerden con las del barómetro patrón a 20 °C. Las lecturas de un barómetro patrón primario, cuyas escalas son exactas cuando se utiliza 20 °C como temperatura de referencia, permiten elaborar tablas de corrección para los barómetros de cubeta fija.

Correcciones de temperatura para los barómetros de mercurio Diversos investigadores han realizado estudios exhaustivos sobre las correcciones de temperatura para los barómetros de mercurio, cuyos resultados se resumen en la tabla siguiente: 1.

a) escala correcta a 0 °C y, además, b) volumen de Hg correcto a 0 °C

Ct = –B(α – β ) ·t Ct,V = –B(α – β )·t – (α – 3η ) ·4V/3A

2.

escala correcta a 0 °C y volumen de Hg correcto a 20 °C

Ct,V = – B(α – β ) ·t – (α – 3η ) ·(t – 20) ·4V/3A

3.

a) escala correcta a 20 °C b) volumen de Hg correcto a 0 °C c) disminución del volumen de Hg en una cantidad equivalente a 0,36 hPa

4.

escala correcta a 20 °C y a) volumen de Hg correcto a 20 °C b) disminución del volumen de Hg en una cantidad equivalente a 0,36 hPa

Ct = –B[α ·t – β · (t – 20)] Ct,V = –B· t – β ·(t – 20)] – (α – 3η ) ·t ·(4V/3A) Ct,V = – B(α – β ) ·t – (α – 3η ) ·t · (4V/3A) Ct,V = – B· t – β ·(t – 20)] – (α – 3η ) ·(t – 20) ·(4V/3A) Ct,V = –B(α – β ) ·t – (α – 3η ) ·(t – 20) ·(4V/3A)

donde: Ct = Ct,V = B = V =

corrección de temperatura; corrección adicional para los barómetros de cubeta fija; lectura observada del barómetro; volumen total de mercurio en el barómetro de cubeta fija;

A t α β η

= = = = =

área de sección transversal efectiva de la cubeta; temperatura; dilatación térmica cúbica del mercurio; coeficiente de dilatación térmica lineal de la escala; coeficiente de dilatación térmica lineal de la cubeta.

CAPÍTULO 3. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

I.3-27

ANEXO 3.B BARÓMETROS PATRÓN REGIONALES

Región OMM I

Categoría a

Casablanca (Marruecos)

Ar

Dakar (Senegal)

Ar

Douala (Camerún)

Ar

El Cairo (Egipto)

Ar

Kinshasa/Binza (República Democrática del Congo)

Ar

Nairobi (Kenya)

Ar

Orán (Argelia)

Ar

II

Calcuta (India)

Br

III

Buenos Aires (Argentina)

Br

Maracay (Venezuela, República Bolivariana de)

Br

Río de Janeiro (Brasil)

Ar

Miami, Florida (Estados Unidos de América) (subregional)

Ar

San Juan (Puerto Rico) (subregional)

Ar

Toronto (Canadá) (subregional)

Ar

Washington DC (Gaithersburg, Maryland) (Estados Unidos de América)

Ar

V

Melbourne (Australia)

Ar

VI

Londres (Reino Unido de Gran Bretaña e Irlanda del Norte)

Ar

San Petersburgo (Federación de Rusia)

Ar

Trappes (Francia)

Ar

Hamburgo (Alemania)

Ar

IV

a

Emplazamiento

Para las definiciones de categoría, véase la sección 3.10.5.1.

I.3-28

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA Liu, H. y G. Darkow, 1989: Wind effect on measured atmospheric pressure. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, volumen 6, número 1, págs. 5 a 12. Miksad, R., 1976: An omni-directional static pressure probe. Journal of Applied Meteorology, volumen 15, págs. 1215 a 1225. Organización Meteorológica Mundial, 1954: Reduction of Atmospheric Pressure: Preliminary Report on Problems Involved. Nota técnica Nº 7 de la OMM, WMO-No. 36, TP. 12, Ginebra. —, 1964: Note on the Standardization of Pressure Reduction Methods in the International Network of Synoptic Stations. Nota técnica Nº 61 de la OMM, WMO-No. 154, TP. 74, Ginebra. —, 1966: International Meteorological Tables (S. Letestu, ed.) (modificación de 1973), (WMO-No. 188), Ginebra. —, 1968: Methods in Use for the Reduction of Atmospheric Pressure. Nota técnica Nº 91 de la OMM, WMO-No. 226, TP. 120, Ginebra. —, 1985: Pressure tendency and discontinuity in wind (L. Bergman, T. Hovberg y H. Wibeck).

Ponencias presentadas en la tercera Conferencia técnica de la OMM sobre instrumentos y métodos de observación (TECIMO-III), Informe Nº 22 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 50, Ginebra. —, 1992: The WMO Automatic Digital Barometer Intercomparison ( J. P. van der Meulen). Informe Nº 46 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 474, Ginebra. —, 2006: Guía de sistemas meteorológicos de observación para los servicios meteorológicos aeronáuticos. OMM-Nº 731, Ginebra. —, 2010a: Manual del Sistema Mundial de Proceso de Datos y de Predicción. OMM-Nº 485, Ginebra. —, 2010b: Manual del Sistema Mundial de Observación. OMM-Nº 544, Ginebra. Sax, N. I. 1975: Dangerous Properties of Industrial Materials. Cuarta edición, Van Nostrand Reinhold Co., Nueva York. United States Weather Bureau, 1963: Manual of Barometry (WBAN). Volumen 1, primera edición, US Government Printing Office, Washington D. C.

CAPÍTULO 4. CAPÍTULO MEDICIÓN DE4 LA HUMEDAD

I.4-1

MEDICIÓN DE LA HUMEDAD

GENERALIDADES

4.1

La humedad atmosférica, y con frecuencia también su registro continuo, es un parámetro importante en la mayoría de los ámbitos de la actividad meteorológica. En el presente capítulo se considera la medición de la humedad en la superficie terrestre o cerca de ella. Son numerosos los métodos utilizados, y es amplia la documentación sobre el tema. Wexler (1965) ofrece una amplia gama, antigua pero todavía útil, de estas técnicas de medición. 4.1.1

Definiciones

Las definiciones de los términos utilizados en el presente capítulo concuerdan con las del Reglamento Técnico de la OMM (OMM, 1988, apéndice B), cuyo texto se reproduce en el anexo 4.A de este capítulo. Las definiciones simples que más se utilizan para expresar las distintas magnitudes en la medición de la humedad son las siguientes: Razón de mezcla, r: es la relación entre la masa de vapor de agua y la masa de aire seco. Humedad específica, q: es la relación entre la masa de vapor de agua y la masa de aire húmedo. Temperatura del punto de rocío, Td : es la temperatura a la cual el aire húmedo, saturado con respecto al agua a una presión dada, tiene una razón de mezcla de saturación igual a la razón de mezcla dada. Humedad relativa, U: es la razón, expresada en porcentaje, entre la presión de vapor observada y la tensión del vapor saturante con respecto al agua a la misma temperatura y presión. Presión del vapor, e’ : es la presión parcial de vapor de agua en el aire. Tensiones saturantes del vapor, e’w y e’i : son las presiones de vapor en el aire en estado de equilibrio con la superficie de agua o de hielo, respectivamente. En el anexo 4.B figuran fórmulas para calcular diversas mediciones de la humedad. Estas versiones de fórmulas y coeficientes fueron adoptadas por la OMM en 1990.1 Son útiles y suficientemente exactas para todas las aplicaciones meteorológicas ordinarias (OMM, 1989a).

1

Adoptado por el Consejo Ejecutivo en su 42ª reunión mediante la Resolución 6 (EC-XLII).

Sonntag (1990; 1994) da fórmulas más exactas y detalladas para estas y otras magnitudes. Se presentan otras fórmulas2 detalladas en OMM (1966, introducciones a las tablas 4.8 a 4.10) y en OMM (1988, apéndice A).3 4.1.2

Unidades y escalas

Las unidades y los símbolos que se utilizan normalmente para expresar las magnitudes más usadas en relación con el vapor de agua en la atmósfera son las siguientes: a) la razón de mezcla, r, y la humedad específica, q (en kg kg–1); b) la presión de vapor en el aire, e’, e’w , e’i , así como la presión, p (en hPa); c) la temperatura, T; la temperatura del termómetro húmedo, Tw ; la temperatura del punto de rocío, Td ; y la temperatura del punto de escarcha Tf (en K); d) la temperatura, t; la temperatura del termómetro húmedo, tw ; la temperatura del punto de rocío, td ; y la temperatura del punto de escarcha tf (en °C); e) la humedad relativa, U (en porcentaje). 4.1.3

Requisitos meteorológicos

Las mediciones de humedad en la superficie terrestre sirven para el análisis y la predicción meteorológicos, para los estudios climatológicos y, en general, para muchas otras aplicaciones especiales en hidrología, agricultura, servicios aeronáuticos y estudios medioambientales. También tienen gran importancia por su vinculación con los cambios del estado del agua en la atmósfera. En el capítulo 1 de la parte I y en el cuadro 4.1 se detallan los requisitos generales relativos al rango, la resolución y la exactitud de las mediciones de la humedad. Los grados de exactitud alcanzables que figuran en el cuadro se refieren a instrumentos de

2

Adoptado por el Cuarto Congreso mediante la Resolución 19 (Cg-IV).

3

La corrección de errores de OMM (1988), publicada en 2000, contiene un error tipográfico; la fórmula correcta se proporciona en OMM (1966).

I.4-2

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

Cuadro 4.1. Resumen de los requisitos de rendimiento aplicables a la medición de la humedad en la superficie Temperatura del termómetro húmedo

Humedad relativa

Temperatura del punto de rocío

–10 a 35 °C

5 a 100%

Al menos 50 K entre –60 y 35 °C

Exactitud requeridaa (incertidumbre)

0,1 K HR alta 0,2 K HR media

1% HR alta 5% HR media

0,1 K HR alta 0,5 K HR media

Incertidumbre de la observaciónb

0,2 K

3 a 5%c

0,5 Kc

Resolución indicada por los códigos

0,1 K

1%

0,1 K

Constante de tiempo del sensord

20 s

40 s

20 s

Intervalo de tiempo para calcular la mediae

60 s

60 s

60 s

Requisito Rango

a

La exactitud es la incertidumbre dada correspondiente a dos desviaciones típicas.

b

A la humedad relativa media para instrumentos bien diseñados y de buen funcionamiento; difícil de alcanzar en la práctica.

c

Si la medición se realiza directamente.

d

Para usos climatológicos la constante de tiempo debe ser de 60 s (para el 63 por ciento de un cambio gradual).

e

Para usos climatológicos el tiempo de promediado debe ser de 3 minutos.

buena calidad, que son utilizados y mantenidos adecuadamente. En la práctica, no es fácil lograr esa exactitud. En particular, el psicrómetro en una garita meteorológica sin ventilación forzada, muy utilizado todavía, dista mucho de alcanzar la exactitud deseada. En las mediciones de humedad, las constantes de tiempo del orden de 1 minuto son adecuadas para la mayoría de las aplicaciones. Los tiempos de respuesta fácilmente alcanzables con instrumentos de buen funcionamiento se examinan en la sección 4.1.4.9. 4.1.4

Métodos de medición

Sonntag (1994) proporciona un estudio general de los avances más recientes en el campo de la higrometría. 4.1.4.1

Higrómetros

Todo instrumento utilizado para medir la humedad se denomina higrómetro. Los principios físicos que

más se aplican en higrometría se indican en las secciones 4.1.4.4 a 4.1.4.8. Para obtener más información sobre los diversos métodos, véase Wexler (1965). En OMM (1989b) figura el informe de una comparación internacional de la OMM sobre diversos tipos de higrómetros. 4.1.4.2

Exposición: comentarios generales

Las condiciones generales para la exposición de los sensores de humedad son similares a las de los sensores de temperatura y, por lo tanto, puede utilizarse para tal fin una garita meteorológica emplazada adecuadamente. En cuanto a las condiciones particulares, es necesario: a) proteger el instrumento de la radiación solar directa, de los contaminantes atmosféricos, de la lluvia y del viento; b) evitar la formación de un microclima local en la estructura de la garita del sensor o en el dispositivo de muestreo; cabe señalar que la madera y numerosos materiales sintéticos adsorben o pierden vapor de agua en relación con la humedad atmosférica. La exposición adecuada para cada instrumento se describe en las secciones 4.2 a 4.7. 4.1.4.3

Fuentes de error: comentarios generales

Los errores en las mediciones de la humedad pueden deberse a las siguientes causas: a) la modificación de la muestra de aire, por ejemplo, por la presencia de fuentes o sumideros de calor o de vapor de agua; b) la contaminación del sensor, por ejemplo, por el polvo y los rociones de mar; c) los errores de calibración, incluida la corrección de la presión, el coeficiente de temperatura del sensor y la interfaz eléctrica; d) el tratamiento inadecuado en las fases líquida y sólida (del agua); e) el diseño inadecuado del instrumento, por ejemplo, conducción de calor por el tubo del termómetro húmedo; f) las fallas de funcionamiento, por ejemplo, no se puede alcanzar un equilibrio estable; g) los intervalos de muestreo o de establecimiento de la media, o de ambos, son inadecuados. Es necesario que haya coherencia entre la constante de tiempo del sensor, el intervalo de tiempo para calcular la media y las necesidades relativas a los datos.

CAPÍTULO 4. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD

Las causas de error mencionadas se aplican de modo diferente a los diversos sensores de humedad. En las secciones pertinentes de este capítulo figuran más detalles al respecto. 4.1.4.4

Higrometría gravimétrica

Este método se basa en la absorción, por un desecante, del vapor de agua contenido en un volumen de aire conocido (higrómetro gravimétrico, utilizado solo para patrones primarios). En la sección 4.9 se dan algunos detalles. El método gravimétrico permite obtener una medición absoluta del vapor de agua contenido en una muestra de aire, en términos de su razón de mezcla de humedad. Se trata, en primer lugar, de extraer el vapor de agua que contiene la muestra. Para obtener la masa del vapor de agua se pesa el agente desecante antes y después de absorber el vapor. La masa de la muestra seca se puede calcular pesando o midiendo su volumen. El método se utiliza exclusivamente para obtener un patrón de calibración absoluto que sirva de referencia; este tipo de instrumento se encuentra sobre todo en los laboratorios nacionales de calibración. 4.1.4.5

Métodos basados en la condensación

4.1.4.5.1

Método del espejo enfriado (higrómetro de punto de rocío o de punto de escarcha)

Cuando el aire húmedo a una temperatura T, presión p y razón de mezcla rw (o ri ) se enfría, alcanza su punto de saturación con respecto al agua (o al hielo a temperaturas más bajas), y se puede detectar sobre una superficie sólida no higroscópica un depósito de rocío (o de escarcha). La temperatura de este punto de saturación es la temperatura del punto de rocío Td (o del punto de escarcha Tf ). El higrómetro de espejo enfriado sirve para medir la Td o la Tf . Los sistemas más utilizados emplean una pequeña superficie reflectora de metal pulido, enfriada con un dispositivo electrónico de efecto Peltier, y un detector óptico de la condensación. Los instrumentos que utilizan el método de condensación se usan con fines de observación, pero también pueden servir de patrón de trabajo o de referencia (véase la sección 4.4).

4.1.4.5.2

I.4-3

Método de solución salina calentada (higrómetro de vapor en equilibrio, llamado célula de punto de rocío)

La presión del vapor en equilibrio en la superficie de una solución salina saturada es inferior a la de una superficie similar de agua pura a la misma temperatura. Este efecto se observa en todas las soluciones salinas, pero sobre todo en el cloruro de litio, cuya presión de vapor en equilibrio es excepcionalmente baja. Una solución acuosa salina (cuya presión de vapor en equilibrio sea inferior a la presión del vapor ambiente) puede calentarse hasta alcanzar una temperatura a la cual la presión del vapor en equilibrio exceda a la presión del vapor ambiente. En este punto, el equilibrio pasará de la condensación a la evaporación y, por último, a una fase de transición de la solución líquida a una forma de hidrato sólido (cristalina). El punto de transición puede detectarse por una disminución característica de la conductividad eléctrica de la solución cuando esta se cristaliza. La presión del vapor ambiente se deduce de la temperatura de la solución a la que se alcanza esa presión del vapor ambiente. Para ello, se coloca un termómetro en la solución, asegurándose de que se establezca un buen contacto térmico. El punto de rocío ambiente (es decir, con respecto a una superficie plana de agua pura) puede determinarse con datos empíricos, estableciendo la relación entre la presión de vapor y la temperatura del agua pura y de las soluciones salinas. El cloruro de litio es la solución salina más utilizada para este tipo de sensor. Este método se emplea con fines de observación, especialmente en las estaciones meteorológicas automáticas (véase la sección 4.5). 4.1.4.6

Método psicrométrico

Un psicrómetro consiste básicamente en dos termómetros juntos; el elemento sensible de uno de los termómetros está cubierto de una fina capa de agua o de hielo, de ahí el término de termómetro húmedo o termómetro engelado. El elemento sensible del segundo termómetro está simplemente expuesto al aire y se llama termómetro seco. Este es el método más utilizado, y se describe con detalle en la sección 4.2. Debido a la evaporación del agua en el termómetro húmedo, este por lo general indica una temperatura inferior a la del termómetro seco. La diferencia entre las temperaturas obtenidas con ambos termómetros es una medida de la humedad del aire; cuanto más

I.4-4

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

baja sea la humedad ambiente, más alta será la tasa de evaporación y, por lo tanto, mayor será la diferencia entre los dos termómetros, o sea la diferencia psicrométrica. La relación entre la diferencia psicrométrica y la humedad ambiente se expresa mediante una fórmula psicrométrica. Este método se emplea mucho con fines de observación. Los instrumentos que utilizan el método psicrométrico se utilizan también con frecuencia como patrones de trabajo. 4.1.4.7

Métodos de sorción

Ciertos materiales interactúan con el vapor de agua y sufren, en sus propiedades químicas o físicas, un cambio suficientemente reversible para ser utilizado como sensor de la humedad ambiente. Estos materiales pueden adsorber o absorber el vapor de agua, siendo la adsorción la fijación de una sustancia en la superficie de otra, mientras que la absorción es la penetración de la sustancia en el cuerpo de otra. Una característica de las sustancias higroscópicas es que absorben el vapor de agua que se encuentra en la atmósfera circundante, debido a que tienen una tensión saturante del vapor inferior a la del aire circundante. Para que el fenómeno de absorción se produzca, es necesario que la presión del vapor ambiente de la atmósfera sea superior a la tensión saturante del vapor de la sustancia. A continuación se describen dos propiedades de la sorción: a) Cambios de las dimensiones de los materiales higroscópicos: algunos materiales cambian dimensionalmente en función de la humedad. Las fibras naturales tienden a presentar proporcionalmente las mayores variaciones, y es posible utilizarlas en un transductor analógico de desplazamiento lineal si se las acopla a un sistema mecánico de palancas. Este transductor debe estar diseñado de tal modo que origine el desplazamiento de un indicador en una escala que permita la visualización, o puede ser un dispositivo electromecánico que transforme la variación de la distancia en respuesta eléctrica. El cabello humano es el material más utilizado para este tipo de higrómetro. Se pueden utilizar también fibras sintéticas, pero en vista de que el tiempo de respuesta de estas fibras es muy largo, no se debe emplear el higrómetro de fibras sintéticas a temperaturas inferiores a 10 °C. El higrómetro de cabello se describe en la sección 4.3. Las membranas orgánicas que se obtienen de las tripas de animales domésticos, como por ejemplo la membrana de tripa de vacuno, tienen

propiedades similares al cabello y se han utilizado para la medición de la humedad, pero sobre todo para instrumentos de medición en altitud. b) Cambios en las propiedades eléctricas de los materiales higroscópicos: las propiedades eléctricas de ciertos materiales higroscópicos varían en función de la humedad relativa ambiente, y no presentan una gran dependencia térmica. Los métodos más utilizados basados en estas propiedades se describen en la sección 4.6. Los sensores eléctricos de la humedad relativa se utilizan cada vez más en aplicaciones que exigen una lectura remota, en especial cuando se requiere la visualización directa de la humedad relativa. Para las mediciones de la humedad relativa se emplean generalmente la resistencia eléctrica, en el caso de los sensores fabricados con material plástico tratado químicamente con una superficie conductora, y la capacidad eléctrica, si se trata de sensores cuyo funcionamiento se basa en la variación de las propiedades dieléctricas de un sólido higroscópico en función de la humedad relativa ambiente. 4.1.4.8

Absorción de la radiación electromagnética por el vapor de agua (higrómetros de absorción de rayos ultravioletas e infrarrojos)

Las moléculas de agua absorben la radiación electromagnética en un intervalo de bandas de onda y de longitudes de onda específicas. Es posible servirse de esta propiedad para obtener la medida de la concentración molecular del vapor de agua en un gas. Las regiones del espectro electromagnético más apropiadas para este tipo de aplicación son las del ultravioleta y el infrarrojo. El principio del método consiste en determinar la atenuación de la radiación en una banda de ondas que corresponda a la absorción del vapor de agua, en el trayecto entre una fuente de radiación y un dispositivo receptor. Existen dos métodos principales para determinar el grado de atenuación de la radiación, a saber: a) la transmisión de una radiación de banda estrecha y de intensidad fija a un receptor calibrado; b) la transmisión de una radiación en dos longitudes de onda, una que es fuertemente absorbida por el vapor de agua, y la otra que no es absorbida o lo es muy levemente. Ambos tipos de instrumentos requieren calibraciones frecuentes, y resultan más convenientes para medir variaciones, más que niveles absolutos, de la concentración de vapor. Solo se utilizan con fines

CAPÍTULO 4. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD

de investigación; en la sección 4.7 se describen brevemente tales instrumentos. 4.1.4.9

Constantes de tiempo de los sensores de humedad

Para determinar la constante de tiempo de un sensor de humedad, el tiempo de respuesta del sensor a un cambio gradual de la humedad debe corresponder a una función conocida. En general, el término se refiere al tiempo que necesita el sensor para indicar el 63,2 por ciento (1/e) de una variación gradual en la escala de la magnitud que debe medirse (en este caso la humedad), considerando que el sensor da una respuesta de primer orden a la variación de la magnitud que se mide (es decir, la velocidad a que varía la medición es proporcional a la diferencia entre la magnitud medida y la sometida a la medición). De este modo, es posible prever que el 99,3 por ciento de la variación se producirá al cabo de un período cuya duración corresponde a cinco veces la constante de tiempo. En el cuadro 4.2 figuran los valores de la constante de tiempo (1/e) para diversos tipos de sensores de humedad. Cuadro 4.2. Constantes de tiempo de los sensores de humedad 85% de humedad relativa

Constante de tiempo 1/e (s)

Tipo de sensor

20 ºC

0 ºC –20 ºC

Cabello humano ordinario

32

75

440

Cabello alisado

10

10

12

Membrana orgánica de tripa de vacuno

10

16

140

Capacidad eléctrica

1-10

1-10

1-10

Resistencia eléctrica

1-10

—

—

Psicrómetro de Assmann Higrómetros de condensación Higrómetros electrolíticos Higrómetro óptico Nota:

}

30-50 30-50 30-50

< 0,01 < 0,01 < 0,01

La relación de primer orden no puede verificarse bien,

sobre todo en el caso de sensores de sorción, puesto que el factor de forzamiento para el equilibrio del vapor, es decir, el gradiente local de la presión del vapor, depende de la migración local de las moléculas del vapor de agua en el cuerpo de un elemento sensible a la humedad. En general, la respuesta de primer orden será la que proporcionen los sensores que dispongan de un elemento activo fino.

4.1.4.10

I.4-5

Mantenimiento: comentarios generales

Deberían tenerse en cuenta los siguientes procedimientos de mantenimiento: a) Limpieza: los sensores y sus cubiertas deberían mantenerse limpios. Algunos sensores, como el higrómetro de espejo enfriado y el de cabello, deben limpiarse periódicamente con agua destilada. Otros, especialmente los que tienen un revestimiento electrolítico, pero también los que contienen un sustrato polimérico, no se deben limpiar de esta manera. Por lo tanto, es esencial dar instrucciones claras y precisas al respecto a los observadores y al personal de mantenimiento. b) Verificación y calibración de los instrumentos utilizados sobre el terreno: todos los sensores utilizados sobre el terreno necesitan calibración periódica. En los psicrómetros de espejo enfriado o en los higrómetros de punto de rocío calentados equipados con un detector de temperatura, la calibración de este detector podrá controlarse durante cada revisión periódica. Se realizará también una comparación con un higrómetro de trabajo de referencia, como el psicrómetro de Assmann, al menos una vez al mes. Es posible utilizar soluciones salinas saturadas para verificar los sensores que solo necesitan una muestra de pequeño volumen. Durante la verificación se requiere una temperatura ambiente constante, y resulta difícil fiarse de su eficacia sobre el terreno. Por otra parte, un psicrómetro de aspiración de tipo estándar, como el de Assmann, utilizado como patrón de trabajo, tiene la ventaja de que su propia integridad puede verificarse mediante la comparación de los termómetros seco y húmedo que lo componen, y de que se puede esperar una aspiración adecuada cuando el aspirador es robusto y de buen tamaño. El instrumento de referencia puede, a su vez, calibrarse a intervalos adecuados en función del tipo de instrumento. Es importante verificar la calibración de las interfases eléctricas periódicamente y en todo su rango de funcionamiento. Para este fin, puede utilizarse un simulador en lugar del sensor. Sin embargo, siempre será necesario calibrar todo el conjunto en puntos seleccionados, debido a que la combinación de los errores de calibración del sensor y de la interfaz podría discrepar de las especificaciones del conjunto, aun cuando correspondieran a las especificaciones de cada instrumento por separado.

I.4-6

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

Las exigencias detalladas específicas para el mantenimiento de cada tipo de higrómetro descrito en este capítulo figuran en las secciones correspondientes. 4.1.4.11

Filtros de protección

En general, los sensores de humedad llevan un filtro para protegerlos contra los contaminantes que pudieran reducir su rendimiento. Cuando un sensor no se ventila artificialmente, el uso de un filtro tiende a reducir la velocidad de respuesta, impidiendo que el aire circule libremente y permitiendo que el vapor de agua entre en contacto con el elemento sensible por difusión molecular a través del material del filtro. Si bien la difusión del vapor de agua a través de algunos materiales, como los productos de celulosa, es en teoría más rápida que a través del aire en calma, la práctica muestra que las mejores velocidades de difusión se obtienen a través de las membranas porosas hidrófobas. El tamaño de los poros debe ser lo suficientemente pequeño para que el filtro atrape las partículas aerosoles perjudiciales (en un ambiente marino, se pueden encontrar grandes cantidades de partículas de sal marina cuyo diámetro mínimo puede llegar a 0,1 µm), y la porosidad debería ser suficiente para permitir una velocidad de difusión adecuada. El tamaño del filtro, así como su porosidad, determinan la velocidad de difusión total. La aspiración mejora la difusión, pero cabe recordar que esta técnica consiste en mantener una débil presión de aire sobre el lado sensible del filtro, y que esto puede influir considerablemente en la medición. En general, es conveniente proteger los sensores no ventilados con un material inerte e hidrófobo. Con este fin, en diversas situaciones se han utilizado con buenos resultados membranas de polímero muy porosas, fabricadas con un tipo de politetrafluoroetileno dilatado que las hace relativamente sólidas. Se pueden utilizar filtros de metal sinterizado, pero conviene calentarlos para evitar cualquier problema de condensación. Esto no es normalmente apropiado para los sensores de humedad relativa, pero sí para los sensores de punto de rocío. Los filtros de metal sinterizado son sólidos y muy apropiados para aplicaciones que requieren aspiración, las cuales permiten utilizar filtros de gran superficie y, en consecuencia, una diferencia de presión aceptablemente pequeña. Si la difusión no se refuerza mediante aspiración artificial se deberá tener en cuenta la relación entre

la superficie del filtro y el volumen de aire del muestreo del sensor. En el caso de un sensor de sorción típico, compuesto por un sustrato plano, la configuración óptima será una membrana plana situada cerca de la superficie del sensor. Si se trata de una superficie sensible cilíndrica, se utilizará un filtro cilíndrico.

4.2

EL PSICRÓMETRO

4.2.1

Consideraciones generales

4.2.1.1

Fórmulas y tablas psicrométricas

En los siguientes párrafos se resumen los métodos empleados actualmente para establecer las tablas psicrométricas. Generalmente, la presión del vapor e’ en las condiciones de observación se obtiene mediante las siguientes fórmulas psicrométricas semiempíricas: e’ = e’w ( p, Tw ) – Ap (T – Tw )

(4.1)

e’ = e’i ( p,Ti ) – A p (T – Ti )

(4.2)

y:

donde e’w es la presión de saturación del vapor con respecto al agua a la temperatura Tw y a la presión p del termómetro húmedo; e’i es la presión de saturación del vapor con respecto al hielo a la temperatura Ti y a la presión p del termómetro engelado; p es la presión del aire; T es la temperatura del termómetro seco; y A es el coeficiente psicrométrico (se prefiere esta denominación a la errónea de “constante psicrométrica”). Para la mayoría de los instrumentos, la temperatura Tw del termómetro húmedo no corresponde a la temperatura termodinámica del termómetro húmedo definida en el anexo 4.A, que depende únicamente de p, T y r (la razón de mezcla de humedad). La temperatura medida con un termómetro húmedo depende también de algunas variables que están influenciadas por procesos dinámicos de transferencia térmica a través de una interfase líquido/gas (donde el gas se caracteriza por las capas laminares y turbulentas que lo componen). La descripción de un modelo termodinámico satisfactorio va más allá del ámbito de la presente publicación. En la práctica, el coeficiente psicrométrico A, que se determina de manera empírica, elimina la diferencia

CAPÍTULO 4. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD

entre la temperatura termodinámica y la temperatura medida con el termómetro húmedo (véase la sección 4.2.6). En general, el coeficiente A depende del diseño del psicrómetro (sobre todo para el sistema del termómetro húmedo), del flujo de aire que pasa por el termómetro húmedo (denominado índice de ventilación), de la temperatura y de la humedad del aire. Si el índice de ventilación es bajo, A dependerá principalmente de ese índice de ventilación. Sin embargo, cuando el índice de ventilación sea de 3 a 5 m s–1 (para termómetros de tamaño normal) o más, el valor de A dependerá mucho menos del índice de ventilación y será prácticamente el mismo para los psicrómetros bien diseñados. El valor de A no depende mucho de la temperatura ni de la humedad, y su dependencia con respecto a estas variables se considera generalmente insignificante. El valor de A es menor cuando el termómetro húmedo está recubierto de hielo que cuando está recubierto de agua. En las secciones siguientes se examinan las fórmulas y los coeficientes adecuados que se aplican a los diversos tipos de psicrómetros. 4.2.1.2

Características de un psicrómetro

El equipo utilizado para efectuar observaciones psicrométricas debería, en la medida de lo posible, conformarse a las recomendaciones siguientes (véanse las secciones 4.2.3 y 4.2.6): a) A nivel del mar, y si los termómetros utilizados son como los que se emplean generalmente en las estaciones meteorológicas, el aire debería aspirarse a una velocidad no inferior a 2,2 m s–1 ni superior a 10 m s–1. Para altitudes considerablemente distintas, estas velocidades límite del aire tendrían que ajustarse en proporción inversa a la densidad de la atmósfera. b) Se deben proteger los termómetros secos y húmedos de los efectos de la radiación, preferentemente con un mínimo de dos pantallas. En el caso de un psicrómetro con ventilación forzada, como el de Assmann, las pantallas deben ser de metal pulido y sin pintar, separadas del resto del aparato por materiales aislantes. El material aislante térmico es preferible, en principio, e indispensable en el caso de psicrómetros con ventilación natural. c) Si el psicrómetro está protegido por una garita con paredes de celosía y dotado de ventilación forzada, son necesarios conductos de ventilación separados para los dos termómetros. La entrada de los conductos estará situada de

I.4-7

manera que los termómetros puedan medir la temperatura real ambiente, y su salida estará por encima de la garita a fin de evitar la recirculación del aire evacuado. d) Conviene tomar todas las precauciones necesarias para impedir cualquier transferencia térmica significativa del motor de aspiración a los termómetros. e) El recipiente de agua y la mecha estarán dispuestos de modo que el agua llegue al termómetro húmedo a la misma temperatura de este sin influir sobre la temperatura del termómetro seco. 4.2.1.3

Manguito del termómetro húmedo

Por lo general, el termómetro húmedo tiene una mecha de algodón, u otro material similar, bien ajustada alrededor del elemento sensible para mantener una cubierta uniforme de agua, que se aplica directamente o por capilaridad a partir de un recipiente de agua. La mecha tiene normalmente la forma de un manguito, bien ajustado alrededor del termómetro húmedo, y rebasa por lo menos en 2 cm el extremo superior del tubo del termómetro. El material utilizado para cubrir el termómetro húmedo debe ser fino pero tupido. Antes de instalarlo, hay que lavarlo cuidadosamente con una solución acuosa de bicarbonato de sodio (NaHCO3), diluida a razón de 5 gramos por litro, y enjuagarlo varias veces con agua destilada. Puede lavarse también con una solución de detergente puro y agua. Si se utiliza una mecha, se le debe dar un tratamiento análogo. Cualquier contaminación visible de la mecha o del manguito del termómetro húmedo debería ser considerada una clara indicación de la necesidad de sustituirlo. En el manejo de la mecha y del manguito conviene proceder con gran cuidado para impedir la contaminación proveniente de las manos. Para el termómetro húmedo debería utilizarse agua destilada. El mantenimiento adecuado del termómetro húmedo es muy importante. Se debería pedir a los observadores que cambien el manguito y la mecha periódicamente. Las sustituciones deben realizarse al menos una vez a la semana en todos los psicrómetros continuamente expuestos y, en lugares próximos al mar o en zonas polvorientas o industriales, puede ser necesario cambiar ambas partes con mayor frecuencia. Se requiere comprobar frecuentemente el depósito de agua y sustituirlo o completarlo en caso necesario.

I.4-8

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

En tiempo seco y caluroso puede ser conveniente humedecer la cubierta con agua a partir de un recipiente poroso. Así, el agua se enfriará por la evaporación que se produce en la superficie del material poroso antes de llegar al termómetro. Convendría mantener el recipiente a la sombra, pero no muy cerca del psicrómetro. 4.2.1.4

Funcionamiento del termómetro húmedo por debajo del punto de congelación

Si bien es difícil emplear el psicrómetro a temperaturas inferiores al punto de congelación, se utiliza en regiones donde se registran esas temperaturas. Cuando la temperatura del termómetro húmedo no llega a 0 °C, no es posible utilizar una mecha para transferir agua por capilaridad desde un depósito al manguito de dicho termómetro. En esas condiciones, solo debe formarse una delgada capa de hielo alrededor del manguito. Es indispensable ventilar artificialmente los termómetros, de lo contrario, será muy difícil utilizar el termómetro húmedo. El agua utilizada debería tener, en la medida de lo posible, una temperatura próxima al punto de congelación. Si se forma una capa de hielo espeso en la parte inferior del termómetro, este debe sumergirse en el agua hasta que se derrita el hielo. El tiempo necesario para que el termómetro húmedo alcance una lectura constante, una vez empapado el manguito, depende de la ventilación y de la temperatura real del termómetro húmedo. Un termómetro sin ventilar requiere generalmente de 15 a 45 minutos, mientras que un termómetro aspirado necesitará mucho menos tiempo. Es esencial que la nueva película de hielo sobre el depósito del termómetro se forme en el momento oportuno. Si se hacen observaciones horarias con un psicrómetro simple, será preferible que se forme una nueva capa de hielo justamente después de cada observación. Si las observaciones se llevan a cabo a intervalos más largos, el observador tendría que visitar la garita antes de cada observación, con el tiempo suficiente para permitir que se forme una nueva película de hielo sobre el depósito del termómetro. El termómetro húmedo de los psicrómetros aspirados y de los psicrómetros de honda debería mojarse inmediatamente antes de su uso. Puede evitarse o retardarse la evaporación de la película de hielo encerrando el termómetro húmedo en un pequeño tubo de vidrio, o impidiendo la entrada de aire entre cada observación (esta última

operación no debería realizarse si entraña el riesgo de que se recaliente el ventilador). Con respecto al efecto del agua subfundida sobre el termómetro húmedo puede procederse de dos maneras: a) Utilizar diferentes tablas según el termómetro húmedo tenga una capa de hielo o esté cubierto de agua subfundida. Para averiguar qué tabla ha de usarse, debe tocarse el termómetro húmedo con un cristal de nieve, un lápiz u otro objeto, inmediatamente después de cada observación. Si la temperatura sube a 0 °C, y después comienza a bajar otra vez, se puede suponer que el agua del termómetro húmedo estaba subfundida en el momento de la observación. b) Utilizar una tabla apropiada para un termómetro húmedo recubierto de hielo, y favorecer el congelamiento del agua subfundida de la misma manera que para el método descrito en el apartado a). Para ahorrar tiempo y tener la seguridad de que el termómetro húmedo esté cubierto de hielo, el observador deberá procurar iniciar la congelación del agua en cada observación lo antes posible, después de humedecer el depósito del termómetro. Según el comportamiento del termómetro húmedo en el punto de congelación, generalmente se puede determinar si el depósito está cubierto de hielo o de agua subfundida. No obstante, el procedimiento recomendado es iniciar la congelación del agua en cada observación cuando se supone que la temperatura del termómetro húmedo está por debajo de 0 °C, tanto si se observa o no la reacción del termómetro después de haberlo mojado. Aunque el primer método suele ser más rápido, implica el empleo de dos tablas, y esto puede causar cierta confusión. 4.2.1.5

Método general de observación

Sería conveniente seguir los procedimientos que figuran en el capítulo 2 de la parte I, relativos a la medición de la temperatura, además de los que se reseñan a continuación: a) Si hay que cambiar el manguito, la mecha o el agua del termómetro húmedo, debería hacerse bastante antes de la observación. El lapso de tiempo que requiere el termómetro húmedo para indicar la temperatura apropiada depende del tipo de psicrómetro. b) La lectura de los termómetros se redondeará a la décima de grado más próxima.

CAPÍTULO 4. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD

c) Siempre que sea posible, conviene leer simultáneamente los dos termómetros, durante la observación; el observador deberá cerciorarse de que el termómetro húmedo reciba suficiente agua. 4.2.1.6

Utilización de termómetros de resistencia eléctrica

Los termómetros de precisión con resistencia eléctrica de platino son muy utilizados en lugar de los termómetros de mercurio en cápsula de vidrio, sobre todo para las aplicaciones que requieren una lectura remota y una medición continua. Los aparatos, y los circuitos eléctricos de interfase seleccionados, deben cumplir los criterios de funcionamiento que se describen en el capítulo 2 de la parte I. Conviene tener mucho cuidado con el efecto de calentamiento espontáneo en los termómetros eléctricos. Las fórmulas psicrométricas que se emplean para los aspiropsicrómetros de Assmann y que figuran en el anexo 4.B, son igualmente aplicables cuando se utilizan termómetros con resistencia de platino en lugar de termómetros de mercurio en cápsula de vidrio, teniendo en cuenta que la configuración de los elementos y los termómetros es diferente. La fórmula que se utiliza para el termómetro húmedo (agua) se aplica también a varios psicrómetros con ventilación transversal (OMM, 1989a). 4.2.1.7

Fuentes de error en psicrometría

Las principales fuentes de error a tener en cuenta son las siguientes: a) Errores de índice de los termómetros: al efectuar mediciones psicrométricas es muy importante conocer los errores de índice de los termómetros para todo el intervalo real de temperaturas, y aplicar a las lecturas la corrección adecuada para esos errores antes de utilizar las tablas de humedad. Cualquier otro error en la temperatura del termómetro húmedo o del termómetro cubierto de hielo causado por otros efectos tomará la misma forma que los errores de índice. El cuadro 4.3 muestra, en porcentajes y para un intervalo de temperaturas reales del aire (suponiendo que el termómetro seco registra la temperatura real del aire), el error ε (U ) que ocasiona, en la medición de la humedad relativa, un error ε (tx ) de 0,5 K y 0,1 K, respectivamente, en las lecturas de la temperatura del termómetro húmedo y del termómetro cubierto

I.4-9

Cuadro 4.3. Error en la deducción de la humedad relativa, resultante de errores de índice ε (tx ) de un termómetro húmedo o cubierto de hielo, para U = 50 por ciento Temperatura del aire en °C

Error en la humedad relativa ε (U), en porcentaje, debido a un error en la medición del termómetro húmedo o cubierto de hielo

ε (tx ) = 0,5 K

ε (tx ) = 0,1 K

–30

60

12

–20

27

5

–10

14

3

0

8

2

10

5

1

20

4

0,5

30

3

0,5

40

2

0,5

50

2

0

de hielo, en donde x representa el agua para t > 0 °C o el hielo para t < 0 °C, y siendo la humedad relativa, U, del 50 por ciento. b) Coeficientes de retardo del termómetro: para obtener la máxima exactitud del psicrómetro es conveniente disponer lo necesario para que los termómetros seco y húmedo tengan, aproximadamente, el mismo coeficiente de retardo; si el depósito de los termómetros es del mismo tamaño, el termómetro húmedo tendrá un coeficiente de retardo mucho menor que el termómetro seco. c) Errores relacionados con la ventilación: los errores debidos a una ventilación insuficiente pueden ser mucho más graves si se utilizan tablas de humedad inadecuadas (véanse las secciones sobre los diversos tipos de psicrómetros). d) Errores debidos a una capa de hielo excesiva sobre el termómetro húmedo: una capa espesa de hielo sobre el depósito aumenta el retardo del termómetro, por lo tanto, se debería eliminar ese hielo inmediatamente sumergiendo el termómetro en agua destilada. e) Errores debidos a la contaminación del manguito del termómetro húmedo o a las impurezas del agua: la presencia de sustancias que modifican la presión del vapor de agua podría causar

I.4-10

f)

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

errores importantes. El termómetro húmedo y su manguito deberían lavarse a intervalos regulares en agua destilada para eliminar las impurezas solubles, siendo necesario efectuar esta operación con mayor frecuencia en ciertas regiones, como las zonas próximas al mar o las sometidas a contaminación atmosférica. Errores debidos a la conducción térmica desde el tubo hasta el depósito del termómetro húmedo: la conducción del calor del tubo al depósito del termómetro húmedo reduce la diferencia psicrométrica, obteniéndose de esta manera valores demasiado altos de la humedad relativa. El efecto es más pronunciado en caso de humedad relativa baja, pero se puede eliminar si el manguito que cubre el depósito del termómetro húmedo rebasa al menos en 2 cm el tubo del termómetro.

4.2.2

Aspiropsicrómetro de Assmann

4.2.2.1

Descripción

Este psicrómetro está compuesto de dos termómetros de mercurio montados verticalmente, uno al lado del otro, en un marco metálico cromado o niquelado pulido, conectados por conductos a un ventilador que funciona mediante un resorte o un motor eléctrico. El depósito de uno de los termómetros tiene una mecha de muselina bien ajustada que se humedece con agua destilada antes de utilizar el termómetro. Cada uno de los termómetros se coloca en dos tubos metálicos coaxiales, muy pulidos por dentro y por fuera, que protegen los depósitos contra la radiación térmica externa. Todos los tubos están separados entre sí por un aislante térmico. Una comparación internacional de psicrómetros de Assmann utilizados en diez países, organizada por la OMM (OMM, 1989a), mostró una buena concordancia entre las mediciones de las temperaturas del termómetro húmedo y el termómetro seco realizadas con psicrómetros cuyas dimensiones se aproximan a las especificaciones de origen, y cuando la velocidad del aire aspirado es superior a 2,2 m s–1. Entre los aparatos disponibles en el comercio, algunos no responden totalmente a esos criterios. Un estudio más detallado se encuentra en OMM (1989a). Sobre el terreno, el psicrómetro de Assmann permite alcanzar la exactitud mencionada en el cuadro 4.1, y podría llegar a mejorarse significativamente si la medición se realiza con mucho cuidado. En el anexo 4.B figura una lista de fórmulas normalizadas para calcular la humedad a partir de

mediciones realizadas con el psicrómetro de Assmann4, las cuales constituyen la base de otros tipos de psicrómetros de ventilación artificial dado que no existen mejores alternativas. 4.2.2.2

Método de observación

La mecha, que debería estar totalmente libre de grasa, se humedece con agua destilada, y habría de cambiarse cuando esté sucia o endurecida. El agua transportada por la mecha no debería entrar en contacto con la pantalla de protección contra la radiación. Se controlará que las columnas de mercurio de los termómetros no estén fraccionadas y, cuando suceda, sería necesario corregir esa irregularidad o sustituir el termómetro. El psicrómetro funciona normalmente con los termómetros en posición vertical. El tubo del termómetro se debe proteger de los efectos de la radiación solar girando el instrumento de manera que las pantallas laterales se encuentren en dirección al sol. Conviene inclinar el psicrómetro de manera que los orificios de aspiración queden situados en dirección al viento, teniendo siempre cuidado de no exponer los depósitos de los termómetros a la radiación solar. Cuando el viento sea fuerte y pueda afectar al funcionamiento del ventilador, se debería utilizar una pantalla de protección. El psicrómetro debería encontrarse a la misma temperatura que el aire circundante. Si la temperatura del aire es superior a 0 °C, después de la aspiración se tendrían que tomar al menos tres medidas a intervalos de 1 minuto. Si la temperatura es inferior a 0 °C, habría que esperar a que termine el proceso de congelación y observar si la mecha está cubierta de agua o de hielo. Durante los procesos de congelación y deshielo la temperatura del termómetro húmedo se mantiene constante a 0 °C. Si la medición se lleva a cabo al aire libre, conviene repetir la operación varias veces y tomar como resultado la media de los valores obtenidos. Los termómetros deberían leerse con una resolución de 0,1 K o mejor. El método de observación puede resumirse de la siguiente manera: a) humedecer el termómetro húmedo; b) dar cuerda al motor del sistema de relojería (o poner en funcionamiento el motor eléctrico);

4

Recomendada por la décima reunión de la Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación, en 1989.

CAPÍTULO 4. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD

c) esperar 2 o 3 minutos, o hasta que la lectura del termómetro húmedo se estabilice; d) leer el termómetro seco; e) leer el termómetro húmedo; f) verificar la lectura del termómetro seco. 4.2.2.3

Exposición y emplazamiento

Las observaciones con el psicrómetro deberían efectuarse al aire libre, manteniendo el instrumento colgado de un gancho o unido por un soporte adecuado a un poste delgado, o manteniéndolo con una mano y el brazo estirado, con los conductos de aire apenas inclinados en dirección del viento. Estos orificios tendrían que encontrarse a una altura de entre 1,2 y 2 metros por encima del nivel del terreno para las mediciones normales de la temperatura y de la humedad del aire. Se debería hacer todo lo posible para que la presencia del observador u otra fuente cercana de calor o de vapor de agua, como el tubo de escape de un vehículo de motor, no influya en las lecturas. 4.2.2.4

Calibración

Debería verificarse periódicamente el sistema de ventilación, por lo menos una vez al mes. Asimismo, sería necesario controlar periódicamente la calibración de los termómetros. Es posible comparar uno con otro midiendo con ambos la temperatura del termómetro seco. Debería efectuarse una comparación con un termómetro de referencia certificado, por lo menos una vez al año. 4.2.2.5

Mantenimiento

Entre las lecturas, el instrumento debería mantenerse en un recinto sin calefacción y protegido contra las precipitaciones y la radiación solar intensa. Cuando el instrumento no se utilice, sería preciso colocarlo en un estuche robusto, como el que suministra el fabricante, y mantenerlo en el interior de un local. 4.2.3

Psicrómetro de garita

4.2.3.1

Descripción

El psicrómetro de garita se compone de dos termómetros de mercurio montados verticalmente en

I.4-11

una garita meteorológica. El diámetro de los depósitos debería ser de unos 10 mm. El depósito de uno de los termómetros está cubierto con un manguito bien ajustado que debe sobresalir unos 20 mm del tubo del termómetro. Si el psicrómetro está equipado con una mecha y un depósito de agua para mantener húmedo el manguito del termómetro húmedo, el depósito habría de localizarse preferiblemente al lado del termómetro y con la boca al mismo nivel o ligeramente por debajo de la parte superior del depósito del termómetro. La mecha debería mantenerse lo más recta posible y tendría que ser lo suficientemente larga para que el agua llegue hasta el depósito del termómetro húmedo aproximadamente a la misma temperatura del depósito y en cantidad suficiente, pero no excesiva. Si no se utiliza mecha, sería preciso proteger el termómetro húmedo de la suciedad guardándolo en un pequeño tubo de vidrio entre las lecturas. Se recomienda aspirar artificialmente el aire del psicrómetro de garita. La velocidad del aire aspirado en ambos termómetros será de unos 3 m s–1. Con ese fin, se utilizan sobre todo aspiradores eléctricos o aspiradores con mecanismo de cuerda. El aire tendría que circular en sentido horizontal a nivel de los depósitos de los termómetros, y no vertical, y se debería evacuar de manera que evite su recirculación. El rendimiento obtenido con el psicrómetro de garita puede ser muy inferior al que se indica en el cuadro 4.1, especialmente en caso de vientos ligeros cuando la garita no está ventilada artificialmente. Las fórmulas psicrométricas que figuran en la sección 4.2.1.1 se aplican a los psicrómetros de garita, pero con mucha incertidumbre en los coeficientes. Bindon (1965) ofrece un resumen de las fórmulas utilizadas. Si la ventilación forzada es de unos 3 m s–1 o más a nivel del depósito del termómetro húmedo, se pueden aplicar los valores que figuran en el anexo 4.B, con un coeficiente psicrométrico para el agua de 6,53· 10–4 K–1. Se utilizan, no obstante, valores de 6,50 a 6,78· 10–4 para una temperatura del termómetro húmedo superior a 0 °C, y de 5,70 a 6,53·10–4 para una temperatura del termómetro húmedo inferior a 0 °C. Para los psicrómetros de garita con ventilación natural, los coeficientes empleados varían de 7,7 a 8,0·10–4 para una temperatura superior a la de congelación, y de 6,8 a 7,2·10–4 para una temperatura inferior a la de congelación cuando el aire circula en la garita, lo cual ocurre probablemente casi siempre. Sin embargo, se recomienda el uso de coeficientes de hasta 12·10–4 para el agua y de 10,6·10–4 para el hielo cuando el aire no circula en la garita.

I.4-12

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

El coeficiente psicrométrico adecuado para la configuración particular de la garita, la forma del depósito del termómetro húmedo y el grado de la ventilación, se pueden determinar mediante la comparación con un patrón de trabajo o de referencia, pero se obtendrán así datos muy dispersos y será necesario llevar a cabo una gran cantidad de muestreos para obtener un resultado fiable. Incluso cuando el coeficiente se haya obtenido mediante esa serie de muestreos, seguirá habiendo un gran margen de confianza para cualquier observación; por lo tanto, no tiene justificación apartarse de las prácticas nacionales establecidas.

4.2.3.2

Método especial de observación

El método descrito en la sección 4.2.1.5 se aplica a los psicrómetros de garita. En el caso de un termómetro húmedo con ventilación natural, siempre que el agua del depósito tenga aproximadamente la misma temperatura que el aire, la lectura correcta del termómetro húmedo se obtendrá unos 15 minutos después de ajustar un nuevo manguito; si la temperatura del agua es muy diferente de la del aire, podría ser necesario esperar unos 30 minutos.

4.2.3.3

Exposición y emplazamiento

La exposición y el emplazamiento de la garita se describen en el capítulo 2 de la parte I. 4.2.4

Psicrómetros de honda o en noria

4.2.4.1

Descripción

Un pequeño psicrómetro portátil de tipo honda o noria está compuesto de dos termómetros de mercurio sujetos a una montura robusta provista de un mango que, situado en el extremo opuesto a los depósitos de los termómetros, permite girar rápidamente la montura y los termómetros sobre un eje horizontal. La configuración del termómetro húmedo varía según el tipo de instrumento. En algunos casos, el depósito del termómetro húmedo se protege de los rayos solares con una pantalla; conviene utilizar este modelo para las mediciones meteorológicas. Se podrían aplicar a estos psicrómetros las fórmulas psicrométricas que figuran en el anexo 4.B.

4.2.4.2

Método de observación

Deberían aplicarse las siguientes directrices: a) todas las instrucciones relativas al manejo de los aspiropsicrómetros de Assmann se aplican también a los psicrómetros de honda; b) los psicrómetros de honda carentes de pantalla para proteger los depósitos de los termómetros húmedos deben protegerse de la insolación de otra manera; c) conviene leer simultáneamente los termómetros en cuanto cese la ventilación porque la temperatura del termómetro húmedo comienza a subir inmediatamente y es probable que los termómetros sufran los efectos de los rayos solares.

4.2.5

Psicrómetro calentado

El psicrómetro calentado funciona según el principio siguiente: el volumen de vapor de agua contenido en una masa de aire no se altera si esta se calienta. Gracias a esta propiedad, no es necesario mantener un termómetro engelado cuando las condiciones son de congelación.

4.2.5.1

Descripción

El aire se aspira hacia un conducto que pasa sobre un calefactor eléctrico, y luego por una cámara de medición que contiene los termómetros húmedo y seco y un depósito de agua. El circuito de control del calefactor está programado para que la temperatura del aire no sea inferior a un nivel dado, que normalmente podría ser 10 °C. La temperatura del depósito de agua se mantiene de manera similar. Así, no se hiela ni el agua del depósito ni la que humedece la mecha, siempre que la diferencia psicrométrica sea inferior a 10 K y que se asegure el funcionamiento constante del psicrómetro, incluso si la temperatura del aire desciende por debajo de 0 °C. Si la temperatura es superior a 10 °C, el calefactor puede apagarse automáticamente, y el instrumento funcionará como un psicrómetro ordinario. Los termómetros eléctricos pueden meterse completamente en una cámara de medición, y no es necesario realizar la lectura directa. Un segundo termómetro seco se coloca a la entrada del conducto para medir la temperatura del aire ambiente, lo que permite determinar la humedad relativa ambiente.

CAPÍTULO 4. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD

Los depósitos de los termómetros del psicrómetro se ventilan en dirección del eje longitudinal, a una velocidad aproximada del aire de 3 m s–1. 4.2.5.2

Método de observación

El psicómetro calentado puede emplearse en estaciones meteorológicas automáticas. 4.2.5.3

Exposición y emplazamiento

El instrumento propiamente dicho debería fijarse en el exterior de la garita meteorológica. El orificio de aspiración, donde se mide la temperatura del aire ambiente, debería encontrarse en el interior de la garita. 4.2.6

Psicrómetro de referencia de la OMM

En OMM (1992) se describen el psicrómetro de referencia y los procedimientos de su utilización. Los termómetros seco y húmedo se colocan en una estructura de protección ventilada, de manera que el conjunto pueda utilizarse como un instrumento autónomo. Las principales características del psicrómetro de referencia son que se puede calcular el coeficiente psicrométrico a partir de la teoría de los intercambios de calor y de masa que se producen en el depósito del termómetro húmedo, y que este coeficiente difiere del coeficiente de los otros psicrómetros, ya que tiene un valor de 6,53· 10–4 K–1 para una humedad relativa del 50 por ciento, a 20 °C y 1 000 hPa. La temperatura del termómetro húmedo de este instrumento se acerca mucho al valor teórico (véanse los párrafos 18 y 19 del anexo 4.A). Esto se logra asegurando una evaporación particularmente eficaz en el depósito del termómetro húmedo y una reducción al mínimo de calor externo. El cuidadoso diseño del conducto y del depósito del termómetro húmedo, así como el control de la ventilación, determinan el tipo de flujo de aire sobre el depósito del termómetro húmedo. El lado externo de la doble pantalla de protección es muy reflectivo, mientras que su lado interno es oscuro; los termómetros están revestidos de un material aislante y separados por una pantalla. Las pantallas y el elemento que contiene el termómetro húmedo son de acero inoxidable a fin de reducir al mínimo la transmisión del calor. Con el método de utilización del psicrómetro de referencia se excluye totalmente la grasa en el depósito del termómetro húmedo, incluso en las

I.4-13

capas monomoleculares que se producen siempre al manipular cualquier parte del instrumento con los dedos. Esta es probablemente la principal razón de la estrecha relación entre el coeficiente psicrométrico de este instrumento y el valor teórico, y de su diferencia respecto de los coeficientes psicrométricos de otros instrumentos. Con el psicrómetro de referencia se puede alcanzar una gran exactitud, un 0,38 por ciento de incertidumbre para una humedad relativa del 50 por ciento a 20 °C. La OMM también ha adoptado este instrumento como termómetro de referencia. Está diseñado para su utilización sobre el terreno, pero no es apropiado para uso habitual. Solo debería ser utilizado por personal cualificado para realizar trabajos de laboratorio muy precisos. La sección 4.9.7 trata de su uso como instrumento de referencia.

4.3

HIGRÓMETRO DE CABELLO

4.3.1

Consideraciones generales

Todo material absorbente tiende a mantener un equilibrio térmico e higrométrico con el medio ambiente. La presión del vapor de agua en la superficie de ese material se determina por la temperatura y la cantidad de agua absorbida por él. La transferencia de moléculas de agua tiende a eliminar cualquier diferencia entre esa presión y la presión del vapor de agua del aire circundante. Se ha observado que el tamaño del cabello varía principalmente en función de la humedad relativa del aire con respecto al agua en fase líquida (para temperaturas del aire inferiores o superiores a 0 °C); y aumenta aproximadamente entre un 2 y un 2,5 por ciento para una variación de la humedad entre el 0 y el 100 por ciento. Para incrementar la relación de la superficie de un haz de cabellos con respecto a su volumen, y disminuir el coeficiente de retardo, lo que está particularmente relacionado con la utilización del instrumento a baja temperatura, se deben alisar los cabellos para obtener una sección transversal de forma elíptica y limpiar con alcohol las sustancias grasientas. Este procedimiento también ofrece una función de respuesta más lineal, pero disminuye la resistencia a la tracción. A fin de obtener mediciones exactas, es preferible disponer de un aparato equipado con un solo cabello; sin embargo, normalmente se utilizan instrumentos que tienen un haz de cabellos porque son más resistentes. Si los cabellos se tratan con sulfuro de bario (BaS) o sulfuro de sodio (Na2S) se obtiene una mayor linealidad de la respuesta del instrumento.

I.4-14

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

Se considera que el higrógrafo o higrómetro de cabello es un instrumento apto para utilizarlo en situaciones o durante períodos en los que rara vez, o nunca, se producen niveles de humedad muy altos o muy bajos. El mecanismo del instrumento debería ser lo más sencillo posible, incluso si para ello se necesita una escala no lineal. Esto reviste particular importancia en las regiones industriales porque los contaminantes atmosféricos pueden afectar a la superficie de las partes móviles del mecanismo y aumentar la fricción entre ellas. La velocidad de respuesta del higrómetro de cabello depende mucho de la temperatura del aire. A una temperatura de –10 °C, el retardo del instrumento es aproximadamente tres veces mayor que el retardo a 10 °C. Para temperaturas del aire comprendidas entre 0 °C y 30 °C, y humedades relativas entre el 20 por ciento y el 80 por ciento, un buen higrógrafo debería indicar el 90 por ciento de un cambio brusco de la humedad en aproximadamente 3 minutos. Un buen higrógrafo, en perfectas condiciones, tendría que poder registrar la humedad relativa con una exactitud de ±3 por ciento a temperaturas moderadas, y con una exactitud inferior en temperaturas bajas. Para que las mediciones realizadas a temperaturas bajas den resultados útiles, es necesario emplear un instrumento con los cabellos alisados (véase la descripción anterior). 4.3.2

Descripción

Los detalles del mecanismo de los higrómetros de cabello varían según los fabricantes. Algunos instrumentos incluyen un transductor que proporciona una señal eléctrica y pueden también disponer de una función de linealización de manera que la respuesta global del instrumento sea lineal con respecto a las variaciones de la humedad relativa. El higrómetro de cabello más utilizado es el higrógrafo, que utiliza un haz de cabellos mantenido en ligera tensión por un pequeño resorte y conectado a un estilete de manera que amplifique sus variaciones de longitud. Al final del estilete se fija una plumilla que se mantiene en contacto con la banda de papel ajustada sobre un cilindro metálico y que registra los desplazamientos angulares del estilete. El cilindro gira sobre su eje a una velocidad constante determinada por un movimiento mecánico de relojería. La velocidad de rotación es en general igual a una revolución por día o por semana. La banda posee una escala de tiempo en abscisa que se extiende sobre la

circunferencia del cilindro, y una escala de humedad en ordenada, paralela al eje del cilindro, que normalmente está en posición vertical. El mecanismo que conecta el estilete al haz de cabellos puede incluir levas especialmente diseñadas para convertir la extensión no lineal de los cabellos, producida por las variaciones de la humedad, en un desplazamiento angular lineal del estilete. Algunos higrómetros utilizan fibras sintéticas. Los cabellos humanos que se utilizan en los higrómetros se tratan previamente como se describe en la sección 4.3.1 para mejorar la linealidad de la respuesta y disminuir el retardo de la misma; este tratamiento implica, sin embargo, una reducción de la resistencia a la tracción. El estilete y el mecanismo de relojería se encuentran normalmente en una cajita de cristal que permite realizar la lectura de la humedad registrada sin necesidad de mover el instrumento; el haz de cabellos sobresale de la cajita a través de una abertura hecha con tal fin. Los lados de la cajita están separados de la base compacta, pero el extremo opuesto del cabello está fijado a la cajita mediante una bisagra. Esta configuración permite acceder al cilindro y al elemento sensible que, además, puede protegerse con una caja de malla abierta. 4.3.3

Método de observación

El higrómetro de cabello siempre debe golpearse ligeramente con un dedo antes de la lectura para liberar el mecanismo de toda tensión residual. Sin embargo, debería procurarse, en la medida de lo posible, no tocar el higrógrafo entre los cambios de bandas salvo para realizar las marcas cronológicas. El higrómetro y el higrógrafo permiten leer normalmente la humedad relativa redondeada al punto porcentual más próximo. Cabe señalar que el higrómetro de cabello mide la humedad relativa con respecto a la saturación sobre el agua en fase líquida, incluso a temperaturas por debajo de 0 °C. La humedad del aire puede cambiar muy rápidamente y, por lo tanto, es de suma importancia efectuar con mucha exactitud las marcas cronológicas. Para ello, el estilete se debería mover solo en dirección de la humedad relativa decreciente sobre el diagrama. Al realizar ese desplazamiento, se aflojan los cabellos y con el resorte de tensión se aplica la fuerza que restablece la plumilla a su posición normal. No obstante, puede observarse un efecto de histéresis si la plumilla no regresa a su posición inicial.

CAPÍTULO 4. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD

4.3.4

Exposición y emplazamiento

El higrógrafo o higrómetro debería colocarse en una garita meteorológica. Como el amoníaco destruye el cabello, no se deben instalar en proximidades de establos o de plantas industriales que utilicen amoníaco. Cuando se emplea en las regiones polares, sería preciso colocar el higrógrafo en una garita meteorológica especial que lo proteja suficientemente contra las precipitaciones y las ventiscas de nieve. Como medida preventiva, se puede, por ejemplo, recubrir la garita meteorológica con una red de mallas finas (Mullergas) para evitar la acumulación de cristales de nieve sobre los cabellos y sobre la superficie de contacto del mecanismo articulado. Este método solo debe utilizarse si no existe ningún riesgo de que los cristales de nieve mojen la red al fundirse. 4.3.5

Fuentes de error

4.3.5.1

Variaciones del cero

Por razones diversas, poco conocidas, el higrógrafo está sujeto a una variación del cero de su escala. Quizás la causa más probable sea una tensión excesiva de los cabellos. Por ejemplo, los cabellos pueden extenderse si las marcas cronológicas se hacen en dirección de la humedad relativa creciente en el diagrama, o bien porque el mecanismo del higrógrafo se atasca cuando decrece la humedad relativa. El cero puede variar también si el higrógrafo se mantiene mucho tiempo expuesto en aire muy seco, lo cual puede remediarse poniendo el instrumento durante un tiempo suficiente en aire saturado. 4.3.5.2

Errores debidos a la contaminación del cabello

La mayoría de los distintos tipos de polvo pueden ocasionar errores apreciables en las observaciones (algunas veces hasta del 15 por ciento de la humedad relativa). En la mayor parte de los casos, se pueden eliminar o reducir los errores limpiando y lavando los cabellos. Sin embargo, las sustancias nocivas encontradas en el polvo pueden destruir el cabello (véase la sección 4.3.4). 4.3.5.3

Histéresis

Tanto la respuesta del elemento sensible de cabellos como el mecanismo de registro del higrómetro

I.4-15

presentan histéresis. En cuanto al mecanismo de registro, el empleo de un haz de cabellos permite reducir la histéresis, puesto que se puede aplicar una tensión relativamente más alta para eliminar el efecto de fricción. No hay que olvidar que, al igual que el desplazamiento de la palanca que acciona el estilete, la fuerza de fricción entre la plumilla y la banda registradora se amplifica, y que, a fin de superar esta fuerza, la tensión aplicada a los cabellos debe ser proporcionalmente mayor. Para reducir la histéresis, el resorte de tensión debe estar bien ajustado y todas las piezas del mecanismo articulado han de funcionar de manera correcta. El punto de apoyo principal y cualquier mecanismo de linealización en el mecanismo articulado representan una proporción considerable de la fricción total. La histéresis en el elemento sensible de cabello es, en general, un efecto de corta duración derivado de los procesos de absorción y de desorción, y no es una causa importante de error una vez que se logra el equilibrio de presión del vapor. Véase la sección 4.3.5.1 relativa a la exposición prolongada a baja humedad. 4.3.6

Calibración y comparación

Las lecturas de un higrógrafo deberían verificarse lo más frecuentemente posible. Cuando los termómetros húmedo y seco se encuentran en la misma garita meteorológica que el higrógrafo es posible comparar los dos instrumentos, siempre que las condiciones sean estables para permitir la operación. De otro modo, las comparaciones sobre el terreno tienen un valor limitado debido a la diferencia en el tiempo de respuesta de los instrumentos comparados. La calibración exacta solo puede realizarse en una cámara climatizada, y por comparación con instrumentos de referencia. Es posible verificar el punto correspondiente al 100% de humedad envolviendo el instrumento con un tejido saturado de agua, preferentemente en el interior de un recinto a una temperatura del aire constante (sin embargo, no se podrá obtener la lectura correcta si sobre los cabellos se forma una cantidad importante de gotitas de agua). La humedad ambiente en el interior de un local puede proporcionar un valor de humedad relativa bajo para efectuar una comparación con un psicrómetro de referencia aspirado. Procede realizar una serie de lecturas.

I.4-16

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

Es posible evaluar la estabilidad y el sesgo a largo plazo estableciendo una función de correlación a partir de comparaciones efectuadas con un psicrómetro de referencia aspirado. 4.3.7

Mantenimiento

Debería instarse a los observadores a mantener limpio el higrómetro. Los cabellos se deben lavar frecuentemente con un cepillo suave mojado en agua destilada para eliminar el polvo o los contaminantes solubles que se hayan acumulado. Se evitará tocar los cabellos con los dedos. Conviene mantener limpios los cojinetes del mecanismo y aplicar de vez en cuando un poco de aceite fino. Las superficies de los cojinetes de todo mecanismo de linealización contribuyen en gran parte a la fricción total del mecanismo articulado, y esta puede reducirse puliendo con grafito dichas superficies. Este procedimiento puede llevarse a cabo utilizando un papel secante frotado con la mina de un lápiz de grafito. Si el mantenimiento se hace debidamente, los cabellos pueden durar varios años en un clima templado, siempre que no estén sometidos a una contaminación atmosférica importante. Al reemplazar los cabellos, se debe proceder al ajuste y recalibración del instrumento.

4.4

HIGRÓMETRO DE PUNTO DE ROCÍO CON ESPEJO ENFRIADO

4.4.1

Consideraciones generales

4.4.1.1

Teoría

El higrómetro de punto de rocío (o de punto de escarcha) se utiliza para medir la temperatura a la cual el aire húmedo, al ser enfriado, alcanza la saturación y da lugar a la formación de un depósito de rocío (o de hielo) en una superficie sólida, que generalmente es un espejo. El depósito suele detectarse a simple vista. El principio de medición se describe en la sección 4.1.4.5 y más adelante. La temperatura termodinámica del punto de rocío se define en relación con una superficie plana de agua pura. En la práctica, las gotitas de agua tienen una superficie curvada sobre la cual la presión del vapor saturado es más alta que para una superficie

plana (lo que se conoce como efecto Kelvin). Las impurezas hidrófobas tienden a intensificar ese efecto, en tanto que las impurezas hidrosolubles ejercen el efecto contrario, y tienden a reducir la tensión saturante del vapor (efecto Raoult). Los efectos Kelvin y Raoult (que suben y bajan, respectivamente, el punto de rocío aparente) se minimizan si el tamaño crítico de la gotita es más bien grande que pequeño; esto disminuye directamente el efecto de la curvatura y atenúa el efecto Raoult al reducir la concentración de las impurezas solubles. 4.4.1.2

Principios

Si se enfría el aire húmedo a una temperatura T, presión p y razón de mezcla rw (o ri ), este alcanza su punto de saturación con respecto a la superficie de agua libre (o a la superficie del hielo libre a temperaturas más frías), y se puede detectar un depósito de rocío (o de escarcha) sobre una superficie sólida no higroscópica. La temperatura de este punto de saturación se denomina temperatura termodinámica del punto de rocío Td (o temperatura termodinámica del punto de escarcha Tf ). La correspondiente presión de saturación del vapor con respecto al agua, e’w (o al hielo e’i ) es una función de Td (o de Tf ), como muestran las siguientes ecuaciones: ew’ ( p, Td ) = f ( p ) ⋅ ew (Td ) =

r⋅p 0,.621 98 + r

(4.3)

ei’( p, T f ) = f ( p ) ⋅ ei (T f ) =

r⋅p 0,.621 98 + r

(4.4)

El higrómetro mide la Td o la Tf . A pesar de las grandes variaciones dinámicas de humedad en la troposfera, este instrumento puede detectar tanto las concentraciones muy altas como muy bajas del vapor de agua sirviéndose tan solo de un sensor térmico. Para enfriar el espejo se han estado utilizando líquidos con un bajo punto de ebullición, pero este método ha sido ampliamente sustituido, salvo para muy pequeñas concentraciones de vapor de agua. Por todo lo anterior, se hace necesario determinar si el depósito que se ha formado sobre el espejo, cuando la temperatura de la superficie es igual o inferior al punto de escarcha, es de agua subfundida o de hielo. El higrómetro de espejo enfriado se utiliza para mediciones meteorológicas y como instrumento de referencia, tanto sobre el terreno como en laboratorio.

CAPÍTULO 4. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD

4.4.2

Descripción

4.4.2.1

Equipo sensor

Los sistemas más utilizados tienen una pequeña superficie reflectora de metal pulido, enfriada por un dispositivo eléctrico con efecto Peltier. El sensor consiste en un delgado espejo metálico de pequeño diámetro (2 a 5 mm), térmicamente regulado mediante un dispositivo de enfriamiento (y a veces un calefactor), y un sensor de temperatura (termopar o termómetro de resistencia de platino) fijados al reverso del espejo. El espejo debería tener una elevada conductividad térmica, una gran reflexión óptica y una gran resistencia a la corrosión, así como una baja permeabilidad al vapor de agua. Entre los materiales apropiados que se utilizan en su fabricación están el oro, la plata rodiada, el cobre cromado y el acero inoxidable. El espejo debería estar equipado de un dispositivo (preferiblemente automático) para detectar los contaminantes que pueden aumentar o reducir el punto de rocío aparente (véase la sección 4.4.2.2), a fin de poder eliminarlos. 4.4.2.2

Equipo de detección óptica

En general, se utiliza un sistema electroóptico para detectar la formación de condensación y proporcionar al sistema de servocontrol la información que le permite regular la temperatura del espejo. Se dirige hacia el espejo un estrecho haz de luz con un ángulo de incidencia de unos 55°. La fuente de luz puede ser incandescente, pero con frecuencia se trata de un diodo fotoemisor. En los sistemas sencillos, la intensidad de la luz directamente reflejada se detecta mediante un fotodetector que regula el enfriamiento y el calentamiento a través de un mecanismo de servocontrol. La reflectancia especular de la superficie se reduce a medida que aumenta el espesor del depósito, y como no debe haber enfriamiento cuando el depósito es de poco espesor, la reducción de reflectancia varía entre el 5 y el 40 por ciento. En sistemas más complejos se utiliza un fotodetector auxiliar que detecta la luz difundida por el depósito; los dos detectores proporcionan un control muy preciso. Puede utilizarse también un segundo espejo, no enfriado, para mejorar el sistema de control. La mayor exactitud se obtiene al controlar la temperatura del espejo para que no haya ni acumulación ni disipación de la condensación. Sin embargo, en la práctica, el sistema de servocontrol oscilará entre

I.4-17

los valores próximos a esa temperatura. El tiempo de respuesta del espejo al calentamiento y al enfriamiento resulta esencial para la amplitud del fenómeno de oscilación, y debería ser de entre 1 y 2 segundos. El flujo de aire también es importante para mantener un depósito estable sobre el espejo. Es posible determinar la temperatura a la cual se produce la condensación con una incertidumbre de 0,05 K. Se puede observar la formación de gotitas de agua con ayuda de un microscopio y regular manualmente la temperatura del espejo, pero ello requiere mucho tiempo y gran habilidad. 4.4.2.3

Equipo de control térmico

Un dispositivo de unión térmica de efecto Peltier no es más que una sencilla bomba de calor reversible; la polaridad de la corriente continua determina si la unión térmica absorbe el calor para enfriar el espejo o si lo libera para calentarlo. Es necesario que haya un buen contacto térmico entre el dispositivo y el reverso del espejo. Para medir temperaturas muy bajas del punto de rocío, podría requerirse un instrumento equipado con un dispositivo de efecto Peltier multigradual. Para el control térmico se utiliza un sistema eléctrico de servocontrol que recibe la señal del subsistema del detector óptico. Los sistemas modernos se controlan con un microprocesador. Para enfriar el espejo, se puede utilizar un fluido de bajo punto de ebullición, como el nitrógeno líquido, pero esta técnica ya no se emplea tanto. Asimismo, es posible utilizar un alambre de resistencia eléctrica para calentar el espejo, pero este sistema actualmente tampoco se utiliza, debido a la aparición de los pequeños dispositivos de efecto Peltier. 4.4.2.4

Sistema de visualización de la temperatura

La temperatura del punto de rocío de la muestra de aire que el instrumento ofrece al observador no es otra que la temperatura del espejo, tal como la mide el termómetro eléctrico situado bajo su superficie. Los instrumentos disponibles en el mercado constan, en general, de una interfaz eléctrica para el termómetro del espejo y de un visualizador digital, aunque también pueden tener salidas eléctricas digitales o analógicas que se utilizan con sistemas de registro de datos. Un registrador de banda

I.4-18

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

es muy útil para controlar el rendimiento del instrumento cuando la salida analógica proporciona un registro continuo de la señal del termómetro del espejo, pero el visualizador digital no. 4.4.2.5

Sistemas auxiliares

Se podría incorporar un microscopio que permitiera determinar visualmente si, cuando la temperatura del espejo es inferior a 0 °C, este está cubierto de gotitas de agua subfundida o de cristales de hielo. Algunos instrumentos tienen un detector montado sobre la superficie del espejo para determinar automáticamente esta diferencia (por ejemplo, un sensor capacitivo), y otros aplican un método basado en el factor de reflectancia. Un sistema basado en un microprocesador puede incluir algoritmos para calcular y visualizar la humedad relativa. En ese caso, es importante que el instrumento pueda diferenciar correctamente un depósito de agua subfundida de un depósito de hielo. Muchos instrumentos disponen de un sistema automático para reducir al mínimo los efectos de la contaminación. Puede consistir en un ciclo regular de calefacción que produce la evaporación de las impurezas volátiles y su eliminación con la circulación del aire. Se utilizan también sistemas con escobillas para la limpieza automática del espejo. Para las mediciones meteorológicas, así como para la mayoría de las aplicaciones experimentales, el instrumento debe estar equipado con una pequeña bomba que aspire la muestra de aire a través de una cámara de medición. El instrumento debe estar provisto asimismo de un dispositivo capaz de controlar el flujo de aire para que sea compatible con el funcionamiento estable del sistema de servocontrol de la temperatura del espejo, y para que el tiempo de respuesta a las variaciones de la humedad sea satisfactorio. El flujo de aire óptimo depende de la humedad de la muestra de aire, y normalmente varía entre 0,25 y 1 l min–1.

graduación del flujo de aire perturbará el funcionamiento del higrómetro, e incluso, podría ser conveniente iniciar un ciclo de calefacción. Ambas operaciones deberían efectuarse con la antelación suficiente para que el instrumento se estabilice antes de realizar la lectura. El tiempo requerido dependerá del ciclo de control del instrumento utilizado. Deberían consultarse las instrucciones del fabricante para conocer la graduación del flujo de aire y los detalles pertinentes del ciclo de control del instrumento. Sería preciso controlar con frecuencia el estado del espejo y limpiarlo cuando haga falta pues el funcionamiento normal del instrumento no implica necesariamente que el espejo esté limpio. Así pues, este último debería lavarse con agua destilada y secarlo, con mucho cuidado, con un paño suave o con un bastoncillo de algodón para eliminar todas las impurezas solubles. Se deben tomar todas las precauciones necesarias para no rayar la superficie del espejo, sobre todo si este tiene una fina capa protectora que recubre la superficie, o está dotado de un detector de agua o de hielo. Si no se utiliza un filtro de aire, la limpieza habría de efectuarse, al menos, diariamente; en cambio, si se usa un filtro de aire, debería verificarse el estado del mismo cada vez que se realiza una observación. Sería recomendable que el observador no se sitúe demasiado cerca del orificio de aspiración, y que vele para que nada obstruya el orificio que permite la evacuación del aire. Si, al realizarse la lectura, la temperatura es igual o inferior a 0 °C, el observador tendría que determinar si el espejo está cubierto de agua subfundida o de hielo. Si el instrumento no lo indica automáticamente, habrá de observar el espejo. Se debería comprobar periódicamente el buen funcionamiento de cualquier sistema automático. Los mejores instrumentos ofrecen una incertidumbre de ±0,3 K en un amplio intervalo de medición del punto de rocío (–60 a 50 °C). 4.4.4

4.4.3

Método de observación

El buen funcionamiento del higrómetro de punto de rocío depende de que haya un flujo de aire adecuado en la cámara de medición. Con este fin, tal vez sea necesario ajustar la graduación de un regulador (que, en general, se trata de un dispositivo de estrangulamiento situado en la parte posterior de la cámara de medición) en función de las variaciones diurnas de la temperatura del aire. La

Exposición y emplazamiento

Los criterios de emplazamiento del sensor son iguales a los que se aplican a cualquier higrómetro aspirado. Sin embargo, son menos estrictos que en el caso de un psicrómetro o de un sensor de humedad relativa, debido a que las variaciones de la temperatura del aire ambiente no afectan al punto de rocío o de escarcha de una muestra de aire, siempre que esa temperatura se mantenga estable por encima del punto de rocío. Por lo tanto, no es

CAPÍTULO 4. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD

necesario colocar el sensor en una garita meteorológica sino que debería exponerse en un espacio abierto; por ejemplo, montado sobre un poste y cubierto con una envoltura protectora, con un conducto de aspiración al nivel requerido. También hay que disponer de un sistema de muestreo del aire. Se trata normalmente de una pequeña bomba que aspira el aire por el conducto de salida previsto en la cámara de medición y lo expulsa lejos del conducto de aspiración. Para que la técnica de muestreo tenga valor debería evitarse la recirculación del aire. En condiciones estables de funcionamiento, el contenido de vapor de agua del aire tendría que ser igual en la salida y en la entrada del sistema de aspiración. La recirculación se puede evitar situando el orificio de evacuación a mayor altura que el de aspiración, aunque esto podría no resultar eficaz en condiciones atmosféricas radiativas cuando existe un gradiente vertical de temperatura negativo. En los instrumentos que funcionan siempre en el exterior, conviene instalar un filtro de aire que permita la circulación del mismo y que no se bloquee con frecuencia, pues un bloqueo podría ocasionar un descenso importante de la presión del aire a la vez que modificaría la temperatura de condensación en la cámara de medición. Se puede utilizar un filtro de metal sinterizado para capturar todas las partículas de aerosoles, salvo las más pequeñas. Un filtro de metal tiene la ventaja de que puede ser calentado fácilmente con un elemento eléctrico para mantenerlo seco en cualquier circunstancia. Es más sólido que el filtro de membrana y más apropiado para que pasen los flujos de aire relativamente elevados que necesita el método del espejo enfriado, en comparación con el método de sorción. Sin embargo, un filtro metálico puede ser menos resistente que algunas membranas filtrantes a la corrosión ocasionada por los contaminantes atmosféricos. 4.4.5

Calibración

El funcionamiento de un higrómetro de espejo utilizado sobre el terreno puede degradarse por diversas razones, por lo que convendría realizar periódicamente comparaciones con un instrumento de referencia, como el psicrómetro de Assmann u otro higrómetro de espejo enfriado. Si el instrumento funciona siempre sobre el terreno, tendrían que llevarse a cabo verificaciones de medición semanales. Cuando se presente la ocasión, debería verificarse su funcionamiento en el punto de rocío y en el punto de helada. Si la temperatura del espejo fuese inferior a 0 °C, habría que examinar visualmente el

I.4-19

depósito, siempre que sea posible, para determinar si es agua subfundida o hielo. Una verificación útil consiste en comparar la medición de la temperatura del espejo con la temperatura del aire mientras no funciona el sistema de control térmico del higrómetro. Se debería ventilar el instrumento y habría que medir la temperatura del aire en la entrada del conducto de aspiración del higrómetro. Esta verificación se hace mejor cuando las condiciones son estables y no se produce condensación. El sensor y el conducto de aire tendrían que estar protegidos de los rayos del sol en equilibrio térmico. Para realizar esa verificación se puede aumentar la velocidad del aire aspirado. La interfaz del termómetro de espejo se puede calibrar independientemente sobre el terreno, simulando la señal del termómetro. Si se trata de un termómetro con resistencia de platino, puede utilizarse una caja estándar de simulación con resistencia de platino, o una caja de décadas de resistencias y un juego de tablas adecuadas. Se podría necesitar también una interfaz especial de simulación para el sistema de control del higrómetro.

4.5

HIGRÓMETRO DE CONDENSACIÓN DE CLORURO DE LITIO CALENTADO (CÉLULA DE PUNTO DE ROCÍO)

4.5.1

Consideraciones generales

4.5.1.1

Principios

Los principios físicos en los que se basa el método de solución salina calentada figuran en la sección 4.1.4.5.2. La presión del vapor en equilibrio en la superficie de una solución saturada de cloruro de litio es excepcionalmente baja. Por lo tanto, una solución de cloruro de litio es extremadamente higroscópica en condiciones normales de humedad atmosférica en la superficie. Si la presión del vapor ambiente es superior a la presión del vapor en equilibrio de la solución, habrá condensación del vapor de agua en la superficie de la solución (por ejemplo, a 0 °C, el vapor de agua se condensa sobre la superficie plana de una solución saturada de cloruro de litio cuando la humedad relativa alcanza solo el 15 por ciento). Se puede obtener un dispositivo de autorregulación termodinámica calentando la solución directamente con una corriente eléctrica que la atraviese,

I.4-20

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

procedente de un aparato de voltaje constante. Conviene utilizar una corriente alterna para impedir la polarización de la solución. A medida que disminuye la conductividad eléctrica disminuye también la corriente calefactora, y se alcanza un punto de equilibrio, por lo que se mantiene una temperatura constante. Si la solución se enfría, se produce la condensación del vapor de agua, con lo que aumentará la conductividad y la corriente calefactora y se invertirá la tendencia al enfriamiento. Si la solución se calienta por encima del punto de equilibrio, el vapor de agua se evapora ocasionando un descenso de la conductividad y, por lo tanto, una disminución de la corriente calefactora al punto en que las pérdidas térmicas ocasionan un enfriamiento. De lo anterior, se deduce que para la presión del vapor ambiente existe un límite inferior que puede medirse de esa manera a una temperatura dada. Por debajo de ese valor, la solución salina debería enfriarse para que el vapor de agua se condense. Esto equivaldría al método del espejo enfriado, salvo que en este último la condensación se produce a una temperatura más baja cuando se obtiene la saturación con respecto a una superficie de agua pura, es decir, al punto de rocío ambiente. Este método presenta un cierto grado de incertidumbre debido a la existencia de cuatro hidratos diferentes de cloruro de litio. A ciertas temperaturas críticas, dos de los hidratos se mantienen en equilibrio con la fase acuosa, y la temperatura de equilibrio obtenida al calentar la solución varía de acuerdo a la transformación en hidrato que se produce posteriormente. En las aplicaciones meteorológicas la incertidumbre mayor ocurre a temperaturas ambiente del punto de rocío inferiores a –12 °C. Para un punto de rocío ambiente de –23 °C, la posible diferencia de la temperatura de equilibrio, según la cual se produce una de las dos transformaciones de solución de hidrato, da lugar a una incertidumbre de ±3,5 K en el valor del punto de rocío obtenido. 4.5.1.2

Descripción

El higrómetro de célula de punto de rocío mide la temperatura a la cual la presión del vapor en equilibro de una solución de cloruro de litio saturada es igual a la presión del vapor de agua ambiente. Las ecuaciones empíricas de transformación, basadas en los datos de tensión saturante del vapor para la solución de cloruro de litio y para el agua pura, permiten deducir la presión del vapor de agua y el punto de rocío ambientes con respecto a una

superficie plana de agua pura. A un intervalo de temperaturas del punto de rocío que varía de –12 a 25 °C corresponde otro de temperaturas de la célula de punto de rocío de entre 17 y 71 °C. 4.5.1.3

Sensores con calefacción directa

El sensor consta de un tubo, o bobina, que en su interior alberga, en posición axial, un termómetro de resistencia. La superficie externa del tubo está cubierta con un material de fibra de vidrio (en general, una banda enrollada alrededor y a lo largo del tubo) que se impregna de una solución acuosa de cloruro de litio, combinada a veces con cloruro de potasio. Sobre la cubierta de la bobina se enrolla un hilo bifilar de plata o de oro, manteniendo el mismo espacio entre cada vuelta. Se conecta una fuente de corriente alterna a los dos extremos del enrollado bifilar; la corriente proviene normalmente del suministro eléctrico ordinario (50 o 60 Hz). La conductividad eléctrica de la solución de cloruro de litio viene determinada por su grado de concentración. La corriente circula a través de la solución, entre las vueltas adyacentes del enrollado bifilar que actúan como electrodos. La corriente calienta la solución y, por lo tanto, aumenta la temperatura. Salvo en condiciones de muy baja humedad, la presión del vapor ambiente, a la temperatura del aire ambiente, será superior a la presión del vapor en equilibrio en la superficie de la solución de cloruro de litio, y el vapor de agua se condensará en la superficie de la solución. Dado que la corriente eléctrica calienta la solución, se alcanzará finalmente una temperatura por encima de la cual la presión del vapor en equilibrio será superior a la presión del vapor ambiente; comenzará la evaporación y aumentará la concentración de la solución. Al estar en funcionamiento, el instrumento alcanza una temperatura de equilibrio que varía en función de la presión del vapor de agua ambiente. Por encima de esa temperatura, la concentración de la solución aumentará por evaporación, y la corriente eléctrica y la calefacción disminuirán; la solución puede sufrir entonces pérdidas de calor que darán lugar a que su temperatura descienda. Por debajo de la temperatura de equilibrio, la concentración de la solución disminuirá por condensación, la corriente eléctrica y la calefacción aumentarán, y ocasionarán un aumento de la temperatura de la solución. A la temperatura de equilibrio no se produce ni evaporación ni condensación porque la presión del vapor en equilibrio y la presión del vapor ambiente son iguales.

CAPÍTULO 4. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD

I.4-21

Método operativo

En la práctica, la temperatura de equilibrio medida varía en función de las características de construcción del sensor, y tiende a ser mucho más alta que la prevista a partir de datos sobre la presión del vapor en equilibrio para una solución saturada de cloruro de litio. No obstante, se obtiene una reproducibilidad suficientemente buena para poder utilizar una función de transferencia normalizada para todos los sensores construidos según las mismas especificaciones.

4.5.2

Una ventilación muy fuerte modifica las características de transferencia térmica del sensor, y si la ventilación tiene fluctuaciones su funcionamiento es inestable.

Sería preciso que el instrumento se alimentara permanentemente. Si su temperatura desciende por debajo de la de equilibrio, cualquiera que sea el tiempo que dure el enfriamiento, se producirá una condensación y el electrólito comenzará a gotear.

Para reducir al mínimo los riesgos de un impulso de corriente excesivo al conectar el higrómetro (pues la resistencia de la solución a temperatura ambiente es relativamente baja), con frecuencia se conecta al calefactor una pequeña bombilla que actúa como atenuador de corriente. Esta se selecciona de manera que, a las corrientes normales de funcionamiento de la bobina, la resistencia del filamento sea lo suficientemente baja para que el higrómetro funcione adecuadamente, mientras que la corriente operativa de la bombilla incandescente (incluso para una bobina sin resistencia eléctrica) se mantiene lo suficientemente baja para que no dañe el elemento calefactor.

Una vez tomadas las lecturas de la temperatura de equilibrio de la bobina, una función de transferencia permite obtener la temperatura del punto de rocío. Se debería evitar cualquier alteración del sensor, pues las variaciones térmicas en la superficie de la bobina modifican la temperatura de equilibrio.

Se deben realizar periódicamente mediciones de control con un higrómetro de trabajo de referencia y, de ser necesario, hay que limpiar el instrumento y aplicarle de nuevo una solución de cloruro de litio. Si el fabricante no proporciona un atenuador de corriente, se debería instalar ese dispositivo pues, de lo contrario, el sensor podría resultar dañado por una corriente demasiado alta al conectar el instrumento.

4.5.3 La presión del vapor en equilibrio de una solución saturada de cloruro de litio varía de acuerdo al hidrato en estado de equilibrio con la solución acuosa. En el rango de temperaturas de la solución correspondientes al intervalo de los puntos de rocío entre –12 y 41 °C, el cloruro de litio es monohidratado. Por debajo de –12 °C se forma el dihidrato, y por encima de 41 °C el cloruro de litio anhidro. Cerca de los puntos de transición, el funcionamiento del higrómetro es inestable y las lecturas no son precisas. Sin embargo, si se añade una pequeña cantidad de cloruro de potasio (KCl) se puede extender el límite inferior del punto de rocío de –12 a –30 °C.

4.5.1.4

Exposición y emplazamiento

El higrómetro debería instalarse al aire libre, en una estructura adecuada que lo proteja de los efectos del viento y de la lluvia. El instrumento necesita también un sistema que permita mantener constante la velocidad del aire aspirado. El calor que se desprende del higrómetro puede alterar el funcionamiento de otros instrumentos, lo cual habrá de tenerse en cuenta al seleccionar el sitio de instalación. Los contaminantes atmosféricos afectan el funcionamiento del instrumento, sobre todo las sustancias que se disocian en solución y producen una concentración de iones importante.

Sensores con calefacción indirecta

Se puede mejorar la exactitud del sistema descrito en la sección 4.5.1.2 si la solución de cloruro de litio se calienta indirectamente. La conductividad de la solución se mide entre dos electrodos de platino, y permite controlar un serpentín de calefacción.

4.5.4

Fuentes de error

Para medir la temperatura de equilibrio se necesita un termómetro de resistencia eléctrica; las fuentes de error son las asociadas normalmente con la termometría.

I.4-22

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

La temperatura de equilibrio obtenida está determinada por las propiedades del soluto, por lo que una presencia importante de impurezas tendrá consecuencias imprevisibles. Las variaciones en la aspiración influyen en los intercambios térmicos y, por lo tanto, en la estabilidad del instrumento. Para que el funcionamiento sea estable, la velocidad del aire aspirado debe ser constante. 4.5.5

Calibración

Se debería realizar, al menos una vez al mes, una calibración sobre el terreno con un instrumento patrón de trabajo. La calibración de la bobina del termómetro y de la pantalla de visualización de la temperatura habría que llevarla a cabo periódicamente, como se hace con otros termómetros y sistemas de visualización operativos. 4.5.6

Mantenimiento

El cloruro de litio debería renovarse con regularidad. Esta operación podría realizarse una vez al mes, pero dependerá del nivel de contaminación atmosférica. Cuando se cambie la solución, será preciso lavar la bobina con agua destilada y aplicar luego una nueva solución. La cobertura protectora se debería limpiar al mismo tiempo. Para preparar una nueva solución se mezclan cinco partes de cloruro de litio anhidro con 100 partes de agua destilada, en peso, es decir, 1 g de cloruro de litio anhidro por cada 20 ml de agua. El mantenimiento del sensor de temperatura debería realizarse según las recomendaciones que se aplican a los instrumentos eléctricos utilizados para medir la temperatura del aire, pero teniendo en cuenta la diferencia en el intervalo de temperaturas medidas.

4.6

HIGRÓMETROS ELÉCTRICOS DE RESISTENCIA Y DE CAPACITANCIA

4.6.1

Consideraciones generales

Las propiedades eléctricas de algunos materiales higroscópicos varían en función de la humedad relativa ambiente, y solo presentan una pequeña dependencia térmica.

Los sensores eléctricos de humedad relativa se utilizan cada vez más en las aplicaciones que exigen una lectura remota, sobre todo cuando se requiere una visualización directa de la humedad relativa. Como muchos de esos sensores proporcionan respuestas no lineales relativas a las variaciones de humedad, los fabricantes los equipan frecuentemente con sistemas especiales de procesamiento y visualización de datos. 4.6.2

Resistencia eléctrica

En el ámbito de la meteorología se pueden utilizar sensores de plástico tratados químicamente, con una capa superficial conductora de electricidad sobre el sustrato aislante. La resistencia de la superficie varía de acuerdo con la humedad relativa ambiente. El proceso de adsorción predomina sobre el de absorción porque la parte sensible a la humedad de dicho sensor se limita a la capa superficial. Por lo tanto, este tipo de sensor es capaz de responder rápidamente a las variaciones de la humedad ambiente. Esta clase de sensor comprende varios tipos de instrumentos electrolíticos, en los que la disponibilidad de iones conductores en un electrólito higroscópico es función de la cantidad de vapor de agua adsorbida. El electrólito puede presentarse en varias formas, por ejemplo como una solución líquida, o gel, e incluso una resina intercambiadora de iones. Para evitar la polarización del electrólito, se mide la variación de impedancia respecto de una corriente alterna en vez de una corriente continua. Puede utilizarse un suministro de corriente de baja frecuencia, ya que es la resistencia a la corriente continua la que tiene que ser medida, lo cual posibilita el uso de conductores relativamente largos entre los sensores y su interfaz eléctrica. 4.6.3

Capacitancia eléctrica

Este método se basa en las variaciones de las propiedades dieléctricas de un material sólido, higroscópico, en función de la humedad relativa ambiente. En general se utilizan para ello materiales poliméricos. El agua absorbida en el polímero modifica sus propiedades dieléctricas debido al considerable momento dipolar de la molécula de agua. La parte sensible del sensor de humedad consiste en una delgada hoja polímera dispuesta entre dos electrodos para formar un condensador. La

CAPÍTULO 4. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD

impedancia eléctrica de este condensador proporciona una medida de la humedad relativa. El valor nominal de la capacitancia puede ser de apenas unos pocos o varios cientos de picofaradios, según sea el tamaño de los electrodos y el grosor del material dieléctrico. A su vez, este valor influye en el rango de la frecuencia de excitación utilizado para medir la impedancia del instrumento, que normalmente es de al menos varios kilohercios, y, por lo tanto, requiere que se hagan conexiones cortas entre el sensor y la interfaz eléctrica, a fin de reducir al mínimo los efectos de la capacitancia parásita. Por eso, la interfaz eléctrica está normalmente integrada en el sensor de capacitancia y es necesario tener en cuenta el efecto de la temperatura ambiente en el rendimiento de los componentes del circuito. 4.6.4

Método de observación

Los sensores que se basan en las variaciones de las propiedades electrónicas de materiales higroscópicos se utilizan con frecuencia en la lectura remota de la humedad relativa, y en las estaciones meteorológicas automáticas. 4.6.5

Exposición y emplazamiento

Los sensores deberían instalarse en una garita meteorológica siguiendo las instrucciones del fabricante relativas al montaje del sensor propiamente dicho. Es obligatorio utilizar filtros protectores. El contacto directo con el agua causa graves daños a los sensores que utilizan como elementos sensibles electrólitos higroscópicos; en consecuencia, habría que tener mucho cuidado para que el agua no llegue al elemento sensible de dichos sensores. 4.6.6

Calibración

Los procedimientos de calibración, tanto sobre el terreno como en laboratorio, corresponden a los utilizados para los higrómetros de cabello. Para la mayoría de sensores de este tipo existe equipo auxiliar apropiado que permite realizar controles con soluciones salinas. 4.6.7

Mantenimiento

Debería alentarse a los observadores a mantener el higrómetro en perfecto estado de limpieza (véase la sección 4.1.4.10).

4.7

I.4-23

HIGRÓMETROS DE ABSORCIÓN DE RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Las moléculas de agua absorben la radiación electromagnética (REM) en un intervalo de bandas de onda y de longitudes de onda específicas; esta característica puede utilizarse para medir la concentración molecular del vapor de agua en un gas. Las regiones más utilizadas del espectro electromagnético con este fin son las del ultravioleta y el infrarrojo. Por ello, las técnicas se denominan con frecuencia higrometría óptica o, más exactamente, higrometría de absorción de la REM. El método utiliza las mediciones de la atenuación de la radiación en una banda de ondas que corresponde a la banda de absorción del vapor de agua, a lo largo del trayecto entre la fuente de radiación y un receptor. Existen dos métodos principales para determinar el grado de atenuación de la radiación, a saber: a) Transmisión de radiación de banda estrecha, a una intensidad fija, hacia un receptor calibrado. La fuente de radiación más utilizada es el hidrógeno. El espectro de emisión del hidrógeno comprende la línea Lyman alfa a 121,6 nanómetros, que coincide con una banda de absorción del vapor de agua en la región del ultravioleta donde los otros gases atmosféricos comunes tienen un bajo nivel de absorción. La trayectoria de medición es normalmente de unos cuantos centímetros. b) Transmisión de radiación en dos longitudes de onda, una de las cuales es fuertemente absorbida por el vapor de agua y la otra no es absorbida, o lo es solo levemente. Si se utiliza una sola fuente para generar la radiación en ambas longitudes de onda, se puede conocer con exactitud la relación de sus intensidades emitidas, de manera que se puede determinar la atenuación de la longitud de onda absorbida midiendo la relación de sus intensidades en el receptor. Para esta técnica, la fuente térmica más utilizada es una bombilla de tungsteno con filtros, que permite aislar dos longitudes de onda en la región del infrarrojo. La medición tiene una trayectoria normalmente superior a un metro de longitud. Los dos tipos de higrómetros de absorción de la REM requieren calibración frecuente y resultan más apropiados para medir las variaciones de la concentración de vapor que los niveles absolutos. La aplicación más conocida del higrómetro de absorción de la REM es el control de las variaciones de humedad de frecuencias muy elevadas, pues según el método no es necesario que el detector alcance

I.4-24

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

una presión del vapor de equilibrio con la muestra. La constante de tiempo de un higrómetro óptico es de unos pocos milisegundos. En la actualidad, el uso del higrómetro óptico está limitado a las actividades de investigación.

4.8

SEGURIDAD

Para medir la humedad se utilizan diversos productos químicos. El personal que manipule esos productos debería conocer siempre sus propiedades. Los productos químicos deberían conservarse en recipientes seguros, robustos y bien etiquetados, y almacenarse en un lugar adecuado. Las autoridades

locales pueden prescribir las instrucciones relativas al uso de material tóxico. Para medir la humedad se utilizan sobre todo soluciones salinas saturadas. A continuación se ofrecen algunas pautas de seguridad que deben tenerse en cuenta al emplear las sales más utilizadas: a) Cloruro de bario (BaCl2): se presenta en forma de cristales incoloros, muy solubles en agua. Es estable, pero desprende emanaciones tóxicas en caso de incendio. No presenta reacción peligrosa con el agua, los ácidos, las bases, los oxidantes ni con los combustibles. Si se ingiere produce náuseas, vómitos, dolores estomacales y diarrea. Es peligroso inhalar el polvo de esta sal. Al contacto con la piel y los ojos causa

Cuadro 4.4. Instrumentos patrón para la medición de la humedad Instrumento patrón

Temperatura del punto de rocío

Humedad relativa (%)

Rango (°C)

Incertidumbre (K)

Rango

Incertidumbre

Requisito

–60 a –15 –15 a 40

0,3 0,1

5 a 100 5 a 100

0,2 0,2

Higrómetro gravimétrico

–60 a –35 –35 a 35 35 a 60

0,25 0,03 0,25

Generador de humedad patrón de dos temperaturas

–75 a –15 –15 a 30 30 a 80

0,25 0,1 0,2

Generador de humedad patrón de dos presiones

–75 a 30

0,2

Requisito

–80 a –15 –15 a 40

0,75 0,25

5 a 100

0,5

Higrómetro de espejo enfriado

–60 a 40

0,15 5 a 100

0,6

5 a 100

1,5

5 a 100

0,6

5 a 100

2

40 a 90

1

Patrón primario

Patrón secundario

Psicrómetro de referencia Patrón de referencia Requisito

–80 a –15 –15 a 40

1,0 0,3

Psicrómetro de referencia Higrómetro de espejo enfriado

–60 a 40

0,3

Requisito

–15 a 40

0,5

Psicrómetro de Assmann

–10 a 25

Higrómetro de espejo enfriado

–10 a 30

Patrón de trabajo

0,5

CAPÍTULO 4. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD

b)

c)

d)

e)

f)

irritación. Lavar con agua abundante y, en caso de ingestión, procurar atención médica. Cloruro de calcio (CaCl2): se presenta en forma de cristales incoloros, delicuescentes. Muy soluble en agua, se disuelve con aumento del calor. Da inicio a la polimerización exotérmica del éter metilvinílico. Puede reaccionar con el cinc para liberar hidrógeno. No presenta reacción peligrosa con los ácidos, las bases, los oxidantes ni con los combustibles. Irrita la piel, los ojos y el sistema respiratorio. Si se ingiere produce irritación gástrica, y la ingestión en grandes cantidades puede causar hipercalcemia, deshidratación y lesiones renales. Lavar con agua abundante y procurar atención médica. Cloruro de litio (LiCl): se presenta en forma de cristales incoloros; es estable si se mantiene seco y muy soluble en agua. Desprende emanaciones tóxicas en caso de incendio. Si se ingiere, puede modificar el balance iónico de la sangre y producir anorexia, diarrea, vómitos, vértigo y perturbaciones del sistema nervioso central; puede ocasionar también lesiones renales si la persona afectada tiene una dieta baja en sal (se debe beber mucha agua y procurar atención médica). No presenta reacción peligrosa con el agua, los ácidos, las bases, los oxidantes ni con los combustibles. Nitrato de magnesio (Mg(NO3)2): se presenta en forma de cristales incoloros, delicuescentes y muy solubles en agua. Puede dar inicio a la combustión de material inflamable. La reacción con material reductor puede ser violenta y se puede descomponer espontáneamente en dimetilformamido. Desprende emanaciones tóxicas en caso de incendio (combatir el incendio con agua pulverizada). La ingestión en grandes cantidades puede resultar mortal (beber mucha agua y procurar asistencia médica). Al contacto con la piel y los ojos causa irritación (lavar con agua). Nitrato de potasio (KNO3): se presenta en forma de cristales blancos o de polvo cristalino; es muy soluble en agua. Es estable, pero desprende emanaciones tóxicas en caso de incendio (combatir el incendio con agua pulverizada). Su ingestión en grandes cantidades produce vómitos, pero se elimina rápidamente por la orina (beber mucha agua). Irrita los ojos (lavar con agua). No presenta reacción peligrosa con el agua, los ácidos, las bases, los oxidantes ni con los combustibles. Cloruro de sodio (NaCl). Se presenta en forma de cristales incoloros o de polvo blanco; es muy soluble en agua. Es estable y no presenta reacción peligrosa con el agua, los ácidos, las bases,

I.4-25

los oxidantes ni con los combustibles. Su ingestión en grandes cantidades puede ocasionar diarrea, náuseas, vómitos, respiración profunda y acelerada y convulsiones (en casos graves se debe procurar atención médica). Los consejos relativos a la utilización sin riesgos del mercurio figuran en el capítulo 3 de la parte I.

4.9

INSTRUMENTOS DE REFERENCIA Y CALIBRACIÓN

4.9.1

Principios relativos a la calibración de los higrómetros

La precisión de la calibración de los sensores de humedad plantea problemas particulares debido, en gran parte, a la cantidad relativamente pequeña de vapor de agua que existe en una muestra de aire a temperaturas normales, pero también por la dificultad general que supone aislar y almacenar gases y, en especial, el vapor de agua. Actualmente está comenzando a surgir un orden jerárquico internacional en materia de trazabilidad de los patrones de referencia de la humedad. El higrómetro gravimétrico permite establecer un patrón absoluto para la humedad (es decir, una materialización de la definición física de la cantidad de humedad). El psicrómetro de referencia (dentro de su limitado rango) constituye también una especie de patrón primario, ya que es posible calcular su rendimiento. La calibración de los patrones secundarios, de referencia y de trabajo se realiza en varias etapas. En el cuadro 4.4 figura un resumen de los instrumentos patrón de medición de la humedad, y sus rendimientos. La calibración práctica sobre el terreno se realiza frecuentemente por medio de psicrómetros aspirados y sensores del punto de rocío bien diseñados como patrones de trabajo. Estos tipos específicos de patrones deben poder controlarse con patrones de niveles más altos mediante comparaciones muy cuidadosas. Todo instrumento que se utilice como patrón se tiene que calibrar individualmente para todas las variables que forman parte del cálculo de la humedad (temperatura del aire, temperatura del termómetro húmedo, temperatura del punto de rocío, etc.). También deberían controlarse otros factores que afectan el rendimiento de ese tipo de instrumento, por ejemplo el flujo de aire.

I.4-26

4.9.2

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

Frecuencia y métodos de calibración

Todos los sensores de humedad que se utilizan sobre el terreno requieren una calibración periódica. Para los psicrómetros de espejo enfriado y los higrómetros de punto de rocío calentado que usan un detector de temperatura, la calibración puede realizarse cada vez que se haga el mantenimiento de rutina. Se efectuará una comparación con un patrón de trabajo, como el psicrómetro de Assmann, al menos una vez al mes. Conviene utilizar como patrón de trabajo un psicrómetro aspirado de tipo estándar, como el de Assmann, pues tiene la ventaja de que se puede verificar en su totalidad comparando los termómetros seco y húmedo que lo constituyen y, además, porque se sabe si funciona bien cuando el ventilador produce un sonido normal. El instrumento de referencia debería calibrarse a intervalos adecuados en función del tipo de aparato. Se pueden utilizar soluciones salinas saturadas para los sensores que solo requieren una muestra de poco volumen. Durante la calibración, la temperatura ambiente debe mantenerse estable; por lo tanto, es difícil fiarse del resultado de dichas soluciones sobre el terreno. Cuando se utilizan soluciones salinas con fines de control se debe considerar que el valor nominal de la humedad dada para la solución salina no se remite a ningún patrón primario. 4.9.3

Calibración en el laboratorio

La calibración en el laboratorio es esencial para mantener la precisión, teniendo en cuenta lo siguiente: a) Instrumentos patrón de trabajo y de observación: la calibración en laboratorio de instrumentos patrón de trabajo y de observación debería realizarse con la misma periodicidad que la de los termómetros en uso. Para hacerlo, el dispositivo del sensor del espejo enfriado se puede tratar separadamente de la unidad de control. El termómetro de espejo tendría que calibrarse por separado, y la unidad de control habría de calibrarse con la misma frecuencia que los demás elementos del equipo electrónico de precisión. La calibración de un instrumento de observación no requiere necesariamente ayuda de un generador de humedad si los componentes se han calibrado separadamente como se ha descrito anteriormente. El buen funcionamiento de un instrumento se puede verificar en un recinto con condiciones

estables comparándolo con un instrumento de referencia, como el psicrómetro de Assmann o un higrómetro patrón de espejo enfriado. Si el instrumento de observación tiene un detector de hielo, convendría controlar también el buen funcionamiento de ese sistema. b) Instrumentos de referencia y patrón: la calibración en el laboratorio de instrumentos de referencia y patrón requiere un generador de humedad de precisión y un higrómetro patrón de transferencia apropiado. Los generadores de humedad de dos presiones y de dos temperaturas permiten generar un flujo de aire adecuado, a una temperatura y un punto de rocío predeterminados. La calibración debería realizarse al menos una vez cada 12 meses y para todo el rango correspondiente a la aplicación de referencia del instrumento. La calibración del termómetro de espejo y del sistema de visualización de la temperatura debería llevarse a cabo separadamente, al menos una vez cada 12 meses. 4.9.4

Patrones primarios

4.9.4.1

Higrometría gravimétrica

El método gravimétrico permite obtener una medición absoluta del contenido de vapor de agua en una muestra de aire, en función de su razón de mezcla de humedad. Para ello se extrae el vapor de agua que contiene la muestra, utilizando un desecante cuya masa se conoce, como el pentóxido de difósforo (P 2O 5) o el perclorato de magnesio (Mg(ClO4)2). Se pesa el desecante antes y después de absorber el vapor, y la diferencia permite establecer la masa del vapor de agua. La masa de la muestra seca puede calcularse pesándola (tras la licuefacción para que sea más fácil manipular el volumen de la muestra) o midiendo su volumen (conociendo su densidad). La complejidad del equipo necesario para llevar a cabo con exactitud el procedimiento descrito limita su aplicación al ámbito del laboratorio. Además, para obtener mediciones exactas se requiere examinar un volumen considerable de la muestra de aire; en la práctica, es necesario que el aire circule de manera constante durante varias horas, según sea la humedad del aire, a fin de que la masa de vapor de agua sea suficiente para obtener una medición exacta del peso. Por lo tanto, el método se emplea solo para obtener un patrón absoluto de referencia. Este tipo de equipo se encuentra sobre todo en los laboratorios de calibración nacional.

CAPÍTULO 4. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD

4.9.4.2

Generador dinámico de humedad patrón de dos presiones

Este aparato de laboratorio sirve para generar gas húmedo cuya humedad relativa se determina sobre una base absoluta. El gas portador atraviesa una cámara de saturación a la presión P1 y pasa a una segunda cámara en la cual se produce su expansión isotérmica a una presión inferior P2. Ambas cámaras se mantienen a la misma temperatura en un baño de aceite. Según la ley de Dalton de las presiones parciales, la humedad relativa de la mezcla vapor de agua/gas está directamente relacionada con la presión total de cada una de las dos cámaras, es decir, la presión parcial e’ del vapor en la cámara de baja presión tendrá la misma relación que la presión de saturación del vapor e’w , y la presión total en el saturador de alta presión será igual a la presión total en la cámara de baja presión. De este modo la humedad relativa Uw viene dada por la ecuación: Uw = 100· e’/e’w = 100· P1/P2

(4.5)

La relación se mantiene también en la fase sólida si el gas está saturado con respecto al hielo a la presión P1: Ui = 100· e’/e’i = 100· P1/P2

4.9.4.3

(4.6)

Se puede utilizar un higrómetro de espejo enfriado como instrumento patrón secundario en condiciones controladas de temperatura, humedad y presión. Con este fin, el higrómetro debería calibrarse en un laboratorio acreditado, que proporcionará los límites de incertidumbre para todo el intervalo de funcionamiento del instrumento. Esta calibración estará directamente vinculada a un patrón primario y debería efectuarse a intervalos regulares (en general, una vez cada 12 meses). Las consideraciones generales sobre el higrómetro de espejo enfriado figuran en la sección 4.4. Este método presenta una técnica fundamental para determinar la humedad atmosférica. Si se siguen correctamente las instrucciones del fabricante sobre el mantenimiento y la utilización del instrumento, este puede dar una medición primaria del punto de rocío o del punto de escarcha dentro de los límites de incertidumbre determinados por la correspondencia entre la temperatura de la superficie del espejo y el punto adecuado del ciclo de condensación/evaporación, y la temperatura registrada por el termómetro del espejo en el momento de la observación. Se deben tener en cuenta los efectos Kelvin y Raoult sobre la temperatura de condensación y, con respecto a cualquier variación de la presión del aire causada por la técnica de muestreo, se aplicarán las ecuaciones que figuran en la sección 4.4.1.2.

Generador dinámico de humedad patrón de dos temperaturas 4.9.6

Este aparato de laboratorio proporciona un flujo de gas húmedo a una temperatura T1, con una temperatura de punto de rocío o de punto de escarcha T2. Dos baños a temperatura controlada, ambos con intercambiadores térmicos, y uno con un saturador que contiene agua o hielo, sirven para saturar la corriente de aire a la temperatura T1, y luego para producir un calentamiento isobárico a la temperatura T2. En los aparatos diseñados para uso práctico, el aire circula continuamente para asegurar la saturación. En los instrumentos de control el aire es aspirado a la temperatura T2 y en baja proporción con respecto a la circulación principal.

4.9.5

Patrones secundarios

Un instrumento patrón secundario debería recibir un cuidadoso mantenimiento. Solo se sacará del laboratorio para calibrarlo con un patrón primario o para compararlo con otros patrones secundarios. Estos últimos pueden servir como patrones de transferencia de los patrones primarios.

I.4-27

Patrones de trabajo (e instrumentos de referencia sobre el terreno)

Se puede utilizar un higrómetro de espejo enfriado o un psicrómetro de Assmann como patrón de trabajo para realizar las comparaciones en condiciones ambientes sobre el terreno o en el laboratorio. Con este fin, es necesario haber realizado comparaciones a nivel de patrón de referencia. Las comparaciones deberían realizarse al menos una vez cada 12 meses, en un recinto con condiciones estables. El patrón de trabajo necesita un dispositivo de aspiración apropiado para tomar muestras de aire.

4.9.7

Psicrómetro de referencia de la OMM

Este tipo de instrumento es fundamentalmente un patrón primario porque se puede calcular su rendimiento. Sin embargo, se utiliza principalmente como instrumento de referencia de alta precisión, en especial para las pruebas de homologación de

I.4-28

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

otros sistemas de instrumentos de observación. Se ha diseñado para que funcione como instrumento autónomo, cerca de una garita meteorológica o de otro instrumento de observación. Se utiliza siguiendo especificaciones precisas. Debería ser empleado por personal competente, con experiencia en trabajos de laboratorio de precisión; se prestará atención particular a la aspiración, y se tomarán las precauciones necesarias para evitar la contaminación del termómetro húmedo por contacto con los dedos o con cualquier otro objeto. Existen, no obstante, pruebas sencillas que permiten validar las lecturas en cualquier momento y que deberían realizarse frecuentemente durante el funcionamiento. En OMM (1992) se describe el psicómetro y se dan recomendaciones para su uso. 4.9.8

Soluciones salinas saturadas

Para calibrar los sensores de humedad relativa se pueden utilizar recipientes con soluciones salinas saturadas adecuadas. Las sales más utilizadas, y su humedad relativa de saturación a 25 °C, son las siguientes: Cloruro de bario (BaCl2): 90,3 por ciento Cloruro de sodio (NaCl): 75,3 por ciento Nitrato de magnesio (Mg(NO3)2): 52,9 por ciento Cloruro de calcio (CaCl2): 29,0 por ciento Cloruro de litio (LiCI): 11,1 por ciento Es importante que la solución tenga una superficie grande en comparación con la del elemento sensible y el volumen de aire incluido, para que se

alcance rápidamente el equilibrio. Se requiere también un orificio de acceso hermético para el sensor de control. La temperatura del recipiente debería medirse y mantenerse a un nivel constante ya que, para la mayoría de las sales, el grado de humedad de saturación tiene un coeficiente térmico importante. El empleo de soluciones salinas saturadas exige algunas precauciones. El personal encargado de manipular dichas sales debería conocer su grado de toxicidad y su poder corrosivo. Todas las sales mencionadas anteriormente se pueden utilizar sin peligro, pero se debe evitar su contacto con la piel, su ingestión y la salpicadura en los ojos. Las sales deberían mantenerse siempre en recipientes seguros y con etiquetas que indiquen con toda claridad los peligros que representan. Habría que tomar precauciones al disolver los cristales de cloruro de calcio en agua, porque esta manipulación ocasiona una importante emanación de calor. Los peligros que presentan estos productos químicos se detallan en la sección 4.8. Si bien el empleo de soluciones salinas saturadas constituye un método sencillo para ajustar algunos sensores de humedad (relativa), dichos ajustes no se pueden considerar como una calibración del sensor en relación con los patrones de referencia. En la actualidad, no se ha establecido en general ningún valor (nominal) para las soluciones salinas relacionado con los patrones de referencia. Después de ajustar un sensor mediante el método de soluciones salinas saturadas, las mediciones efectuadas con el sensor se deberían controlar siempre con un patrón de calibración.

CAPÍTULO 4. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD

I.4-29

ANEXO 4.A DEFINICIONES Y ESPECIFICACIONES DEL VAPOR DE AGUA EN LA ATMÓSFERA (adaptado del apéndice B del Volumen I del Reglamento Técnico de la OMM (OMM-N° 49))

1) La razón de mezcla r del aire húmedo es la relación entre la masa mv de vapor de agua y la masa ma de aire seco con el que está asociado el vapor de agua: mv r = —— ma

(4.A.1)

2) La humedad específica, concentración de la masa o contenido de humedad q del aire húmedo es la relación entre la masa mv de vapor de agua y la masa mv + ma de aire húmedo en que está contenida la masa mv de vapor de agua: mv q = ———— mv + ma

(4.A.2)

3) Concentración de vapor (densidad de vapor de agua en una mezcla) o humedad absoluta: en una mezcla de vapor de agua y de aire seco, la concentración de vapor ρv se define como la relación entre la masa de vapor mv y el volumen V ocupado por la mezcla: mv ρv = —— V

(4.A.3)

4) Fracción molar del vapor de agua de una muestra de aire húmedo: la fracción molar xv del vapor de agua de una muestra de aire húmedo, compuesto de una masa ma de aire seco y de una masa mv de vapor de agua, se define como la relación entre el número de moles de vapor de agua (nv = mv /Mv ) y el número total de moles de la muestra nv + na , donde na indica el número de moles de aire seco (na = ma /Ma ) de la muestra en cuestión. Esto da: nv xv = ——— na + nv

(4.A.4)

r xv = —————— 0,621 98 + r

(4.A.5)

o

donde r es la razón de mezcla (r = mv /ma) del vapor de agua de la muestra de aire húmedo.

5) La tensión de vapor e’ del vapor de agua del aire húmedo a una presión total p y con una razón de mezcla r se define por: r e’ = —————— p = xv · p 0,621 98 + r

(4.A.6)

6) Saturación: se dice que el aire húmedo está saturado, para una presión y una temperatura dadas, si su razón de mezcla es tal que el aire húmedo puede coexistir en equilibrio indiferente con una fase condensada asociada (líquida o sólida) a la misma temperatura y presión, siendo plana la superficie de contacto entre ambas fases. 7) Razón de mezcla saturante: el símbolo rw designa la razón de mezcla saturante del aire húmedo con respecto a una superficie plana de la fase líquida asociada. El símbolo ri designa la razón de mezcla saturante del aire húmedo con respecto a una superficie plana de la fase sólida asociada. Las fases líquidas y sólidas asociadas de referencia consisten, respectivamente, en agua casi pura y en hielo casi puro, estando presentes en una y otro un poco de aire disuelto. 8) Tensión saturante del vapor de la fase pura: la tensión saturante ew del vapor acuoso puro con relación al agua líquida es la presión del vapor cuando se halla en estado de equilibrio indiferente con una superficie plana de agua pura a la misma temperatura y presión; lo mismo para ei con relación al hielo; ew y ei son funciones que dependen solamente de la temperatura, es decir: ew = ew (T)

(4.A.7)

ei = ei (T)

(4.A.8)

9) Fracción molar del vapor de agua en aire húmedo saturado con respecto al agua: la fracción molar del vapor de agua en aire húmedo saturado con respecto al agua, a una presión p y a una temperatura T, es la fracción molar xvw del vapor de agua de una muestra de aire húmedo, a la misma presión p y a la misma temperatura T, que está en equilibrio estable en presencia de una superficie plana de agua que contiene la cantidad de aire

I.4-30

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

disuelto correspondiente al equilibrio. Análogamente, xvi se utilizará para indicar la fracción molar saturante con relación a una superficie plana de hielo que contiene la cantidad de aire disuelto correspondiente al equilibrio. 10) Tensión saturante del vapor del aire húmedo: la tensión saturante del vapor con relación al agua líquida e’w del aire húmedo a la presión p y a la temperatura T se define por: rw e’w = —————— p = xvw · p 0,621 98 + rw

 xv   pxv  Uw = 100  —— = 100  ——   xvw  p, T  pxvw  p, T

(4.A.9)

Análogamente, la tensión saturante del vapor con relación al hielo e’i del aire húmedo a la presión p y a la temperatura T se define por: ri e’i = —————— p = xvi · p 0,621 98 + ri

15)1 La humedad relativa Uw del aire húmedo con respecto al agua, a la presión p y a la temperatura T, es el cociente en tanto por ciento, entre la fracción molar del vapor de agua xv y la fracción molar del vapor de agua saturante xvw que el aire tendría si estuviera saturado con respecto al agua a la misma presión p y a la temperatura T. En consecuencia será:

(4.A.10)

(4.A.15)

 e’  = 100  —   e’w  p, T donde los subíndices p,T indican que cada término está sometido a las mismas condiciones de presión y temperatura. La última expresión es análoga en su forma a la definición clásica fundada en la ley de Dalton de las presiones parciales.

11) Relaciones entre las tensiones saturantes del vapor de la fase pura y del aire húmedo: en los intervalos meteorológicos de presiones y temperaturas, las siguientes relaciones tienen un error del 0,5 por ciento o menos:

También Uw está ligada con la razón de mezcla r por la expresión:

e’w = ew

(4.A.11)

donde rw es la razón de mezcla saturante, a la presión y temperatura del aire húmedo.

e’i = ei

(4.A.12)

12) La temperatura termodinámica del punto de rocío Td del aire húmedo a la presión p y con una razón de mezcla r es la temperatura a la cual el aire húmedo, saturado con respecto al agua a la presión dada, tiene una razón de mezcla saturante rw igual a la razón de mezcla dada r. 13) La temperatura termodinámica del punto de congelación Tf del aire húmedo a la presión p y con la razón de mezcla r es la temperatura a la cual el aire húmedo, saturado con respecto al hielo a la presión dada, tiene una razón de mezcla saturante ri igual a la razón de mezcla dada r. 14) La temperatura del punto de rocío y del punto de congelación así definidas están ligadas con la razón de mezcla r y la presión p por las siguientes ecuaciones, respectivamente: r·p e’w (p,Td ) = ƒ( p) ·ew(Td ) = xv ·p = —————— (4.A.13) 0,621 98 + r r·p e’i (p,Tf ) = ƒ( p) ·ei (Tf ) = xv ·p = —————— 0,621 98 + r

(4.A.14)

U w = 100

r 0,.621 98 + rw ⋅ rw 0,.621 98 + r

(4.A.16)

16)1 La humedad relativa Ui del aire húmedo con respecto al hielo, a la presión p y a la temperatura T, es el cociente, expresado en tanto por ciento, entre la fracción molar del vapor de agua xv y la fracción molar del vapor de agua saturante xvi que el aire tendría si estuviera saturado con respecto al hielo, a la misma presión p y temperatura T, lo que da, por analogía con las definiciones que figuran en el párrafo 15:

⎛x ⎞ ⎛ px ⎞ ⎛ eʹ ⎞ Ui = 100 ⎜ v ⎟ = 100 ⎜ v ⎟ =⎜ ⎟ (4.A.17) ⎝ xvi ⎠ p,T ⎝ pxvi ⎠ p,T ⎝ eiʹ ⎠ p,T 17) La humedad relativa para temperaturas inferiores a 0 °C debe calcularse con respecto al agua líquida. Las ventajas de este procedimiento son las siguientes: a) la mayor parte de los higrómetros, esencialmente sensibles a la humedad relativa, indican la humedad relativa con respecto al agua a todas las temperaturas; 1

Las ecuaciones 4.A.15 y 4.A.17 no se aplican al aire húmedo cuando la presión p es inferior a la tensión de vapor saturante del agua pura y del hielo, respectivamente, a la temperatura T.

CAPÍTULO 4. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD

b) la mayoría de las nubes a temperaturas inferiores a 0 °C están formadas enteramente o casi enteramente por agua líquida; c) en general no se observan humedades relativas superiores al 100 por ciento; esto es particularmente importante en los informes sinópticos, pues la atmósfera se halla frecuentemente sobresaturada con respecto al hielo a temperaturas inferiores a 0 °C; d) la mayoría de las observaciones de humedad relativa realizadas a temperaturas inferiores a 0 °C se expresan a partir de la saturación con respecto al agua líquida. 18) La temperatura termodinámica del aire húmedo medida con un termómetro húmedo a la presión p, temperatura T, y razón de mezcla r, es la temperatura Tw lograda por el aire húmedo al ser adiabáticamente saturado a la presión p por la evaporación en el aire húmedo de agua a la presión p y temperatura Tw y que contiene la cantidad de aire disuelto correspondiente al equilibrio con aire saturado de la misma presión y temperatura. Tw se define por la ecuación:

h ( p,T, r ) + ⎡⎣ rw ( p,Tw ) − r ⎤⎦ hw ( p,Tw ) = h ( p,Tw , rw ( p,Tw ))

(4.A.18)

donde: rw ( p, Tw ) es la razón de mezcla del aire húmedo saturado a la presión p y a la temperatura Tw ; hw (p,Tw ) es la entalpía2 de 1 gramo de agua pura a la presión p y a la temperatura Tw ; h( p, T, r ) es la entalpía de 1 + rw gramos de aire húmedo, compuesto de 1 gramo de aire seco y de r gramos de vapor de agua, a la presión p y a la temperatura T; y h ( p, Tw , rw ( p,Tw )) es la entalpía de 1 + rw gramos de aire saturado, compuesto de 1 gramo de aire seco y de rw gramos de vapor de agua, a la presión p y a la temperatura Tw . (Esta es una función de p y de Tw solamente, y puede designarse apropiadamente por hsw (p, Tw ).) Si el aire seco y el vapor de agua son considerados como gases perfectos con calores específicos constantes, la ecuación se convierte en:

T − Tw =

2

⎡⎣ rw ( p,Tw ) − r ⎤⎦ Lv (Tw ) c pa + rc pv

(4.A.19)

La entalpía de un sistema en equilibrio a la presión p y a la temperatura T se define como E + pV, siendo E la energía interna del sistema y V su volumen. La suma de las entalpías de las fases de un sistema cerrado es constante en los procesos isobáricos adiabáticos.

I.4-31

donde: Lv (Tw ) es el calor de vaporización del agua a la temperatura Tw ; cpa es el calor específico del aire seco a presión constante; y cpv es el calor específico del vapor de agua a presión constante. Nota:

La temperatura termodinámica del termómetro húmedo

que acabamos de definir ha sido denominada durante algún tiempo “temperatura de saturación adiabática” por los ingenieros dedicados al acondicionamiento del aire.

19) La temperatura termodinámica del aire húmedo medida con un termómetro recubierto de hielo a la presión p, temperatura T y razón de mezcla r es la temperatura Ti a la que el hielo puro a la presión p se evaporará en aire húmedo para saturarlo adiabáticamente a la presión p y a la temperatura Ti . Se trata de saturación con respecto al hielo. Ti se define por la ecuación:

h ( p,T, r ) + ⎡⎣ ri ( p,Ti ) − r ⎤⎦ hi ( p,Ti ) = h ( p,Ti , ri ( p,Ti ))

(4.A.20)

donde: ri (p,Ti ) es la razón de mezcla del aire húmedo saturado a la presión p y a la temperatura Ti ; hi (p,Ti ) es la entalpía de 1 gramo de hielo puro a la presión p y a la temperatura Ti ; h(p,T,r) es la entalpía de 1 + r gramos de aire húmedo, compuesto de 1 gramo de aire seco y de r gramos de vapor de agua, a la presión p y a la temperatura T; y h(p,Ti ,ri (p,Ti )) es la entalpía de 1 + ri gramos de aire saturado, compuesto de 1 gramo de aire seco y de ri gramos de vapor de agua, a la presión p y a la temperatura Ti . (Esta es una función de p y de Ti solamente, y puede designarse apropiadamente por hsi (p, Ti ).) Si el aire seco y el vapor de agua son considerados como gases ideales con calores específicos constantes, la ecuación se convierte en:

T − Ti =

⎡⎣ ri ( p,Ti ) − r ⎤⎦ Ls (Ti ) c p + rc pv

(4.A.21)

donde Ls (Ti ) es el calor de sublimación del hielo a la temperatura Ti . La relación entre Tw y Ti , así definidas, y la temperatura del termómetro húmedo o del termómetro recubierto de hielo indicada por un psicrómetro dado, deben establecerse por experiencias cuidadosamente controladas, teniendo en cuenta los diferentes parámetros que influyen, por ejemplo: la ventilación, las dimensiones del depósito del termómetro y la radiación.

I.4-32

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

ANEXO 4.B FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DE LAS MEDICIONES DE LA HUMEDAD (véase también la sección 4.1.2)

Tensión del vapor saturante: ew (t ) = 6,112 exp [17,62 t/(243,12 + t)]

Agua (–45 a 60 °C) (fase pura)

e’w ( p, t ) = ƒ( p) · ew(t)

Aire húmedo

ei (t) = 6,112 exp [22,46 t /(272,62 + t )]

Hielo (–65 a 0 °C) (fase pura)

e’i ( p, t ) = ƒ(p) · ei (t )

Aire húmedo

ƒ( p) = 1,001 6 + 3,15 · 10 p – 0,074 p –6

–1

[véase la nota]

Punto de rocío y punto de escarcha: 243,12 · ln[e’/6,112 ƒ( p)] td = ———————————— 17,62 – ln[e’ / 6,112 ƒ( p)]

Agua (–45 a 60 °C)

272,62 · ln[e’/6,112 ƒ( p)] tf = ———————————— 22,46 – ln[e’ / 6,112 ƒ( p)]

Hielo (–65 a 0 °C)

Fórmulas psicrométricas para el psicrómetro de Assmann: e’ = e’w ( p, tw ) – 6,53 · 10–4 · (1 + 0,000 944 tw) · p · (t – tw )

Agua

e’ = e’i ( p, ti ) – 5,75 · 10–4 · p · (t – ti )

Hielo

Humedad relativa: U = 100 e’/e’w (p, t ) % U = 100 e’w ( p,td )/e’w ( p, t ) % Símbolos empleados: t = temperatura del aire (temperatura del termómetro seco); tw = temperatura del termómetro húmedo; ti = temperatura del termómetro engelado; td = temperatura del punto de rocío; tf = temperatura del punto de escarcha; p = presión del aire húmedo; ew (t ) = tensión saturante del vapor en la fase pura con respecto al agua a la temperatura del termómetro seco; ew (tw ) = tensión saturante del vapor en la fase pura con respecto al agua a la temperatura del termómetro húmedo; ei (t) = tensión saturante del vapor en la fase pura con respecto al hielo a la temperatura del termómetro seco; ei (ti ) = tensión saturante del vapor en la fase pura con respecto al hielo a la temperatura del termómetro engelado; e’w (t ) = tensión saturante del vapor del aire húmedo con respecto al agua a la temperatura del termómetro seco; e’w (tw ) = tensión saturante del vapor del aire húmedo con respecto al agua a la temperatura del termómetro húmedo; e’i (t ) = tensión saturante del vapor del aire húmedo con respecto al hielo a la temperatura del termómetro seco; e’i (ti ) = tensión saturante del vapor del aire húmedo con respecto al hielo a la temperatura del termómetro engelado; U = humedad relativa. Nota: En la realidad, ƒ es una función tanto de la presión como de la temperatura, es decir, ƒ = ƒ( p,t), tal como se expone en la introducción del cuadro 4.10 de OMM (1966). En la práctica, la dependencia de la temperatura (±0,1%) es muy inferior a la de la presión (0 a +0,6%), por lo que puede omitirse en la fórmula (véase también el capítulo 10 de OMM (1989a)). Sin embargo, esta fórmula solo debería utilizarse para presiones de alrededor de 1 000 hPa (es decir, medidas en superficie) y no para medidas en altitud, en las que habría que utilizar el cuadro 4.10 de OMM (1966).

CAPÍTULO 4. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD

I.4-33

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA Bindon, H. H., 1965: A critical review of tables and charts used in psychrometry. En: Wexler, A. (ed.), Humidity and Moisture. Volumen 1, Reinhold, Nueva York, págs. 3 a 15. Organización Meteorológica Mundial, 1966: International Meteorological Tables (S. Letestu, ed.) (modificación de 1973), WMO-No. 188, Ginebra. —, 1988: Reglamento Técnico. Volumen I, OMM-Nº 49, Ginebra. —, 1989a: WMO Assmann Aspiration Psychrometer Intercomparison (D. Sonntag). Informe Nº 34 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 289, Ginebra. —, 1989b: WMO International Hygrometer Intercomparison (J. Skaar, K. Hegg, T. Moe y K. Smedstud).

Informe Nº 38 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 316, Ginebra. —, 1992: Measurement of Temperature and Humidity (R. G. Wylie y T. Lalas). Nota técnica Nº 194, WMO-No. 759, Ginebra. Sonntag, D., 1990: Important new values of the physical constants of 1986, vapour pressure formulations based on the ITS-90, and psychrometer formulae. Zeitschrift für Meteorologie, volumen 40, número 5, págs. 340 a 344. —, 1994: Advancements in the field of hygrometry. Zeitschrift für Meteorologie, volumen 3, número 2, págs. 51 a 66. Wexler, A. (ed.), 1965: Humidity and Moisture. Volúmenes 1 y 3, Reinhold, Nueva York.

I.4-34

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

CAPÍTULO 5. MEDICIÓN DEL VIENTO CAPÍTULO 5 DE SUPERFICIE

I.5-1

MEDICIÓN DEL VIENTO DE SUPERFICIE

5.1

GENERALIDADES

5.1.1

Definiciones

El presente capítulo está basado en las definiciones siguientes (se encontrarán más detalles al respecto en Mazzarella, 1972). La velocidad del viento es una magnitud vectorial tridimensional que experimenta fluctuaciones aleatorias de pequeña escala en el espacio y en el tiempo, que se superponen a un flujo organizado de mayor escala. Esta definición es la utilizada, por ejemplo, para el estudio de la contaminación atmosférica y para el aterrizaje de aeronaves. A los efectos de esta Guía, sin embargo, se considerará que el viento de superficie es fundamentalmente una magnitud vectorial bidimensional definida por dos números que representan la dirección y la velocidad. El grado de fluctuación experimentado por el viento se denomina “rafagosidad”, y las diferentes fluctuaciones, “ráfagas” o “rachas”. La mayoría de los usuarios de datos sobre el viento necesitan conocer el viento horizontal medio, expresado, por lo general, en coordenadas polares de velocidad y dirección. Cada vez son más las aplicaciones que también precisan información acerca de la variabilidad o rafagosidad del viento. A tal efecto, se utilizan tres magnitudes: la ráfaga o racha máxima y las desviaciones típicas de la velocidad y de la dirección del viento. Las magnitudes medias son variables (por ejemplo, la velocidad horizontal del viento) promediadas a lo largo de un período comprendido entre 10 y 60 minutos. En este capítulo se calculan principalmente promedios correspondientes a intervalos superiores a 10 minutos, como los utilizados con fines de predicción. Normalmente, las estadísticas climatológicas se basan en promedios a lo largo de horas, días y noches. En las aplicaciones aeronáuticas suelen utilizarse intervalos de promediado menores (véase el capítulo 2 de la parte II). Los períodos de promediado inferiores a unos pocos minutos no suavizan suficientemente las fluctuaciones turbulentas naturales del viento; por ello, los “promedios” o “valores medios” de períodos de 1 minuto deberían considerarse como ráfagas largas.

La ráfaga (o racha) máxima es la velocidad del viento máxima observada en un intervalo de tiempo determinado. En los informes meteorológicos horarios, la ráfaga máxima indica el valor extremo del viento durante la última hora completa. La duración de una ráfaga expresa la duración de una ráfaga máxima observada y viene determinada por la respuesta del sistema de medición. Los sistemas de respuesta lenta suavizan los extremos y miden ráfagas suaves y prolongadas mientras que los sistemas de respuesta rápida pueden registrar ráfagas con frentes de onda abruptos y de corta duración. Para definir la duración de una ráfaga se utiliza un proceso de medición teórica, consistente en un filtro único que arroja una media móvil de la señal de viento entrante a lo largo de t0 segundos. Los extremos detectados tras aplicar el filtro se definen como ráfagas máximas de duración t0. Se dice que otros sistemas de medición con diversos elementos filtrantes miden las ráfagas de duración t0 cuando un filtro de media móvil con un tiempo de integración t0 produce un extremo de la misma magnitud (se encontrará una discusión más detallada en Beljaars, 1987; OMM, 1987). La desviación típica se calcula a partir de la expresión:

su = (ui − U )2 =

(( Σ ( u ) − ( Σ u ) n ) n ) 2

2

i

i

(5.1)

donde u es una variable dependiente del tiempo (por ejemplo, la velocidad horizontal del viento) de valor medio U y el trazo superior indica el promediado a lo largo del tiempo para n muestras, ui . La desviación típica permite caracterizar la magnitud de las fluctuaciones de una variable dada. La constante de tiempo (de un sistema de primer orden) es el tiempo necesario para que un dispositivo detecte e indique aproximadamente un 63 por ciento de un cambio de una función escalonada. La longitud de respuesta corresponde, en términos aproximados, al recorrido del viento (en metros) necesario para que un anemómetro indique aproximadamente un 63 por ciento de un cambio de una función escalonada de la velocidad entrante.

I.5-2

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

El amortiguamiento crítico (de un sensor, como por ejemplo una veleta, cuya respuesta se describe mejor mediante una ecuación diferencial de segundo orden) es el valor de amortiguamiento que proporciona la respuesta transitoria más rápida a un cambio brusco sin sobreoscilación. El coeficiente de amortiguamiento es el cociente entre el amortiguamiento real y el amortiguamiento crítico. La longitud de onda natural no amortiguada es el recorrido del viento que sería necesario para que una veleta completara un período de oscilación en ausencia de amortiguamiento. Su valor es inferior en un factor (1 − D 2 ) al de la longitud de onda “amortiguada” real, siendo D el coeficiente de amortiguamiento. Se denomina viento variable sin dirección media tanto al viento de velocidad inferior a 6 km/h (3 nudos) que presenta una variación total en su dirección igual o superior a 60º, e inferior a 180º, con respecto a la dirección media del viento en los últimos 10 minutos, como al viento cuya variación total en su dirección es igual o superior a 180º. 5.1.2

Unidades y escalas

La velocidad del viento debería comunicarse con una resolución de 0,5 m s–1, o en nudos (0,515 m s–1), redondeada a la unidad más próxima, y, en los informes sinópticos, debería representar un promedio a lo largo de un período de 10 minutos. Para ciertos fines aeronáuticos se necesitan promedios que abarquen un período menor (véase el capítulo 2 de la parte II). La dirección del viento debería expresarse en grados, redondeada a la decena más próxima, mediante una clave de cifrado 01 ... 36 (la clave 2, por ejemplo, indica que la dirección del viento está comprendida entre 15 y 25°), y debería representar un promedio a lo largo de un período de 10 minutos (véase el capítulo 2 de la parte II). La dirección del viento se define como la dirección desde la que sopla el viento y se mide en sentido dextrorso a partir del norte geográfico, es decir, del norte verdadero. Se debería comunicar una situación de “calma” cuando la velocidad media del viento sea inferior a 1 nudo. En tales casos, la dirección se expresa con la clave 00. La dirección del viento, en las estaciones situadas hasta a 1º del Polo Norte o a 1º del Polo Sur, debería

medirse de modo que el círculo acimutal se alinee de forma que su cero coincida con el meridiano 0º de Greenwich. La medición y comunicación de la velocidad y la dirección del viento con fines aeronáuticos en aeródromos para el despegue y aterrizaje de aeronaves presentan diferencias importantes con respecto al requisito sinóptico (véase el capítulo 2 de la parte II). En todas las estaciones de observación meteorológica, la dirección del viento se medirá a partir del valor acimutal fijado, con respecto al norte verdadero. En las observaciones aeronáuticas de aeródromo, la dirección del viento debe reflejarse y comunicarse con respecto al norte magnético con un tiempo de promediado de 2 minutos. Cuando las mediciones de viento en un aeródromo vayan a ser difundidas mediante informes sinópticos, la dirección ha de estar referenciada al norte verdadero y corresponderá a un tiempo de promediado de 10 minutos. 5.1.3

Requisitos meteorológicos

Las observaciones o mediciones del viento son necesarias para vigilar y predecir el tiempo, para estudiar el clima según la carga de viento, para determinar la probabilidad de daños causados por el viento y evaluar la energía eólica, y para estimar los flujos de superficie, por ejemplo, los datos de evaporación son necesarios para estudiar la dispersión de la contaminación atmosférica y para aplicaciones agrarias. En el anexo 1.D del capítulo 1 de la parte I se facilitan los requisitos con respecto al rendimiento. Generalmente basta con una incertidumbre de la velocidad horizontal de 0,5 m s–1 por debajo de 5 m s–1, e inferior al 10 por ciento por encima de 5 m s–1. La dirección del viento debería medirse con una incertidumbre de 5°. Además de la velocidad y la dirección medias del viento, son numerosas las aplicaciones para las que es necesario conocer la desviación típica y los valores extremos (véase la sección 5.8.2). La exactitud requerida es fácil de conseguir con los instrumentos modernos. El aspecto más delicado de la observación del viento es la exposición del anemómetro. Dado que es casi imposible encontrar un lugar en que la velocidad del viento sea representativa de un área extensa, se recomienda obtener estimaciones de los errores de exposición (véase la sección 5.9). Muchas aplicaciones precisan datos sobre la rafagosidad del viento. Estas aplicaciones proporcionan “predicciones inmediatas” de utilidad para el despegue y aterrizaje de aeronaves, para la climatología de la carga de viento y para el estudio

CAPÍTULO 5. MEDICIÓN DEL VIENTO DE SUPERFICIE

I.5-3

Cuadro 5.1. Equivalencias de la velocidad del viento Número de la escala Equivalencia de la velocidad del viento a Beaufort y descripción una altura estándar de 10 m sobre terreno llano y despejado

Especificaciones para estimar la velocidad sobre tierra

(kt)

(m s –1)

(km h –1)

(mi h –1)

120 W m–2

(8.3)

que es aplicable a lecturas instantáneas. Las modificaciones de este método en estaciones diferentes guardan relación, ante todo, con: a) el tipo de piranómetro seleccionado; b) el dispositivo que produce la sombra (un anillo o un disco de sombra con un dispositivo de seguimiento de la trayectoria solar) y su geometría de sombras (ángulo de sombra); c) la corrección de las pérdidas debidas al anillo de sombra. Como modificación especial, cabría señalar la sustitución del criterio de la ecuación 8.3 por una fórmula de parametrización obtenida estadísticamente (a fin de evitar la determinación del ángulo solar cenital) para las aplicaciones en los sistemas más simples de adquisición de datos (Sonntag y Behrens, 1992). El método piranométrico que utiliza un solo piranómetro para estimar la duración de la insolación se basa en los dos supuestos siguientes acerca de la relación entre irradiancia y nubosidad: a) Un cálculo bastante exacto de la irradiancia global potencial en la superficie terrestre, basado en el valor calculado de la irradiación extraterrestre (G0), teniendo en cuenta la disminución debida a la dispersión en la atmósfera. El factor de disminución depende de la elevación solar h y de la turbiedad T de la atmósfera. El cociente entre la irradiancia global medida y ese valor calculado de la irradiancia global con cielo despejado es un buen indicador de la presencia de nubes. b) Una diferencia evidente entre los valores mínimo y máximo de la irradiancia global, medida durante un intervalo de 10 minutos, presupone que las nubes ocultan temporalmente el Sol. Por

CAPÍTULO 8. MEDICIÓN DE LA DURACIÓN DE LA INSOLACIÓN

otra parte, cuando no existe tal diferencia no hay insolación, o solo la hay durante el intervalo de 10 minutos (es decir, SD = 0, o SD = 10 min). Basándose en esos supuestos, es posible utilizar un algoritmo (Slob y Monna, 1991) para calcular la SD diaria a partir de la suma de los valores de SD cada 10 minutos. Utilizando ese algoritmo, se determina SD para intervalos sucesivos de 10 minutos (es decir, SD10min = ƒ · 10 min, donde ƒ es la fracción del intervalo con insolación, 0 ≤ ƒ ≤ 1). El factor de disminución depende en gran medida de la trayectoria óptica de la luz solar viajando a través de la atmósfera. Dado que esa trayectoria está relacionada con la elevación del Sol, h = 90° – z, el algoritmo discrimina entre tres zonas horarias. Aunque por lo general ƒ = 0 o bien ƒ = 1, se presta especial atención al intervalo 0 < ƒ < 1. Este algoritmo figura en el anexo. La incertidumbre se cifra en aproximadamente 0,6 horas para las sumas diarias. 8.2.2.2

Fuentes de error

Según la ecuación 8.3, los errores de medición de la irradiancia solar global y difusa se propagan al calcular la irradiancia solar directa y se intensifican considerablemente por el aumento de los ángulos solares cenitales. Por tanto, la exactitud de las correcciones por pérdida de energía solar difusa debida al uso de anillos de sombra (OMM, 1984a) y la selección de la calidad del piranómetro resultan importantes a la hora de reducir el nivel de incertidumbre de los resultados.

8.2.3

I.8-5

El heliógrafo de Campbell-Stokes (método de quemado)

El heliógrafo de Campbell-Stokes se compone esencialmente de una superficie esférica de vidrio montada concéntricamente en una sección de un recipiente esférico cuyo diámetro es tal que los rayos del Sol caen perfectamente enfocados sobre una banda sujeta a las ranuras del recipiente. El método de sujeción de la esfera difiere conforme el instrumento se vaya a emplear en latitudes polares, templadas o tropicales. Para conseguir resultados positivos, tanto el segmento esférico como la esfera han de fabricarse con gran precisión, y el diseño de la armadura permitirá centrar la esfera en él con exactitud. El segmento esférico tiene tres pares de ranuras superpuestas para colocar las bandas de registro correspondientes a las distintas estaciones del año (una para los dos equinoccios); sus longitudes y formas se seleccionan de modo que se adapten a la óptica geométrica del sistema. Cabe destacar que el problema antes mencionado de la traza de combustión que se produce bajo condiciones de nubosidad diferentes indica que este instrumento, y desde luego cualquier otro instrumento que emplee este método, no proporciona datos exactos sobre la duración de la insolación. En el cuadro inferior se resumen los requisitos y las características principales de un heliógrafo de Campbell-Stokes de la versión HRP. Un heliógrafo que se vaya a emplear como HRP debería satisfacer las especificaciones detalladas proporcionadas por el Servicio Meteorológico de Reino Unido, y las

Características del heliógrafo de Campbell-Stokes (versión HRP) Esfera de vidrio

Segmento esférico

Bandas de registro

Forma:

Material:

bronce industrial o metal de durabilidad equivalente

Material:

cartulina de buena calidad, no muy sensible a la humedad

Radio:

73 mm

Ancho:

ajustado, dentro de 0,3 mm

Grosor:

0,4 ± 0,05 mm

Efecto de la humedad:

dentro del 2 por ciento

uniforme

Diámetro: 10 cm Color:

muy tenue o incoloro

Índice de refracción: 1,52 ± 0,02 Distancia focal:

75 mm para la luz “D” del sodio

Características adicionales: a) línea de mediodía central grabada transversalmente por la cara interior; b) ajuste de la inclinación del segmento a la horizontal, según la latitud; c) base doble con dispositivos para nivelación y ajuste del acimut

Color:

oscuro, homogéneo, no se notan diferencias con luz diurna difusa

Graduaciones: líneas horarias impresas en negro

I.8-6

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

bandas de registro HRP deberían cumplir las especificaciones detalladas por el Servicio Meteorológico de Francia. 8.2.3.1

Ajustes

Al instalar un heliógrafo se deben efectuar los ajustes siguientes: a) nivelar la base; b) ajustar el segmento esférico, de modo que la línea central de la banda equinoccial se corresponda con el ecuador celeste (la escala de latitud marcada en el soporte del segmento esférico facilita esta operación); c) el plano vertical que pasa por el centro de la esfera y la marca de mediodía del segmento esférico deben estar en el plano del meridiano geográfico (ajuste norte-sur). La mejor manera de comprobar si un heliógrafo cumple la condición estipulada en c) consiste en observar la marca o traza dejada por el sol del mediodía aparente local en la banda de registro; si el instrumento está orientado y ajustado correctamente, esa marca o traza debe caer exactamente en la línea de mediodía del segmento esférico o de la banda de registro. 8.2.3.2

Evaluación

Para conseguir resultados uniformes con los heliógrafos de tipo Campbell-Stokes es especialmente importante seguir estrictamente las instrucciones que se dan a continuación para evaluar los registros (heliogramas) de los HRP. La duración efectiva total de la insolación diaria debería determinarse señalando en el borde de una banda del mismo tipo las longitudes correspondientes a cada marca o traza, y midiendo la longitud total así obtenida del registro a lo largo de la banda, redondeada a la décima de hora más próxima. Al evaluar el heliograma debería procederse como sigue: a) en el caso de una marca o traza de combustión bien definida y de extremos redondos, debería reducirse la longitud en cada extremo en una magnitud igual a la mitad del radio de curvatura de la extremidad de la marca; normalmente, esto corresponderá a una reducción de la longitud total de cada traza de 0,1 horas; b) en el caso de trazas de combustión circulares, la longitud medida debería ser igual a la mitad del diámetro de la traza; si hay más de una traza circular en el heliograma del día, bastaría considerar dos o tres marcas como equivalentes a 0,1 horas de sol; cuatro, cinco o seis trazas como

equivalentes a 0,2 horas de sol; y así sucesivamente, a intervalos de 0,1 horas; c) cuando la traza no es más que una línea estrecha, debería medirse la longitud total de la misma, aunque la banda de registro esté solo ligeramente descolorida; d) cuando la anchura de la traza bien definida se reduzca temporalmente por lo menos un tercio, debería restarse de la longitud total 0,1 horas por cada una de dichas reducciones de anchura, sin que el máximo sustraído rebase la mitad de la longitud total de la traza. Para evaluar los errores aleatorios y sistemáticos que se producen al examinar los heliogramas, y a fin de asegurar la objetividad de los resultados de la comparación, se recomienda que las evaluaciones de cada uno de los instrumentos comparados sean efectuadas sucesiva e independientemente por dos o más personas familiarizadas con este tipo de trabajo. 8.2.3.3

Versiones especiales

Dado que el heliógrafo de Campbell-Stokes estándar no registra toda la insolación recibida durante los meses de verano en las estaciones situadas en latitudes que superan los 65°, algunos países utilizan versiones modificadas. Una de las posibilidades consiste en utilizar dos heliógrafos de CampbeIl-Stokes que funcionen en sentidos opuestos, es decir, instalar uno de la manera habitual, y el otro de cara al norte. En muchos climas puede ser necesario calentar el sistema para evitar la formación de escarcha y rocío. Las comparaciones efectuadas en climas como los del norte de Europa, entre instrumentos calentados y no calentados, han mostrado que la insolación que no se mide con la versión normal, pero que sí se registra con un sistema de calentamiento, es del orden del 1 por ciento de la media mensual en verano, y del orden del 5 al 10 por ciento en invierno. 8.2.3.4

Fuentes de error

Los errores de este registrador se deben, en su mayoría, a que la cartulina o banda de combustión depende de la temperatura y la humedad, y también de la combustión excesiva, especialmente cuando hay nubes dispersas (Ikeda, Aoshima y Miyake, 1986). En latitudes medias y altas, los valores correspondientes a la mañana muestran frecuentes perturbaciones ocasionadas por el rocío o la escarcha.

CAPÍTULO 8. MEDICIÓN DE LA DURACIÓN DE LA INSOLACIÓN

8.2.4

Dispositivos de evaluación por contraste

El heliógrafo de Foster con conmutador es un dispositivo óptico que fue introducido en la red de Estados Unidos de América en 1953 (Foster y Foskett, 1953). Consiste en un par de fotocélulas de selenio, una de las cuales está protegida de la luz solar directa por un anillo de sombra. Las células están corregidas de forma que cuando no hay luz solar directa no se genera ninguna señal. El conmutador se activa cuando la irradiancia solar directa rebasa unos 85 W m–2 (Hameed y Pittalwala, 1989). La posición del anillo de sombra requiere ajuste solo cuatro veces al año para concordar con los cambios estacionales de la trayectoria aparente del Sol en el cielo. 8.2.5

Dispositivos de barrido y evaluación por contraste

8.2.5.1

Generalidades

En la Comparación de mediciones automáticas de la duración de la insolación de la OMM, efectuada en el Centro de Radiación de la AR VI en Hamburgo (Alemania) entre 1988 y 1989, se compararon varios sensores optoelectrónicos diferentes, o sea, dispositivos de barrido y evaluación por contraste (véase, por ejemplo, OMM 1984b). En el informe de esta comparación figuran descripciones detalladas de todos los instrumentos y sensores que participaron en ese evento. 8.2.5.2

Fuentes de error

La distribución de las nubes en el cielo o la radiación solar reflejada por el entorno pueden afectar los resultados, tanto por los procedimientos diferentes que se utilizan para evaluar el contraste como por los ángulos de visión de las células, que son relativamente grandes. Las células fotovoltaicas de silicona sin filtros presentan típicamente una respuesta máxima en el infrarrojo cercano y una dependencia de los resultados con respecto al espectro de la radiación solar directa. Dado que los ángulos de visión de este dispositivo (con un campo de visión relativamente pequeño, rectangular y en forma de ranura) difieren considerablemente del ángulo de visión del pirheliómetro de referencia (que tiene un campo de visión circular y simétrico), la distribución de las nubes alrededor del Sol puede causar desviaciones con respecto a los valores de referencia.

I.8-7

Debido al pequeño ángulo de visión, una cúpula de vidrio con impurezas puede ser una fuente específica de incertidumbre. Debería considerarse, asimismo, la capacidad de respuesta espectral del sensor además del error asociado a la elevación solar. En la actualidad se piensa que tan solo uno de los registradores comercializados, que utiliza un detector piroeléctrico, está exento de efectos espectrales.

8.3

EXPOSICIÓN DEL HELIÓGRAFO

Los tres aspectos fundamentales que deben observarse para hacer una exposición correcta del heliógrafo son: a) Los sensores deberían estar sujetos firmemente a un soporte rígido a excepción de los sensores SONI (OMM, 1984b) que, por su diseño, pueden instalarse también en boyas. b) El sensor debería proporcionar una vista ininterrumpida del Sol en todas las épocas del año, y durante todo el período en que se encuentre a más de 3° por encima del horizonte. Esta recomendación se puede modificar en los casos siguientes: i) las antenas pequeñas u otras obstrucciones de anchura angular pequeña (≤ 2°) son aceptables cuando no se puede cambiar de emplazamiento; en este caso, deberían documentarse perfectamente las posiciones, elevaciones y anchuras angulares de las obstrucciones, y sería preciso estimar la pérdida potencial de horas de insolación a unas horas y días determinados mediante cálculos astronómicos del trayecto solar aparente; ii) en regiones montañosas (por ejemplo, en los valles) las obstrucciones naturales son aceptables como factor del clima local y deberían documentarse como se indica en el párrafo anterior. c) El emplazamiento no debería estar rodeado de superficies que puedan reflejar una cantidad apreciable de radiación solar directa hacia el sensor. La radiación reflejada puede influir principalmente en los resultados de los dispositivos de medición por contraste. Algunos medios de evitar esas interferencias consistirían en no utilizar pintura blanca y en mantener las superficies cercanas limpias de nieve o protegerlas con pantallas. En los apartados antes mencionados se hace referencia a un ajuste del eje del sensor. Los fabricantes de ciertos sensores recomiendan inclinar el eje según la estación del año.

I.8-8

8.4

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS FUENTES GENERALES DE ERROR

La incertidumbre de la duración de la insolación registrada por tipos diferentes de instrumentos y métodos fue constatada en forma de desviación de los valores de referencia de la OMM para las condiciones meteorológicas de Hamburgo (Alemania) entre 1988 y 1989. Los valores de referencia son también algo inciertos debido a la incertidumbre del factor de calibración del pirheliómetro utilizado y a la magnitud de su ángulo de visión (dependencia respecto de la aureola). En el caso de valores únicos, convendría tener también en cuenta la constante de tiempo. Las fuentes generales de incertidumbre son: a) la calibración del registrador (ajuste del umbral de irradiancia equivalente (véase la sección 8.5)); b) la variación típica de la respuesta del registrador debida a las condiciones meteorológicas (por ejemplo, temperatura, nubosidad, polvo), y a la posición del Sol (por ejemplo, errores de dirección, espectro solar); c) el ajuste deficiente y la inestabilidad de partes importantes del instrumento; d) la evaluación simplificada o errónea de los valores medidos; e) procedimientos erróneos para medir el tiempo; f) polvo y humedad en superficies ópticas y del detector; g) niveles bajos de mantenimiento.

8.5

CALIBRACIÓN

Antes de exponer algunos métodos de calibración convendría realizar los siguientes comentarios generales: a) no se dispone de un método normalizado para calibrar los sensores de SD; b) en las calibraciones efectuadas al aire libre hay que emplear el método pirheliométrico para obtener datos de referencia; c) debido a las diferencias existentes entre el diseño de los sensores de SD y los instrumentos de referencia, y también con respecto a la variabilidad natural de las condiciones de medición, hay que establecer los resultados de la calibración mediante comparaciones de largo período (algunos meses); d) en general, la calibración de los sensores de SD necesita de un procedimiento específico para ajustar sus valores de umbral (electrónicamente en el caso de los dispositivos optoeléctricos, y mediante programas informáticos en los sistemas piranométricos);

e) si se utilizan dispositivos optoeléctricos con salida analógica, la duración del período de calibración debería ser relativamente corta; f) el método de interior (en el que se utiliza una lámpara) es recomendable, ante todo, para efectuar las pruebas periódicas de la estabilidad de los instrumentos utilizados en condiciones reales; 8.5.1

Métodos de exterior

8.5.1.1

Comparación de los datos de duración de la insolación

Los valores de referencia SDref se medirán simultáneamente con los valores de la duración de la insolación SDcal del sensor que se está calibrando. Como instrumento de referencia debería utilizarse un pirheliómetro montado en un dispositivo de seguimiento solar combinado con un discriminador de umbral de irradiancia (véase la sección 8.1.4). Otra posibilidad consiste en utilizar un heliógrafo de una precisión determinada recalibrado regularmente. Puesto que el requisito de exactitud del umbral de insolación de un sensor varía según las condiciones meteorológicas (véase la sección 8.1.3), los resultados de la comparación se obtendrán estadísticamente a partir de series de datos de períodos largos. Cuando el método se aplica a la serie total de datos de un período (en condiciones de nubosidad típicas), el primer resultado de la calibración es la relación qtot = Σtot SDref /Σtot SDcal . Para q > 1 o q < 1, la tensión de umbral equivalente se ajustará a valores menores y mayores, respectivamente. Dado que el grado del ajuste necesario no guarda una correlación grande con qtot , harán falta otros períodos de comparaciones para validar por iteración el acercamiento al umbral ideal mediante la aproximación qtot = 1. La duración de un período de calibración total puede ser de tres a seis meses en las latitudes medias de Europa. Por consiguiente, convendría que las instalaciones de calibración de la red de sensores puedan calibrar varios sensores simultáneamente. (El empleo de qtot como factor de corrección de los valores ΣSD arroja resultados fiables solo si los períodos que se evalúan presentan las mismas formas de nubes que las prevalecientes durante el período de calibración. En consecuencia, este método no es recomendable). Si el método se aplica a series de datos que se seleccionan sobre la base de unas condiciones de

CAPÍTULO 8. MEDICIÓN DE LA DURACIÓN DE LA INSOLACIÓN

medición específicas (por ejemplo, nubosidad, ángulo de elevación solar, duración de la insolación relativa, hora del día), tal vez sea posible, por ejemplo, encontrar estadísticamente factores qsel = Σsel SDref /Σsel SDcal para tipos de nubosidad diferentes. Esos factores se podrían utilizar también para corregir series de datos cuya nubosidad ha sido claramente especificada. Por otra parte, se recomienda ajustar la tensión de umbral equivalente, especialmente si se tienen en cuenta los valores de qsel para las condiciones de nubosidad menos propicias (como los cirros o los altoestratos). Se requiere también un procedimiento iterativo para validar el ajuste; según las condiciones meteorológicas prevalecientes, se necesitarán varias semanas o meses para realizar las comparaciones. 8.5.1.2

Comparación de señales analógicas

Este método está restringido a los sensores de SD que tienen una salida analógica que responde linealmente a la irradiancia solar directa recibida, al menos en el intervalo de menos de 500 W m–2. La comparación entre la irradiancia de referencia medida con un pirheliómetro y la salida analógica medida simultáneamente debería efectuarse en horas de cielo despejado o en otros intervalos con irradiancia solar directa ligeramente variable por debajo de 500 W m–2. El análisis por regresión lineal de esas series de datos genera una recta de mejor ajuste, a partir de la cual se puede obtener la tensión de umbral equivalente a 120 W m–2. Cuando este resultado de calibración se desvíe de la tensión certificada en más de ±20 por ciento, el umbral del sensor se debería ajustar al valor nuevo. En el caso de sensores de respuesta espectral pronunciada, se deberían eliminar los datos medidos a ángulos de elevación solar bajos alrededor de 120 W m–2, debido a la fuerte falta de comportamiento lineal causada por el espectro, a menos que la tensión de umbral en el orto y en el ocaso sea de interés especial. La tensión de umbral equivalente se obtendrá a partir de valores de irradiancia más altos. 8.5.1.3

Método del umbral de irradiancia efectiva media

El denominado método del umbral de irradiancia efectiva media (MEIT) se basa en la determinación, hora por hora, del umbral de irradiancia efectiva media Im del sensor que se calibra.

I.8-9

En el primer paso de este método hay que determinar los valores SDref (hk ,I (n)) de SD a partir de las mediciones pirheliométricas controladas por ordenador para las horas hk y las irradiancias de umbral ficticio I(n) entre 60 y 240 W m–2 (esto significa que I (n) = (60 + n) W m–2 con n = 0, 1, 2, ... 180). En el segundo paso, el valor horario de SD del detector, SD (hk ), se comparará con SDref (hk , I (n)) para encontrar el valor n = nk para el cual SD(hk ) es igual a SDref (hk ,I (nk )), donde I(nk ) representa el valor del MEIT de la hora hk: Im (hk ) = (60 + nk ) W m–2. Si no se encuentra directamente nk , tendrá que ser interpolado a partir de valores adyacentes. En el tercer paso se ajustará la tensión de umbral equivalente del registrador si la desviación relativa entre un valor del MEIT Im y el umbral ideal de 120 W m–2 es superior a ±20 por ciento. El valor medio debería arrojar, por ejemplo, un promedio mensual debido a la gran dispersión de las desviaciones de los valores horarios del MEIT. El método no es aplicable a horas en las que predominan las transiciones de umbral rápidas; el gradiente medio de una hora debería ser inferior a 5 W m–2 s–1. Los valores del MEIT no son representativos del conjunto total de datos correspondientes al período de calibración. 8.5.2

Método de interior

Dado que en un recinto interior resulta difícil simular la distribución de los flujos solares directo y difuso, solo se puede recomendar una “calibración de reserva”, aplicable a los sensores de SD que tienen una tensión de umbral equivalente ajustable. El equipo de prueba de laboratorio consiste en una fuente de radiación estabilizada (de preferencia con un espectro solar aproximado), un soporte para efectuar un ajuste local preciso del sensor de SD y un sensor de SD (cuidadosamente calibrado en exterior) que se emplea como referencia. Los sensores de referencia y de prueba deberían ser del mismo modelo. Al comienzo del procedimiento de prueba, se dispone el sensor de referencia precisamente en el haz de la lámpara, de manera que la salida analógica o el “heliógrafo de conmutador” habitual indiquen 120 W m–2. A continuación, se sustituye de manera precisa el dispositivo de referencia por el de prueba, cuya tensión de umbral equivalente se ajustará lo necesario para activar el conmutador o para conseguir un equivalente de 120 W m–2. Se comprobará la repetibilidad de los resultados intercambiando repetidas veces los instrumentos.

I.8-10

8.6

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS MANTENIMIENTO

El mantenimiento ordinario que efectuarán los técnicos consiste en: a) Limpieza. Todos los sensores necesitan una limpieza cotidiana de las ventanas de entrada, especialmente los dispositivos de barrido, cuyos ángulos de visión son pequeños. Los instrumentos que no tengan dispositivos para evitar el rocío y la escarcha deberían limpiarse más de una vez en ciertos días. b) Comprobación. Habría que comprobar diariamente la rotación de las partes (de barrido) especiales, y también los valores de verificación del sistema de adquisición de datos.

c) Cambios de registro. En el caso de los heliógrafos de Campbell-Stokes se cambiará la cartulina todos los días; en otros dispositivos se reemplazarán periódicamente los registradores de datos apropiados. d) Ajustes. Hay que efectuar ajustes cuando el fabricante recomienda que se modifique la inclinación del sensor según la estación del año o, eventualmente, después de temporales fuertes. Los ingenieros o técnicos se encargarán del mantenimiento de las partes especiales de los sensores y de los sistemas de adquisición de datos utilizados conforme a las instrucciones de los manuales correspondientes.

CAPÍTULO 8. MEDICIÓN DE LA DURACIÓN DE LA INSOLACIÓN

I.8-11

ANEXO ALGORITMO PARA ESTIMAR LA DURACIÓN DE LA INSOLACIÓN A PARTIR DE MEDICIONES DE LA IRRADIANCIA GLOBAL DIRECTA (véase Slob y Monna, 1991, 15 págs.)

La estimación del valor de SD diario se basa en la suma de las fracciones ƒ a intervalos de 10 minutos, es decir, SD = Σ SD10 , donde SD10 = ƒ ≤ 10 min. En la práctica, ƒ = 0 (insolación nula, cielo cubierto), pero se presta especial atención a los valores tales que 0 < ƒ < 1 (parcialmente soleado, parcialmente cubierto). Dado que la correlación entre la SD y la irradiación global, medida horizontalmente, depende de la elevación del Sol (h), la discriminación se efectúa en primer lugar en términos de sin(h).

Para los valores medidos de G, se verifica:

Son aplicables las variables siguientes: h Ángulo de elevación del Sol, en grados G Irradiancia global sobre una superficie horizontal, en W m–2 I Irradiancia directa sobre una superficie perpendicular a la dirección del Sol, en W m–2 D Radiación difusa sobre una superficie horizontal, en W m–2 TL Turbiedad de Linke (adimensional)

Ecuaciones utilizadas:

Elevación del Sol

sin(h) < 0,1, h < 5,7º

Otros criterios

No hay otros criterios de decisión

G Gmin Gmax

representa un promedio en 10 minutos de la irradiancia global medida representa el valor mínimo de la irradiancia global, medido durante el intervalo de 10 minutos representa el valor máximo de la irradiancia global, medido durante el intervalo de 10 minutos (Gmin ≤ G ≤ Gmax )

G0 = I0 sin(h), I0 = 1 367 W m–2 (para la irradiancia extraterrestre) I = I0 exp(–TL /(0,9 + 9,4 sin(h)), I0 = 1 367 W m–2 c = (G – D)/(Isin(h)), donde TL = 4 y D = 1,2Gmin si (1,2Gmin < 0,4); en caso contrario, D = 0,4

0,1 ≤ sin(h) ≤ 0,3, 5,7º ≤ h ≤ 17,5º

sin(h) ≥ 0,3 h ≥ 17,5º

¿Es G/G0 ≤ {0,2 + sin(h)/3 + exp (–TL /(0,9 + 9,4 sin(h))} con TL = 6? Si “sí”

¿Es Gmax /G0 < 0,4? Si “no” ¿Es Gmin/G0 > {0,3 + exp (–TL /(0,9 + 9,4 sin(h))} con TL = 10?

Si “sí”

Si “no”

Si “sí” Si “no” ¿Es Gmax /G0 > {0,3 + exp(–TL /(0,9 + 9,4 sin(h))} y Gmax – Gmin < 0,1 G0 con TL = 10? Si “sí” Si “no”

Resultado

ƒ=0

ƒ=0

ƒ=1

ƒ=0

ƒ=1

ƒ=1

c1

ƒ=0

ƒ=c

ƒ=1

I.8-12

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA Angell, J. K., 1990: Variation in United States cloudiness and sunshine duration between 1950 and the drought year of 1988. Journal of Climate, 3, págs. 296 a 308. Baumgartner, T., 1979: Die Schwellenintensität des Sonnenscheinautographen Campbell-Stokes an wolkenlosen Tagen. Arbeitsberichte der Schweizerischen Meteorologischen Zentralanstalt, número 84, Zurich. Bider, M., 1958: Über die Genauigkeit der Registrierungen des Sonnenscheinautographen CampbellStokes. Archiv für Meteorologie, Geophysik und Bioklimatologie, serie B, volumen 9, número 2, págs. 199 a 230. Coulson, K. L., 1975: Solar and Terrestrial Radiation. Methods and Measurements. Academic Press, Nueva York, págs. 215 a 233. Foster, N. B. y L. W. Foskett, 1953: A photoelectric sunshine recorder. Bulletin of the American Meteorological Society, 34, págs. 212 a 215. Golchert, H. J., 1981: Mittlere Monatliche Globalstrahlungsverteilungen in der Bundesrepublik Deutschland. Meteorologische Rundschau, 34, págs. 143 a 151. Hameed, S. e I. Pittalwala, 1989: An investigation of the instrumental effects on the historical sunshine record of the United States. Journal of Climate, 2, págs. 101 a 104. Ikeda, K., T. Aoshima y Y. Miyake, 1986: Development of a new sunshine-duration meter. Journal of the Meteorological Society of Japan, volumen 64, número 6, págs. 987 a 993. Jaenicke, R. y F. Kasten, 1978: Estimation of atmospheric turbidity from the burned traces of the Campbell-Stokes sunshine recorder. Applied Optics, 17, págs. 2617 a 2621. Organización Meteorológica Mundial, 1962: Abridged Final Report of the Third Session of the Commission for Instruments and Methods of Observation. WMO-No. 116 R. P. 48, Ginebra. —, 1982: Informe final abreviado de la octava reunión de la Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación. OMM-Nº 590, Ginebra. —, 1984a: Diffuse solar radiation measured by the shade ring method improved by a new correction

formula (K. Dehne). Ponencias presentadas en la Conferencia técnica de la OMM sobre instrumentos y observaciones meteorológicas rentables (TECIMO). Informe Nº 15 sobre instrumentos y métodos de observación, Ginebra, págs. 263 a 267. —, 1984b: A new sunshine duration sensor (P. Lindner). Ponencias presentadas en la Conferencia técnica de la OMM sobre instrumentos y observaciones meteorológicas rentables (TECIMO). Informe Nº 15 sobre instrumentos y métodos de observación, Ginebra, págs. 179 a 183. —, 1985: Dependence on threshold solar irradiance of measured sunshine duration (K. Dehne). Ponencias presentadas en la Conferencia técnica de la OMM sobre instrumentos y métodos de observación (TECIMO III). Informe Nº 22 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 50, Ginebra, págs. 263 a 271. —, 1986: Radiation and Sunshine Duration Measurements: Comparison of Pyranometers and Electronic Sunshine Duration Recorders of RA VI (G. Major). Informe Nº 16 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 146, Ginebra. —, 1990: Informe final abreviado de la décima reunión de la Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación, OMM-Nº 727, Ginebra. —, 2003: Manual del Sistema Mundial de Observación. OMM-Nº 544, Ginebra. Painter, H. E., 1981: The performance of a CampbellStokes sunshine recorder compared with a simultaneous record of normal incidence irradiance. The Meteorological Magazine, 110, págs. 102 a 109. Slob, W. H. y W. A. A. Monna, 1991: Bepaling van een directe en diffuse straling en van zonneschijnduur uit 10-minuutwaarden van de globale straling. KNMI TR136, de Bilt. Sonntag, D. y K. Behrens, 1992: Ermittlung der Sonnenscheindauer aus pyranometrisch gemessenen Bestrahlungsstärken der Global-und Himmelsstrahlung. Berichte des Deutschen Wetterdienstes, número 181. Stanghellini, C., 1981: A simple method for evaluating sunshine duration by cloudiness observations. Journal of Applied Meteorology, 20, págs. 320 a 323.

CAPÍTULO 9. MEDICIÓN DE LA CAPÍTULO 9 VISIBILIDAD

I.9-1

MEDICIÓN DE LA VISIBILIDAD

9.1

GENERALIDADES

9.1.1

Definiciones

La visibilidad se definió por primera vez con fines meteorológicos como una magnitud que debe estimar un observador humano, y las observaciones así realizadas tienen diversas y numerosas aplicaciones. Sin embargo, la estimación de la visibilidad abarca muchos factores subjetivos y físicos, y la magnitud meteorológica esencial, que es la transparencia de la atmósfera, puede medirse objetivamente, y está representada por el alcance óptico meteorológico (MOR, por sus siglas en inglés). El alcance óptico meteorológico es la longitud del trayecto en la atmósfera, necesario para reducir el flujo luminoso de un haz colimado procedente de una lámpara de incandescencia, a una temperatura de color de 2 700 K, hasta el 5 por ciento de su valor inicial, evaluándose el flujo luminoso por medio de la función de luminosidad fotométrica de la Comisión Internacional de Iluminación (CII). La visibilidad, la visibilidad meteorológica (durante el día) y la visibilidad meteorológica durante la noche1 se definen como la máxima distancia a la que puede verse y reconocerse un objeto negro de dimensiones adecuadas (situado cerca del suelo) cuando se observa contra un fondo de cielo durante el día o que podría verse y reconocerse durante la noche si la iluminación general se elevase al nivel diurno normal (OMM, 1992a; 2003). El alcance visual (meteorológico) es la distancia a la que el contraste entre un objeto y su fondo es exactamente igual al umbral de contraste visual de un observador (OMM, 1992a). 1

Con objeto de evitar confusiones, por regla general, la visibilidad durante la noche no debería definirse como “la máxima distancia a la que puede verse e identificarse una luz específica de moderada intensidad” (véase el Informe final abreviado de la undécima reunión de la Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación (OMM-Nº 807)). Si las observaciones sobre visibilidad tuvieran que hacerse en base a una evaluación de las fuentes de luz, se recomienda definir el alcance visual especificando con precisión la intensidad adecuada de luz y su aplicación, como en el caso del alcance visual en pista. Sin embargo, en su undécima reunión, la CIMO acordó seguir investigando en los ámbitos que así lo requirieran, para resolver las dificultades prácticas que plantea la aplicación de esta definición.

La luz del aire es la luz procedente del Sol y el cielo que se difunde hacia los ojos de un observador por las partículas suspendidas en la atmósfera (y, hasta cierto punto, por moléculas del aire) que se encuentran en el cono de visión del observador. Quiere decirse que la luz del aire llega al ojo en la misma forma que la radiación celeste difusa llega a la superficie terrestre. La luz del aire es el principal factor que limita la visibilidad horizontal diurna de objetos negros, porque sus contribuciones, integradas a lo largo del cono de visión entre el ojo y el objeto, elevan la luminancia aparente de un objeto negro suficientemente alejado a un nivel indistinguible desde el cielo del fondo. A diferencia de la estimación subjetiva, la mayor parte de la luz del aire que penetra en el ojo del observador tiene su origen en porciones de su cono de visión que se encuentran bastante cerca de él. Las cuatro magnitudes fotométricas siguientes se definen en detalle en diversas normas, tales como las de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC, 1987): a) flujo luminoso (símbolo: F (o Φ ), unidad: lumen) es una magnitud que se obtiene a partir del flujo radiante, evaluando la radiación con arreglo a su acción sobre el observador fotométrico estándar de la CII; b) intensidad luminosa (símbolo: I, unidad: candela (cd) o lm sr–1) es el flujo luminoso por unidad de ángulo sólido; c) luminancia (símbolo: L, unidad: cd m–2) es la intensidad luminosa por unidad de superficie; d) iluminancia (símbolo: E, unidad: lux o lm m–2) es el flujo luminoso por unidad de superficie. El coeficiente de extinción (símbolo σ ) es la proporción de flujo luminoso perdido por un haz colimado, emitido por una fuente incandescente a una temperatura de color de 2 700 K, al recorrer el trayecto de una unidad de distancia en la atmósfera. El coeficiente es una medida de atenuación debida a la absorción y a la dispersión. El contraste de luminancia (símbolo C) es el cociente de la diferencia entre la luminancia de un objeto y su fondo, y la luminancia del fondo. El umbral de contraste (símbolo ε ) es el valor mínimo del contraste de luminancia que puede detectar el ojo humano, es decir, el valor que permite distinguir

I.9-2

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

un objeto de su fondo. El umbral de contraste varía según el individuo. El umbral de iluminancia (símbolo Et ), es la mínima iluminancia, en el ojo, para la detección de focos luminosos puntuales en un fondo de luminancia especificada. Por lo tanto, el valor Et varía según las condiciones de iluminación. El factor de transmisión (símbolo T ) se define, para un haz colimado procedente de un foco incandescente a una temperatura de color de 2 700 K, como la fracción de flujo luminoso que permanece en el haz después de atravesar un recorrido óptico de determinada longitud en la atmósfera. El factor de transmisión se denomina también coeficiente de transmisión. Los términos transmitancia o fuerza transmisiva de la atmósfera se utilizan también cuando está definido el trayecto, es decir, cuando tiene una longitud específica (por ejemplo, en el caso del transmisómetro). En este caso, T se multiplica a menudo por 100 y se expresa en porcentaje. 9.1.2

Unidades y escalas

La visibilidad meteorológica o alcance óptico meteorológico (MOR) se expresa en metros o kilómetros. La distancia de medición varía según la aplicación. En tanto que para los fines de la meteorología sinóptica la escala de lecturas del MOR se extiende desde menos de 100 m hasta más de 70 km, el rango de medición puede ser más restringido en otras aplicaciones. Así ocurre con la aviación civil, donde el límite superior puede ser de 10 km. Este rango puede reducirse aún más cuando se aplica a la medición del alcance visual en pista en condiciones de aterrizaje y despegue con visibilidad reducida. Para el alcance visual en pista solo se requiere entre 50 y 1 500 m (véase el capítulo 2 de la parte II). Para otras aplicaciones, como el tráfico por carretera o marítimo, pueden aplicarse diferentes límites, según las necesidades y los lugares en que se efectúen las mediciones. Los errores de medición de la visibilidad aumentan en proporción con la misma, lo cual se tiene en cuenta en las escalas de medición. Tal hecho se refleja en la clave utilizada para los informes sinópticos, empleando tres segmentos lineales con una resolución decreciente, a saber, de 100 a 5 000 m en intervalos de 100 m, de 6 km a 30 km en intervalos de 1 km, y de 35 km a 70 km en intervalos de 5 km. Esta escala permite comunicar la visibilidad con una resolución mejor que la exactitud de la medición, salvo cuando la visibilidad es inferior a unos 1 000 m.

9.1.3

Requisitos meteorológicos

El concepto de visibilidad se utiliza ampliamente en meteorología de dos modos diferentes. En primer lugar, es uno de los elementos que sirven para identificar las características de una masa de aire, especialmente para las necesidades de la meteorología sinóptica y la climatología. En este caso, la visibilidad debe ser representativa del estado óptico de la atmósfera. En segundo término, es una variable operativa que corresponde a criterios específicos o aplicaciones especiales. Para este fin, se expresa directamente en términos de la distancia a la que pueden verse señales o luces específicas. Una de las aplicaciones especiales más importantes corresponde a los servicios meteorológicos para la aviación (véase el capítulo 2 de la parte II). La medición de la visibilidad utilizada en meteorología debería estar exenta de la influencia de condiciones extrameteorológicas, pero relacionada simplemente con los conceptos intuitivos de visibilidad y con la distancia a la que pueden verse objetos comunes en condiciones normales. El alcance óptico meteorológico se ha definido para atender tales requisitos, es adecuado para métodos instrumentales de día y de noche, y tiene relaciones bien comprendidas con otras mediciones de visibilidad. El MOR ha sido adoptado oficialmente por la OMM como la medición de la visibilidad para usos generales y aeronáuticos (OMM, 1990a). También ha sido reconocido por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC, 1987) para aplicaciones relativas a óptica atmosférica y señalización visual. El MOR está relacionado con la noción intuitiva de visibilidad a través del umbral de contraste. En 1924, Koschmieder, seguido por Helmholtz, propuso un valor de 0,02 para ε . Otros autores han propuesto valores distintos, que varían entre 0,007 7 y 0,06, e incluso 0,2. El valor más pequeño produce una estimación mayor de la visibilidad en determinadas condiciones atmosféricas. Para fines aeronáuticos, se acepta que ε es mayor que 0,02, y se considera como 0,05 puesto que, para un piloto, el contraste de un objeto (señales en la pista) con respecto al terreno circundante es muy inferior al de un objeto contra el horizonte. Se supone que cuando un observador puede ver y reconocer un objeto negro contra el horizonte, el contraste aparente del objeto es 0,05 y, conforme se explica a continuación, esto lleva a la elección de 0,05 como factor de transmisión adoptado en la definición del MOR. En el capítulo 1 de la parte I se tratan los requisitos de incertidumbre.

CAPÍTULO 9. MEDICIÓN DE LA VISIBILIDAD

Métodos de medición

La visibilidad es un fenómeno psicofísico complejo, regido principalmente por el coeficiente de extinción atmosférica asociado con partículas sólidas y líquidas mantenidas en suspensión en la atmósfera; la extinción se debe principalmente a la dispersión, más que a la absorción de la luz. Su estimación está sujeta a variaciones en la percepción individual y en la capacidad interpretativa, así como en las características del foco luminoso y el factor de transmisión. Por consiguiente, toda estimación visual de la visibilidad es subjetiva. Cuando la visibilidad es estimada por un observador humano no depende solo de las características fotométricas y de las dimensiones del objeto que se percibe, o debe percibirse, sino también del umbral de contraste del observador. De noche, depende de la intensidad de los focos luminosos, de la iluminancia de fondo y, si es estimada por un observador, de la adaptación a la oscuridad de los ojos del observador y del umbral de iluminancia de este. La estimación de la visibilidad durante la noche es particularmente problemática. En la sección 9.1.1, la primera definición de visibilidad durante la noche se da en términos de visibilidad equivalente de día, para tener la seguridad de que no se producen cambios artificiales al estimar la visibilidad al amanecer o al anochecer. La segunda definición tiene aplicaciones prácticas, especialmente con fines aeronáuticos, pero no es la misma que la primera, y normalmente da resultados distintos. Por supuesto, ambas son imprecisas. Hay métodos instrumentales para medir el coeficiente de extinción a partir del cual puede calcularse el MOR. Esto permite calcular la visibilidad, conociendo los umbrales de contraste y de iluminancia, o asignándoles valores convenidos. Sheppard (1983) ha señalado que: “para atenerse estrictamente a la definición (del MOR) habría que montar un proyector y un receptor de características espectrales apropiadas en dos plataformas que pudieran separarse, por ejemplo a lo largo de una vía férrea, hasta que la transmitancia sea del 5 por ciento. Cualquier otro método da solo una estimación del MOR”.

Sin embargo, se utilizan instrumentos fijos porque se supone que el coeficiente de extinción es independiente de la distancia. Algunos instrumentos miden la atenuación directamente, y otros miden la dispersión de la luz para obtener el coeficiente de extinción. Esto se describe en la sección 9.3. El breve análisis de la física de la visibilidad, en este capítulo,

puede ser útil para comprender las relaciones entre las diversas mediciones del coeficiente de extinción, y para considerar los instrumentos utilizados para medirlo. Percepción visual: visión fotópica y escotópica Las condiciones de percepción visual se basan en la medición de la eficiencia fotópica del ojo humano con respecto a la radiación monocromática en el espectro de luz visible. Los términos visión fotópica y visión escotópica se refieren a las condiciones diurnas y nocturnas, respectivamente. El adjetivo fotópico se refiere al estado de adaptación del ojo a las condiciones diurnas de luminancia ambiente. De manera más precisa, el estado fotópico se define como la respuesta visual de un observador con visión normal, al estímulo luminoso incidente sobre la fóvea retiniana (la parte central más sensible de la retina). La fóvea permite distinguir detalles finos y colores en estas condiciones de adaptación. En el caso de visión fotópica (visión por medio de la fóvea), la eficacia luminosa relativa del ojo varía con la longitud de onda de la luz incidente. La eficacia luminosa del ojo en la visión fotópica presenta un máximo para la longitud de onda de 555 nm. La curva de respuesta para la eficacia relativa del ojo en las diversas longitudes de onda del espectro visible puede establecerse tomando como valor de referencia la eficacia a una longitud de onda de 555 nm. Así se obtiene la curva de la figura 9.1, adoptada por la Comisión Internacional de Iluminación para un observador normal.

11 Relative Eficacialuminous luminosaefficiency relativa

9.1.4

I.9-3

V2

0,8 0.8 0.6 0,6

0.4 0,4

0,2 0.2

400

450

500

550

600

650

700

750

Longitud de onda (nm) Wavelength (nm)

Figura 9.1. Eficacia luminosa relativa del ojo humano para la radiación monocromática. La línea continua indica la visión durante el día, mientras que la línea de puntos se refiere a la visión nocturna.

I.9-4

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

Se dice que la visión nocturna es escotópica (visión en que intervienen los bastones de la retina en lugar de la fóvea). Los bastones, la parte periférica de la retina, no tienen sensibilidad a colores ni a detalles finos, pero son particularmente sensibles a intensidades luminosas bajas. En la visión escotópica, la máxima eficacia luminosa corresponde a una longitud de onda de 507 nm. Para la visión escotópica se requiere un largo período de adaptación, de hasta 30 minutos, en tanto que para la visión fotópica se necesitan solo dos minutos.

deducida de la ley de Bouguer-Lambert, y la ecuación 9.6, se obtiene la siguiente ecuación: P = x· ln(0,05)/ln(T)

(9.7)

Esta fórmula se utiliza como base para medir el MOR con transmisómetros, en donde x es, en este caso, igual a la línea de base del transmisómetro a en la ecuación 9.14.

Visibilidad meteorológica diurna El contraste de luminancia es:

Ecuaciones básicas Las ecuaciones básicas para medir la visibilidad son las de la ley de Bouguer-Lambert:

Lb – Lh C = ——— Lh

(9.8)

(9.1)

donde Lh es la luminancia del horizonte y Lb es la luminancia del objeto.

donde F es el flujo luminoso recibido tras una longitud de trayecto x en la atmósfera y F0 es el flujo para x = 0. Diferenciando, obtenemos:

La luminancia del horizonte tiene su origen en la luz de aire difusa procedente de la atmósfera a lo largo de la línea de visibilidad del observador.

–dF 1 σ = —— · — F dx

Cabría señalar que si el objeto es más oscuro que el horizonte, entonces C es negativo, y si el objeto es negro (Lb = 0), entonces C = –1.

F = F0 e –σ x

(9.2)

Obsérvese que esta ley es válida únicamente para la luz monocromática, pero puede aplicarse a un flujo espectral con buena aproximación. El factor de transmisión es: T = F/F0

(9.3)

Las relaciones matemáticas entre el MOR y las diversas variables que representan el estado óptico de la atmósfera pueden deducirse de la ley de Bouguer-Lambert. A partir de las ecuaciones 9.1 y 9.3 podemos escribir: T = F/F0 = e –σ x

(9.4)

Si se aplica esta ley a la definición del MOR, T = 0,05, entonces x = P y puede escribirse lo siguiente: T = 0,05 = e –σ P

(9.5)

Por lo tanto, la relación matemática del MOR respecto del coeficiente de extinción es: P = (1/σ ) · ln(1/0,05) ≈ 3/σ

(9.6)

en donde ln es el logaritmo en base e o logaritmo natural. Combinando la ecuación 9.4, después de

Koschmieder estableció en 1924 una relación, conocida posteriormente como ley de Koschmieder, entre el contraste aparente (Cx ) de un objeto, visto contra el cielo sobre el horizonte por un observador distante, y su contraste inherente (C0), es decir, el contraste que tendría el objeto contra el horizonte visto desde una distancia muy corta. La relación de Koschmieder puede expresarse así: C x = C 0 e –σ x

(9.9)

Esta relación es válida siempre y cuando el coeficiente de dispersión sea independiente del ángulo del acimut, y que haya iluminación uniforme a lo largo de todo el trayecto entre el observador, el objeto y el horizonte. Cuando se ve un objeto negro contra el horizonte (C0 = –1), y el contraste aparente es de –0,05, la ecuación 9.9 se reduce a: 0,05 = e –σ x

(9.10)

Si se compara este resultado con la ecuación 9.5 se verá que cuando la magnitud del contraste aparente de un objeto negro, visto contra el horizonte, es 0,05, ese objeto se encuentra en el MOR(P).

CAPÍTULO 9. MEDICIÓN DE LA VISIBILIDAD

Visibilidad meteorológica nocturna La distancia a que puede verse de noche una luz (señal de visibilidad nocturna), no está simplemente relacionada con el MOR. No solo depende del MOR y de la intensidad de la luz, sino también de la iluminancia en el ojo del observador procedente de otras fuentes luminosas. En 1876, Allard propuso la ley de atenuación de la luz desde un foco puntual de intensidad conocida (I ) como una función de la distancia (x) y del coeficiente de extinción (σ ). La iluminancia (E) de un foco luminoso puntual viene dada por: E = I ·x–2 · e –σ x

(9.11)

Cuando la luz es apenas visible, E = Et y puede escribirse:

σ = (1/x) · ln{I/(Et · x2)}

(9.12)

Teniendo en cuenta que P = (1/σ ) · ln(1/0,05), en la ecuación 9.6, podemos escribir: P = x· ln(1/0,05)/ln(I/(Et · x2)

(9.13)

Esta relación entre el MOR y la distancia a la que pueden verse las luces se presenta en la sección 9.2.3. La aplicación de esta ecuación a las observaciones visuales se describe en la sección 9.2.

9.2

ESTIMACIÓN VISUAL DEL ALCANCE ÓPTICO METEOROLÓGICO

9.2.1

Generalidades

Un observador meteorológico puede medir la estimación visual del MOR utilizando objetos naturales o artificiales (grupos de árboles, rocas, torres, campanarios, iglesias, faros, etc.). Cada estación debería preparar un diagrama o plano de los objetos utilizados para las observaciones, mostrando sus distancias y posiciones con respecto al observador. El plano habría de incluir los objetos adecuados para las observaciones diurnas y las nocturnas. El observador ha de prestar también especial atención a las variaciones direccionales significativas del MOR. Las observaciones deberían hacerlas observadores con visión normal, debidamente entrenados y, además, deberían realizarse habitualmente sin ayuda

I.9-5

de ningún sistema óptico adicional (prismáticos, telescopio, teodolitos, etc.) y, preferiblemente, no a través de una ventana, sobre todo cuando se observan los objetos por la noche. Sería preciso que el ojo del observador se encontrase a una altura normal sobre el suelo (alrededor de 1,5 m); por consiguiente, las observaciones no deberían efectuarse desde plantas superiores de torres de control u otros edificios elevados. Esto es particularmente importante cuando la visibilidad es deficiente. Cuando la visibilidad varía entre diferentes direcciones, el valor registrado o comunicado puede depender del uso que se piense hacer del informe. En los mensajes sinópticos, debería comunicarse el valor más bajo, pero en los informes para la aviación habría que seguir las orientaciones dadas en OMM (1990a). 9.2.2

Estimación del alcance óptico meteorológico durante el día

En las observaciones diurnas, las estimaciones visuales constituyen una buena aproximación del verdadero valor del MOR. Siempre que reúnan los requisitos que se especifican a continuación, para las observaciones diurnas debería seleccionarse el mayor número posible de objetos a diferentes distancias y elegirse únicamente objetos negros, o casi negros, que resalten sobre el horizonte contra el cielo. Los objetos de color claro o situados cerca de un fondo terrestre deberían evitarse en la medida de lo posible. Esta precaución es particularmente importante cuando el sol da directamente sobre el objeto. Si el albedo de este no excede del 25 por ciento aproximadamente, no se producirá un error superior al 3 por ciento cuando el cielo esté cubierto, pero podría ser mucho mayor si brilla el sol. Así pues, un edificio de color blanco no constituiría una referencia apropiada, pero en cambio un grupo de árboles oscuros sería adecuado, excepto cuando estuviera fuertemente iluminado por la luz solar. Si ha de utilizarse un objeto situado contra un fondo terrestre, tendría que hallarse bastante separado del fondo, es decir, a una distancia de al menos la mitad de la que existe entre el objeto y el punto de observación. Un árbol situado en el borde de un bosque, por ejemplo, no representaría una referencia apropiada para observaciones de visibilidad. Para que las observaciones sean representativas deberían efectuarse utilizando objetos que abarquen un ángulo superior a 0,5° desde el ojo del observador. Un objeto que abarque un ángulo inferior a

I.9-6

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

este se hace invisible a una distancia menor que otros de mayores dimensiones en las mismas circunstancias. Puede ser útil advertir que un orificio de 7,5 mm de diámetro practicado en una cartulina y mantenido a la distancia del brazo abarca este ángulo aproximadamente; por lo tanto, un objeto de referencia visual observado a través de una abertura de este tipo debe ocuparla por completo. Al mismo tiempo, sin embargo, un objeto de esta clase no debería abarcar un ángulo superior a 5°. 9.2.3

Estimación del alcance óptico meteorológico durante la noche

A continuación se describen varios métodos que pueden utilizarse para estimar el MOR por la noche a partir de observaciones visuales de la distancia de percepción de fuentes luminosas.

de las mediciones. Es esencial que las efectúen únicamente observadores cualificados dotados de visión normal. Además, es preciso dejar transcurrir un período (generalmente de 5 a 15 minutos) de adaptación, durante el cual los ojos se acostumbren a la oscuridad. A efectos prácticos, la relación entre la distancia de percepción de una fuente luminosa por la noche y el valor del MOR puede expresarse de dos modos diferentes: a) para cada valor del MOR, dando el valor de intensidad luminosa del foco, de modo que exista una correspondencia directa entre la distancia a la que es apenas visible y el valor del MOR; b) para un foco de determinada intensidad luminosa, dando la correspondencia entre la distancia de percepción de la luz y el valor del MOR.

Sería necesario establecer una clara distinción entre las fuentes conocidas como focos puntuales, en cuyas proximidades no existan otras fuentes o áreas luminosas, y los grupos de luces, aun cuando estén separados entre sí. En el último caso, una disposición de tal naturaleza puede afectar a la visibilidad de cada fuente considerada por separado. Para las mediciones de la visibilidad por la noche, únicamente se recomienda el empleo de focos puntuales debidamente distribuidos.

Este segundo método es más sencillo y también más práctico, puesto que no sería fácil instalar focos luminosos de distinta intensidad a distancias diferentes. El método entraña la utilización de focos luminosos ya existentes o que se instalen en torno a la estación, y la sustitución de l, x y Et en la ecuación 9.13 por los valores correspondientes para las fuentes luminosas disponibles. De esta forma, los Servicios Meteorológicos pueden establecer tablas para los valores del MOR en función de la luminancia de fondo y de las fuentes de luz de intensidad conocida. Los valores que deben asignarse al umbral de iluminancia Et varían considerablemente de acuerdo con la luminancia ambiente. Deberían utilizarse los valores siguientes, considerados como valores medios del observador: a) 10–6,0 lux en el crepúsculo y al amanecer, o cuando exista una luz apreciable procedente de fuentes artificiales; b) 10–6,7 lux con la luz de la luna o cuando no haya oscurecido aún del todo; c) 10–7,5 lux en completa oscuridad o cuando no haya más luz que la de las estrellas.

Debería advertirse que las observaciones nocturnas, utilizando objetos iluminados, pueden resultar afectadas en gran medida por la iluminación de los alrededores, por efectos fisiológicos de deslumbramiento y por otras luces, aun cuando estas se encuentren fuera del campo de visión y, más específicamente, si la observación se realiza a través de una ventana. Así pues, solo puede realizarse una observación precisa y fiable desde una posición en la oscuridad y debidamente elegida.

En los cuadros 9.1 y 9.2 figuran las relaciones entre el MOR y la distancia de percepción de fuentes luminosas para cada uno de los métodos anteriores con condiciones de observación distintas. Han sido elaborados para orientar a los Servicios Meteorológicos en la selección o instalación de luces para la observación de la visibilidad nocturna y en la preparación de instrucciones relativas al cálculo de los valores del MOR para sus observadores.

Por otra parte, no puede pasarse por alto la importancia que revisten los factores fisiológicos, ya que constituyen una considerable fuente de dispersión

Una bombilla incandescente normal de 100 vatios proporciona un foco luminoso de 100 candelas aproximadamente.

Cualquier fuente de luz puede emplearse como objeto de visibilidad, siempre que la intensidad en la dirección de observación esté bien definida y sea conocida. No obstante, por lo general es conveniente utilizar luces que puedan considerarse como fuentes puntuales, y cuya intensidad no sea mayor en ninguna dirección que en otra, y no se encuentre confinada en un ángulo sólido demasiado pequeño. Debe tenerse cuidado para garantizar la estabilidad óptica y mecánica de la fuente luminosa.

CAPÍTULO 9. MEDICIÓN DE LA VISIBILIDAD

Cuadro 9.1. Relación entre el MOR y la intensidad de una fuente puntual apenas visible para tres valores de Et MOR

Intensidad luminosa (en candelas) de lámparas apenas visibles a las distancias indicadas en la columna P

P (m)

Crepúsculo (Et = 10 –6,0)

100 200 500 1 000 2 000 5 000 10 000 20 000 50 000

0,2 0,8 5 20 80 500 2 000 8 000 50 000

Luz lunar (Et = 10 –6,7)

Oscuridad completa (Et = 10 –7,5)

0,04 0,16 1 4 16 100 400 1 600 10 000

0,006 0,025 0,16 0,63 2,5 16 63 253 1 580

Cuadro 9.2. Relación entre el MOR y la distancia a la cual es apenas visible una fuente puntual de 100 candelas para tres valores de Et MOR P (m)

Distancia de percepción (en metros) de una lámpara de 100 candelas en función del valor del MOR Crepúsculo (Et = 10 –6,0)

Luz lunar (Et = 10 –6,7)

Oscuridad completa (Et = 10 –7,5)

100

250

290

345

200

420

500

605

500

830

1 030

1 270

1 000

1 340

1 720

2 170

2 000

2 090

2 780

3 650

5 000

3 500

5 000

6 970

10 000

4 850

7 400

10 900

20 000

6 260

10 300

16 400

50 000

7 900

14 500

25 900

En vista de las sustanciales diferencias producidas por variaciones relativamente pequeñas en los valores del umbral visual de iluminancia y por diferentes condiciones de iluminación general, es evidente que la finalidad del cuadro 9.2 no es proporcionar un criterio absoluto de visibilidad, sino indicar la necesidad de calibración de las luces empleadas para la estimación nocturna del MOR, y asegurar en la mayor medida posible, que las observaciones nocturnas efectuadas en diferentes lugares y por distintos Servicios sean comparables.

9.2.4

I.9-7

Estimación del alcance óptico meteorológico en ausencia de objetos distantes

En ciertos lugares (llanuras abiertas, barcos, etc.), o cuando el horizonte esté limitado (valle u hondonada), o donde no haya objetos situados a distancia tal que permita determinar la visibilidad, es imposible hacer estimaciones directas, salvo para visibilidades relativamente bajas. En tales casos, a menos que se disponga de métodos instrumentales, los valores del MOR superiores a aquellos para los que existen puntos de referencia han de estimarse a partir de la transparencia general de la atmósfera. Esto puede hacerse registrando el grado de claridad con el que se distinguen los objetos de visibilidad más lejanos. La distinción de perfiles y rasgos característicos, con pequeña o ninguna difuminación de colores, constituye una indicación de que el MOR es superior a la distancia entre el objeto de visibilidad y el observador. Por otra parte, la observación de objetos de visibilidad indistinguibles es una indicación de la presencia de calima o de otros fenómenos que reducen el MOR. 9.2.5

Exactitud de las observaciones visuales

Generalidades Las observaciones de objetos deberían efectuarlas observadores debidamente entrenados y dotados de lo que generalmente se denomina visión normal. Este factor humano tiene considerable importancia en la estimación de la visibilidad en condiciones atmosféricas determinadas, puesto que la capacidad de percepción y de interpretación visual varía de una persona a otra. Exactitud de las estimaciones visuales del alcance óptico meteorológico durante el día Las observaciones muestran que las estimaciones del MOR basadas en mediciones instrumentales concuerdan razonablemente con las estimaciones de visibilidad durante el día. La visibilidad y el MOR deberían ser iguales si el umbral de contraste del observador es de 0,05 (utilizando el criterio de reconocimiento) y el coeficiente de extinción es el mismo en las proximidades del instrumento y del observador. Analizando 1 000 mediciones, Middleton (1952) llegó a la conclusión de que el umbral medio de relación de contraste en un grupo de diez jóvenes

I.9-8

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

aviadores entrenados como observadores meteorológicos era de 0,033, con un rango, para las distintas observaciones, que variaba entre menos de 0,01 y más de 0,2. Sheppard (1983) ha señalado que cuando se representan los datos de Middleton en una escala logarítmica muestran una buena concordancia con una distribución gaussiana. Si los datos de Middleton representan condiciones de observación normales, cabe esperar que las estimaciones de visibilidad durante el día sean aproximadamente un 14 por ciento superiores, por término medio, a las del MOR con una desviación típica del 20 por ciento del MOR. Estos cálculos concuerdan perfectamente con los resultados de la Primera Intercomparación de Mediciones de Visibilidad (OMM, 1990b), en la que se observó que durante el día las estimaciones de visibilidad de los observadores eran un 15 por ciento superiores a las mediciones instrumentales del MOR. El rango intercuartílico de las diferencias entre el observador y los instrumentos fue del orden del 30 por ciento del MOR medido, que corresponde a una desviación típica del 22 por ciento, aproximadamente, si la distribución es gaussiana. Exactitud de las estimaciones visuales del alcance óptico meteorológico durante la noche En el cuadro 9.2 de la sección 9.2.3 puede verse fácilmente lo erróneos que pueden llegar a ser los valores del MOR si se basan simplemente en la distancia a la que es visible la luz ordinaria, sin tener debidamente en cuenta la intensidad de la luz y las condiciones de visión. Esto destaca la importancia de dar instrucciones precisas y explícitas a los observadores y de dispensar formación para las observaciones de visibilidad. Debe señalarse que, en la práctica, no siempre es fácil utilizar los métodos y los cuadros descritos anteriormente para preparar diagramas de objetos luminosos. Los focos luminosos utilizados como objetos no se encuentran necesariamente bien situados pues su intensidad no es estable o conocida, ni constituyen siempre fuentes puntuales. Con respecto a este último aspecto, las luces pueden consistir en haces anchos o estrechos, agrupados, o incluso de diferentes colores con respecto a los cuales difiere la sensibilidad del ojo. Debe tenerse gran cautela en el uso de tales luces. La estimación del alcance visual de las luces puede producir estimaciones fiables de visibilidad únicamente de noche, cuando las luces y su fondo se eligen cuidadosamente, las condiciones de visión del observador se controlan con sumo cuidado y puede consagrarse considerable tiempo a la observación,

para tener la seguridad de que los ojos del observador se adaptan plenamente a las condiciones de visión. Los resultados de la Primera Intercomparación de Mediciones de Visibilidad de la OMM (OMM, 1990b) muestran que durante las horas de oscuridad, las estimaciones de visibilidad de los observadores eran aproximadamente un 30 por ciento más altas que las mediciones instrumentales del MOR. El rango intercuartílico de diferencias entre el observador y los instrumentos fue solo ligeramente mayor que el observado durante el día (entre el 35 y el 40 por ciento, aproximadamente, del MOR medido).

9.3

LA MEDICIÓN DEL ALCANCE ÓPTICO METEOROLÓGICO CON INSTRUMENTOS

9.3.1

Generalidades

La adopción de ciertas hipótesis permite convertir las mediciones con instrumentos en el MOR. No siempre conviene utilizar un instrumento para las mediciones diurnas si en las observaciones directas puede emplearse un número adecuado de objetos de visibilidad. Sin embargo, un instrumento para la medición de la visibilidad es con frecuencia útil en las observaciones nocturnas, o cuando no se dispone de objetos de visibilidad, o bien para sistemas automáticos de observación. Los instrumentos para la medición del MOR pueden clasificarse en una de las dos categorías siguientes: a) los que miden el coeficiente de extinción o el factor de transmisión de un cilindro horizontal de aire, donde la atenuación de la luz se debe tanto a la dispersión como a la absorción por partículas en el aire a lo largo del trayecto del haz luminoso; b) los que miden el coeficiente de dispersión de la luz de un pequeño volumen de aire; en la niebla natural, la absorción es con frecuencia insignificante y puede considerarse que el coeficiente de dispersión es el mismo que el coeficiente de extinción. Ambas categorías comprenden instrumentos utilizados para mediciones visuales por un observador e instrumentos que utilizan una fuente luminosa y un dispositivo electrónico con una célula fotoeléctrica o un fotodiodo para detectar el haz de luz emitido. El principal inconveniente de los tipos visuales es que pueden producirse sustanciales errores si el observador no dispone de tiempo suficiente para que sus ojos se adapten a las condiciones (particularmente de noche).

CAPÍTULO 9. MEDICIÓN DE LA VISIBILIDAD

A continuación se describen las principales características de estas dos categorías de instrumentos para medir el MOR. 9.3.2

Instrumentos para medir el coeficiente de extinción

Instrumentos telefotométricos Se han diseñado diversos telefotómetros para efectuar la medición diurna del coeficiente de extinción comparando la luminancia aparente de un objeto distante con la del fondo celeste (por ejemplo, telefotómetro de Lohle), pero no se utilizan normalmente para las mediciones corrientes debido a que, como ya se ha dicho, es preferible emplear las observaciones visuales directas. No obstante, estos instrumentos pueden ser útiles para extrapolar el MOR más allá del objeto más alejado. Medidor de extinción visual Es un instrumento que se utiliza muy fácilmente de noche, con una luz distante que reviste la forma de un filtro neutro graduado, que reduce la luz en una proporción conocida y puede ajustarse hasta que la luz empieza a dejar de ser visible. La indicación del medidor proporciona una medida de la transparencia del aire entre la luz y el observador, y a partir de esta puede calcularse el coeficiente de extinción. La exactitud global depende fundamentalmente de las variaciones de sensibilidad del ojo y de las fluctuaciones de la intensidad radiante del foco luminoso. El error aumenta proporcionalmente al MOR. La ventaja de este instrumento es que permite medir valores del MOR con razonable grado de exactitud en una distancia de 100 m a 5 km, utilizando solamente tres luces bien espaciadas, en tanto que sin él, si se quiere lograr el mismo grado de exactitud, es indispensable emplear una serie más compleja de luces. Sin embargo, el método de utilización de este instrumento (determinando el punto de aparición o desaparición de la luz) influye considerablemente en la exactitud y en la homogeneidad de las medidas. Transmisómetros La utilización de un transmisómetro es el método más común para medir el coeficiente de extinción medio en un cilindro horizontal de aire entre un

I.9-9

transmisor, que proporciona un foco luminoso modulado de potencia media constante, y un receptor provisto de un fotodetector (generalmente un fotodiodo en el punto focal de una lente o espejo parabólico). La fuente luminosa más utilizada es una lámpara halógena o tubo de descarga de pulsos de xenón. La modulación del foco luminoso impide la perturbación causada por la luz solar. El factor de transmisión lo determina la salida del fotodetector, lo que permite calcular el coeficiente de extinción y el MOR. Como las estimaciones del MOR por transmisómetros se basan en la pérdida de luz procedente de un haz colimado, que depende de la dispersión y de la absorción, están estrechamente relacionadas con la definición del MOR. Un buen transmisómetro, debidamente mantenido, que funcione en su rango de mayor precisión, proporciona una aproximación muy buena al MOR real. Existen dos tipos de transmisómetros: a) aquellos en que el transmisor y el receptor se encuentran en unidades diferentes y a una distancia conocida entre sí, representados en la figura 9.2; Light Fuente source de luz

Línea de base Baseline

Transmitter unit Unidad transmisora

Photodetector Fotodetector

Unidad receptora Receiver unit

Figura 9.2. Transmisómetro de doble extremo

b) aquellos en que el transmisor y el receptor se encuentran en la misma unidad, reflejándose la luz emitida por un espejo o retrorreflector remoto (el haz de luz se desplaza hasta el reflector y vuelve), representados en la figura 9.3. Fuente Light source de luz

Línea de base plegada Folded baseline

Retrorreflector Retroreflector

Unidad transmisora-receptora Transmitter-receiver unit Photodetector Fotodetector

Figura 9.3. Transmisómetro de un solo extremo

La distancia cubierta por el haz luminoso entre el transmisor y el receptor se denomina generalmente línea de base, y puede variar entre unos cuantos metros y 150 m (incluso 300 m), según el rango de

I.9-10

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

valores del MOR que deba medirse y las aplicaciones a las que estén destinadas las mediciones. Como se ha visto en la expresión del MOR en la ecuación 9.7, la relación: P = a·ln(0,05)/ln(T )

(9.14)

en donde a es la línea de base del transmisómetro, es la fórmula básica para las mediciones con transmisómetros. Su validez depende de los supuestos de que la aplicación de las leyes de Koschmieder y de Bouguer-Lambert es aceptable y que el coeficiente de extinción a lo largo de la línea de base del transmisómetro es la misma que en la trayectoria entre un observador y un objeto en el MOR. La relación entre el factor de transmisión y el MOR es válida para las gotitas de niebla, pero cuando la visibilidad se reduce a causa de otros hidrometeoros como la lluvia o la nieve, o litometeoros como la ventisca alta de arena, los valores del MOR deben tratarse con mucha prudencia. Para que las mediciones sean aceptables durante un largo período, el flujo luminoso ha de permanecer constante durante ese período. Cuando se utiliza luz halógena, el problema del envejecimiento del filamento de la bombilla es menos importante y el flujo permanece más constante. Ahora bien, algunos transmisómetros utilizan sistemas de retroalimentación (detectando y midiendo una pequeña porción del flujo emitido), lo que da más homogeneidad del flujo luminoso en función del tiempo o permite compensar cualquier cambio. Como veremos en la sección relativa a la exactitud de las mediciones del MOR, el valor adoptado para la línea de base del transmisómetro determina el rango de mediciones del MOR. En general, se acepta que este rango es de entre 1 y 25 veces, aproximadamente, la longitud de la línea de base. Otro perfeccionamiento del principio de medición con transmisómetros consiste en utilizar dos receptores o retrorreflectores a diferentes distancias para ampliar el límite inferior (línea de base corta) y el límite superior (línea de base larga) del rango de medición del MOR. Estos instrumentos se denominan “de línea de base doble”. En algunos casos de línea de base muy corta (unos cuantos metros), se ha utilizado un fotodiodo como fuente luminosa, es decir, una luz monocromática cercana al infrarrojo. Sin embargo, en general, se recomienda utilizar luz policromática en el espectro visible con el fin de obtener un coeficiente de extinción representativo.

Medición de la visibilidad con tecnología lidar La técnica lidar (LIght Detection And Ranging, es decir, detección y localización por ondas luminosas) descrita en los párrafos sobre nefobasímetros láser, en el capítulo 15 de la parte I, puede emplearse para medir la visibilidad cuando el haz se dirige horizontalmente. El perfil de resolución del alcance de la señal retrodispersada S, depende de la señal de salida S0 , de la distancia x, del coeficiente de retrodispersión β , y del factor de transmisión T, de modo que: S(x) ~ S0 ·1/x2 · β (x) · T 2 donde T = ∫ – σ (x) dx

(9.15)

En caso de que la atmósfera presente un horizonte homogéneo, β y σ son constantes y el coeficiente de extinción σ está determinado por solo dos puntos del perfil: ln(S(x) · x2/S0 ) ~ ln β – 2σ x

(9.16)

En una atmósfera que no sea homogénea, las magnitudes que dependan del alcance de β (x) y de σ (x), se pueden separar aplicando el algoritmo de Klett (Klett, 1985). Cuando el MOR se acerca a los 2 000 m, se vuelve insuficiente la exactitud de la técnica lidar. 9.3.3

Instrumentos para medir el coeficiente de dispersión

La atenuación de la luz en la atmósfera se debe a la dispersión y a la absorción. Este último término puede adquirir mayor significado en presencia de contaminantes en las proximidades de zonas industriales, cristales de hielo (niebla engelante) o polvo. Sin embargo, en general, el factor de absorción es insignificante, y el fenómeno de dispersión debido a la reflexión, la refracción y la difracción en las gotas de agua constituye el principal factor de reducción de la visibilidad. El coeficiente de extinción puede considerarse entonces igual al coeficiente de dispersión, por lo que para estimar el MOR puede utilizarse un instrumento que mida el último coeficiente. La medición se realiza mejor concentrando un haz de luz en un pequeño volumen de aire, y determinando, por medios fotométricos, la proporción de luz dispersada en un ángulo sólido suficientemente grande y en direcciones que no sean críticas. Siempre que se proteja completamente contra la interferencia de otras fuentes de luz, o que se module el foco luminoso, este tipo de instrumento puede

CAPÍTULO 9. MEDICIÓN DE LA VISIBILIDAD

I.9-11

utilizarse de día y de noche. El coeficiente de dispersión b es una función que puede escribirse como sigue:

b=

2π Φv

π

∫ I (φ )sin(φ )dφ

(9.17)

0

Transmisor Transmitter

donde Φv es el flujo que penetra en el volumen de aire V e I(Φ ) es la intensidad de la luz dispersada en dirección Φ con respecto al haz incidente. Cabe señalar que para determinar con precisión b hay que medir e integrar la luz dispersada fuera del haz en todos los ángulos. Con los instrumentos prácticos se mide la luz dispersada en un ángulo limitado, basándose en una elevada correlación entre la integral limitada y la integral completa. En estos instrumentos se utilizan tres métodos de medición: retrodispersión, dispersión frontal y dispersión integrada en un ángulo de gran apertura: a) retrodispersor: en este instrumento (figura 9.4) un haz de luz se concentra en un pequeño volumen de aire delante del transmisor; el receptor está situado en el mismo compartimento, debajo del foco luminoso, donde recibe la luz retrodispersada por el volumen de aire de la muestra. Varios investigadores han tratado de hallar una relación entre la visibilidad y el coeficiente de retrodispersión, pero en general se acepta que la correlación no es satisfactoria.

Transmitter Transmisor

Sampling Volumen delvolume muestreo

Receptor Receiver Volumen delvolume muestreo Sampling

Transmisor Transmitter

b) dispersor frontal: varios autores han mostrado que el mejor ángulo es el comprendido entre 20 y 50°. Por lo tanto, los instrumentos comprenden un transmisor y un receptor; el ángulo entre los haces es de 20 a 50°. Otra disposición consiste en colocar un solo diafragma a media distancia entre el transmisor y el receptor, o dos diafragmas, cada uno a corta distancia del transmisor o del receptor. En la figura 9.5 se ilustran las dos configuraciones utilizadas.

Receptor Receiver

Figura 9.5. Medidor de visibilidad utilizado para medir la dispersión frontal en dos configuraciones

c) dispersor en un ángulo de gran apertura: este instrumento, ilustrado en la figura 9.6, conocido como nefelímetro integrador, se basa en el principio de medir la dispersión en el ángulo más abierto posible, siendo el ideal el de 0 a 180°, aunque en la práctica es de alrededor de 0 a 120°. El receptor se coloca perpendicularmente al eje de la fuente de luz que ilumina sobre un ángulo amplio. Aunque, en teoría, tal instrumento debería proporcionar una mejor estimación del coeficiente de dispersión que otro que mida un pequeño rango de ángulos de dispersión, en la práctica es más difícil impedir que la presencia del instrumento modifique el coeficiente de extinción en el aire muestreado. Los nefelímetros integradores no se usan mucho para medir el MOR, pero se emplean con frecuencia para medir contaminantes. Lightluminosa source Fuente

Receiver Receptor

Figura 9.4. Retrodispersión medida por el medidor de visibilidad

Volumen del muestreo Sampling volume

Receptor Receiver

Agujero negro Black hole

Figura 9.6. Medidor de visibilidad que mide la luz dispersada en un ángulo de gran apertura En todos los instrumentos anteriores, como en el caso de la mayoría de los transmisómetros, los receptores comprenden células fotodetectoras o fotodiodos. Se utiliza luz pulsada (por ejemplo, una descarga de elevada intensidad en xenón).

I.9-12

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

Estos instrumentos requieren poco espacio (en general de 1 a 2 m). Por eso son útiles cuando no se dispone de objetos de visibilidad o fuentes de luz (barcos, arcenes, etc.). Como la medición se refiere a un volumen de aire muy pequeño, la representatividad de las mediciones sobre el estado general de la atmósfera en el emplazamiento puede ponerse en duda. Sin embargo, esta representatividad puede mejorarse promediando varias muestras o mediciones. A veces, también pueden suavizarse los resultados eliminando valores extremos. La utilización de esta clase de instrumentos se ha limitado con frecuencia a aplicaciones concretas (por ejemplo, medir la visibilidad en carreteras o determinar si hay niebla o no) o cuando son adecuadas mediciones menos precisas del MOR. Ahora se emplean en un mayor número de sistemas automáticos de observaciones meteorológicas debido a que pueden medir el MOR sobre una gran distancia y a que son relativamente poco susceptibles a la contaminación en comparación con los transmisómetros. 9.3.4

Emplazamiento y exposición de los instrumentos

Los instrumentos de medición deberían situarse en posiciones que garanticen que las mediciones sean representativas para los fines perseguidos. En consecuencia, para fines sinópticos generales, los instrumentos deberían instalarse en lugares sin contaminación atmosférica local; por ejemplo, humo, contaminación industrial, polvo de las carreteras. El volumen de aire en el que se mide el coeficiente de extinción o el coeficiente de dispersión debería encontrarse normalmente al nivel del ojo del observador; aproximadamente a 1,5 m sobre el suelo. Habría que tener presente que los transmisómetros y los instrumentos de medición del coeficiente de dispersión deberían instalarse de modo que el sol no se encuentre en el campo óptico del detector en ningún momento del día, bien montándolo con un eje óptico norte-sur (a ±45°) horizontalmente, para latitudes de hasta 50°, o bien utilizando un sistema de pantallas o deflectores. Para fines aeronáuticos, las mediciones han de ser representativas de las condiciones del aeropuerto. Tales condiciones, que se refieren más concretamente a las operaciones en los aeropuertos, se describen en el capítulo 2 de la parte II. Los instrumentos deberían instalarse con arreglo a las indicaciones de los fabricantes. Habría que prestar

especial atención a corregir la alineación de los transmisores y receptores del transmisómetro, y a corregir el ajuste del haz de luz. Los postes en que se montan los transmisores y los receptores deberían ser mecánicamente estables (aun siendo frágiles cuando se instalan en los aeropuertos) para evitar toda desalineación debida al movimiento del terreno durante las heladas y, en particular, durante el deshielo. Además, la instalación no debe deformarse a causa de la tensión térmica a la que están expuestos. 9.3.5

Calibración y mantenimiento

Con objeto de obtener observaciones satisfactorias y fiables, los instrumentos de medición del MOR deberían hacerse funcionar y mantenerse en las condiciones prescritas por los fabricantes, y conservarse continuamente en buen estado de funcionamiento. Se debería lograr un rendimiento óptimo, mediante verificaciones regulares y una calibración conforme a las recomendaciones de los fabricantes. La calibración con muy buena visibilidad (más de 10 a 15 km) debería efectuarse regularmente. Hay que evitar calibraciones erróneas debido a las condiciones atmosféricas. Por ejemplo, en el caso de fuertes corrientes ascendentes, o después de una lluvia intensa, se producen en la capa de aire próxima al suelo considerables variaciones del coeficiente de extinción, y si se utilizan varios transmisómetros en el emplazamiento (como en el caso de los aeropuertos), se observa dispersión en sus mediciones. En tales condiciones no debería procederse a realizar la calibración. Debe señalarse que, en el caso de la mayoría de los transmisómetros, las superficies ópticas tienen que limpiarse regularmente, y ha de planificarse un servicio diario para ciertos instrumentos, sobre todo en los aeropuertos. Los instrumentos deberían limpiarse durante perturbaciones atmosféricas importantes, o después de ellas, puesto que la lluvia o los chubascos violentos, unidos a un viento fuerte, pueden cubrir los sistemas ópticos con un gran número de gotas de agua y partículas sólidas, lo que origina importantes errores de medición del MOR, y lo mismo se aplica a las nevadas, que pueden bloquear los sistemas ópticos. Con frecuencia se colocan sistemas de calefacción delante de los sistemas ópticos para mejorar el rendimiento de los instrumentos en tales condiciones. A veces se utilizan sistemas de ventilación para reducir dichos problemas y no tener que realizar limpiezas frecuentes. Sin embargo, hay que decir que esos sistemas de ventilación y de calefacción pueden

CAPÍTULO 9. MEDICIÓN DE LA VISIBILIDAD

generar corrientes de aire más caliente que el aire circundante e influir adversamente en la medición del coeficiente de extinción de la masa de aire. En zonas áridas, las tempestades de arena o la ventisca alta de arena pueden bloquear el sistema óptico, e incluso dañarlo.

9.3.6

Fuentes de error en las mediciones del alcance óptico meteorológico y estimaciones de exactitud

Generalidades Todos los instrumentos operativos prácticos para las mediciones del MOR muestrean una región relativamente pequeña de la atmósfera, en comparación con la explorada por un observador humano. Los instrumentos solo pueden proporcionar una medición exacta del MOR cuando el volumen de aire que muestrean es representativo de la atmósfera en torno al punto de observación, en un radio igual al del MOR. Es fácil imaginar una situación, con niebla desigual o lluvia o tempestad de nieve local, en que la lectura del instrumento sea engañosa. Pero la experiencia ha mostrado que tales situaciones no son frecuentes y que, controlando continuamente el MOR con un instrumento, a menudo se detectan cambios del MOR antes de que pueda reconocerlos un observador sin ninguna ayuda. No obstante, hay que ser prudentes al interpretar mediciones del MOR realizadas con instrumentos. Otro factor que debe tenerse presente al analizar la representatividad de las mediciones es la homogeneidad de la propia atmósfera. En todos los valores del MOR, el coeficiente de extinción de un pequeño volumen de la atmósfera fluctúa normalmente con rapidez y de manera irregular, y las distintas mediciones del MOR con dispersómetros y transmisómetros de línea de base corta, sin sistema incorporado de suavizado o de promediado, muestran una considerable dispersión. Por lo tanto, es necesario tomar numerosas muestras y suavizarlas o promediarlas para obtener un valor representativo del MOR. El análisis de los resultados de la Primera Intercomparación de Mediciones de Visibilidad de la OMM (1990b) indica que, en la mayoría de los instrumentos, no se consigue nada utilizando un promedio de tiempo superior a un minuto, pero para los instrumentos que experimentan más perturbaciones es preferible un tiempo medio de dos minutos.

I.9-13

Exactitud de los telefotómetros y de los medidores de extinción visual Es difícil realizar mediciones visuales basadas en el coeficiente de extinción, y la principal fuente de error es la variabilidad y la incertidumbre del funcionamiento del ojo humano. Esos errores se describen en las secciones relativas a los métodos de estimación visual del MOR.

Exactitud de los transmisómetros Las fuentes de error en las mediciones de los transmisómetros pueden resumirse como sigue: a) alineación incorrecta de transmisores y receptores; b) insuficiente rigidez y estabilidad de los soportes del transmisor y del receptor (congelación y deshielo del suelo, tensión térmica); c) envejecimiento y centrado incorrecto de las lámparas; d) error de calibración (visibilidad demasiado reducida o calibración realizada en condiciones inestables que afectan al coeficiente de extinción); e) inestabilidad de la electrónica del sistema; f) transmisión remota del coeficiente de extinción en forma de señal de corriente de baja intensidad que está sujeta a la interferencia de los campos electromagnéticos (sobre todo en los aeropuertos); es preferible digitalizar las señales; g) perturbación debida a la salida o la puesta del sol, y a la deficiente orientación inicial de los transmisómetros; h) contaminación atmosférica que ensucia los sistemas ópticos; i) condiciones atmosféricas locales (chubascos de lluvia y fuertes vientos, nieve) que dan lecturas de coeficiente de extinción no representativas, o difieren de la ley de Koschmieder (nieve, cristales de hielo, lluvia, etc). El uso de un transmisómetro debidamente calibrado y bien mantenido debería proporcionar buenas mediciones representativas del MOR si el coeficiente de extinción en la trayectoria óptica del instrumento es representativo del coeficiente de extinción en todo el MOR. Sin embargo, la distancia a la que un transmisómetro puede proporcionar mediciones exactas del MOR es limitada. Puede trazarse una curva de error relativo del MOR diferenciando la fórmula del transmisómetro básica (véase la ecuación 9.7). En la figura 9.7 se muestra cómo varía el error relativo con la transmisión suponiendo que la incertidumbre en la medida del factor de transmisión T es del 1 por ciento.

Error relativo del MOR parafor un 1% de error la transmitancia Relative error in MOR 1 per centen error in transmittance

I.9-14

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

Exactitud de los dispersómetros

60% baseline 75 m75 m LíneaTransmissometer de base del transmisómetro 50%

40%

30%

20%

MOR 000m m MOR55 55mmtoa 44 000

10%

MOR 000m m MOR65 65mmtoa 22 000 MOR 800 m m MOR95 95mmtoa 800

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100%

Transmittance Transmitancia

Figura 9.7. Error en las mediciones del MOR en función de un 1 por ciento de error en la transmitancia Este valor del 1 por ciento de error de transmisión, que puede considerarse correcto para muchos instrumentos más antiguos, no comprende la deriva del instrumento, la suciedad de los componentes ópticos ni la dispersión de las mediciones debidas al propio fenómeno. Si la incertidumbre aumenta hasta alrededor del 2 al 3 por ciento (teniendo en cuenta los otros factores), los valores de error relativo indicados en el eje vertical del gráfico han de multiplicarse por el mismo factor de 2 o 3. Debe señalarse asimismo que el error de medición relativo del MOR aumenta exponencialmente en cada extremo de la curva, determinando así los límites superior e inferior del rango de medición del MOR. El ejemplo mostrado por la curva indica el límite del rango de medición si se acepta un error del 5, 10 o 20 por ciento en cada extremo del rango medido, con una línea de base de 75 m. También puede deducirse que para las mediciones del MOR entre los límites de 1,25 y 10,7 veces la longitud de la línea de base, el error relativo del MOR debería ser bajo, y del orden del 5 por ciento, suponiendo que el error de T sea del 1 por ciento. El error relativo del MOR supera el 10 por ciento cuando el MOR es inferior a 0,87 veces la longitud de la línea de base, o más de 27 veces esa longitud. Cuando el rango de medición se extiende todavía más, el error aumenta rápidamente y resulta inaceptable. Sin embargo, los resultados de la Primera Intercomparación de Mediciones de Visibilidad de la OMM (OMM, 1990b) mostraron que los mejores transmisómetros, debidamente calibrados y mantenidos, pueden proporcionar mediciones del MOR con un error típico del 10 por ciento aproximadamente, cuando el MOR es hasta 60 veces superior a su línea de base.

Las principales fuentes de error en las mediciones del MOR con dispersómetros son las siguientes: a) error de calibración (visibilidad demasiado reducida o calibración realizada en condiciones inestables que afectan al coeficiente de extinción); b) falta de repetibilidad en el procedimiento o en los materiales cuando se utilizan dispersómetros opacos para la calibración; c) inestabilidad de la electrónica del sistema; d) transmisión remota del coeficiente de dispersión en forma de señal de corriente de baja intensidad o tensión que está sujeta a la interferencia de los campos electromagnéticos (sobre todo en los aeropuertos); es preferible digitalizar las señales; e) perturbación debida a la salida o la puesta del sol, y a la deficiente orientación inicial del instrumento; f) contaminación atmosférica que ensucia los sistemas ópticos (estos instrumentos son mucho menos sensibles a la suciedad en cuanto a su óptica que los transmisómetros, pero una suciedad considerable influye); g) condiciones atmosféricas (lluvia, nieve, cristales de hielo, arena, contaminación local, etc.) que dan un coeficiente de dispersión diferente del coeficiente de extinción. Los resultados de la Primera Intercomparación de Mediciones de Visibilidad de la OMM (OMM, 1990b) muestran que a valores reducidos del MOR, los dispersómetros son generalmente menos exactos que los transmisómetros y presentan mayor variabilidad en sus lecturas. También hay pruebas de que los dispersómetros, como clase, resultan más afectados por la precipitación que los transmisómetros. Sin embargo, los mejores dispersómetros muestran poca o ninguna susceptibilidad a la precipitación y proporcionan estimaciones del MOR con una desviación típica de alrededor del 10 por ciento en un rango aproximado del MOR de 100 m a 50 km. Casi todos los dispersómetros de la Intercomparación presentaron un error sistemático importante en parte de su rango de medición. Los dispersómetros mostraron muy poca susceptibilidad a la contaminación de sus sistemas ópticos. Se puede consultar información general sobre las diferencias entre dispersómetros y transmisómetros en OMM (1992b).

CAPÍTULO 9. MEDICIÓN DE LA VISIBILIDAD

I.9-15

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), 1987: International Electrotechnical Vocabulary. Chapter 845: Lighting, IEC 50. Klett, J. D., 1985: Lidar inversion with variable backscatter/extinction ratios. Applied Optics, 24, págs. 1638 a 1643. Middleton, W. E. K., 1952: Vision Through the Atmosphere. University of Toronto Press, Toronto. Sheppard, B. E., 1983: Adaptation to MOR. Preprints of the Fifth Symposium on Meteorological Observations and Instrumentation (Toronto, 11 a 15 de abril de 1983), págs. 226 a 269. Organización Meteorológica Mundial, 1989: Guía del Sistema Mundial de Observación. OMM-Nº 488, Ginebra. —, 1990a: Guía de los sistemas de observación y difusión de información en los aeródromos, OMM-Nº 731, Ginebra.

—, 1990b: The First WMO Intercomparison of Visibility Measurements: Final Report. (D. J. Griggs, D. W. Jones, M. Ouldridge y W. R. Sparks). Informe Nº 41 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 401, Ginebra. —, 1992a: Vocabulario meteorológico internacional. Segunda edición, OMM-Nº 182, Ginebra. —, 1992b: Visibility measuring instruments: Differences between scatterometers and transmissometers (J. P. van der Meulen). Artículos presentados en la Conferencia Técnica de la OMM sobre Instrumentos y Métodos de Observación (TECO-92). (Viena, Austria, 11 a 15 de mayo de 1992), Informe Nº 49 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 462, Ginebra. —, 2003: Manual del Sistema Mundial de Observación. OMM-Nº 544, Ginebra.

I.9-16

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

CAPÍTULO 10. MEDICIÓN DE LA CAPÍTULO 10EVAPORACIÓN

I.10-1

MEDICIÓN DE LA EVAPORACIÓN

10.1

GENERALIDADES

10.1.1

Definiciones

El Glosario Hidrológico Internacional (OMM/UNESCO, 1992) y el Vocabulario Meteorológico Internacional (OMM, 1992) proporcionan (aunque cabe señalar algunas diferencias) las definiciones siguientes: Evaporación (real): Cantidad de agua que se evapora de una superficie de agua libre o del terreno. Transpiración: proceso por el cual el agua de la vegetación pasa a la atmósfera en forma de vapor. Evapotranspiración real (o evapotranspiración efectiva): cantidad de agua evaporada del suelo y de las plantas cuando el terreno se encuentra con su contenido natural de humedad. Evaporación potencial (o evaporatividad): Cantidad de vapor de agua que puede ser emitida por una superficie de agua pura, por unidad de superficie y por unidad de tiempo, en las condiciones existentes. Evapotranspiración potencial: Cantidad máxima de agua que puede evaporarse en un clima dado por una cubierta vegetal continua bien dotada de agua. Incluye la evaporación del suelo y la transpiración por la vegetación en un intervalo de tiempo dado y en una región determinada. Se expresa en altura de agua. Cabe señalar que cuando se utilice el término evapotranspiración potencial, se deberán indicar claramente los tipos de evaporación o transpiración de los que se trate. En OMM (1994) se pueden consultar más detalles sobre estos términos.

10.1.2

Unidades y escalas

La tasa de evaporación se define como la cantidad de agua que se evapora de una unidad de superficie por unidad de tiempo. Puede expresarse como la masa o el volumen de agua líquida que se evapora de esta forma. Habitualmente, se trata de la altura del agua líquida que vuelve a la atmósfera por unidad de tiempo, evaporándose desde toda la superficie que

se examina. La unidad de tiempo es normalmente el día, y la cantidad de evaporación debería expresarse en milímetros (OMM, 2003). Según el tipo de instrumento, la resolución de las medidas varía generalmente de 0,1 a 0,01 mm. 10.1.3

Requisitos meteorológicos

Las estimaciones de la evaporación a partir de superficies de agua libre y del suelo, así como la evapotranspiración a partir de superficies cubiertas por vegetación, desempeñan un papel de gran importancia en la modelización hidrológica y en los estudios hidrometeorológicos y agrícolas, por ejemplo en lo que respecta al diseño y a la explotación de los embalses y de las redes de riego y de drenaje. Los requisitos de rendimiento se dan en el capítulo 1 de la parte I. Para los totales diarios, el rango exterior extremo va de 0 a 100 mm, con una resolución de 0,1 mm. La incertidumbre, al 95 por ciento del nivel de confianza, debería ser de ±0,1 mm para cantidades menores de 5 mm, y del ±2 por ciento para cantidades mayores. Se ha propuesto la cifra de 1 mm como margen de error factible. En principio, los instrumentos normales podrían alcanzar estos requisitos de exactitud, pero las dificultades con la exposición y el manejo práctico son la causa de errores mucho mayores (OMM, 1976). Los factores que influyen en la tasa de evaporación de cualquier cuerpo o superficie se pueden dividir de manera general en dos grupos, a saber, los factores meteorológicos y los factores propios de la superficie; cualquiera de ellos puede limitar el valor de la tasa. A su vez, los factores meteorológicos se pueden subdividir en variables energéticas y aerodinámicas. La evaporación del agua líquida exige una energía que existe abundantemente en la naturaleza en forma de radiación solar y terrestre. Las variables aerodinámicas, como la velocidad del viento a nivel de la superficie y la diferencia de la presión de vapor entre la superficie y la atmósfera que se halla en contacto con ella, rigen la tasa de transferencia del vapor de agua evaporada. Conviene hacer una distinción entre las situaciones en las que existe agua libre en la superficie y las que no. Entre los principales factores que entran en juego cabe señalar la cantidad y el estado del

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PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

agua, así como también las características de la superficie que influyen en el proceso de transferencia hacia la atmósfera o a través de la superficie del cuerpo que se examina. La resistencia a la transferencia de humedad hacia la atmósfera depende, por ejemplo, de la rugosidad de la superficie; en las regiones áridas y semiáridas, la extensión y la forma de la superficie desempeñan también un papel fundamental. La transpiración vegetal depende de factores meteorológicos y de las características de la superficie mencionadas anteriormente, y también depende en gran medida de las características y de las reacciones de las plantas y especialmente del número, tamaño y grado de apertura de los estomas. La resistencia de los estomas a la transferencia de humedad indica una reacción diurna, pero también depende considerablemente de la humedad del suelo donde crecen las raíces. La cantidad de agua del suelo para las raíces y para la evaporación de los suelos desnudos depende de los suministros capilares, es decir, de la textura y de la composición del suelo. La evaporación proveniente de lagos y de embalses se ve influida por el calor acumulado en la masa de agua. En general, para estimar la evaporación y la evapotranspiración se aplican métodos indirectos, ya sea efectuando mediciones puntuales con un instrumento o medidor, o realizando cálculos a partir de otras variables meteorológicas cuantificadas (OMM, 1997). 10.1.4

Métodos de medición

Actualmente, es imposible medir directamente la evaporación o la evapotranspiración proveniente de amplias extensiones naturales de agua o de tierra firme. Sin embargo, se han elaborado diversos métodos indirectos, basados en mediciones puntuales u otros cálculos que dan resultados aceptables. Los evaporímetros, entre los que se distinguen los atmómetros y las cubetas o los tanques de evaporación, sirven para medir la pérdida de agua en una superficie saturada estándar. Estos instrumentos no permiten medir directamente ni la evaporación de superficies naturales de agua, ni la evapotranspiración real o potencial. Por consiguiente, los valores obtenidos deberán corregirse para obtener estimaciones fiables de la evaporación de los lagos y de la evapotranspiración real y potencial de superficies naturales. Los evapotranspirómetros (o lisímetros) son recipientes que se instalan bajo la superficie del suelo y se rellenan de tierra en la que pueden cultivarse

vegetales. Se trata de dispositivos polivalentes que permiten estudiar diferentes fases del ciclo hidrológico en condiciones naturales. Es posible hacer estimaciones de la evapotranspiración (o de la evaporación en caso de suelo desnudo) midiendo y equilibrando el conjunto de los otros elementos del balance hídrico que intervienen en el recipiente, a saber, la precipitación, el drenaje subterráneo y las variaciones del contenido de agua del volumen de suelo en cuestión. Habitualmente, se elimina la escorrentía de superficie. Se pueden utilizar también los evapotranspirómetros para medir la evaporación o la evapotranspiración potencial del suelo (según esté o no cubierto de vegetación), haciendo que la humedad del suelo corresponda a la capacidad del terreno. Las estimaciones relativas a embalses o lagos, parcelas o pequeñas cuencas vertientes pueden obtenerse mediante un balance hídrico, un balance energético, un estudio aerodinámico y medios complementarios. Estas últimas técnicas se examinan en la sección 10.5. Cabe señalar que los diferentes evaporímetros o lisímetros representan tipos de mediciones físicamente diferentes. Los factores de ajuste para obtener, a partir de estas mediciones, estimaciones de la evaporación o de la evapotranspiración reales o potenciales de los lagos son necesariamente diferentes. Por consiguiente, es necesario que estos instrumentos y su modo de exposición se describan también con gran detenimiento y precisión, de tal forma que el usuario comprenda lo mejor posible las condiciones de medición. Para obtener más información sobre todos estos métodos se puede consultar OMM (1994).

10.2

ATMÓMETROS

10.2.1

Tipos de instrumentos

Un atmómetro es un instrumento que mide la pérdida de agua de una superficie porosa mojada. Las superficies mojadas están constituidas o bien por esferas, cilindros o láminas de cerámica porosa, o bien por discos de papel de filtro, todos saturados de agua. En el caso del atmómetro de Livingstone, el elemento evaporante es una esfera de aproximadamente 5 cm de diámetro, conectada con un depósito de agua mediante un tubo de vidrio o de metal; la presión atmosférica que se ejerce sobre la superficie de agua contenida en el depósito mantiene

CAPÍTULO 10. MEDICIÓN DE LA EVAPORACIÓN

la esfera saturada. El atmómetro de Bellani consiste en un disco de porcelana porosa sujeto en la parte alta por un embudo de cerámica barnizada, donde llega agua procedente de una probeta graduada que sirve a la vez de depósito y de dispositivo de medición. En cuanto al evaporímetro de Piche, su elemento evaporante es un disco de papel de filtro unido a la parte baja de un tubo graduado e invertido, cerrado por un extremo, que contiene agua destinada a humidificar el disco de papel; las medidas sucesivas del volumen de agua que queda en el tubo indican la cantidad de agua perdida por evaporación en un momento dado. 10.2.2

Mediciones realizadas mediante atmómetros

Aunque a menudo se considera que los atmómetros proporcionan una medida relativa de la evaporación de la superficie de las plantas, las indicaciones de los atmómetros no tienen en realidad una relación con la evaporación efectiva de las superficies naturales. Las lecturas de evaporímetros de Piche, con una exposición a la sombra cuidadosamente uniformizada, se han utilizado con cierto éxito para calcular el factor aerodinámico, multiplicación de una función del viento y el déficit de tensión de saturación del vapor, necesario para estimar la evaporación mediante, por ejemplo, el método de combinación de Penman, tras obtener correlaciones locales entre ellas. Aunque puede establecerse empíricamente una relación entre la pérdida de agua en los atmómetros y la de una superficie natural, es posible que se obtenga una relación diferente para cada tipo de superficie y para combinaciones climáticas diferentes. Los atmómetros deberían seguir siendo útiles para los estudios a pequeña escala, gracias especialmente a su tamaño reducido, a su bajo costo y a su consumo mínimo de agua. Pueden instalarse redes densas de atmómetros en superficies reducidas para llevar a cabo estudios micrometeorológicos. Por otra parte, no se recomienda que se utilicen estos instrumentos para evaluar los recursos hídricos si se dispone de otros datos. 10.2.3

Fuentes de error en los atmómetros

Para que los atmómetros puedan funcionar correctamente, es condición indispensable que sus superficies evaporantes se mantengan limpias. Las superficies sucias afectarán considerablemente la tasa

I.10-3

de evaporación, de una forma comparable a la de un depósito de termómetro húmedo en psicrometría. Además, las diferencias de exposición tienen a menudo un efecto considerable en las mediciones de la evaporación. Esto se aplica sobre todo a la exposición al movimiento del aire alrededor de la superficie evaporante, cuando el instrumento está situado a la sombra.

10.3

EVAPORÍMETROS DE CUBETA Y TANQUES DE EVAPORACIÓN

Las cubetas y los tanques de evaporación existen en una gran variedad de formas, dimensiones y modos de exposición. Entre los diversos tipos de cubetas y de tanques disponibles, se describen a continuación la cubeta estadounidense de clase A, la cubeta rusa GGI-3000 y el tanque ruso de 20 m2. Estos instrumentos se utilizan hoy en día ampliamente como evaporímetros estándar en las redes de observación, y se han estudiado sus características de funcionamiento en diversas condiciones climáticas y en distintas latitudes y altitudes. Los datos de la cubeta que permiten obtener estos instrumentos están en relación estable, aunque compleja y dependiente de la zona climática, con los elementos meteorológicos que rigen la evaporación, en la medida en que se apliquen detenidamente las instrucciones relativas a su instalación y exposición. Se ha recomendado adoptar el tanque ruso de 20 m2 como evaporímetro de referencia internacional. 10.3.1

Cubeta estadounidense de clase A

La cubeta estadounidense de clase A está constituida por un cilindro de 25,4 cm de profundidad y 120,7 cm de diámetro. El fondo de la cubeta se coloca a una altura de 3 a 5 cm por encima del nivel del terreno, sobre un marco de madera que sirve de plataforma. Así pues, el aire puede circular libremente por debajo de la cubeta, el agua que se estanca sobre el terreno en caso de lluvia no toca el fondo de la cubeta y esta puede inspeccionarse sin dificultad. La cubeta propiamente dicha tiene 0,8 mm de espesor y está fabricada con hierro galvanizado, cobre o metal monel, y habitualmente no está pintada. La cubeta se llena de agua hasta 5 cm del borde (lo que se conoce como nivel de referencia). El nivel del agua se mide mediante un instrumento en forma de gancho, o con un punto fijo de

I.10-4

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

referencia. El instrumento en forma de gancho consiste en una escala móvil y un calibrador dotado de un gancho, cuyo extremo toca la superficie del agua cuando el instrumento está bien ajustado. Un tubo estabilizador, de unos 10 cm de diámetro y 30 cm de profundidad, dotado de un orificio en el fondo, elimina cualquier ondulación que pueda formarse en la cubeta y sirve también de soporte al instrumento en forma de gancho durante las observaciones. La cubeta se llena cuando la escala indica que el nivel de agua ha bajado más de 2,5 cm con respecto al nivel de referencia. 10.3.2

Evaporímetro ruso de cubeta GGI-3000

De forma cilíndrica, con un fondo cónico, el evaporímetro ruso de cubeta GGI-3000 tiene una superficie de 3 000 cm 2 y una profundidad de 60 cm. Se lo entierra dejando su borde a 7,5 cm por encima de la superficie del suelo. En el centro de la cubeta se encuentra un índice en forma de tubo metálico sobre el que se instala una probeta volumétrica para llevar a cabo las observaciones de la evaporación. La probeta está equipada con una válvula que se abre hasta que el agua que contiene esté al mismo nivel que el agua del tanque. Se cierra entonces la válvula y se mide con precisión el volumen de agua que contiene la probeta. Conociendo la dimensión de la probeta, se determina entonces la altura de agua por encima del índice del tubo metálico a partir de ese volumen. Una aguja unida al tubo metálico que actúa de índice muestra la altura a la cual se debería ajustar el nivel de agua de la probeta. Este nivel no debería descender a más de 5 mm por debajo del índice, ni elevarse a más de 10 mm por encima de la punta de la aguja. Habitualmente se instala a un lado de la cubeta GGI-3000 un pluviómetro GGI-3000 cuyo colector tiene una superficie de 3 000 cm2. 10.3.3

Tanque ruso de 20 m2

De forma cilíndrica y con fondo plano, este tanque tiene una superficie de 20 m2, un diámetro de aproximadamente 5 m y una profundidad de 2 m. Construido en láminas de hierro soldadas de 4 a 5 mm de espesor, se entierra dejando que el borde sobrepase 7,5 cm de la superficie del suelo. El interior del tanque y sus superficies externas expuestas al aire están pintados de blanco. El tanque está dotado de un depósito de llenado y de un tubo de estabilización en el que se ha instalado un índice tabular sobre el que se coloca la probeta volumétrica para medir el nivel de agua que contiene el tanque.

Dentro del tubo de estabilización, al lado del tubo índice, hay una pequeña varilla que termina en una punta afinada que indica la altura a la que se debe ajustar el nivel del agua. Dicho nivel no debería descender a más de 5 mm por debajo de la punta de la aguja ni elevarse a más de 10 mm. Un tubo lateral de vidrio graduado, fijado al tanque de llenado, indica la cantidad de agua añadida al tanque y da una verificación aproximada de la medición que facilita la probeta. 10.3.4

Medición realizada mediante cubetas y tanques de evaporación

La tasa de evaporación a partir de una cubeta o de un tanque se obtiene midiendo la variación del nivel de su superficie de agua libre. Esto puede hacerse mediante los dispositivos descritos anteriormente en el caso de las cubetas de clase A y de las cubetas GGI-3000. Existen varios tipos de cubetas de evaporación automáticas. El nivel del agua de la cubeta se mantiene constante mediante un dispositivo que permite una aportación de agua suplementaria procedente de un embalse auxiliar o evacuando el agua aportada por las precipitaciones. La cantidad de agua añadida o evacuada queda registrada. En otros tanques o cubetas, el nivel de agua se mide permanentemente mediante un flotador situado en el tubo de estabilización y conectado con un aparato registrador. Varias técnicas de estimación de la evaporación y de la evapotranspiración a partir de superficies naturales, cuya pérdida de agua se trata de evaluar, están basadas en las mediciones realizadas mediante cubetas de evaporación. Estas mediciones son interesantes porque reflejan, en cualquier caso, el impacto del conjunto de las variables meteorológicas, y porque los datos obtenidos por este medio están disponibles inmediatamente y para cualquier período determinado. Por consiguiente, las cubetas de este tipo se suelen utilizar para obtener información de forma constante sobre la evaporación en el marco de una red de observación. 10.3.5

Exposición de las cubetas y de los tanques de evaporación

Las cubetas y los tanques de evaporación generalmente están expuestos de tres formas diferentes: a) enterrados en el suelo; la mayor parte del tanque está entonces por debajo del nivel del suelo, pero la superficie evaporante está al mismo nivel, o aproximadamente, que la superficie circundante;

CAPÍTULO 10. MEDICIÓN DE LA EVAPORACIÓN

b) por encima del suelo; la cubeta entera y la superficie evaporante están entonces ligeramente por encima del suelo; c) instalados en plataformas fijas flotantes en lagos o en otras masas de agua. Las estaciones de medición de la evaporación deberían situarse en un emplazamiento relativamente plano y libre de obstáculos (árboles, edificios, arbustos, refugios para instrumentos, etc.). Cuando estos obstáculos sean pequeños, tendrían que estar alejados a una distancia que sea al menos igual a cinco veces su altura, y a diez veces su altura si se trata de un grupo de obstáculos. El terreno debería ser lo suficientemente amplio para que las medidas no estén perturbadas por posibles rociones o por los efectos del borde de una zona cultivada o de otro tipo de terreno. Estos efectos pueden abarcar más de 100 m. El terreno debería estar vallado para proteger los instrumentos e impedir que los animales vayan a beber de la cubeta. Sin embargo, sería preciso que la valla estuviera construida de tal forma que no afecte el régimen de viento sobre la cubeta. Es importante que la capa del terreno que se ha elegido como emplazamiento de la estación de evaporación se mantenga en un estado lo más cercano posible a su estado natural con respecto a la zona circundante. La hierba, la maleza, etc. deberían cortarse a menudo para que no sobrepasen el borde de las cubetas enterradas (es decir, 7,5 cm). Este límite de 7,5 cm para la altura de la hierba se aplica también a las cubetas de clase A. En ningún caso habría que instalar este tipo de evaporímetro sobre un zócalo de hormigón, sobre asfalto o sobre una capa de grava, ni tampoco debería instalarse a la sombra. 10.3.6

Fuentes de error de las cubetas y de los tanques de evaporación

Los modos de exposición de los tanques de evaporación ofrecen diversas ventajas, pero son también fuentes de errores de medición. Los tanques instalados sobre el suelo son poco costosos y fáciles de montar y de mantener. El agua que contienen se mantiene más limpia que la de los tanques enterrados, porque corre menos peligro de ensuciarse por salpicones o por la tierra levantada por el viento. Cualquier pérdida por goteo que se produzca después de la instalación puede detectarse y repararse fácilmente. Sin embargo, la cantidad de agua evaporada es mayor que en las cubetas enterradas, principalmente debido a la energía

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radiante adicional que absorben sus paredes laterales. Pueden eliminarse en parte los efectos perjudiciales de la radiación en las paredes utilizando cubetas cubiertas de aislante, pero esto aumenta el costo, infringiría las instrucciones de construcción estándar y cambiaría la estabilidad de las relaciones mencionadas en la sección 10.3. Al enterrar la cubeta se eliminan parcialmente los efectos perjudiciales, tales como la radiación en las paredes laterales o los intercambios térmicos entre la cubeta y la atmósfera. Sin embargo, los inconvenientes son: a) el agua se ensucia más rápidamente y la cubeta es más difícil de limpiar; b) las posibles pérdidas por goteo son más difíciles de detectar y de reparar; c) la altura de la vegetación alrededor de la cubeta se convierte en un factor crítico; además, entre la cubeta enterrada y el suelo se producen intercambios térmicos considerables, cuya amplitud depende de gran número de factores y, especialmente, del tipo de suelo, de su contenido en agua y de la densidad de la capa vegetal. Las cubetas flotantes dan una aproximación más precisa de la evaporación que ocurre en la superficie de un lago que las cubetas, enterradas o no, instaladas en la orilla, a pesar de que las cubetas flotantes tienen un poder de acumulación térmico diferente del de los lagos. Sin embargo, están influenciadas por el lago en el que se hallan y, por consiguiente, no constituyen un buen indicador de la evaporación que se produce. Las observaciones son sumamente difíciles de realizar ya que a menudo las salpicaduras falsean los datos. Por último, la instalación y la explotación de estas cubetas son costosas. Independientemente del modo de exposición, lo más importante es que la cubeta sea de material inoxidable y que esté ensamblada de tal forma que se reduzca al mínimo el peligro de pérdidas por goteo. Las lluvias intensas y los vientos violentos tienden a hacer que el agua desborde de las cubetas, lo cual puede falsear completamente las mediciones. El nivel del agua en el evaporímetro es un factor importante. Si contiene demasiada agua, un 10 por ciento (o más) de la lluvia que cae puede desbordar fuera de la cubeta, lo cual hace que se sobrestime la evaporación. Si el nivel es demasiado bajo, la tasa de evaporación se subestimará (aproximadamente un 2,5 por ciento por cada centímetro sobre el nivel de referencia de 5 cm en las regiones templadas), debido a que el borde de la cubeta proyecta

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PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

demasiada sombra y protege en exceso el agua que contiene. Cuando se deja que el nivel baje demasiado, la superficie del agua se calienta más y aumenta la tasa de evaporación. Se aconseja que se limiten las fluctuaciones del nivel de agua, o bien por medios automáticos, o bien reajustando el nivel cada vez que se hace una lectura, o también quitando agua cuando el nivel alcanza el límite superior fijado o añadiéndola cuando alcanza el límite inferior. 10.3.7

es aconsejable comparar los valores obtenidos mediante una cubeta protegida con los que se obtienen mediante una cubeta corriente en emplazamientos donde no hay ninguna interferencia. Las pruebas realizadas con una protección cilíndrica, constituida por una malla de acero con celdillas hexagonales de 25 mm, situada en un chasis con barras de acero de 8 mm de diámetro, han indicado una disminución sistemática de un 10 por ciento de la tasa de evaporación en tres lugares diferentes durante un período de dos años.

Mantenimiento de las cubetas y de los tanques de evaporación 10.4

Debería llevarse a cabo al menos una vez por mes una inspección, prestando especial atención a la detección de las pérdidas por goteo. Habría que limpiar la cubeta tantas veces como sea necesario para evitar la acumulación de desperdicios, el depósito de sedimentos, así como la formación de espuma y de películas de aceite. Se recomienda verter en el agua de la cubeta una pequeña cantidad de sulfato de cobre o de cualquier otro producto que pueda limitar el crecimiento de algas. En caso de helada, se debería desprender completamente el hielo que se adhiera a las paredes de la cubeta y medir el nivel de agua mientras el hielo flota. Siempre y cuando se actúe así, el hecho de que una parte del agua esté helada no tiene una gran repercusión sobre el nivel de agua. Si el hielo es demasiado grueso para poder romperlo, debería posponerse la medición hasta que ello sea posible y determinar entonces la evaporación teniendo en cuenta este plazo. A menudo es necesario proteger la cubeta contra los pájaros y otros animales pequeños, sobre todo en las regiones áridas y tropicales. Para este fin, se puede utilizar: a) Repelentes químicos. Hay que velar entonces por que estos productos no modifiquen de forma considerable las características del agua que contiene el evaporímetro. b) Una malla de alambre fijada sobre la cubeta. Este tipo de protección estándar se utiliza corrientemente en diversos lugares; impide que los pájaros y los demás animales beban el agua de la cubeta, pero reduce también las pérdidas por evaporación interceptando una parte de la radiación solar y limitando el movimiento del aire sobre la superficie del agua. Con el objeto de poder evaluar el error relacionado con el efecto de la malla sobre el campo de viento, así como las características térmicas de la cubeta,

EVAPOTRANSPIRÓMETROS (LISÍMETROS)

En las publicaciones técnicas se describen varios tipos de lisímetros. Se dan detalles sobre determinados instrumentos utilizados en los diversos países en OMM (1966,1994). En general, un lisímetro consiste en un recipiente interior lleno de una muestra de suelo, y con paredes de retención, o en un recipiente exterior, así como en dispositivos especiales que permiten medir la percolación o las variaciones del contenido en agua del suelo. A nivel internacional, no existe un lisímetro universal normalizado para medir la evapotranspiración. La superficie de estos instrumentos varía de 0,05 a unos 100 m2, y su profundidad lo hace de 0,1 a 5,0 m. Según el método de funcionamiento, se pueden clasificar en lisímetros de balanza y los que no lo son. Cada uno de estos instrumentos ofrece ventajas e inconvenientes, y la elección del lisímetro depende del problema que se vaya a estudiar. Los lisímetros de percolación (es decir, los que no son de balanza) solo permiten realizar mediciones a largo plazo, a no ser que sea posible medir el contenido en agua del suelo por otro método independiente y seguro. Se utilizan lisímetros de percolación de gran superficie para estudiar el balance hídrico y la evapotranspiración en el caso de una capa vegetal bien desarrollada en altura y profundamente arraigada (árboles adultos, por ejemplo). Los modelos más pequeños y sencillos, utilizados en el caso de un suelo desnudo o todavía recubierto de hierba o de plantas cultivadas, suelen dar excelentes resultados para las aplicaciones prácticas en condiciones de humedad; son fáciles de instalar, su mantenimiento es poco costoso y, por lo tanto, se integran bien en las redes de observación.

CAPÍTULO 10. MEDICIÓN DE LA EVAPORACIÓN

Salvo que se utilice un tipo de microlísímetro simple para medir la evaporación del suelo, los lisímetros de balanza son mucho más costosos. Sin embargo, ofrecen la ventaja de dar estimaciones fiables y precisas de valores a corto plazo de la evapotranspiración, siempre y cuando se hayan tomado las precauciones indispensables en materia de diseño, manejo y elección del emplazamiento. Se han elaborado varias técnicas de pesaje basadas en diversos principios de mecánica y de hidráulica. Los lisímetros pequeños más sencillos generalmente se levantan de sus zócalos y se instalan en una balanza mecánica mediante grúas móviles. A veces su recipiente se instala de forma permanente en una balanza mecánica con objeto de realizar registros continuos. Se simplifica considerablemente el sistema de pesaje y de registro utilizando celdas de carga equipadas con extensómetros de una resistencia eléctrica variable. Los sistemas hidráulicos de pesaje se basan en el principio de desplazamiento de los fluidos provocado por el empuje de un recipiente flotante (se habla en este caso de lisímetro flotante) o en el principio de variaciones de la presión del líquido que interviene en las celdas de carga hidráulicas. Se recomienda que se empleen grandes lisímetros de balanza registradores para efectuar mediciones de precisión en los centros de investigación, y para llevar a cabo la normalización y la parametrización de otros sistemas de medición de la evapotranspiración, así como la modelización de este proceso. Los pequeños modelos de lisímetros de balanza resultan útiles y adecuados para las instalaciones de red. En cuanto a la utilización de microlisímetros para medir la evaporación a partir del suelo, este es un fenómeno relativamente nuevo. 10.4.1

Mediciones realizadas mediante lisímetros

En cuanto a los lisímetros, la tasa de evapotranspiración puede estimarse mediante la ecuación general del balance hídrico aplicada a sus recipientes. La evapotranspiración es igual a la precipitación/irrigación, menos la percolación menos la variación del almacenamiento de agua. Por consiguiente, los programas de observación realizados en parcelas en las que están instalados lisímetros incluyen observaciones de la precipitación, de la irrigación, de la percolación y de la variación del almacenamiento de agua en el suelo. También resulta conveniente completar estos programas con las observaciones del crecimiento y del desarrollo de las plantas.

I.10-7

Es preferible medir la precipitación (y, si procede, la irrigación) al nivel del suelo por métodos normalizados. El agua de percolación se recoge en un tanque y su volumen puede medirse a intervalos regulares o registrarse. Para evaluar con precisión la variación del almacenamiento, se emplean las minuciosas técnicas gravimétricas descritas anteriormente. Cuando se realice el pesaje, convendría proteger el lisímetro de los efectos de la carga ejercida por el viento. El método volumétrico da buenos resultados cuando se trata de evaluar la evolución a largo plazo de la evapotranspiración; permite medir la cantidad de la precipitación y la magnitud de la percolación. Se toma por hipótesis que la variación del almacenamiento tiende hacia cero durante el período de observación. Además, es posible determinar la variación del contenido en agua del suelo estableciendo una relación entre la humedad del suelo con su propio poder de retención, al principio y al final de ese periodo. 10.4.2

Exposición de los evapotranspirómetros

Las observaciones de la evapotranspiración deberían ser representativas de la capa vegetal y de las condiciones de humedad de los alrededores de la estación en general (OMM, 2003). Para que las tasas de evapotranspiración medidas sean representativas, convendría que el suelo y la capa vegetal del lisímetro sean idénticos a los de la zona circundante y que las perturbaciones provocadas por la presencia de instrumentos se minimicen. A continuación, se indican las principales exigencias en materia de exposición de lisímetros. Para preservar las propiedades hidromecánicas del suelo, se recomienda instalar un solo bloque (monolítico) en el recipiente. Cuando el suelo es ligero y bastante homogéneo, y el recipiente es de gran tamaño, basta rellenar este último, capa por capa, en el mismo orden y con la misma densidad que en el perfil natural. Para simular el drenaje natural, hay que velar por que este proceso se realice libremente en el fondo del recipiente. La textura del suelo obliga a veces a utilizar una bomba de vacío para conseguir artificialmente la aspiración necesaria. Salvo en el caso de los microlisímetros que sirven para medir la evaporación del suelo, los lisímetros deberían ser suficientemente amplios y profundos, y su borde, tan bajo como sea posible para que la

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PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

capa vegetal pueda crecer libremente y de forma representativa. En general, la elección del emplazamiento de los lisímetros está sujeta a las mismas exigencias relativas a la superficie expuesta al viento que las cubetas de evaporación (los instrumentos deberían instalarse fuera de la zona de influencia de edificios, árboles aislados, otros instrumentos meteorológicos, etc.). Para reducir al mínimo los efectos de advección, conviene emplazar los lisímetros a una distancia suficiente (es decir, por lo menos a 100 o a 150 m) del borde, viento arriba de la zona circundante. La atenuación de los efectos de advección es particularmente importante cuando se trata de realizar mediciones en la superficie de tierras irrigadas. 10.4.3

Fuentes de error en las mediciones realizadas con lisímetros

Las mediciones realizadas mediante lisímetros son objeto de diversos errores relacionados con las perturbaciones de las condiciones naturales debidas a los propios instrumentos. Entre las principales fuentes de error, cabe señalar: a) el crecimiento limitado del sistema de raíces; b) la modificación de la difusión turbulenta que resulta de la discontinuidad en la cubierta forestal entre el interior del lisímetro y la zona circundante (esta discontinuidad puede corresponder al círculo delimitado por el recipiente y las paredes de retención del Iisímetro, o puede ser la consecuencia de disparidades en la cubierta forestal propiamente dicha); c) el desequilibrio térmico entre el lisímetro y la zona circundante causado por: i) el aislamiento térmico del instrumento con respecto al subsuelo; ii) los efectos térmicos del aire ascendente o descendente que circula entre el recipiente y las paredes de retención; iii) la modificación de las propiedades térmicas del suelo, debida al cambio de su textura y de su contenido en agua; d) la equivalencia insuficiente del balance hídrico relativo al instrumento y a la zona circundante, debida a: i) la perturbación de la estructura del suelo; ii) el drenaje inadecuado; iii) la filtración vertical en las paredes; iv) la interrupción de la escorrentía y de los movimientos laterales del agua en el suelo. Algunas disposiciones permiten reducir los errores de las mediciones obtenidas mediante lisímetros,

como el ajuste de la temperatura bajo el recipiente o la instalación de aros de bridas con objeto de disminuir la filtración vertical en las paredes. Si bien es primordial tener que diseñar con gran detenimiento los lisímetros, también es importante conseguir una buena representatividad de las diversas plantas o del suelo utilizados para estudiar la zona en cuestión. Además, el terreno en el que está instalado el lisímetro deberá ser perfectamente representativo del medio natural de los alrededores. 10.4.4

Mantenimiento de los lisímetros

Se deben tomar ciertas medidas para preservar la representatividad de la capa vegetal que se halla dentro de los lisímetros. Todas las actividades agrícolas o de otro tipo (siembra, fertilización, siega, etc.) deberían realizarse de la misma forma y en el mismo momento en el recipiente y en la zona circundante. Para evitar los errores debidos a anomalías de las precipitaciones, habría que mantener las plantas que se encuentran cerca o dentro del recipiente en posición vertical, y hacer lo necesario para que las hojas y los tallos rotos no vuelvan a caerse en la superficie del lisímetro. El mantenimiento de los dispositivos técnicos varía en función del tipo de instrumento y no puede describirse aquí. Se recomienda comprobar, por lo menos una vez al año, que los lisímetros no sufren pérdidas por goteo, cubriendo su superficie para impedir la evapotranspiración y verificando durante un período de unos días si la cantidad de agua drenada es igual a la cantidad de agua añadida en la superficie.

10.5

ESTIMACIÓN DE LA EVAPORACIÓN A PARTIR DE SUPERFICIES NATURALES

Al examinar los factores que influyen en la evaporación, tal como se indica en la sección 10.1.3, se observa que la tasa de evaporación a partir de una superficie natural difiere necesariamente de la tasa calculada mediante un evaporímetro expuesto a las mismas condiciones atmosféricas, debido a la disparidad de las propiedades físicas de las dos superficies evaporantes. En la práctica, las tasas de evaporación y de evapotranspiración en superficies naturales presentan mucho interés, tanto si se trata de la evaporación de los embalses o de los lagos, como de la evaporación

CAPÍTULO 10. MEDICIÓN DE LA EVAPORACIÓN

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en cultivos o incluso de la evaporación de superficie en amplias extensiones, tales como las cuencas fluviales.

Constante psicrométrica:

Las estimaciones de superficie de la evapotranspiración son especialmente difíciles de obtener en regiones que tienen características de superficie y modos de utilización de los suelos diferentes (OMM, 1966; 1997).

Calor específico de la evaporación del agua:

Los métodos más adecuados para la estimación de la evaporación de los lagos y de los embalses son el balance hídrico, el balance energético, los enfoques aerodinámicos, el método que combina ecuaciones aerodinámicas y ecuaciones del balance energético, así como la utilización de una relación de complementariedad entre la evaporación real y la evaporación potencial. Se dispone además de técnicas de evaporación, a partir de una cubeta, que permiten determinar un coeficiente lago-cubeta. Este coeficiente, que varía según el tipo de cubeta y su modo de exposición, también depende de las condiciones climáticas (véase OMM, 1985; 1994 (capítulo 37)). Se pueden obtener valores puntuales o de superficie de la evapotranspiración, sin limitación de agua, a partir de superficies cubiertas de vegetación, evaluando la evapotranspiración potencial (o evapotranspiración de los cultivos de referencia) mediante los métodos utilizados en el caso de los lagos, después de adaptarlos a las condiciones propias a la capa vegetal. Algunos métodos utilizan, para cada tipo de vegetación (como sería el tipo de cultivo) coeficientes que varían según su fase de desarrollo, así como un valor integrado de la resistencia estomática relativa a esa vegetación en su conjunto. Para calcular la evaporación de referencia diaria (24 horas) de la vegetación a partir de la temperatura media diaria del aire y de la radiación global total diaria, el Instituto Real de Meteorología de los Países Bajos emplea el procedimiento establecido por G. F. Makkink (Hooghart, 1971), a saber: Presión de saturación del vapor a la temperatura del aire T: T 7,5 · ————— 237,3 + T

es(T ) = 6,107· 10

hPa

Pendiente de la curva de la presión de saturación del vapor de agua con respecto a la temperatura T: 7,5·237,3 ∆(T) = —————— · ln(10) ·es(T) (237,3 + T)2

hPa/°C

∆(T) = 0,646 + 0,000 6 T

λ (T) = 1 000· (2 501 – 2,38· T )

hPa/°C

J/kg

Densidad del agua:

ρ = 1 000

kg/m3

Radiación global (total en 24 horas): Q

J/m2

Temperatura del aire (promedio de 24 horas): T

°C

Evaporación diaria de referencia de la vegetación: 1 000·0,65· δ (T) Er = —————————— · Q {δ (T) + γ (T )}· ρ · λ (T) Nota:

mm

La constante 1 000 se aplica para la conversión de metros

a milímetros; la constante 0,65 es una constante empírica típica.

Al establecer una relación entre la tasa medida de evapotranspiración real y las estimaciones de la tasa de evapotranspiración potencial, sin limitación de agua, relacionando luego el valor normalizado así obtenido con el contenido en agua del suelo, el déficit hídrico del suelo o el potencial hídrico en la zona de las raíces, es posible obtener coeficientes que permiten calcular la tasa de evapotranspiración real para un suelo con un contenido de agua determinado. Se consigue estimar más directamente los valores puntuales de la evapotranspiración real a partir del suelo, observando, mediante un muestreo constante, las variaciones del contenido de agua del suelo o midiendo dicha evapotranspiración con una mayor exactitud mediante un lisímetro de balanza. Otros métodos se basan en mediciones de la turbulencia (correlación del flujo turbulento, por ejemplo) o del perfil (métodos de observación en la capa límite y, a dos alturas, método del balance energético basado en la relación de Bowen). Estos métodos son mucho más costosos y exigen instrumentos y sensores especiales para medir la humedad, la velocidad del viento y la temperatura. Las estimaciones obtenidas, válidas para los tipos de suelo y de cubierta forestal estudiados, pueden utilizarse como valores de referencia independientes,

I.10-10

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

con miras a la elaboración de relaciones empíricas para la modelización de la evapotranspiración.

sus límites de aplicación se puede consultar el capítulo 38 de OMM (1994).

Las dificultades que plantea la evaluación de la evapotranspiración a nivel de las cuencas fluviales se deben a la disparidad de las características de superficie, que ocasiona una tasa de evapotranspiración variable en el marco de la zona estudiada. Cuando se quieren obtener valores a corto plazo, es indispensable basarse en relaciones empíricas para estimar la evapotranspiración. Si se lleva a cabo un estudio sobre un período de tiempo más largo (con objeto de reducir al mínimo los efectos de almacenamiento), se puede utilizar el método del balance hídrico para evaluar la evapotranspiración de la cuenca (véase OMM, 1971). Para llevar a cabo estimaciones sobre amplias extensiones se puede utilizar el método basado en el balance hídrico de la atmósfera, que permite deducir la tasa de evapotranspiración de superficie de los datos de radiosondeo. Para obtener más detalles sobre estos métodos, sobre las ventajas que ofrecen y sobre

Es difícil medir la evaporación de una capa de nieve, y los resultados probablemente no sean más exactos que los que se pueden obtener por el cálculo de la evaporación del agua. Para medir la evaporación de un manto de nieve, en numerosos países se utilizan evaporímetros de polietileno o de plástico incoloro, y las observaciones solo se hacen cuando no nieva. La evaporación de una capa de nieve se puede estimar utilizando la ecuación de la difusión turbulenta y teniendo en cuenta las observaciones de la humedad del aire y de la velocidad del viento efectuadas en la superficie de la capa de nieve y a uno o dos niveles por encima de dicha capa. Estas estimaciones son más fiables cuando los valores de la evaporación se calculan para períodos de cinco días o más.

CAPÍTULO 10. MEDICIÓN DE LA EVAPORACIÓN

I.10-11

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA Hooghart, J. C. (ed.), 1971: Evaporation and Weather. TNO Committee of Hydrological Research, Technical Meeting 44, Proceedings and Information No. 39, TNO, La Haya. Organización Meteorológica Mundial, 1966: Measurement and Estimation of Evaporation and Evapotranspiration. Nota técnica Nº 83, WMO-No. 201.TP. 105, Ginebra. —, 1971: Problems of Evaporation Assessment in the Water Balance (C. E. Hounam). Informe OMM/DHI Nº 13, WMO-No. 285, Ginebra. —, 1973: Atmospheric Vapour Flux Computations for Hydrological Purposes (J. P. Peixoto). Informe OMM/DHI Nº 20, WMO-No. 357, Ginebra. —, 1976: The CIMO International Evaporimeter Comparisons. WMO-No. 449, Ginebra. —, 1977: Hydrological Application of Atmospheric Vapour-Flux Analyses (E. M. Rasmusson).

Informe Nº 11 sobre hidrología operativa, WMO-No. 476, Ginebra. —, 1985: Casebook on Operational Assessment of Areal Evaporation. Informe Nº 22 sobre hidrología operativa, WMO-No. 635, Ginebra. —, 1992: Vocabulario meteorológico internacional. Segunda edición, OMM-Nº 182, Ginebra. —, 1994: Guía de Prácticas Hidrológicas. Quinta edición, OMM-Nº 168, Ginebra. —, 1997: Estimation of Areal Evapotranspiration. Technical Reports in Hydrology and Water Resources No. 56, WMO/TD-No. 785, Ginebra. —, 2003: Manual del Sistema Mundial de Observación. Volumen I — Aspectos mundiales, OMM-Nº 544, Ginebra. —/Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO), 1992: Glosario Hidrológico Internacional. OMM-Nº 385, Ginebra.

I.10-12

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

CAPÍTULO 11. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD DEL SUELO CAPÍTULO 11

I.11-1

MEDICIÓN DE LA HUMEDAD DEL SUELO

11.1

GENERALIDADES

Contenido de agua en el suelo

La humedad del suelo es un componente importante del ciclo hidrológico atmosférico, tanto a la pequeña escala de los usos agrarios como para modelizar en gran escala la interacción entre la tierra y la atmósfera. La vegetación y los cultivos dependerán siempre en mayor medida de la humedad disponible al nivel de las raíces que de la precipitación. La realización de un balance hídrico, no solo para planificar el riego sino también para programar las fechas reales de la irrigación, requiere disponer de información a nivel local relativa a la humedad del suelo. Cuando se conoce el grado de humedad del suelo, es más fácil predecir el riesgo de crecidas repentinas o la aparición de nieblas.

El contenido de agua del suelo es un valor que expresa la masa o el volumen de agua contenido en el suelo, mientras que el potencial hídrico del suelo expresa la energía hídrica presente en este. La relación entre el contenido y el potencial no es universal, y depende de las características del suelo local; por ejemplo, la densidad o la textura de los suelos.

Sin embargo, la humedad del suelo es una variable que rara vez se observa de forma regular en las estaciones meteorológicas. La documentación sobre la humedad del suelo se limitaba por lo general a la descripción del “estado del terreno” según las tablas de cifrado 0901 y 0975 de la OMM, dejando que hidrólogos, técnicos agrarios y otros colectivos se encargaran de su medición. En torno a 1990, aumentó el interés de los meteorólogos por medir la humedad del suelo. En parte, ello se debía a que, tras los estudios pioneros de Deardorff (1978), los modelos atmosféricos numéricos en distintas escalas se prestaban mejor al tratamiento de los flujos de calor sensible y latente en las capas superficiales del suelo. Además, las técnicas de medición de la humedad del suelo recién desarrolladas son más fáciles de aplicar en las estaciones meteorológicas que la mayoría de los métodos clásicos.

donde Magua es la masa de agua contenida en la muestra de suelo, y Msuelo es la masa de suelo seco contenida en la muestra. En meteorología, los valores de θg se expresan habitualmente en términos porcentuales.

Atendiendo a la creciente necesidad de determinar la humedad del suelo, se examinarán aquí los métodos e instrumentos más habitualmente utilizados, junto con sus ventajas y desventajas. Se mencionarán, asimismo, algunas técnicas de observación menos habituales.

11.1.1

Definiciones

La determinación de la humedad del suelo mide el contenido de agua o el potencial hídrico de los suelos.

En términos de masa, el contenido de agua del suelo se expresa mediante el contenido gravimétrico de humedad del suelo, θg , definido como:

θg = Magua /Msuelo

(11.1)

Dado que la precipitación, la evapotranspiración y el transporte de solutos son variables habitualmente expresadas en términos de flujo, las expresiones volumétricas del contenido de agua son a menudo más útiles. Para una muestra de suelo, el contenido volumétrico de humedad del suelo, θv , se define como sigue:

θv = Vagua /Vmuestra

(11.2)

donde Vagua es el volumen de agua contenido en la muestra de suelo, y Vmuestra es el volumen total de suelo seco + aire + agua de la muestra. Una vez más, el cociente se expresa por lo general en valores porcentuales. La relación entre el contenido gravimétrico y el contenido volumétrico de humedad es la siguiente:

θv = θg ( ρb /ρw )

(11.3)

donde ρb es la densidad aparente del suelo seco, y ρw es la densidad del agua del suelo. La técnica básica para medir el contenido de agua en el suelo es el método gravimétrico, que se describe en la sección 11.2. Dado que este se basa en

I.11-2

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

mediciones directas, constituye el método de referencia con respecto al cual se comparan todos los demás. Por desgracia, el muestreo gravimétrico es destructivo, y hace imposible repetir las mediciones en una misma muestra de suelo. Debido a las dificultades que conlleva una medición exacta de los volúmenes de suelo seco y de agua, el contenido volumétrico de agua no se suele determinar directamente.

Los gradientes de los distintos potenciales no siempre serán muy eficaces como inductores de flujo. Así, por ejemplo, ψo necesita una membrana semipermeable para inducir el flujo, y ψp existirá en condiciones de saturación o encharcamiento, aunque la mayoría de las aplicaciones prácticas se efectúan en suelos no saturados.

Potencial hídrico del suelo

Al resolver las ecuaciones del balance de masa o de continuidad del agua, hay que recordar que los componentes de los parámetros de contenido hídrico son dimensionales. El contenido gravimétrico de agua es el peso del agua del suelo contenido en una unidad de peso de ese mismo suelo (kg de agua/kg de suelo seco). Del mismo modo, el contenido volumétrico de agua es una fracción volumétrica (m3 de agua/m3 de suelo).

El potencial hídrico del suelo describe la energía presente en el agua del suelo, y es un parámetro importante para analizar el transporte hídrico, las estimaciones de almacenamiento de agua y las relaciones entre el suelo, las plantas y el agua. Una diferencia de potencial hídrico entre dos puntos del suelo indica una tendencia del agua a fluir del potencial alto al bajo. Cuando el suelo se está secando, el potencial hídrico es más negativo, y aumenta el trabajo necesario para extraer agua de él. Ello dificulta la absorción del agua por las plantas, con lo que el potencial hídrico de la planta disminuye, ocasionándole estrés vegetal y, en casos extremos, una marchitez acusada. Por lo común, el potencial hídrico es un indicador de la capacidad del agua del suelo para realizar un trabajo o, en el caso del potencial negativo, el trabajo necesario para extraer agua del suelo. El potencial hídrico total ψt , que combina los efectos de todos los campos de fuerza, viene dado por:

ψt = ψz + ψm + ψo + ψp

(11.4)

donde ψz es el potencial gravitacional, basado en la elevación por encima del nivel medio del mar; m es el potencial matricial, es decir, el efecto de succión debido a la atracción del agua por la matriz del suelo; o es el potencial osmótico, debido a los efectos energéticos de los solutos en el agua; y p es el potencial de presión, que es la presión hidrostática existente bajo una superficie de agua. Los potenciales que no están relacionados con la composición del agua o del suelo se denominan, en conjunto, potencial hidráulico, ψh . En suelos saturados, su valor viene expresado mediante ψh = ψz + ψp , mientras que en suelos no saturados se expresa mediante la igualdad ψ h = ψ z + ψ m . Cuando en un estudio aparezca la expresión “potencial hídrico”, posiblemente denotado en la forma ψw , será aconsejable consultar la definición del autor, ya que el término ha sido utilizado tanto para ψm + ψz como para ψm + ψo .

11.1.2

Unidades

La unidad básica para expresar el potencial hídrico es la energía (en julios, kg m2 s–2) por unidad de masa, J kg–1. Alternativamente, la energía por unidad de volumen ( J m–3) es equivalente a la presión, expresada en pascales (Pa = kg m–1 s–2). En el pasado, se utilizaba el bar (= 100 kPa), la atmósfera (= 101,32 kPa) o la libra por pulgada cuadrada (= 6,895 kPa). Una tercera clase de unidades corresponde a la presión ejercida por una columna de agua o de mercurio expresada en (centí)metros, o energía por unidad de peso. La relación entre esas tres clases de unidades de potencial es la siguiente:

ψ ( J kg–1) = γ × ψ (Pa) = [ψ (m)]/g

(11.5)

donde γ = 10 3 kg m –3 (densidad del agua) y g = 9,81 m s–2 (aceleración de la gravedad). Dado que el potencial hídrico del suelo presenta un rango de valores amplio, suele expresarse en unidades logarítmicas, por lo general en términos de altura de presión de agua. Una unidad habitualmente utilizada para esa magnitud es la denominada pF, igual al logaritmo en base 10 del valor absoluto de la columna de agua expresada en centímetros. 11.1.3

Requisitos meteorológicos

El suelo está constituido por partículas individuales y conglomerados de material mineral y orgánico, separados por huecos o poros llenos de aire y agua. La magnitud relativa del espacio que ocupan los poros disminuye a medida que aumenta el tamaño de los granos del suelo (aunque intuitivamente cabría esperar lo contrario). El movimiento del agua líquida a través del suelo depende del tamaño, de

CAPÍTULO 11. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD DEL SUELO

la forma y, en general, de la geometría del espacio de los poros. Si se añade una gran cantidad de agua a un volumen de suelo por lo demás “seco”, parte de ella escurrirá rápidamente por efecto de la gravedad a través de las grietas y canales de tamaño relativamente mayor. El resto tenderá a desplazar parte del aire contenido en los huecos entre partículas, empezando por los poros de mayor tamaño. En términos generales, se producirá el avance de un “frente húmedo” claramente definido en sentido descendente a través del suelo, creando a su paso una capa de espesor creciente en la que quedará retenida toda la humedad que no puede ser arrastrada por gravedad. Al llegar a ese punto, se dice que la capa del suelo ha alcanzado la “capacidad de campo”, que para la mayoría de los suelos se alcanza cuando ψ ≈ 10 kPa (pF ≈ 2). No hay que confundir este estado con la indeseable situación del suelo “saturado”, en que todos los huecos porosos están ocupados por agua. Después de un episodio de saturación, por ejemplo tras una lluvia intensa, el suelo necesita por lo general al menos 24 horas para alcanzar la capacidad de campo. Cuando el contenido de humedad desciende por debajo de esa capacidad, el limitado movimiento de agua que sobreviene en el suelo se produce, en parte, en forma líquida y, en parte, en fase de vapor por destilación (en función de los gradientes de temperatura del suelo) y, en ocasiones, por transporte en las raíces de las plantas. Las raíces de las plantas presentes en el volumen de suelo extraerán agua líquida de las películas de agua que rodean las partículas de suelo con las que están en contacto. La tasa de extracción dependerá del potencial de humedad del suelo. Se alcanzará un punto en que las fuerzas que retienen las películas de humedad adheridas a las partículas del suelo son inferiores a la fuerza de succión de las raíces. Las plantas no pueden ya absorber agua y pierden turgencia: la humedad del suelo ha alcanzado el “punto de marchitez permanente”, que en la mayoría de los casos ocurre cuando el potencial hídrico del suelo llega a –1,5 MPa (pF = 4,2). En agricultura, se considera generalmente que el agua del suelo disponible para las plantas es la cantidad de agua que corresponde al intervalo comprendido entre la capacidad de campo y el punto de marchitez permanente, que varía considerablemente según los suelos: en suelos arenosos puede ser inferior al 10 por ciento en términos volumétricos, mientras que en suelos con mayor abundancia de materia orgánica puede llegar a superar el 40 por ciento en volumen. Por lo general, es deseable conocer el contenido y el potencial de humedad del suelo en función de

I.11-3

la profundidad. Los modelos de evapotranspiración son aplicables, en su mayoría, a profundidades pequeñas (decenas de centímetros); en las aplicaciones agrarias, se necesita información sobre la humedad a la profundidad de las raíces (del orden de un metro); y los modelos de circulación general de la atmósfera incorporan varias capas hasta unos cuantos metros de profundidad. A efectos hidrológicos y del balance hídrico (por ejemplo, en modelos de escorrentía a escala de cuenca de captación, o para calcular los efectos sobre las propiedades del suelo en términos de resistencia mecánica, conductividad térmica o difusividad), se necesita información sobre el contenido hídrico del suelo en capas profundas. El grado de exactitud necesario para determinar el contenido de agua y la resolución espacio-temporal requerida variarán según la aplicación. Un problema habitual es la heterogeneidad de numerosos suelos, que hace que un solo punto de observación no pueda aportar información absoluta sobre la humedad del suelo regional, sino únicamente un conocimiento relativo acerca de su variación. 11.1.4

Métodos de medición

Los métodos e instrumentos disponibles para evaluar el agua de los suelos admiten tres tipos de clasificaciones. La primera está basada en una distinción entre la determinación del contenido de agua y la determinación del potencial hídrico. La segunda, basada en un método denominado “directo”, hace necesario disponer de un volumen de terreno suficientemente representativo del que pueda obtenerse gran número de muestras de suelo para someterlas a una evaluación destructiva en laboratorio. Los métodos indirectos consisten en utilizar un instrumento colocado en el suelo para medir alguna propiedad de este relacionada con su humedad. La tercera clasificación está basada en la aplicabilidad práctica de cada método, teniendo en cuenta el trabajo habitualmente necesario, el grado de dependencia respecto de la disponibilidad de laboratorios, la complejidad de la operación y la fiabilidad del resultado. Además, es necesario comparar los costos preliminares de la instrumentación adquirida con los costos posteriores de las actividades ordinarias de observación local y procesamiento de datos. Algunas referencias, como las de OMM (1968, 1989, 2001) y Schmugge, Jackson y McKim (1980), son muy útiles para comprender los problemas prácticos, pero como los métodos de medición dieléctrica no se desarrollaron hasta bien entrado el decenio de 1980, las referencias demasiado

I.11-4

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

antiguas no deberían ser muy de fiar en lo que se refiere a la selección de métodos prácticos. Para determinar el contenido hídrico del suelo hay cuatro posibles maneras de proceder. En primer lugar, el método clásico de determinación gravimétrica de la humedad, que es simple y directo. En segundo lugar, la lisimetría, que es una alternativa no destructiva de las mediciones gravimétricas; consiste en pesar, de manera ocasional o continua, un recipiente relleno de suelo para conocer las variaciones de la masa total contenida, que pueden deberse parcial o enteramente a variaciones de la humedad del suelo (los lisímetros se abordan con mayor detalle en el capítulo 10 de la parte I). En tercer lugar, es posible determinar indirectamente el contenido de agua utilizando diversas técnicas radiológicas, como la dispersión de neutrones o la absorción gamma. En cuarto lugar, el contenido de agua puede determinarse a partir de las propiedades dieléctricas del suelo, por ejemplo mediante reflectometría de dominio temporal. El potencial hídrico del suelo puede medirse utilizando varios métodos indirectos, en particular mediante tensiómetros, bloques de resistencia eléctrica o psicrómetros de suelo. Ninguno de estos instrumentos es actualmente eficaz para todo el rango de valores del potencial hídrico. Para una descripción más extensa de los métodos de medición de la humedad del suelo, son útiles los manuales actualizados de Klute (1986), Dirksen (1999), y Smith y Mullins (que figuran en las referencias como Gardner y otros, 2001, y Mullins, 2001).

11.2

MEDICIÓN GRAVIMÉTRICA DIRECTA DEL CONTENIDO HÍDRICO DEL SUELO

El contenido gravimétrico de humedad del suelo θg se determina, por lo general, directamente. Para ello, se toman muestras de suelo de unos 50 g utilizando las herramientas más apropiadas disponibles (palas, barrenas de muestreo manuales en espiral, barrenas de muestreo de cubeta, e incluso tubos de perforación de propulsión eléctrica), de modo que se altere lo menos posible la estructura del suelo de la muestra (Dirksen, 1999). Inmediatamente a continuación debería colocarse la muestra en un recipiente estanco, exento de grietas, previamente pesado e identificado. Dado que las muestras serán introducidas en un horno, el recipiente tendría que poder resistir temperaturas altas sin fundirse ni perder una masa apreciable. Lo más habitual es utilizar latas de aluminio, aunque convendría utilizar

recipientes no metálicos si las muestras van a ser secadas en hornos de microondas en laboratorio. Cuando sea necesario transportar las muestras a gran distancia, debería sellarse el recipiente con cinta adhesiva para evitar la pérdida de humedad por evaporación. Las muestras y el recipiente son pesados en el laboratorio tanto antes como después del secado, de modo que la diferencia representará la masa de agua inicialmente presente en la muestra. El secado consiste en colocar el recipiente, abierto, en un horno eléctrico a 105 °C hasta que la masa se estabiliza en un valor constante. El tiempo de secado varía, por lo general, entre 16 y 24 horas. Obsérvese que el secado a 105 °C ± 5 °C encaja en la definición habitualmente aceptada de “contenido de agua en el suelo”, que responde al propósito de medir solo el contenido de agua “libre”, no fijada a la matriz de suelo (Gardner y otros, 2001). Cuando las muestras de suelo contienen cantidades considerables de materia orgánica podría tener lugar una oxidación excesiva a 105 °C, en cuyo caso se perdería parte de la materia orgánica de la muestra. Aunque es difícil especificar la temperatura a partir de la cual la oxidación será excesiva, un descenso de 105 a 70 °C en la temperatura del horno parece ser suficiente para evitar pérdidas apreciables de materia orgánica, aunque los valores del contenido hídrico así obtenidos podrían ser demasiado bajos. Será necesario comprobar y notificar las temperaturas del horno y los tiempos de secado. Un método también eficaz es el secado en horno de microondas para determinar el contenido gravimétrico de agua (Gee y Dodson, 1981). Consiste en elevar rápidamente la temperatura del agua en el suelo hasta llegar al punto de ebullición para, seguidamente, mantenerla constante durante cierto período por efecto del calor absorbido por evaporación del agua. Sin embargo, en cuanto la energía absorbida por el agua del suelo excede de la necesaria para evaporar el agua, la temperatura aumenta rápidamente. Este método debería utilizarse con precaución, ya que las temperaturas pueden llegar a ser lo suficientemente altas como para derretir los recipientes de plástico cuando la muestra de suelo contienen piedras. El contenido gravimétrico de agua en suelos minerales naturalmente secos (25 °C) suele ser inferior al 2 por ciento aunque, a medida que el suelo se aproxima al estado saturado, el contenido hídrico puede alcanzar valores comprendidos entre el 25 y el 60 por ciento, según el tipo de suelo. El contenido volumétrico de agua en el suelo, θv , puede ser tan

CAPÍTULO 11. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD DEL SUELO

bajo como el 10 por ciento en suelos naturalmente secos, y tan alto como entre el 40 y el 50 por ciento en suelos minerales próximos a la saturación. Para determinar θv es necesario medir la densidad del suelo, por ejemplo recubriendo un terrón con parafina y pesándolo en aire y en agua, o utilizando algún otro método (Campbell y Henshall, 2001). El contenido hídrico de los suelos pedregosos o cubiertos de gravilla puede inducir gravemente a error. Cuando las piedras ocupan un volumen apreciable del suelo, modifican la medición directa de la masa del mismo sin afectar en la misma medida a su porosidad. Así, por ejemplo, el contenido gravimétrico de agua puede ser del 10 por ciento para una muestra de suelo con una densidad aparente de 2 000 kg m–3; en cambio, el contenido hídrico de esa misma muestra constituida por un material más fino (sin piedras ni gravilla) sería del 20 por ciento para una densidad aparente del suelo fino de 1 620 kg m–3. Aunque el contenido gravimétrico de agua de la fracción de suelo más fino, θg,fino , es el valor habitualmente utilizado para efectuar comparaciones espaciales y temporales, podría ser también necesario determinar el contenido volumétrico de agua de un suelo cubierto de gravilla. Este último valor podría ser importante para calcular el volumen de agua en una zona radicular. La relación entre el contenido gravimétrico de agua del suelo más fino y el contenido volumétrico de agua aparente viene dada por:

θv,pedregoso = θg,fino( ρb /ρv )(1 + Mpiedras /Mfino ) (11.6) donde θv,pedregoso es el contenido volumétrico de agua aparente del suelo que contiene piedras o gravilla, y Mpiedras y Mfino son las masas de las fracciones de suelo pedregoso y fino, respectivamente (Klute, 1986).

11.3

CONTENIDO HÍDRICO DEL SUELO: MÉTODOS INDIRECTOS

La capacidad de retención de agua del suelo es función de la textura y estructura del mismo. Al tomar una muestra de suelo, el material que se desea evaluar resulta alterado, por lo que se modifica también su capacidad de retención de agua. Los métodos indirectos para medir el agua del suelo son útiles, ya que permiten obtener información en un mismo lugar mediante gran número de observaciones sin alterar el sistema hídrico del suelo. Además, la mayoría de los métodos indirectos determinan el contenido volumétrico de agua en

I.11-5

el suelo sin necesidad de determinar la densidad de este. 11.3.1

Métodos radiológicos

Para medir el contenido hídrico del suelo pueden utilizarse dos métodos radiológicos diferentes. Uno de ellos es el método de dispersión neutrónica, ampliamente utilizado, basado en la interacción entre neutrones de alta energía (rápidos) y núcleos de los átomos de hidrógeno del suelo. El otro método mide la atenuación de los rayos gamma al atravesar el suelo. En ambos métodos se utiliza un equipo portátil para efectuar múltiples mediciones en puntos de observación permanentes, y que debe ser cuidadosamente calibrado, preferiblemente con el mismo suelo en que se va utilizar el equipo. Cuando se utilice un dispositivo emisor de radiación es necesario adoptar ciertas precauciones. El fabricante suministrará una protección que deberá ser utilizada en todos los casos. El único momento en que la sonda abandona la protección es durante su introducción en el tubo de acceso al suelo. Si se aplican las directrices y reglamentaciones sobre protección radiológica estipuladas por el fabricante y por las autoridades sanitarias, no habrá que temer la exposición a unos niveles de radiación excesivos, sea cual sea la frecuencia de uso. No obstante, con independencia del dispositivo que se utilice para emitir la radiación, el operario debería ir provisto de algún tipo de película dosimétrica que permita evaluar los niveles de exposición personal y registrarlos mensualmente. 11.3.1.1

Método de dispersión neutrónica

El método de detección neutrónica de la humedad del suelo (Visvalingam y Tandy, 1972; Greacen, 1981) consiste en insertar en la tierra una sonda que contenga una fuente de neutrones altamente energéticos (rápidos) y un contador de neutrones lentos. Los núcleos de hidrógeno, de masa aproximadamente igual a la de los neutrones, ralentizan estos por colisión con una eficacia más de diez veces superior a la de casi todos los demás núcleos del suelo. Dado que la mayor parte del hidrógeno del suelo se encuentra en forma de moléculas de agua, la densidad de neutrones lentos “termalizados” en las proximidades de la sonda de neutrones es aproximadamente proporcional al contenido volumétrico de agua del suelo. Al cabo de varias colisiones, una fracción de los neutrones ralentizados llegará nuevamente a la sonda y

I.11-6

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

a su contador. Cuando el contenido hídrico del suelo es alto, no son muchos los neutrones capaces de recorrer grandes distancias antes de resultar termalizados y perder eficacia, con lo cual un 95 por ciento de los neutrones contabilizados que retornan proviene de un volumen de suelo relativamente pequeño. En suelos húmedos, el “radio de influencia” puede ser de tan solo 15 cm, mientras que en suelos secos podría llegar hasta los 50 cm. Así pues, el volumen de suelo medido variará en función del contenido de agua, y no será posible resolver las capas finas. Por consiguiente, este método resulta menos apropiado para localizar las discontinuidades del contenido de agua, y no será posible utilizarlo eficazmente en los 20 cm superiores del suelo, debido a la discontinuidad entre este y el aire. Las sondas de neutrones pueden presentar diversas configuraciones de fuente y detector, pero lo más apropiado es disponer de una sonda con un detector doble y una fuente central, por lo general dentro de un recipiente cilíndrico. Esta configuración crea una zona de influencia prácticamente esférica, y propicia una relación más lineal entre el recuento de neutrones y el contenido de agua en el suelo. Para sujetar una sonda neutrónica a los principales componentes electrónicos del instrumento se utiliza un cable, de modo que sea posible hacer descender la sonda por un tubo de acceso previamente instalado. El tubo de acceso debería ser de una sola pieza y contar con un espesor suficiente (como mínimo, 1,25 mm) para ser rígido, pero no hasta el punto de ralentizar apreciablemente los neutrones. Deberá estar fabricado de material no corrosivo (por ejemplo, acero inoxidable, aluminio o plástico), aunque debería evitarse el policloruro de vinilo, ya que absorbe los neutrones lentos. Por lo general, un tubo recto de 5 cm de diámetro será suficiente para hacer descender la sonda por él sin que se atasque. Habría que tener cuidado al instalar el tubo de acceso para no dejar huecos de aire entre el tubo y la matriz del suelo. Por encima de la superficie del suelo deberían sobresalir como mínimo 10 cm del tubo, a fin de que la caja que contiene los componentes electrónicos pueda ser instalada sobre el tubo de acceso. Sería preciso que todos los tubos de acceso estuvieran dotados de una caperuza desmontable para impedir la entrada del agua de lluvia. Para conseguir un grado mayor de uniformidad de los resultados en los experimentos, no se compara directamente el contenido de agua del suelo con el número de neutrones lentos detectados, sino con un coeficiente de recuento (CR) definido como: CR = Csuelo /Cfondo

(11.7)

donde Csuelo es el recuento de neutrones termalizados detectados en el suelo, y Cfondo es ese mismo recuento realizado en un medio físico de referencia. En la actualidad, todas las sondas neutrónicas van acompañadas de un patrón de referencia para las calibraciones de fondo, por lo general referidas al agua. El patrón que alojará la sonda debería tener como mínimo un diámetro de 0,5 m, de modo que pueda representar un medio físico “infinito”. La calibración que determina el valor de Cfondo puede consistir en una serie de diez lecturas de un minuto, posteriormente promediadas, o en una única lectura de una hora. El valor de Csuelo se determina promediando varias lecturas de suelo para una determinada profundidad o ubicación. A efectos de calibración, lo más apropiado es tomar tres muestras en torno al tubo de acceso y promediar los contenidos de agua correspondientes al CR medio calculado para esa profundidad. Deberían evaluarse al menos cinco contenidos de agua diferentes para cada valor de la profundidad. Aunque algunas curvas de calibración pueden ser similares, habría que efectuar una calibración por separado para cada valor de profundidad. La mayoría de las sondas tienen un período de duración superior a 10 años. 11.3.1.2

Atenuación de rayos gamma

Si el método neutrónico mide el contenido volumétrico de agua en una esfera de gran tamaño, la absorción de rayos gamma permite explorar una capa delgada. En la actualidad, los dispositivos de rayos gamma de dos sondas se utilizan principalmente en laboratorio desde que se hizo posible el uso de métodos dieléctricos en condiciones reales. Ello se debe también a que los rayos gamma son más peligrosos que los dispositivos de dispersión de neutrones, y al costo relativamente elevado de las operaciones con rayos gamma. Para un coeficiente másico de absorción dado, es posible establecer una relación entre las variaciones en la atenuación de la radiación gamma y los cambios de la densidad total del suelo. Puesto que la atenuación de los rayos gamma se debe a la masa, no es posible determinar el contenido de agua a menos que se conozca la atenuación de la radiación gamma debida a la densidad local del suelo seco y que ese valor permanezca invariable cuando se modifica el contenido de agua. Por ello, no es fácil determinar con exactitud el contenido hídrico del suelo a partir de la diferencia entre los valores de atenuación de la densidad total y la densidad del suelo seco. En comparación con la dispersión de neutrones, la atenuación de rayos gamma presenta la ventaja de

CAPÍTULO 11. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD DEL SUELO

facilitar mediciones exactas a escasos centímetros por debajo de la interfase aire-superficie. Aunque el método presenta una resolución muy elevada, el escaso volumen de suelo evaluado arrojará una mayor variación espacial debido a las heterogeneidades del suelo (Gardner y Calissendorff, 1967). 11.3.2

Características dieléctricas del agua del suelo

Cuando se sitúa un medio físico en el campo eléctrico de un capacitor o de una guía de onda, su influencia sobre las fuerzas eléctricas del campo viene expresada como el cociente entre las fuerzas que se manifiestan en el medio físico y las que se manifestarían en el vacío. Ese cociente, denominado permitividad o “constante dieléctrica”, es para el agua líquida, en promedio, unas veinte veces mayor que para el suelo seco, debido a que las moléculas de agua son dipolos permanentes. Las propiedades dieléctricas del hielo, y las del agua ligada a la matriz de suelo, son comparables a las del suelo seco. Por consiguiente, el contenido volumétrico de agua libre en el suelo puede determinarse a partir de las características dieléctricas del suelo húmedo mediante métodos de medición fiables, rápidos y no destructivos, evitando así los peligros que conllevan los aparatos radiactivos. Además, tales métodos dieléctricos pueden estar totalmente automatizados para la adquisición de datos. Con el fin de evaluar las características dieléctricas del agua del suelo, existen en la actualidad dos métodos ampliamente utilizados que emplean material disponible en el mercado: la reflectometría de dominio temporal y la medición en dominio de frecuencias. 11.3.2.1

Reflectometría de dominio temporal

La reflectometría de dominio temporal es un método que determina la constante dieléctrica del suelo monitorizando el desplazamiento de un impulso electromagnético emitido a lo largo de una guía de onda constituida por un par de varillas paralelas insertadas en el suelo. El impulso se refleja en el otro extremo de la guía de onda, y su velocidad de propagación, inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la constante dieléctrica, puede ser medida de manera satisfactoria por medios electrónicos. La fórmula más utilizada para expresar la relación entre las características dieléctricas del suelo y el contenido hídrico del mismo, obtenida experimentalmente por Topp, Davis y Annan (1980), es la siguiente:

I.11-7

θv = –0,053 + 0,029ε – 5,5·10 –4ε 2 + 4,3·10 –6ε 3 (11.8) donde ε es la constante dieléctrica del sistema hídrico del suelo. Esta relación empírica ha demostrado ser aplicable a gran número de suelos, y es bastante independiente de la textura y del contenido de gravilla (Drungil, Abt y Gish, 1989). Sin embargo, en suelos de baja densidad o con un contenido orgánico elevado es conveniente efectuar una calibración específicamente referida al suelo. Para mezclas de suelo complejas ha resultado útil la ecuación de De Loor (Dirksen y Dasberg, 1993). En general, las sondas paralelas están separadas por una distancia de 5 cm y su longitud puede variar entre 10 y 50 cm; las varillas de la sonda pueden ser de cualquier sustancia metálica. El volumen de la muestra es esencialmente un cilindro de varios centímetros de radio en su base que circunda las sondas paralelas (Knight, 1992). El cable coaxial que comunica la sonda con la unidad de procesamiento de la señal no debería tener una longitud superior a unos 30 m. Es posible obtener perfiles del agua del suelo utilizando un conjunto de sondas insertadas en tierra, dispuestas horizontalmente a profundidades distintas y conectadas con un registrador de datos directos mediante un multiplexor. 11.3.2.2

Medición en dominio de frecuencias

Mientras que la reflectometría de dominio temporal se basa en la utilización de frecuencias de microondas en el rango de los gigahercios, los sensores de dominio de frecuencias miden la constante dieléctrica a una única frecuencia de microondas en megahercios. La sonda dieléctrica de microondas utiliza un cable coaxial abierto en un extremo y un solo reflectómetro en la punta de la sonda para medir la amplitud y la fase a una frecuencia dada. Las mediciones del suelo toman el aire como medio de referencia, y se calibran normalmente con bloques dieléctricos y/o líquidos de propiedades dieléctricas conocidas. La utilización de líquidos para la calibración tiene la ventaja de que se puede mantener un contacto eléctrico perfecto entre la punta de la sonda y el material (Jackson, 1990). Puesto que la punta de la sonda es pequeña, solo se puede estimar un volumen de suelo pequeño, por lo que el contacto con este resulta crucial. Por ello, este método es excelente para mediciones puntuales o en laboratorio, pero podría suscitar problemas de variabilidad espacial si se utiliza en condiciones reales (Dirksen, 1999).

I.11-8

11.4

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS INSTRUMENTACIÓN PARA MEDIR EL POTENCIAL HÍDRICO DEL SUELO

Los instrumentos básicos capaces de medir el potencial de la matriz de suelo son suficientemente económicos y fiables para ser utilizados en programas de monitoreo en condiciones reales. No obstante, para cada instrumento el rango de valores de potencial hídrico accesibles es limitado. Los tensiómetros operan bien solo en suelos húmedos, mientras que los bloques de resistencia funcionan mejor en suelos moderadamente secos. 11.4.1

Tensiómetros

El instrumento más utilizado y barato para medir el potencial de agua es el tensiómetro. Es un aparato sencillo, que generalmente consiste en una taza de cerámica porosa y un tubo de plástico cilíndrico sellado que la conecta a un registrador de presión situado en la parte superior del cilindro. Este tipo de aparatos mide el potencial matricial, ya que los solutos pueden desplazarse libremente por la taza porosa. El tensiómetro establece una condición de seudoequilibrio con el sistema hídrico del suelo. La taza de cerámica porosa actúa como una membrana a través de la cual fluye el agua, por lo que debe estar saturada en todo momento para que funcione adecuadamente. Por consiguiente, al comenzar la medición todos los poros de la taza y del tubo se llenan de agua desprovista de aire. Una vez instalado, el tensiómetro estará expuesto a potenciales hídricos negativos del suelo, que harán pasar el agua del tensiómetro a la matriz de suelo que lo rodea. El desplazamiento del agua desde el tensiómetro creará un potencial negativo (es decir, una succión) en el cilindro del tensiómetro, de la que quedará constancia en el dispositivo registrador. Ese dispositivo puede ser un tubo simple en forma de U lleno de agua y/o mercurio, un medidor de vacío de tipo Bourdon o un transductor de presión (Marthaler y otros, 1983). Cuando aumenta el potencial hídrico del suelo, el agua regresa desde este hasta el tensiómetro, arrojando así una lectura menos negativa del potencial hídrico. Ese intercambio de agua entre el suelo y el tensiómetro, así como la exposición de este último a potenciales negativos, hará que los gases disueltos sean expulsados de la solución y formen burbujas de aire. La formación de burbujas de aire alterará las lecturas de presión en el cilindro del tensiómetro, y arrojará lecturas erróneas. Una limitación

añadida estriba en que el tensiómetro tiene un límite práctico de funcionamiento de ψ ≈ –85 kPa. A partir de –100 kPa (≈ 1 atm), el agua hervirá a temperatura ambiente, formando burbujas de vapor de agua que destruirán el vacío en el interior del cilindro del tensiómetro. Por consiguiente, será necesario vaciar de aire los cilindros ocasionalmente mediante una bomba manual de vacío, para rellenarlos posteriormente. Cuando hay sequía, cantidades significativas de agua pueden pasar del tensiómetro al suelo. Por ello, el aparato puede alterar la condición misma que debería medir. Una prueba adicional de este proceso es el hecho de que los tensiómetros excavados acumulan frecuentemente un crecimiento abundante de raíces alrededor de la taza de cerámica. Normalmente, cuando el tensiómetro actúa como “irrigador”, se pierde tanta agua a través de la taza que resulta imposible mantener el vacío en el cilindro, con lo que el medidor del tensiómetro quedará inutilizado. Antes de instalar el tensiómetro, pero después de haberlo llenado de agua y sacado los gases, la taza deberá permanecer húmeda durante el transporte desde el laboratorio hasta el lugar de medición. Esto puede conseguirse envolviéndola en trapos mojados o sumergiéndola en un recipiente con agua. En el terreno, se cavará un hoyo de tamaño y profundidad apropiados. El hoyo debería ser lo suficientemente grande para posibilitar un ajuste apropiado en todas sus caras, y lo suficientemente profundo para que el tensiómetro asome por encima de la superficie del suelo permitiendo realizar las operaciones de extracción de aire y rellenado. Puesto que la taza debe permanecer en contacto con el suelo, en suelos pedregosos podría ser beneficioso preparar un poco de barro fino con la tierra del hoyo y verterlo en él antes de instalar el tensiómetro. Convendría también asegurarse de que el hoyo se rellena de forma apropiada, apisonando bien la tierra para evitar que se formen depresiones donde el agua podría quedar encharcada alrededor del aparato. Esta última precaución reducirá al mínimo el desplazamiento del agua por las paredes del cilindro, que crearía unas condiciones de agua no representativas del suelo. Aunque la parte del tensiómetro que queda expuesta al exterior es pequeña, la intercepción de la radiación solar podría inducir una dilatación térmica del cilindro superior del tensiómetro. Del mismo modo, los gradientes de temperatura entre la superficie del suelo y la taza podrían ocasionar una dilatación o una contracción térmica del cilindro

CAPÍTULO 11. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD DEL SUELO

I.11-9

inferior. Para minimizar el riesgo de falsas lecturas del potencial hídrico por efecto de la temperatura, el cilindro del tensiómetro debería estar protegido del sol y fabricado con materiales no conductores, y habría que efectuar las lecturas a la misma hora de cada día, preferiblemente en las primeras horas de la mañana.

antes de cavar el hoyo para los bloques, con el fin de minimizar el desplazamiento de agua desde los conductores hacia los bloques. En condiciones reales, podría suceder que la contracción y expansión del suelo interrumpiese el contacto con los bloques. Por otra parte, los bloques de resistencia no afectan a la distribución de las raíces vegetales.

Una novedad a este respecto es el tensiómetro osmótico, en que el tubo del medidor se rellena de una solución de polímero para obtener mejores resultados en suelos secos. Para una información más detallada sobre los tensiómetros, véanse Dirksen (1999) y Mullins (2001).

Los bloques de resistencia son relativamente baratos. Sin embargo, hay que calibrarlos uno por uno. Para ello, el método habitual consiste en saturar los bloques en agua destilada, sometiéndolos después a una presión predeterminada en un dispositivo de placa de presión (Wellings, Bell y Raynor, 1985), y aplicando como mínimo cinco presiones diferentes antes de su instalación sobre el terreno. Por desgracia, la resistencia es menor a lo largo de una curva de secado que de humectación, lo cual da lugar a errores de histéresis en condiciones reales, debido a que los bloques de resistencia se equilibran lentamente con la humedad variable del suelo (Tanner y Hanks, 1952). Como las curvas de calibración de los bloques de resistencia varían con el tiempo, deberán calibrarse antes de su instalación y habrá que comprobarlos con regularidad posteriormente, tanto en el laboratorio como sobre el terreno.

11.4.2

Bloques de resistencia eléctrica

Los bloques de resistencia eléctrica, pese a ser insensibles a los potenciales hídricos en condiciones de humedad, son un complemento excelente de los tensiómetros. Están constituidos por unos electrodos insertados en algún tipo de material poroso que al cabo de unos dos días alcanza un estado de cuasiequilibrio con el suelo. Los materiales más habituales de los bloques eléctricos son los tejidos de nailon, la fibra de vidrio y el yeso, con un rango de funcionamiento que va desde –50 kPa (para el nailon) o –100 kPa (para el yeso) hasta –1 500 kPa, aproximadamente. El tamaño típico de estos bloques es de 4 cm × 4 cm × 1 cm. Los bloques de yeso duran varios años, aunque su vida se acorta cuando los suelos son muy húmedos o salinos (Perrier y Marsh, 1958). Este método determina el potencial hídrico en función de la resistencia eléctrica, medida mediante un puente de corriente alterna (por lo general, ≈ 1 000 Hz), ya que la corriente continua crea efectos de polarización. Sin embargo, cuando el suelo es salino la resistencia disminuye, e indica una humedad del suelo superior a la real. Los bloques de yeso son menos sensibles a los efectos de la salinidad del suelo, ya que los electrodos están continuamente expuestos a una solución saturada de sulfato de calcio. La señal de salida de los bloques de yeso deberá corregirse en temperatura (Aggelides y Londra, 1998). Puesto que los bloques de resistencia no sobresalen del terreno, son excelentes para las redes semipermanentes de perfiles de potencial hídrico en medios agrarios, siempre que la instalación haya sido cuidadosa y sistemática (OMM, 2001). Al instalar los bloques de resistencia, resulta conveniente hacer una pequeña zanja para los conductores de plomo

11.4.3

Psicrómetros

Los psicrómetros se utilizan como patrón para otras técnicas en las investigaciones de laboratorio con muestras de suelo (Mullins, 2001), aunque se dispone también de una versión para trabajar sobre el terreno, denominada psicrómetro de Spanner (Rawlins y Campbell, 1986). Este último consta de un termopar en miniatura instalado en una pequeña cámara de pared porosa. El termopar se enfría por el efecto de Peltier, hasta que se deposita condensación sobre la unión del circuito. Cuando el agua se evapora, disminuye la temperatura y se genera una corriente que se mide mediante un dispositivo. Ese tipo de mediciones responde con rapidez a las variaciones del potencial hídrico del suelo, pero son muy sensibles a la temperatura y a la salinidad (Merrill y Rawlins, 1972). El potencial hídrico más bajo asociado generalmente con una captación activa de agua por las plantas corresponde a una humedad relativa de entre el 98 y el 100 por ciento. Esto significa que, para medir con exactitud el potencial hídrico del suelo con un margen de 10 kPa, sería necesario controlar la temperatura con márgenes inferiores a 0,001 K. Por consiguiente, el uso de psicrómetros de campo será

I.11-10

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

lo más apropiado para los potenciales matriciales bajos, inferiores a –300 kPa. Además, los componentes del instrumento difieren en su capacidad térmica, por lo que las fluctuaciones diurnas de la temperatura del suelo pueden inducir gradientes de temperatura en el psicrómetro (Brunini y Thurtell, 1982). Por tanto, los psicrómetros de Spanner no deberían utilizarse a profundidades inferiores a 0,3 m, y las lecturas tendrían que efectuarse a la misma hora todos los días, preferiblemente en las primeras horas de la mañana. En resumen, la psicrometría de suelos constituye un método difícil de utilizar y exigente, incluso para los expertos.

11.5

TELEDETECCIÓN DE LA HUMEDAD DEL SUELO

Se ha mencionado ya que un único punto de observación no permite conocer en términos absolutos el valor regional de la humedad del suelo, sino tan solo su variación en términos relativos, ya que los suelos son con frecuencia muy heterogéneos. En la actualidad, sin embargo, es posible efectuar mediciones con instrumentos desde el espacio utilizando técnicas de teledetección para determinar la humedad de los suelos en su capa superior. Por consiguiente, es posible efectuar una interpolación en mesoescala para estimar las tasas de evapotranspiración, evaluar el estrés de las plantas, etc., y facilitar así la introducción de datos sobre el balance de humedad en los modelos meteorológicos (Jackson y Schmugge, 1989; Saha, 1995). Gracias a ello, ha aumentado considerablemente la utilidad de los procedimientos de determinación de la humedad del suelo en las estaciones meteorológicas, ya que las mediciones satelitales requieren “datos verdaderos” para conseguir una exactitud absoluta. Además, la medición en estaciones es necesaria para obtener información sobre la humedad en las capas más profundas del suelo, que no pueden ser observadas desde satélites o aeronaves. Se indican aquí algunos de los principios de la medición aérea de la humedad del suelo; para una información más detallada, véase el capítulo 8 de la parte II. La teledetección es posible gracias a dos propiedades inhabituales del agua de los suelos. En primer lugar, como ya se ha visto en el contexto de la reflectometría de dominio temporal, la constante dieléctrica del agua es un orden de magnitud mayor que la de los suelos secos en el rango de las microondas. En teledetección, esta peculiaridad puede ser utilizada de manera pasiva o activa (Schmugge, Jackson y McKim, 1980). La teledetección pasiva analiza

las emisiones naturales en microondas de la superficie terrestre, mientras que la teledetección activa evalúa la retrodispersión de una señal emitida desde un satélite. La respuesta de un radiómetro de microondas abarcará valores de emisividad comprendidos entre 0,95 y 0,6, o inferiores en el caso de las mediciones en microondas pasivas. En las mediciones de radar activas desde satélite, se observa un aumento de aproximadamente 10 decibelios en la señal de retorno a medida que el suelo se humedece. La emisión en microondas se denomina temperatura de brillo Tb , y es proporcional a la emisividad β y a la temperatura de la superficie del suelo, Tsuelo , o: Tb = β Tsuelo

(11.9)

donde Tsuelo está expresado en kélvines, y β depende de la textura, de la rugosidad y de la vegetación del suelo. La cubierta vegetal influirá en los componentes del suelo. El contenido volumétrico de agua se relaciona con la retrodispersión activa total, St , mediante la expresión:

θv = L(St – Sv )(R A)–1

(11.10)

donde L es un coeficiente de atenuación de la vegetación; Sv es la retrodispersión causada por la vegetación; R es un término vinculado a la rugosidad de la superficie del suelo; y A es un término que refleja la sensibilidad de la humedad del suelo. En consecuencia, la respuesta en microondas al contenido hídrico del suelo puede expresarse mediante una relación empírica. La profundidad de muestreo en el suelo es del orden de 5 a 10 cm. La técnica pasiva es robusta, pero su resolución en píxeles no puede ser inferior a 10 km, ya que las antenas de satélite tienen un tamaño limitado. La resolución en píxeles de las mediciones de radar activas desde satélite es más de 100 veces mejor, pero la detección activa es muy sensible a la rugosidad de la superficie y hace necesaria una calibración tomando como referencia los datos de superficie. La segunda característica del agua del suelo desde el punto de vista de la teledetección es el valor relativamente elevado de su capacidad calorífica y de su conductividad térmica. Por ello, los suelos húmedos tienen una gran inercia térmica. En consecuencia, si la nubosidad no interfiere, es posible utilizar la teledetección del rango diurno de la temperatura superficial para estimar la humedad del suelo (Idso y otros, 1975; Van de Griend, Camillo y Gurney, 1985).

CAPÍTULO 11. MEDICIÓN DE LA HUMEDAD DEL SUELO

11.6

SELECCIÓN DEL EMPLAZAMIENTO Y TAMAÑO DE LA MUESTRA

Deberían efectuarse observaciones normalizadas del suelo en las estaciones principales, a varias profundidades desde 10 cm hasta 1 m, e incluso más si hubiera una gran infiltración en profundidad. La frecuencia de observación habría de ser aproximadamente semanal. Las mediciones indirectas no tendrían que efectuarse necesariamente en el recinto meteorológico, sino en sus proximidades, bajo una superficie natural suficientemente horizontal que sea representativa del entorno no cultivado. La representatividad de los puntos en que se observa la humedad del suelo es limitada, debido a la alta probabilidad de que se produzcan variaciones apreciables de la estructura del suelo (porosidad, densidad, composición química), tanto horizontal como verticalmente. Las variaciones horizontales del potencial hídrico del suelo suelen ser relativamente menores que las del contenido hídrico del suelo. Las determinaciones del contenido gravimétrico de agua son solo fiables en el punto de medición, siendo necesario tomar un gran número de muestras para describir adecuadamente el estado de humedad del suelo del emplazamiento. A fin de estimar el número de muestras n necesarias en un emplazamiento local para calcular el contenido hídrico del suelo con un grado de exactitud observado (L), el tamaño de la muestra podrá obtenerse a partir de la fórmula siguiente:

n = 4(σ 2/L2)

I.11-11

(11.11)

donde σ 2 es la varianza de la muestra generada en un experimento de muestreo preliminar. Por ejemplo, suponiendo que el muestreo preliminar haya arrojado un valor (típico) σ 2 del 25 por ciento y que el grado de exactitud necesario esté comprendido en un margen del 3 por ciento, se necesitarían 12 muestras del emplazamiento (suponiendo que el contenido de agua presenta una distribución normal en todo el emplazamiento). Un enfoque regional consiste en dividir el área en estratos que reflejen la uniformidad de ciertas variables; por ejemplo, una respuesta hidrológica similar, una misma textura del suelo, el tipo de suelo, la cubierta de vegetación, la pendiente, etc. En cada estrato puede efectuarse un muestreo independiente, procediéndose después a recombinar los datos ponderando los resultados de cada estrato en función de su superficie relativa. El factor más importante que rige la distribución del agua del suelo en cuencas de escasa pendiente es la topografía, que suele ser un criterio suficiente para establecer una división en unidades espaciales de respuesta homogénea. Análogamente, los pastizales en pendiente deberán ser objeto de un muestreo más intenso que las tierras de cultivo llanas. Sin embargo, la presencia de vegetación tiende a aminorar las variaciones de la humedad del suelo causadas por la topografía.

I.11-12

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

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I.11-14

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

CAPÍTULO 12. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN, LA TEMPERATURA LA HUMEDAD EN ALTITUD CAPÍTULO Y12

I.12-1

MEDICIÓN DE LA PRESIÓN, LA TEMPERATURA Y LA HUMEDAD EN ALTITUD

12.1

GENERALIDADES

12.1.1

Definiciones

Para las mediciones en altitud en las que se utiliza una radiosonda son pertinentes las siguientes definiciones de la OMM (1992; 2003a): Radiosonda: instrumento destinado al transporte por globo con dispositivos sensibles a una o más variables meteorológicas (presión, temperatura, humedad, etc.) y con un transmisor de radio para enviar a la estación de observación los datos obtenidos durante su ascenso a través de la atmósfera. Observación de radiosonda: observación de las variables meteorológicas en altitud, generalmente de la presión atmosférica, de la temperatura y de la humedad, por medio de una radiosonda. Nota: la radiosonda puede estar unida a un globo o puede ser lanzada desde un avión o desde un cohete (sonda con paracaídas). Estación de radiosondeo: estación en la que se efectúan, con instrumentos electrónicos, observaciones en altitud de la presión, la temperatura y la humedad atmosféricas. Observación en altitud: observación meteorológica efectuada, directa o indirectamente, en la atmósfera libre. Estación de observación en altitud, estación de observación sinóptica en altitud, estación aerológica: estación en superficie a partir de la cual se realizan observaciones en altitud. Sondeo: determinación de una o más variables meteorológicas en altitud por medio de un instrumento que asciende transportado por un globo, una aeronave, una cometa, un planeador, un cohete, etc. En este capítulo se tratará principalmente de los sistemas de radiosonda. Las mediciones para las que se utilizan plataformas especiales, equipo especializado o que se hacen indirectamente por métodos de teledetección se analizarán en diversos capítulos de la parte II de esta Guía. Los sistemas

de radiosonda se utilizan normalmente para medir la presión, la temperatura y la humedad relativa. En la mayoría de los emplazamientos con fines operativos, el sistema de radiosonda se emplea también para la determinación del viento en altitud (véase el capítulo 13 de la parte I). Además, algunas radiosondas se lanzan con sistemas de detección de componentes atmosféricos tales como la concentración de ozono o la radiactividad. Esas mediciones adicionales no se tratan con detalle en el presente capítulo. 12.1.2

Unidades utilizadas en las mediciones en altitud

Las unidades de medición de las variables meteorológicas en las observaciones por radiosonda son el hectopascal para la presión, el grado Celsius para la temperatura, y el porcentaje para la humedad relativa. La humedad relativa se comunica con relación a la presión de vapor saturado sobre una superficie de agua, incluso a temperaturas inferiores a 0 °C. La unidad de altura geopotencial utilizada en las observaciones en altitud es el metro geopotencial, definido como 0,980 665 metros dinámicos. En la troposfera, el valor de la altura geopotencial es aproximadamente igual al de la altura geométrica expresada en metros. En los cálculos de las radiosondas deberían utilizarse los valores de las funciones y constantes físicas adoptados por la OMM (1988). 12.1.3

Requisitos meteorológicos

12.1.3.1

Datos de radiosondas para operaciones meteorológicas

Las mediciones en altitud de la temperatura y de la humedad relativa son dos de las principales mediciones utilizadas en la inicialización de los análisis de los modelos de predicción numérica del tiempo para la predicción meteorológica operativa. Las radiosondas proporcionan la mayoría de las mediciones de la temperatura y de la humedad relativa in situ sobre tierra, en tanto que las radiosondas lanzadas desde islas remotas o desde buques ofrecen

I.12-2

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

una cobertura limitada sobre los océanos. Las temperaturas, con resolución en la vertical similar a las radiosondas, pueden ser observadas por aviones durante las fases de ascenso, descenso o cuando vuelan a nivel de crucero. Las observaciones desde aeronaves se utilizan para complementar las observaciones realizadas con radiosondas, en particular sobre zonas marinas. Las observaciones por satélite de la distribución de la temperatura y del vapor de agua tienen una menor resolución vertical que las mediciones con radiosondas o aeronaves. Las observaciones por satélite son las que más influyen en los análisis de la predicción numérica del tiempo sobre los océanos y otras zonas del globo donde las observaciones con radiosondas y aeronaves son escasas o inexistentes. Las mediciones exactas de la estructura vertical de los campos de temperatura y vapor de agua en la troposfera son sumamente importantes para toda clase de predicciones, especialmente para las regionales y locales. Las mediciones indican la estructura existente de las capas de nubes o de niebla en el plano vertical. Además, la estructura vertical de los campos de temperatura y vapor de agua determina la estabilidad de la atmósfera, y consiguientemente, la cantidad y el tipo de nubes a predecir. Las mediciones por radiosonda de la estructura vertical pueden proporcionarse generalmente con suficiente exactitud para responder a la mayoría de las necesidades de los usuarios. Sin embargo, los errores sistemáticos negativos en las mediciones de la humedad relativa realizadas con radiosondas en las nubes con elevada humedad originan problemas para los análisis de la predicción numérica del tiempo, si no se compensa el error. Las mediciones de alta resolución de la estructura vertical de la temperatura y de la humedad relativa son importantes para los estudios de contaminación ambiental (por ejemplo, para conocer el espesor de la capa límite atmosférica). Se necesita también una elevada resolución en la vertical para predecir los efectos de la refracción atmosférica sobre la propagación de la radiación electromagnética o de las ondas sonoras. La aviación civil, la artillería y otras aplicaciones balísticas, como los lanzamientos de vehículos espaciales, tienen necesidades operativas de mediciones de la densidad del aire a determinadas presiones (obtenidas a partir de las mediciones de la temperatura y de la humedad relativa por radiosonda). Las observaciones por radiosonda son esenciales en los estudios del cambio climático en altitud. De ahí la importancia de llevar registros adecuados de

los sistemas utilizados en las mediciones, así como de cualesquiera cambios que se produzcan en los procedimientos de funcionamiento o corrección empleados con el equipo. A este respecto, ha sido necesario determinar los cambios en los instrumentos y prácticas de las radiosondas que se han producido desde que estas se utilizan con carácter regular (véase, por ejemplo, OMM, 1993a). En los estudios sobre el cambio climático basados en mediciones por radiosonda se requiere una gran estabilidad en los errores sistemáticos de las mediciones efectuadas con radiosonda. Sin embargo, los errores en las primeras mediciones por radiosonda de algunas variables meteorológicas, en particular la humedad relativa y la presión, eran demasiado grandes para proporcionar referencias a largo plazo aceptables a todas las altitudes comunicadas por las radiosondas. Por lo tanto, era preciso introducir mejoras y cambios en la concepción de las radiosondas. Además, debido a las limitaciones de gasto en las operaciones meteorológicas, el material fungible de las radiosondas tiene que ser siempre económico, si se quiere seguir utilizándolas en forma generalizada. Por eso, los usuarios tienen que aceptar ciertos compromisos en la exactitud de medición de los sistemas, teniendo en cuenta que los fabricantes de radiosondas producen sistemas que se utilizan en un amplísimo rango de condiciones meteorológicas: 1 050 a 5 hPa para la presión, 50 a –90 °C para la temperatura, 100 a 1 por ciento para la humedad relativa, pudiendo mantenerse los sistemas en funcionamiento seguro y continuo cuando se operan con lluvia intensa, alrededor de tormentas y en condiciones de fuerte engelamiento. 12.1.3.2

Relaciones entre las mediciones en altitud por satélite y por radiosonda

Los sistemas de observación por satélite desde el nadir no miden la estructura vertical con la misma exactitud o grado de confianza que los sistemas de radiosonda o aeronave. Con los actuales sistemas de sondeo por satélite de la temperatura y del vapor de agua se observan las radiancias ascendentes de la emisión de dióxido de carbono o vapor de agua en el infrarrojo, o bien la emisión de oxígeno o vapor de agua en las frecuencias de microondas (véase el capítulo 8 de la parte II). La radiancia observada por un canal de satélite se compone de emisiones atmosféricas desde un intervalo de alturas en la atmósfera. Ese intervalo está determinado por la distribución de gases emisores en el plano vertical y por la absorción atmosférica en las

CAPÍTULO 12. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN, LA TEMPERATURA Y LA HUMEDAD EN ALTITUD

frecuencias del canal. La mayoría de las radiancias procedentes de los canales de temperatura del satélite se aproximan a las temperaturas de la capa media para una capa de al menos 10 kilómetros de espesor. La distribución en altura (función de ponderación) de la radiancia observada en el canal de temperatura variará hasta cierto punto con la ubicación geográfica. Esto se debe a que las propiedades de transferencia radiativa de la atmósfera dependen poco de la temperatura. Las concentraciones del gas emisor pueden variar algo con la ubicación y con las nubes; los aerosoles y el polvo volcánico pueden modificar también el intercambio térmico radiativo. Por eso, las principales observaciones de sondeo de la temperatura por satélite proporcionan buena resolución horizontal y cobertura espacial en el mundo entero para capas de espesor relativamente grande en el plano vertical, pero tal vez sea difícil especificar en un lugar determinado la distribución en ese plano de la emisión atmosférica observada. La mayoría de las radiancias troposféricas observadas por los canales de vapor de agua satelitales desde el nadir tienen su origen en capas de la atmósfera de un espesor de 4 a 5 kilómetros. Las presiones de las capas atmosféricas que contribuyen a las radiancias observadas por un canal de vapor de agua varían con la ubicación en mucho mayor grado que en el caso de los canales de temperatura. Esto se debe a que el espesor y la presión central de la capa observada dependen notablemente de la distribución del vapor de agua en la vertical. Por ejemplo, las capas observadas en un canal de vapor de agua dado alcanzarán su menor nivel cuando la troposfera superior sea muy seca. Las radiancias del canal de vapor de agua observadas dependen de la temperatura del vapor de agua. Por ello, la distribución de este en la vertical solo puede deducirse una vez que se dispone de mediciones adecuadas de la estructura vertical de la temperatura. Los sistemas satelitales de observación del limbo pueden proporcionar mediciones de la estructura de la atmósfera con una mayor resolución vertical que los sistemas de nadir; un ejemplo de este tipo de sistema son las mediciones de temperatura y vapor de agua obtenidas mediante radioocultación utilizando un sistema de posicionamiento mundial (GPS). Esta técnica consiste en medir la estructura vertical a lo largo de trayectorias horizontales de 200 kilómetros en adelante (Kursinski y otros, 1997). Esa es la razón de que en las técnicas desarrolladas para utilizar información de sondeo por satélite en modelos de predicción numérica del tiempo se emplee información de otros sistemas de

I.12-3

observación, en particular radiosondas y aeronaves. Tal información puede estar contenida en una estimación inicial de la estructura vertical en determinado lugar, obtenida de los campos de los modelos de predicción, o se encuentra en catálogos de posible estructura vertical basada en mediciones de radiosonda típicas de la ubicación geográfica o del tipo de masa de aire. Además, las mediciones por radiosonda se usan para referenciar las observaciones procedentes de diferentes satélites o de observaciones efectuadas desde distintos ángulos de visión mediante determinado canal de satélite. Las comparaciones pueden realizarse directamente con las observaciones de radiosonda o indirectamente a través de la influencia de las mediciones de radiosondas en la estructura vertical de los campos de predicción numérica. De ahí que los sistemas de sondeo por radiosonda y satélite sean sistemas de observación complementarios y constituyan un sistema de observación global más fiable cuando se utilizan conjuntamente. 12.1.3.3

Altitud máxima de las observaciones por radiosonda

Las observaciones por radiosonda se utilizan generalmente para efectuar mediciones hasta altitudes de unos 35 kilómetros. Sin embargo, en muchas observaciones mundiales las altitudes no son superiores a unos 25 kilómetros, debido al elevado costo de los globos y del gas necesario para elevar el equipo hasta las presiones más bajas. En muchos sistemas de radiosonda, los errores de temperatura aumentan rápidamente en presiones bajas. Por ello, algunos de los sistemas disponibles no son apropiados para la observación a las presiones más bajas. Los problemas de contaminación de los sensores durante el vuelo y las muy largas constantes de tiempo de la respuesta de los sensores, a baja temperatura y presión, circunscriben a la troposfera la utilidad de las mediciones de la humedad relativa por radiosonda. 12.1.3.4

Requisitos de exactitud

En esta sección y en la siguiente se resumen los requisitos de exactitud de las radiosondas y se comparan con los resultados obtenidos en la práctica. En las secciones posteriores se consideran de manera más pormenorizada el rendimiento y las fuentes de error.

I.12-4

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

Los requisitos prácticos de exactitud de las observaciones por radiosonda figuran en el anexo 12.A. En OMM (1970) se describe un método muy útil respecto al rendimiento de los sistemas de instrumentos, que tiene que ver con el diseño del sistema. El rendimiento se basa en la variabilidad atmosférica observada. Se definen dos límites: a) el límite de rendimiento por encima del cual es innecesario introducir mejoras para diversos fines; b) el límite de rendimiento por debajo del cual los datos obtenidos tendrían un valor desdeñable para diversos fines. En los cuadros 1 a 4 del anexo 12.B figuran los límites de rendimiento obtenidos en OMM (1970) para las mediciones de viento en altitud y de temperatura, humedad relativa y altura geopotencial mediante radiosonda.

12.1.3.5

Temperatura: requisitos y rendimiento

La mayoría de los sistemas de radiosonda modernos miden la temperatura en la troposfera con un error típico situado entre 0,1 y 0,5 K. El rendimiento asociado a esos errores normalmente está dentro de un factor de tres del límite óptimo del rendimiento sugerido en el cuadro 2 del anexo 12.B. Lamentablemente, en las regiones tropicales se siguen observando, en algunas redes de radiosonda, errores típicos superiores a 1 K. En esas estaciones las mediciones quedan fuera del límite de rendimiento más bajo del cuadro 2 del anexo 12.B, y entran en la categoría de las mediciones cuyo valor es desdeñable para el fin especificado. p

En la estratosfera, a presiones δ T a unos R 1 superiores dp ε ε ( p )] + t = [ε T medición ( p) − ≡ z 1 30 hectopascales la exactitud de δ p p de lap gp mayoría de las radiosondas más0 recientes es similar a la obtenida en la troposfera. Por lo tanto, en esa parte de la estratosfera los errores de medición de las radiosondas corresponden aproximadamente al doble del límite óptimo de rendimiento especificado. A presiones inferiores a 30 hectopascales, en los modelos más antiguos de radiosonda aumentan rápidamente los errores con el descenso de la presión, y en algunos casos se aproximan al límite en que dejan de ser útiles para el fin especificado. El rápido aumento en los errores de medición de la temperatura por radiosonda a muy baja presión se debe a un incremento de los errores de temperatura asociados a la radiación infrarroja y solar, junto con un rápido aumento de los errores en las altitudes asignadas a las temperaturas. A presiones muy

()

bajas, incluso errores relativamente pequeños en las mediciones de presión mediante radiosonda causarán errores grandes en la altitud, y por consiguiente, en la temperatura comunicada (véase la sección 12.1.3.7). Humedad relativa

12.1.3.6

Con las radiosondas modernas, los errores en las mediciones de humedad relativa corresponden, como mínimo, al doble o al triple del límite de rendimiento óptimo con humedad relativa elevada, según el cuadro 3 del anexo 12.B para la troposfera por encima de la capa límite convectiva. Además, los errores en las mediciones de humedad relativa por radiosonda aumentan a medida que disminuye la temperatura. En algunos tipos de sensores, los errores a temperaturas inferiores a –40 °C pueden rebasar el límite a partir del cual las mediciones carecen de valor para el fin especificado.

Alturas geopotenciales

12.1.3.7

Los errores de altura geopotencial determinados mediante observaciones por radiosonda difieren según la altitud corresponda a un nivel de presión especificado o a un punto de inflexión dado en la estructura de temperatura o de humedad relativa, como la tropopausa. El error ε z (t1) en la altura geopotencial en un instante dado del vuelo viene expresado por: p

δT R 1 dp R ε z t1 = ∫ [ε T ( p ) − ε ( p )] + δp p gp p g

()

0

R g

p1 + ε p ( p1 )

≡ p1

[Tv ( p ) + ε T ( p ) −

p1 + ε p ( p1 )

∫ p1

[Tv ( p ) + ε T ( p ) − (12.1)

δT dp ε ( p )] δp p p

donde p0 es la presión en superficie; p1 es la presión verdadera en el instante t1; p1 + ε p ( p1) es la presión real indicada por la radiosonda en el instante t1; ε T ( p) y ε p ( p) son los errores en las mediciones de temperatura y presión mediante radiosonda, respectivamente, en función de la presión; Tv (p) es la temperatura virtual a la presión p; y R y g son las constantes de los gases y gravitacional especificadas en OMM (1988). Para un nivel de presión tipo dado, ps , la presión del límite superior de integración en el cálculo de la altitud tiene un valor especificado, y no está sujeto a los errores de presión de las radiosondas.

δT dp ε ( p )] δp p p

p p

CAPÍTULO 12. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN, LA TEMPERATURA Y LA HUMEDAD EN ALTITUD

I.12-5

Cuadro 12.1. Errores en la altura geopotencial (m) (Errores típicos en niveles tipo, (ε z (ps)), y en niveles significativos, (ε z (t1)), para determinados errores de temperatura y de presión, en niveles especificados o próximos a estos. Los errores son similares en latitudes septentrionales y meridionales). 300 hPa

100 hPa

30 hPa

10 hPa

9

17

26

34

3

12

–2

24

27

72

211

650

Error de temperatura ε T = 0,25 K, error de presión ε p = 0 hPa Niveles tipo y significativos Error de temperatura ε T = 0 K, error de presión ε p = –1 hPa 25°N Nivel tipo Nivel significativo 50°N verano Nivel tipo Nivel significativo

3

5

1

–20

26

72

223

680

3

5

6

–4

26

70

213

625

50°N invierno Nivel tipo Nivel significativo

Por consiguiente, el error en la altura geopotencial del nivel de presión tipo se reduce a:

ε z ( ps ) =

R ps dp δT ε p ( p )] ∫ [ εT ( p ) − g p0 p δp

(12.2)

En el cuadro 12.1 se muestran los errores de altura geopotencial causados por errores del sensor de la radiosonda en atmósferas tipo. Como puede verse, los geopotenciales de determinados niveles de presión pueden medirse muy bien, lo cual es apropiado para análisis sinópticos y numéricos de superficies de presión constante. Sin embargo, pueden obtenerse errores grandes en las altitudes de niveles significativos tales como la tropopausa y otros puntos de inflexión, y es posible calcular otros niveles entre los niveles tipo. Los grandes errores de altura en la estratosfera, resultantes de los errores del sensor de presión de 2 o 3 hectopascales, probablemente tengan mayor importancia en las mediciones rutinarias en los trópicos, donde siempre hay importantes gradientes de temperatura en la vertical a lo largo de toda la estratosfera. Las concentraciones de ozono en la estratosfera tienen también gradientes pronunciados en la vertical, y los errores de asignación de

altura introducen errores apreciables en los informes de las ozonosondas en todas las latitudes. Los requisitos de rendimiento óptimo respecto a las altitudes de las superficies isobáricas en una red sinóptica, según se indica en el cuadro 4 del anexo 12.B, imponen condiciones muy estrictas para la exactitud de las mediciones por radiosonda. Por ejemplo, las mejores radiosondas modernas darían resultados que podrían considerarse ya satisfactorios si los errores de altura fueran equivalentes a cinco veces el rendimiento óptimo en la troposfera, y a un orden de magnitud mayor que el rendimiento óptimo en la estratosfera. 12.1.4

Métodos de medición

En esta sección se tratan los métodos de radiosonda en términos generales. La instrumentación y los procedimientos se detallan en otras secciones. 12.1.4.1

Condicionamientos en el diseño de las radiosondas

Al diseñar una radiosonda hay que aceptar ciertos condicionantes. Se ha observado que las mediciones

I.12-6

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

de temperatura más fiables son las que se realizan cuando los sensores están expuestos sin protección en la parte superior de la radiosonda, lo cual conduce también a una exposición directa a la radiación solar. En la mayoría de las radiosondas modernas, el sensor de temperatura va provisto de un revestimiento para minimizar el calentamiento solar. Durante el tratamiento de los datos, se introducen además correcciones de la programación para tener en cuenta el calentamiento solar residual. Casi todos los sensores de humedad relativa requieren algún tipo de protección contra la lluvia. Una cubierta o conducto de protección reduce la ventilación del sensor y, por lo tanto, la velocidad de respuesta del sistema de detección en su conjunto. La cubierta o el conducto son también una fuente de contaminación después de atravesar una nube. En la práctica, sin embargo, el requisito de protección contra la lluvia o el hielo para los sensores de humedad relativa es, generalmente, más importante que la exposición completa al aire exterior. Por ello, en un sensor de humedad relativa se utilizan habitualmente cubiertas o conductos de protección. Los sensores de presión se instalan generalmente en el interior, para reducir al mínimo los cambios de temperatura del sensor durante el vuelo y para evitar conflictos con la exposición de los sensores de temperatura y humedad relativa. Otras características importantes en el diseño de una radiosonda son la fiabilidad, la robustez, la ligereza de peso y unas dimensiones reducidas. Dado que se dispone de técnicas modernas de multiplexación electrónica, es también importante muestrear los sensores de la radiosonda aplicando una elevada frecuencia de muestreo. Si fuera posible, esta frecuencia debería ser superior a aproximadamente una muestra por segundo, que representa una separación mínima entre muestras del orden de 5 metros en la vertical. Como por lo general la radiosonda se utiliza solo una vez, o en todo caso muy pocas veces, deberá estar diseñada para la producción en serie a bajo costo. La facilidad y la estabilidad de calibración son muy importantes, ya que las radiosondas han de almacenarse con frecuencia durante largos períodos (más de un año) antes de utilizarlas. (Muchas de las estaciones más importantes del Sistema Mundial de Observación del Clima, por ejemplo en la región antártica, se encuentran en emplazamientos en que no es posible la entrega de radiosondas más de una vez al año). Una radiosonda debería poder transmitir una señal inteligible al receptor terrestre con un alcance oblicuo de al menos 200 kilómetros. El voltaje de la

batería de la radiosonda varía con el paso del tiempo y con la temperatura. Por consiguiente, la radiosonda ha de concebirse de manera que acepte variaciones de su batería sin perder exactitud en la medición ni presentar una deriva inaceptable de la radiofrecuencia de transmisión. 12.1.4.2

Radiofrecuencias utilizadas por las radiosondas

En el cuadro 12.2 se muestran las bandas del espectro de frecuencias radioeléctricas utilizadas actualmente en la mayoría de las transmisiones por radiosonda. Corresponden a las atribuciones de ayudas a la meteorología especificadas en el reglamento sobre radiofrecuencias del Sector de Radiocomunicaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT). Cuadro 12.2. Frecuencias primarias utilizadas por las radiosondas en las bandas de frecuencia de ayuda a la meteorología Banda de radiofrecuencias (MHz)

Carácter

Regiones de la UIT

400,15 – 406

Primario

Todas

1 668,4 – 1 700

Primario

Todas

Nota: La mayoría de los sistemas de radar fabricados e instalados en la Federación de Rusia operan en una banda de radiofrecuencias centrada en 1 780 MHz.

La frecuencia radioeléctrica finalmente seleccionada para las operaciones de radiosonda en un emplazamiento dado dependerá de varios factores. En lugares donde es habitual la presencia de vientos fuertes en altitud, los alcances oblicuos hasta la radiosonda son normalmente grandes, y las elevaciones de los globos, frecuentemente muy bajas. En tales circunstancias, se seleccionará normalmente la banda de 400 MHz, porque en ella se logra más fácilmente que en la banda de 1 680 MHz un buen enlace de comunicación entre la radiosonda y el sistema terrestre. Cuando los vientos en altitud no son tan fuertes, lo normal es que la selección de la frecuencia esté determinada por el método utilizado para medir el viento en altitud (véase el capítulo 13 de la parte I). La banda de frecuencias de 400 MHz se emplea generalmente cuando se opta por el sistema de ayuda a la navegación, y la banda de 1 680 MHz, cuando se utilizan radioteodolitos o antenas de seguimiento con el sistema de radiosonda.

CAPÍTULO 12. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN, LA TEMPERATURA Y LA HUMEDAD EN ALTITUD

Las frecuencias radioeléctricas enumeradas en el cuadro 12.2 se atribuyen en base compartida con otros servicios. En algunos países, el organismo nacional de radiocomunicaciones ha asignado parte de las bandas a otros usuarios, y no se dispone de la banda completa para las operaciones de radiosonda. En otros países, en los que se instala un gran número de radiosondas formando una densa red, hay unas especificaciones estrictas sobre la deriva de las radiofrecuencias y la anchura de banda ocupada por cada vuelo. Las organizaciones que se propongan lanzar radiosondas deberían verificar que disponen de la frecuencia radioeléctrica apropiada para su utilización, y que no interferirán en las operaciones de radiosonda del Servicio Meteorológico Nacional. Actualmente se ejercen fuertes presiones, con el apoyo de los organismos gubernamentales de radiocomunicaciones, para mejorar la eficiencia de uso de las frecuencias radioeléctricas. Así pues, en el futuro las operaciones de radiosonda deberán compartir el espectro con una mayor diversidad de usuarios. En muchos países, los sistemas de radiosonda en banda ancha que ocupen la mayor parte del espectro disponible de las bandas de ayuda a la meteorología no podrán funcionar. Por consiguiente, en la mayoría de los países los preparativos para el futuro deberían basarse en el principio de que los transmisores y receptores de las radiosondas tendrán que operar en anchuras de banda muy inferiores a 1 MHz, con el fin de evitar señales interferentes. La estabilidad del transmisor podría tener que ser superior a ±5 kHz en países con redes de radiosonda densas, y no inferior a unos ±200 kHz en la mayoría de los demás países.

12.2

ELECTRÓNICA DE LAS RADIOSONDAS

12.2.1

Características generales

El diseño básico de una radiosonda comprende normalmente las tres partes principales siguientes: a) los sensores y las referencias; b) un transductor electrónico, que convierte las señales de salida de los sensores y de las referencias en señales eléctricas; c) el transmisor de radio. En los sistemas de radiovientosonda (véase el capítulo 13 de la parte I) habrá también un equipo electrónico para la recepción y retransmisión de señales de radionavegación, o un equipo electrónico del sistema transpondedor para utilizarlo con radares secundarios. Por lo general, las radiosondas son necesarias para medir más de una variable meteorológica. Se utilizan señales de referencia para compensar la inestabilidad en la conversión entre la salida del sensor y las señales de telemetría transmitidas. Por eso se necesita un método de conmutación entre varios sensores y referencias con arreglo a un ciclo previamente determinado. La mayoría de las radiosondas modernas utilizan conmutadores electrónicos que operan a gran velocidad, normalmente con un ciclo de medición que dura entre 1 y 2 segundos. Esta frecuencia permite muestrear las variables meteorológicas a intervalos de altura comprendidos entre 5 y 10 metros para las velocidades de ascenso normales.

12.2.2 Los Servicios Meteorológicos Nacionales tienen que mantener contacto con las autoridades nacionales de radiocomunicaciones para que las atribuciones de frecuencias radioeléctricas sigan siendo adecuadas, y asegurarse de que sus operaciones estén protegidas de interferencias. En las operaciones de radiosonda será necesario también evitar la interferencia con, o desde, otras plataformas de recopilación de datos que transmitan a los satélites meteorológicos entre los 401 y los 403 MHz, con enlaces descendentes, desde los satélites meteorológicos, comprendidos entre los 1 690 y los 1 700 MHz, y con operaciones de comando y de adquisición de datos para satélites meteorológicos, en un limitado número de emplazamientos, entre los 1 670 y los 1 690 MHz.

I.12-7

Suministro de energía para radiosondas

Las baterías de las radiosondas deberían tener la capacidad suficiente para alimentar la radiosonda durante el tiempo de vuelo requerido en todo tipo de condiciones atmosféricas. Para los ascensos de radiosonda hasta los 5 hectopascales, las baterías de las radiosondas deberían tener la capacidad suficiente para suministrar las corrientes necesarias hasta tres horas, puesto que los ascensos a menudo se retrasan y los períodos de vuelo pueden durar hasta dos horas. Si se van a utilizar datos obtenidos durante el descenso, será necesario que el funcionamiento dure tres horas. Las baterías deberían ser lo más ligeras posible, y permitir un almacenamiento prolongado. Asimismo, tendrían que ser inocuas

I.12-8

PARTE I. MEDICIÓN DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

para el medio ambiente después de utilizarlas. Numerosas radiosondas modernas pueden tolerar grandes cambios en la tensión de salida durante el vuelo. Hay, pues, dos tipos de baterías muy utilizadas: la batería seca y la activada por agua. Las baterías secas presentan la ventaja de estar muy extendidas y ser baratas, debido a su gran volumen de producción en el mundo. Sin embargo, tienen como posible inconveniente un período de almacenamiento limitado. Además, la tensión de salida puede variar más durante la descarga que en el caso de las baterías activadas por agua. En las baterías activadas por agua se utiliza normalmente una combinación de cloruro de cobre y de azufre. Las baterías pueden ser almacenadas durante largos períodos. En las baterías activadas por agua, las reacciones químicas generan calor interno, reducen la necesidad de aislamiento térmico y ayudan a estabilizar la temperatura del equipo electrónico de la radiosonda durante el vuelo. Esas baterías no se fabrican en gran escala para otros usuarios. Por ello, lo normal es que los productores de radiosondas las fabriquen directamente. Habrá que poner cuidado para que las baterías no entrañen un riesgo medioambiental después de caer al suelo, una vez que el globo haya explotado. 12.2.3

Métodos de transmisión de datos

12.2.3.1

Transmisores de radio

Existen diseños de transmisores muy variados. Hasta los 400 MHz se utilizan principalmente los circuitos de estado sólido, en tanto que los osciladores de válvula (cavidad) pueden utilizarse a 1 680 MHz. Algunos diseños de transmisor modernos suelen estar controlados por cristal para asegurar una buena estabilidad de la frecuencia durante el sondeo. Es importante asegurar una adecuada estabilidad de la frecuencia durante la manipulación en tierra antes del lanzamiento y durante el vuelo. A 400 MHz, los tipos de radiosonda más utilizados deberán tener una salida de potencia del transmisor inferior a 250 mW. A 1 680 MHz, ese mismo tipo de radiosondas tiene una potencia de salida de aproximadamente 330 mW. La modulación del transmisor varía según el tipo de radiosonda. En el futuro, sería preferible que los fabricantes de radiosondas normalizaran la transmisión de datos desde la radiosonda hasta la estación en tierra. En cualquier caso, las autoridades de radiocomunicación exigirán, en muchas regiones del mundo, que en el

futuro los transmisores de radiosonda cumplan ciertas especificaciones, de tal modo que la ocupación del espectro de radiofrecuencias se reduzca al mínimo y otros usuarios puedan compartir las bandas de frecuencias radioeléctricas designadas para la ayuda a la meteorología (véase la sección 12.1.4.2).

12.3

SENSORES DE TEMPERATURA

12.3.1

Requisitos generales

Los mejores sensores de temperatura modernos tienen una velocidad de respuesta a las variaciones de temperatura lo suficientemente rápida para asegurar que el error sistemático debido a la inercia térmica durante un ascenso sea inferior a 0,1 K a través de una capa cualquiera de 1 kilómetro de espesor. A las velocidades de ascenso típicas de las radiosondas, esto se logra en la mayoría de los lugares con una constante de tiempo de respuesta del sensor inferior a 1 segundo en la parte inicial del ascenso. Además, los sensores de temperatura deberían estar diseñados de manera que estén lo más exentos posible de errores de radiación introducidos por la radiación solar directa o retrodispersada, o por el intercambio de calor en el infrarrojo. Los errores del infrarrojo pueden evitarse utilizando revestimientos en los sensores que tengan una baja emisividad en esa región del espectro electromagnético. En el pasado, los sensores pintados de blanco más utilizados tenían una elevada emisividad en el infrarrojo. Las mediciones obtenidas mediante tales sensores podían causar errores significativos debido al intercambio de calor en el infrarrojo (véase la sección 12.8.3.3). Los sensores de temperatura deberán ser también suficientemente robustos para soportar la sacudida durante el lanzamiento, y lo suficientemente estables para conservar una calibración exacta durante varios años. Lo mejor sería que la calibración de los sensores de temperatura tuviera la suficiente capacidad de reproducción para que no fuera necesario hacer calibraciones de sensores individuales. Los principales tipos de sensores de temperatura utilizados normalmente son los termistores (semiconductores resistivos de cerámica), los sensores capacitivos, los sensores bimetálicos y los termopares. La razón de respuesta del sensor se mide normalmente en función de la constante de tiempo de la respuesta, í . Esa variable se define (como se indica

CAPÍTULO 12. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN, LA TEMPERATURA Y LA HUMEDAD EN ALTITUD

en la sección 1.6.3 del capítulo 1 de la parte I) mediante la expresión: dTe /dt = 1/í · (Te – T)

La constante de tiempo se define, pues, como el tiempo requerido para responder en un 63 por ciento a un cambio repentino de temperatura. La constante de tiempo del sensor de temperatura es proporcional a la capacidad térmica e inversamente proporcional a la razón de transferencia de calor por convección desde el sensor. La capacidad térmica depende del volumen y de la composición del sensor, en tanto que la transferencia de calor procedente del sensor depende del área de la superficie del sensor, del coeficiente de transferencia de calor y de la velocidad de la masa de aire que fluye sobre el sensor. El coeficiente de transferencia de calor depende poco del diámetro del sensor. Por eso, las constantes de tiempo de respuesta de los sensores de temperatura fabricados con determinado material son aproximadamente proporcionales a la relación entre el volumen del sensor y su superficie. En consecuencia, los sensores finos con una gran superficie son los más eficaces para obtener una respuesta rápida. La variación de la constante de tiempo de respuesta con la velocidad de la masa del flujo de aire puede expresarse como:

í = í 0· ( ρ · v)–n

(12.4)

donde ρ es la densidad del aire, v la velocidad del aire sobre el sensor y n una constante. Nota:

Cuadro 12.3. Constantes de tiempo típicas de respuesta de sensores de temperatura de radiosondas

(12.3)

donde Te es la temperatura del sensor y T es la temperatura del aire verdadera.

Para un sensor expuesto sobre un saliente del cuerpo de

la radiosonda, v correspondería a la velocidad de ascenso, pero la velocidad del aire sobre el sensor puede ser menor que la velocidad de ascenso si el sensor estuviera montado en un conducto interno.

El valor de n varía entre 0,4 y 0,8, según la forma del sensor y la naturaleza del flujo de aire (laminar o turbulento). En el cuadro 12.3 se muestran valores representativos de la constante de tiempo de respuesta de los modelos antiguos de sensor de temperatura para presiones de 1 000, 100 y 10 hPa, y para una velocidad de ascenso de 5 m s–1. Estos valores se han deducido de una combinación de pruebas en laboratorio y comparaciones con sensores de respuesta muy rápida durante el ascenso en pruebas de comparación de radiosondas. Como ya se ha indicado, los modernos sensores capacitivos y termistores de tipo perla tienen constantes de tiempo de respuesta inferiores a 1 segundo a 1 000 hPa.

I.12-9

τa 1 000 hPa (s)

τa 100 hPa (s)

τa 10 hPa (s)

Termistor de varilla, de 1,3 mm de diámetro

3

8

21

Termistor de tipo perla moderno (valores generales)

90. Por lo tanto, la órbita puede ser fija con relación al Sol, en tanto que la Tierra gira una vez al año a su alrededor. Esto se denomina órbita heliosíncrona. El satélite cruza el ecuador a la misma hora solar local en cada pasada a lo largo del año. La mayoría de los satélites en órbita polar se encuentran en órbitas heliosíncronas. En la práctica, la inclinación de una órbita geoestacionaria

La altura orbital del satélite determina el radio del círculo de contacto para la recepción directa de los datos transmitidos en tiempo real por el satélite, y la anchura de la banda que el sensor del satélite puede observar. Aumentando la altura del satélite se mejoran ambas. Sin embargo, en tanto que una mayor altura orbital tiene ventajas, en la práctica surgen dificultades. Los satélites en órbita por encima de 1 100 km están sometidos a un flujo mucho mayor de partículas cargadas (lo que puede degradar el rendimiento de las células solares y otros materiales). Para aumentar la altura del satélite hay que disponer también de instrumentos más sensibles, a fin de conservar las mismas resoluciones en tierra.

DESCRIPCIÓN DE LA ONDA WAVE DESCRIPTION 10-12 1 pm

Sensores a bordo de satélites

8.2.3

En esta sección se describen los sensores a bordo de satélites estadounidenses, por ser ampliamente representativos y los más utilizados en tales sistemas. La información sobre nuevos sensores de satélite, sus posibilidades y el rendimiento de los sensores

BANDA BAND NAME

APLICACIÓN DE LA TELEDETECCIÓN REMOTE-SENSING APPLICATION 1021

Cosmic ray Rayos cósmicos

1018

X ray x 10-9 1 nm Rayos

Ultravioleta Ultraviolet 10-6 1 mm

Infrared Infrarrojo

N

Thermal IR radiometers Radiómetros IR térmico

12 10-3 1 mm Microondas Microwave 11 EHF Extremely high frequency Ondas milimétricas Kbanda bandK y And Super centimétricas high frequency banda X bandX 10 SHF Ondas SMMR radar Radar Sbanda bandS 9 UHF Ondas Ultra high frequency decimétricas Lbanda bandL 1 1m 8 VHF Ondas Very high frequency métricas Onda Radio wave 7 HF High Ondasfrequency decamétricas

radioeléctrica

103

1 km

1015

Radiómetros visible IR cercano Visible and near IR eradiometers

Visible

hectométricas 6 MF Ondas Medium frequency

1012

Difusómetro Scatterometer Altimeter Altímetro SAR

Telemetry Telemetría

Radio Transmisión and TV transmission radio y TV

1 GHz

109

1MHz

106

2 ELF Ondas Extremely low frequency kilomiriamétricas

Figura 8.2. Espectro electromagnético, en que se muestran algunas definiciones de bandas y aplicaciones de teledetección típicas.

Frecuencia (Hz) Frequency (Hz)

Longitud de onda Wavelength (m)(m)

Rayos gamma Gamma ray

II.8-6

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Transmitancia Transmittance

1,0 1.0 0,8 0.8 0,6 0.6 0.4 0,4

0,2 0.2 100 nm

1 μm

10 μm

100 μm

1 mm

10 mm

Wavelength Longitud de onda

Figura 8.3. Transmitancia apropiada de ondas electromagnéticas a través de la atmósfera

más antiguos figura en los informes anuales de la OMM (OMM, 1994b). Los sensores a bordo de satélites para observar la atmósfera utilizan la radiación electromagnética (emr) bien pasivamente, es decir, detectando la emr procedente de la superficie terrestre, o de la atmósfera, o bien activamente, es decir, utilizando la emr generada en el sensor para sondear la atmósfera y medir las características de la superficie. En la figura 8.2 se muestra el espectro electromagnético y las partes utilizadas normalmente por los sensores de teledetección a bordo de satélites. Para observar las características en tierra y en mar utilizando la radiación solar hay que emplear longitudes de onda comprendidas entre 100 nm y 1 µm. Sin embargo, las emisiones de radiación del mar se detectan en la gama de 3 a 40 µm en las bandas de microondas. No es posible emplear todas las partes de estas bandas, pues la atmósfera no transmite la radiación electromagnética en la totalidad de las longitudes de onda, coma se muestra en la figura 8.3. Esto se tratará en la sección 8.3.

respuesta umbral arbitrario. El campo de visión puede abarcar una zona más amplia provocando la exploración del sensor a bordo del satélite. Si el vehículo espacial es del tipo estabilizado por rotación, puede utilizarse esta última para que el sensor realice la exploración. Existen diversos sistemas de exploración mecánicos y electrónicos. Numerosos telescopios empleados en los sensores a bordo de satélites disponen de espejos para formar imágenes primarias. La ventaja del espejo con respecto a una lente es que está totalmente exento de aberraciones cromáticas, pero debe ser parabólico para evitar la aberración esférica. La naturaleza de los sensores empleados actualmente en los satélites meteorológicos operativos puede exponerse mediante las breves descripciones siguientes de los tomavistas y de los sondeadores a bordo de los satélites en órbita polar y GOES de la NOAA. 8.2.3.1

Los sensores a bordo de satélites pueden ser pasivos o activos. La mayoría de los sistemas operativos son pasivos, o reciben la emr difundida, reflejada o emitida por la atmósfera o por la superficie terrestre. Los sistemas activos transmiten la emr, normalmente en microondas, y la detectan una vez difundida o devuelta por reflexión al satélite. Los sensores pueden dividirse entre los que exploran y los que no. El ángulo sólido que intercepta la superficie y la atmósfera de las que el sensor recibe una señal en cualquier momento se conoce como campo de visión instantáneo (IFOV) o, en la superficie terrestre, la huella. El límite del IFOV no es una demarcación precisa entre cero y la respuesta total, sino que se sitúa realmente con un valor de

Satélites en órbita polar

Tomavistas De todos los sensores a bordo de satélites quizás el más conocido y más utilizado actualmente sea el radiómetro perfeccionado de muy elevada resolución (AVHRR), que vuela desde 1978 en su forma actual a bordo de los satélites de las series TIROS-N/NOAA-A. En funcionamiento, el desplazamiento del satélite proporciona un eje para una imagen explorada comparable a una imagen de televisión. Dentro del sensor, un espejo orientable proporciona el segundo eje de exploración. Sistemas ópticos dirigen una imagen hacia detectores que registran los valores de brillo observados en el campo de visión del instrumento en las diversas bandas espectrales.

CAPÍTULO 8. OBSERVACIONES DESDE SATÉLITES

En su forma actual, el AVHRR tiene cinco canales espectrales seleccionados por filtros montados en un disco giratorio. Un canal observa en la banda visible (0,58-0,68 µm), otro en la banda cercana al infrarrojo (0,72-1,0 µm) y tres en el infrarrojo térmico 3,55-3,93 µm, 10,3-11,3 µm y 11,5-12,5 µm). Los usuarios locales reciben en todo el mundo imágenes de plena resolución, con un campo de visión en el nadir de unos 1,1 km. A bordo del satélite se almacenan para transmitirlos a estaciones terrenas, normalmente una vez por órbita, datos de alta resolución seleccionados y datos con una resolución de menor calidad (4 km). También se difunden imágenes de baja resolución, en formato de facsímil meteorológico que permite recibirlas con receptores poco costosos y antenas omnidireccionales. Sonda

En latitudes medias, un satélite no estacionario en órbita polar pasa dos veces al día. La elección de la hora del día en que se produce la pasada en cada longitud interviene en la optimización de funcionamiento de los instrumentos y la reducción de los tiempos necesarios entre las observaciones y el suministro de los datos de los modelos informáticos de predicción. La adición de una sonda de microondas de 20 canales AMSU (Sonda perfeccionada en microondas) que comenzará con el NOAA-K, aumentará considerablemente la corriente de datos procedente del vehículo espacial, lo que provocará a su vez cambios en los servicios de radiodifusión directa. Al mismo tiempo se suprimirán otros dos sensores con un total de siete canales: el SMU y el SSU. 8.2.3.2

Los sondeos procedentes de satélites no estacionarios en órbita polar se calculan a partir de los datos de un conjunto de tres instrumentos, denominados colectivamente TOVS (sonda vertical operativa TIROS), que comprenden una sonda de infrarrojos de alta resolución (HIRS) de 20 canales, un equipo de sondeo en microondas (MSU) de cuatro canales, y un equipo de sondeo estratosférico (SSU) infrarrojo de tres canales. En el cuadro 8.3 se dan las características de los cuatro instrumentos TOVS a bordo de los satélites en órbita polar de la serie NOAA: el número de canales; el campo de visión en el nadir (FOV); la abertura, el ángulo de visión explorado; la anchura de la banda, el número de píxeles vistos por banda observada, y el nivel de digitalización de datos. También se indican, con fines de comparación, datos del AVHRR. Los anexos 8.A y 8.B contienen detalles de los canales de AVHRR y HIRS y sus aplicaciones. Los satélites no estacionarios en órbita polar de la NOAA llevan otros instrumentos, coma los radiómetros SBUV (detector de radiaciones solares retrodifundidas) y ERBE (Experimento sobre el balance de radiación de la Tierra).

II.8-7

Satélites geoestacionarios

Tomavistas El radiómetro utilizado a bordo de satélites geoestacionarios estadounidenses hasta GOES-7 (todos estabilizados por rotación) tiene un nombre que refleja la línea seguida: radiómetro de barrido giratorio en el espectro visible y en el infrarrojo (VISSR), que se refiere a sus canales por los que se transmiten imágenes. Lo mismo que el VAS, la sonda atmosférica VISSR comprende ahora 12 canales en el infrarrojo. En ocho campos de visión paralelos en el visible (0,55 a 0,75 µm) se observa la parte de la Tierra iluminada por el Sol con una resolución de 1 km. Sonda Doce canales observan en el espectro infrarrojo la radiación terrestre ascendente en las bandas comprendidas entre 3,945 y 14,74 µm. Dos de ellos son canales-ventana que observan la superficie; siete observan la radiación en las bandas atmosféricas de absorción de dióxido de carbono, y los tres restantes observan la radiación en las bandas de

Cuadro 8.3. Sistemas de instrumentos en satélites NOAA Número de canales

Campo de visión (km)

SSU

3

147

8

±40

MSU

4

105

—

HIRS

20

17

15

Instrumento

Ángulo de Anchura de Abertura (cm) exploración (º) banda (km)

Pasos

Datos (bits)

±736

8

12

±47,4

±1 174

11

12

±49,5

±1 120

56

13

II.8-8

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Cuadro 8.4. Sistemas de instrumentos en el espectro visible y en el infrarrojo a bordo de satélites Canal

Campo de visión (km)

Ángulo de exploración (º)

Anchura de banda (km)

Píxel/Banda

Dígitos

Visible

1

±8,70

±9 050

8 × 15 228

6 bits

7-14

±3,45

±2 226

3 822

10 bits

Infrarrojo

vapor de agua. La elección de los canales permite observar la radiación atmosférica a diferentes alturas de la atmósfera. Mediante un proceso matemático de inversión se pueden estimar las temperaturas con relación a la altura en la atmósfera baja y en la estratosfera. Otra posibilidad es estimar el vapor de agua en la atmósfera, en varias capas profundas. En el cuadro 8.4 se muestran las características del instrumento VAS/VISSR, con detalles de las exploraciones realizadas por satélites GOES, que comprenden: campos de visión en el nadir para los canales en el visible y en el infrarrojo; los ángulos de exploración (en el vehículo espacial), la anchura de la zona observada resultante en la superficie de la Tierra; el número de elementos de imagen (píxel) por banda, y el nivel de digitalización de cada píxel. Sensores auxiliares A bordo de los satélites GOES funcionan otros dos sistemas de recopilación de datos. Tres sensores combinados, que forman el monitor del medio ambiente espacial (SEM), comunican los niveles de emisión de rayos-x solares y vigilan la intensidad del campo magnético y las velocidades de llegada de partículas de alta energía. Un sistema de recopilación de datos recibe los informes transmitidos por las plataformas terrenas de recogida de datos y los transmite, mediante transpondedores, a una instalación central de tratamiento. Los operadores de las plataformas pueden recibir también datos directamente. Nuevos sistemas El GOES-8, lanzado en 1994, está estabilizado en tres ejes y ya no utiliza el sistema VAS/VISRR. Dispone de un tomavistas y una sonda semejantes en muchos aspectos a los del AVHRR y el TOVS, respectivamente, pero con mayor resolución horizontal.

8.2.4

Series actuales de satélites meteorológicos operativos y afines

Los detalles sobre los satélites operativos y experimentales figuran en OMM (1994a). A continuación se hace una breve descripción para mayor facilidad. El sistema de satélites de observación global de la Vigilancia Meteorológica Mundial se resume en la figura 8.4. Existen muchos otros satélites de comunicaciones, de estudio del medio ambiente y con fines militares, algunos de los cuales tienen también aplicaciones meteorológicas. Satélites en órbita baja: a) Serie TIROS-N/NOAA-A: satélites civiles estadounidenses. El sistema comprende al menos dos satélites, el más reciente de ellos, NOAA-12, lanzado en 1991. Proporcionan servicios de imágenes y llevan instrumentos para medir la temperatura, así como para recopilar datos y localización de plataformas de datos. Algunos de los productos de estos sistemas se difunden por el SMT. b) Serie de DMSP: satélites militares estadounidenses. Proporcionan imágenes y datos por microondas, y el instrumento SSM/I suministra imágenes en microondas. Sus transmisiones en tiempo real se cifran, pero puede disponerse de los datos para uso civil. c) Serie METEOR-2, satélites rusos: proporcionan servicios de imágenes y sondeos, pero la calidad de las imágenes en infrarrojo no es muy buena. Los limitados datos de que se dispone por el SMT comprenden imágenes de nubes en latitudes del Polo Sur. d) Serie FY-1: satélites chinos, que proporcionan servicios de imágenes, con canales en el visible y en el infrarrojo. e) SPOT: satélite francés que presta servicios comerciales de imágenes de alta resolución. f) ERS-1: satélite experimental de la Agencia Espacial Europea (AEE), lanzado en 1991, que

CAPÍTULO 8. OBSERVACIONES DESDE SATÉLITES

II.8-9

METEOR de Rusia) METEOR (Federación (Russian Federation)

GOMS(Federación (Russian Federation) GOMS de Rusia) (76ºE) 76°E 850 km 850 KM

GMS (Japón) GMS (Japan) 140ºE 140°E

METEOSAT (EUMETSAT) (EUMETSAT) Longitud 0º 0°Longitude

35 800 35 800 km KM

GOES-W(Estados (United Unidos) GOES-W States) 135ºW 135°W

(United States) GOES-E (Estados Unidos) 75ºW 75°W

ÓRBITA GEOSTATIONARY GEOESTACIONARIA ORBIT

POLAR ÓRBITA ORBIT POLAR

SUBSATELLITE PUNTO SUBSATELITAL POINT

TIROS(Estados TIROS (United Unidos) States)

Figura 8.4. Sistema global de observación por satélite de la Vigilancia Meteorológica Mundial

proporciona las temperaturas de la superficie del mar, información sabre el viento en superficie y las olas, así como otros datos oceanográficos y medioambientales. Satélites geoestacionarios: a) GOES: satélites estadounidenses. Actualmente, sus productos comprenden datos de imágenes, sondeos y desplazamiento de las nubes. Cuando se dispone de dos satélites, en general se encuentran a 75°W y 135°W. b) Serie GMS: satélites japoneses. Proporcionan una gama de servicios similares a los de GOES, pero sin efectuar sondeos; operan en la longitud de 140ºE. c) Serie METEOSAT: satélites Eumetsat construidos por la AEE, que proporcionan una gama de servicios comparables a los de GOES; operan en la longitud de 0°. d) INSAT: satélite indio con estabilización en tres ejes, lanzado en 1989, situado en la longitud de 74°E. Proporciona imágenes, pero por el SMT solo se dispone de vientos medidos por el desplazamiento de las nubes. Por lo tanto, actualmente funcionan efectivamente cuatro satélites geosíncronos.

8.3

OBSERVACIONES METEOROLÓGICAS

8.3.1

Extracción de magnitudes geofísicas de las mediciones de radiancia

La magnitud medida por los sensores en los satélites es la radiancia en varias bandas definidas del espectro. Los datos se transmiten a estaciones terrenas y pueden utilizarse para compilar imágenes, o cuantitativamente para calcular temperaturas, concentraciones de vapor de agua y otros gases de efecto radiativo, así como otras propiedades de la superficie terrestre y de la atmósfera. Las mediciones pueden efectuarse a muchos niveles, y existe la posibilidad de elaborar perfiles a través de la atmósfera. Conceptualmente, las imágenes son distribuciones continuas bidimensionales del brillo. El cerebro parece particularmente apto para tratar esta continuidad. En la práctica, las imágenes procedentes de satélites son conjuntos de elementos de imagen muy poco espaciados (píxeles), cada uno con un brillo particular. Cuando se ven desde una distancia apropiada no pueden distinguirse de las funciones

II.8-10

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

continuas. El ojo y el cerebro explotan los contrastes relativos en el interior de las escenas a diversas frecuencias espaciales, para identificar la posición y el tipo de numerosos fenómenos meteorológicos. En general, los datos de los sondeos se utilizan en modelos numéricos, por lo que, como la mayoría de los otros datos cuantitativos derivados de la red de píxeles, se tratan muchas veces como valores por puntos. Los datos de radiancia procedentes de los canales del espectro visible pueden convertirse en brillo, o en reflectancia de la superficie observada. Los datos de los canales en el infrarrojo pueden convertirse en temperatura, aplicando el concepto de la temperatura pirométrica (véase el punto 8.3.1.1). Hay límites, tanto con respecto a la cantidad como a la calidad de la información que puede extraerse de un campo de radiancias medido desde un satélite. Conviene examinar un sistema de teledetección arquetipo pasivo para ver dónde se encuentran estos límites. Se supone que la superficie y la atmósfera juntas reflejan, o emiten, o ambas cosas, radiación electromagnética hacia el sistema. Los procesos físicos pueden resumirse como sigue: Las variaciones de la radiación reflejada son causadas por: a) la elevación del Sol; b) el ángulo de acimut satélite-Sol; c) el ángulo de visión del satélite; d) la transparencia del objeto; e) la reflectividad de la superficie subyacente; f) el grado en que el objeto llena el campo de visión; g) las capas delgadas suprayacentes (nubes finas o aerosoles). Muchas nubes distan de ser planos paralelos horizontalmente homogéneos. También sabemos que, según la interpretación de las imágenes de satélite normales, otros factores importantes son: a) el efecto de sombra (sol) originado por objetos más altos; b) la forma del objeto (topografía de la nube) que produce sombras en la luz reflejada. Las variaciones de la radiación emitida son causadas principalmente por: a) el ángulo de visión del satélite; b) las variaciones de la temperatura de la nube; c) las variaciones de la temperatura de la superficie (bajo la nube); d) el perfil de temperatura de la atmósfera;

e) las variaciones de emisividad de la nube; f) las variaciones de emisividad de la superficie; g) las variaciones en el campo de visión del instrumento del satélite; h) la composición de la atmósfera entre el objeto y el satélite (vapor de agua, dióxido de carbono, ozono, nubes delgadas, aerosoles, etc.). El sistema consta esencialmente de instrumentos ópticos para captar la radiación, un detector para determinar la cantidad, algún equipo de telecomunicaciones para digitalizar esa cantidad (convertirla en números) y transmitirla a tierra, algún equipo adicional que recibe información y la descodifica en algo útil, y un dispositivo para visualizarla. En cada fase, la información potencialmente útil sobre una escena observada se pierde, como consecuencia de una serie de procesos de digitalización que transforman la escena continua. Eso comprende las resoluciones espaciales, así como el producto de longitud de onda y radiométrico, del que se trata en el punto 8.3.1.2.

8.3.1.1

Temperatura de radiancia y de brillo

Emisión desde un cuerpo negro Un “cuerpo negro” absorbe toda la radiación que recibe. En general, un cuerpo solo absorbe una fracción de la radiación incidente: la fracción se denomina absorcividad, y depende de la longitud de onda. Del mismo modo, la eficacia de la emisión se denomina emisividad. En una longitud de onda dada: emisividad = absorcividad

(8.5)

Esta es la ley de Kirchhoff. La radiancia (potencia por unidad de superficie por estereorradián) por unidad de intervalo de longitud de onda emitido por un cuerpo negro a la temperatura T y en una longitud de onda λ viene dada por: Bλ (T ) =

2π hc 2 λ −5 exp (hc / k λT ) − 1

(8.6)

en donde Bλ (W m–2 sr–1 cm–1) y su equivalente en unidades de número de onda, Bν (W m–2 sr–1 cm), se conocen como función de Planck. c, h y k son la velocidad de la luz, la constante de Planck y la constante de Boltzmann, respectivamente. Las siguientes leyes pueden derivarse de la ecuación 8.6.

CAPÍTULO 8. OBSERVACIONES DESDE SATÉLITES

Bλ culmina en la longitud de onda λm dada por:

λm T = 0,29 deg ·cm

(8.7)

Esta es la ley de Wien. Para el Sol, T es 6 000 K y λm es 0,48 µ. Para la Tierra, T es 290 K y λm es 10 µ. El flujo total emitido por un cuerpo negro es: E = ∫Bλ dλ = σ T 4

(8.8)

σ es la constante de Stefan. B es proporcional a T en longitudes de onda de hiperfrecuencias en el infrarrojo lejano (la parte Rayleigh-Jeans del espectro). La figura 8.5 muestra la dependencia tipo de B con relación a T para λ igual o inferior a λm . Si se mide la radiancia en una banda estrecha de longitud de onda se puede utilizar la función de Planck para calcular la temperatura del cuerpo negro que la emite:

Tλ =

c2 ⎡ c1 ⎡ λ ln 5 + 1 λ Bλ

(8.9)

en donde c1 y c2 son constantes derivadas. Esto se denomina temperatura pirométrica, y para la mayoría de los fines las radiancias transmitidas desde el satélite se convierten en esas magnitudes Tλ . 4μ (2 500 cm-1) B (μ . T) B (μ . 273) 6.7μ (1 500 cm-1)

2

10μ (1 000 cm-1)

II.8-11

radiación en esas bandas permite determinar las características de la atmósfera, su temperatura y la concentración de los absorbentes. Sin embargo, hay regiones del espectro donde la absorción es reducida, lo que permite a un sensor de satélite ver la superficie o la cima de la nube, y determinar su temperatura y otras características. Esas regiones espectrales se denominan “ventanas atmosféricas”. Existe una ventana particularmente importante cerca de la cresta de la curva de emisión Tierra/atmósfera, de unos 11 micrones (véase la figura 8.3). 8.3.1.2

Resolución

Resolución espacial La naturaleza continua de la escena se divide en varios elementos de imagen discretos o píxel, que dependen del diámetro de la óptica, del tiempo de integración de los detectores y, posiblemente, del muestreo subsiguiente. El tamaño del objeto que puede resolverse en la imagen visualizada depende del tamaño de esos píxeles. Debido a los efectos de difracción causados por elementos del sistema óptico, la imagen focalizada de un objeto en un punto alejado de la escena tiene una distribución angular característica conocida con el nombre de función de distribución (PSF) o diagrama de Airy (figura 8.6a). Dos objetos en un punto alejado, desplazados dentro de un campo de visión se consideran separables (criterio de Rayleigh) si el ángulo entre los máximos de su PSF es superior a λ/D, en donde λ es la longitud de onda de la radiación, y D es el diámetro del haz (figura 8.6b).

Absorción atmosférica

Ahora bien, si estas dos PSF están suficientemente próximas para focalizarlas en el mismo detector, no es posible resolverlas. En muchos sistemas de teledetección, el desplazamiento efectivo de detectores adyacentes es lo que limita la resolución espacial. Solo cuando se encuentran próximos, como en la figura 8.6c, es posible resolver los dos objetos. Un método general para determinar la resolución del sistema óptico es calcular o medir su función de transferencia de modulación o MTF. La modulación de una función sinusoidal es la relación entre la mitad de su amplitud cresta a cresta y su valor medio. La MTF se deriva evaluando la relación entre las modulaciones de salida y entrada como una función de la longitud de onda (o frecuencia espacial) de la sinusoide.

La absorción atmosférica en el infrarrojo está dominada por las “bandas de absorción” de agua, de dióxido de carbono, ozono, etc. El examen de la

En la práctica, muchos sistemas a bordo de vehículos espaciales utilizan el desplazamiento del satélite para ampliar la imagen a lo largo de su trayectoria, y

15μ

1

Microondas e Microwave and infrarrojo lejano far infrared

BαT

0 200

250

300

T,Temperatura Temperature (K) T, (K)

Figura 8.5. Dependencia de la temperatura respecto de la función de Planck

II.8-12

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Contiene el85% 85% de la Contains total irradiance irradiancia total Valores máximos 1,7% Maximum values 1.7% y 0,4% and 0.4%

Radius Radio r r Perfilirradiance de irradiancia del diagrama dediffraction difracción de Airy (a)a)The profile of the airy pattern

Unresolved Just resolved No resuelto Apenas resuelto Well Bien resolved resuelto b) Separación óptica de of puntos adyacentes (b) Optical separation adjacent points

Detectores Detectors Resuelto pero no detectado Resolved but not detected

Detectores Detectors Resueltoand y detectado Resolved detected

Effect detectors on resolution c)(c) Efectos deof detectores sobre la resolución

Figura 8.6. Resolución óptica

sus espejos orientables para construir la imagen a lo largo de la trayectoria. En esos sistemas la imagen focalizada de los objetos observados se explora a través de un detector. La salida del detector (véase a continuación) está integrada en cortos períodos de tiempo para lograr separar los objetos. El valor obtenido para cada integración es una convolución complicada de las funciones de distribución de cada objeto en la escena con la respuesta espacial del detector y el momento de cada integración.

detector (detección cuántica) o por la radiación absorbida, que calienta el detector y modifica alguna de sus características, por ejemplo la resistencia (detección térmica). Entre las tensiones debidas a cierto número de fuentes exteriores también detectadas figuran las provocadas por: a) la agitación térmica de los electrones en el detector (ruido de Johnson); b) las irregularidades de superficie y los contactos eléctricos; c) la naturaleza cuántica de las corrientes eléctricas (ruido de granalla). Para aumentar la relación señal/ruido, puede dotarse al sistema de grandes aparatos ópticos de captación, detectores refrigerados y largos tiempos de integración del detector. La combinación de las tensiones de señal y de ruido (señal analógica) se integra en el tiempo para producir un valor digital. Luego se codifica y transmite a tierra la secuencia de los valores integrados correspondientes a cada línea de la escena. Una vez recibidos, descodificados y convertidos los datos en productos utilizables (véase a continuación), pueden visualizarse las imágenes en un dispositivo apropiado. Normalmente, esto comprende la representación del valor de cada píxel como color apropiado en una pantalla, o en matices de grises en un registrador de facsímil. Resolución de la visualización De este modo, la escena observada continuamente se ha transformado en píxeles discretos en una pantalla. La naturaleza discreta de la imagen solo es perceptible cuando las resoluciones de la imagen y el dispositivo de visualización son muy discordantes. Los píxeles de una pantalla tipo están separados por unos 0,3 mm. Cada píxel comprende a su vez tres puntos fosforescentes de distintos colores. A una distancia de visión razonable de 75 cm, el ojo solo puede percibir los píxeles si están muy contrastados. Debe señalarse que la resolución del ojo, unos 0,2 mrad, está limitada por la separación de las células fotosensibles de la retina.

Una alternativa a la exploración por los espejos orientables es utilizar series de detectores en línea. Como no tienen partes móviles, son mucho más fiables que los espejos, pero crean problemas de intercalibración entre los diferentes detectores.

En la última parte del sistema intervienen las aptitudes de observación del predictor, que utiliza las imágenes para obtener información sobre sistemas meteorológicos.

Resolución radiométrica

8.3.1.3

La escena instantánea es focalizada por la óptica en un detector que reacciona a la irradiancia a que esté sometido. La reacción puede hacerse por un efecto directo sobre los niveles de energía electrónica en el

Calibración de los canales en el espectro visible

Calibración

Los dos canales en el espectro visible del instrumento AVHRR se calibran antes del lanzamiento.

CAPÍTULO 8. OBSERVACIONES DESDE SATÉLITES

Las radiancias medidas por los dos canales se calculan a partir de: Li = Ai Si

(8.10)

y Ai = Gi Xi + Ii

(8.11)

en donde i es el número del canal; L es la radiancia (W m–2 sr–1); X es el valor digital (10 bits); G es la ganancia de calibración (pendiente); I es la interceptación de calibración; A es el albedo equivalente; S es el equivalente de la radiancia solar, calculado a partir de la constante solar y de la reacción espectral de cada canal. G e I se miden antes del lanzamiento. El albedo equivalente, A, es el porcentaje de la radiación solar recibida de la parte superior de la atmósfera (con el Sol en el cenit), reflejada y medida por el radiómetro del satélite en el intervalo espectral válido para cada canal. La absorción atmosférica y los efectos de difusión se descartan. El término “albedo equivalente” se utiliza aquí para indicar que no es un valor de albedo estrictamente verdadero, porque las mediciones se efectúan en un intervalo espectral limitado y los valores no se corrigen para los efectos atmosféricos. A fin de calcular la reflectancia de cada píxel (considerando la dependencia del ángulo cenital variable del Sol, el ángulo cenital variable del satélite y el ángulo variable del acimut Sol-satélite), puede aplicarse el concepto de reflectancia bidireccional: Ri (µ 0 , µ, φ )) = Ai /µ0

(8.12)

en donde Ri es la reflectancia bidireccional; µ0 el coseno del ángulo cenital del Sol; µ es el coseno del ángulo cenital del satélite, y φ es el ángulo de acimut Sol-satélite. Un inconveniente del algoritmo de calibración determinado antes del lanzamiento es que las condiciones en la órbita del satélite podrían diferir considerablemente de las condiciones en tierra, lo que conduciría a valores de albedo incorrectos. Los efectos de las degradaciones del radiómetro con el tiempo también pueden afectar seriamente a la calibración. Ambos efectos se han observado en los primeros satélites. El usuario debe prestar también atención a los cambios en las técnicas y los coeficientes de calibración entre un satélite y el siguiente de la misma serie. Esto lleva a la conclusión de que, hasta que no se haya puesto a punto una técnica de calibración a bordo, habrá que examinar detenidamente los datos de radiómetro en los canales

II.8-13

del espectro visible para descubrir discrepancias con relación a los algoritmos de calibración nominales. Calibración de los canales en el infrarrojo A diferencia de los canales en el espectro visible los canales en el infrarrojo se calibran continuamente a bordo del satélite. Se establece una relación lineal entre los valores digitales del radiómetro y la radiancia. Pueden estimarse los coeficientes de calibración para cada línea barrida utilizando dos mediciones de referencia. Observando el espacio que actúa como un cuerpo negro a unos 3 K se obtiene un punto de referencia frío, esencialmente una fuente de radiancia nula. El otro punto de referencia se obtiene a partir de un cuerpo negro interno en el que se vigila la temperatura. La función de Planck (véase el punto 8.3.2) da entonces la radiancia (W m–2 sr–1) en cada longitud de onda. Se utiliza una relación lineal entre la radiancia y los valores digitales derivados de los puntos fijos, y también se aplica una pequeña corrección no lineal. Pueden surgir dificultades de diversa índole. Por ejemplo, durante algunos meses de otoño, la calibración del canal 3 de datos del NOAA-10 ha padecido graves errores (indicando temperaturas demasiado altas). Si bien la razón no está clara, puede deberse a determinadas condiciones cuando el satélite, en su nodo ascendente, pasa de la parte iluminada a la oscura. En ese momento pueden producirse rápidos cambios en la temperatura del cuerpo negro interno, y la aplicación de un algoritmo constante de calibración podría ser incorrecta. Calibración de las HIRS y los MSU En el caso de las HIRS (véase el anexo 8.B), las mediciones de calibración se realizan cada 40 líneas de exploración, y ocupan 3 líneas (para las que no se dispone de ningún dato de visión de la Tierra). El procedimiento es esencialmente el mismo que para el AVHRR. Se utilizan las dos temperaturas conocidas. Para los MSU (véase el anexo 8.B) la secuencia de calibración tiene lugar al final de cada línea de exploración, por lo que no se pierde ningún dato de visión de la Tierra. También en ese caso la calibración en dos puntos se hace a partir de las fuentes de referencia caliente y fría. Sin embargo, para las frecuencias de los canales y las temperaturas típicas de visión de la Tierra de los MSU, las radiancias medidas se encuentran en la cola RayleighJeans de la función de Planck, donde la radiancia es proporcional a la temperatura pirométrica. Por consiguiente, los datos pueden calibrarse directamente en temperatura pirométrica (véase el punto 8.3.2).

II.8-14

8.3.1.4

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Digitalización

La digitalización de la radiancia proporciona cierto número de valores discretos separados por pasos constantes. Las diferencias de temperatura correspondientes a esos pasos en la radiancia definen la cantidad mínima de temperatura en la imagen final. Debido a la no linealidad de la función del cuerpo negro con la temperatura, el tamaño de esos pasos depende de la temperatura. Los datos del AVHRR se digitalizan utilizando 10 bits, proporcionando así 1 024 valores diferentes. Para los canales en el infrarrojo térmico, el paso de temperatura a 300 K es del orden de 0,1 K, pero a 220 K es de 0,3 K. Utilizando diferentes números de bits se digitalizan otros sistemas. En las imágenes infrarrojas de METEOSAT se utilizan 8 bits, pero los canales en el visible y el vapor de agua solo tienen 6 bits significativos. Es interesante observar que las pruebas han demostrado que una imagen de satélite monocroma puede visualizarse sin mucha degradación utilizando el equivalente de solo cinco bits.

8.3.1.5

Corrección geométrica

ponderada de los valores próximos, que se asigna al píxel en la imagen final. Se han estudiado muchos métodos complejos para obtener esa media ponderada. La mayoría no son aplicables en tiempo casi real, debido a la gran cantidad de cálculos requeridos. Sin embargo, se espera que esto cambie al disponerse de cada vez más posibilidades de cálculo de tratamiento en paralelo. 8.3.2

Perfiles verticales de temperatura y humedad

8.3.2.1

El sistema de sonda vertical operativa del TIROS (TOVS)

Los satélites de la serie TIROS-N/NOAA-A llevan a bordo el sistema de sonda vertical operativa TIROS (TOVS), que consta de los instrumentos HIRS y MSO. Observan la radiación ascendente desde la Tierra y la atmósfera, que viene dada por la ecuación de transferencia radiativa (ETR): Lλ = Bλ (T(Ps ))τλ (Ps ) 0

Como mejor se responde a las exigencias de rápido tratamiento de grandes cantidades de datos es utilizando ordenadores digitales. En un sistema operativo, la tarea de cálculo más intensa consiste en transformar la proyección en que se visualiza la imagen. Esto es necesario en parte a causa de las distorsiones derivadas de la visión de la Tierra curvada utilizando un espejo de exploración, y en parte porque hay que utilizar imágenes combinadas con otros datos meteorológicos con un mapa estándar como fondo. Un elemento fundamental en el proceso de corrección geométrica de la imagen vista desde el espacio (vista del espacio) es conocer la posición de cada píxel en la Tierra (navegación) para que corresponda a la proyección requerida. Esto se logra conociendo las características orbitales del satélite (proporcionadas por el operador del satélite), la hora precisa en que se ha registrado cada línea de la imagen, y la geometría de la exploración. En la práctica, la corrección geométrica se efectúa como sigue. Se localiza la posición en la escena de la vista del espacio que corresponde al centro de cada píxel en la imagen final proyectada de nuevo, utilizando los datos orbitales y la geometría de la proyección final. Los valores de los píxeles en este punto y en su entorno se utilizan para calcular un nuevo valor. Se trata efectivamente de una media

dτλ ( p) + ∫ Bλ(T (p))——— dp dp p

(8.13)

s

en donde Bλ es la función de Planck en la longitud de onda λ; Lλ es la irradiancia ascendente; T (p) es la temperatura en función de la presión, p; ps es la presión en superficie; y τλ es la transmitancia. El primer término representa la contribución de la superficie terrestre, y el segundo es la radiación de la atmósfera. dτλ /dp se denomina función de ponderación. La solución de la ETR es la base del sondeo atmosférico. La irradiancia ascendente en lo alto de la atmósfera se debe a una combinación de la función de Planck y de la transmitancia espectral. La función de Planck encamina la información de temperatura, la transmitancia está asociada a la absorción y al perfil de densidad de gases radiativamente activos, y la función de ponderación contiene la información del perfil. Para diferentes longitudes de onda, la función de ponderación alcanzará su máximo en distintas altitudes. Pueden construirse sondeos de temperatura cuando es posible elegir una serie de intervalos de longitud de onda de manera que las radiancias correspondientes procedan en gran medida de diferentes capas de la atmósfera. En la figura 8.7 se muestran funciones de

CAPÍTULO 8. OBSERVACIONES DESDE SATÉLITES

ponderación típicas utilizadas en el tratamiento de datos del HIRS. La solución de la ETR es sumamente compleja, debido sobre todo a la superposición de las funciones de ponderación que se muestran en la figura 8.7. Se han desarrollado diversos métodos para derivar los perfiles de temperatura y de humedad. En Smith (1985) figura una reseña general de varios métodos, y su evolución se describe en los sucesivos informes de las conferencias de estudio sobre el TOVS (CIMMS, 1991). Métodos anteriores muy generalizados se basaban en regresiones entre las radiancias y la realidad del terreno (procedente de radiosondas), en diversas condiciones atmosféricas. Los mejores resultados se han obtenido con los cálculos de la ETR, descritos como extracciones físicas. El principio fundamental para calcular la concentración de vapor de agua se ilustra mediante un procedimiento utilizado en ciertos mecanismos de

Canales COwave MIRS long 2 de onda larga HIRS CO2 channels

2

MIRS short Canales CO2wave /H2O de CO2/H 2O channels onda corta HIRS

2

3 4 5 6

3 4 5 6

8 10

8 10

En la mayoría de los Servicios Meteorológicos, la extracción de magnitudes geofísicas para su uso en la predicción meteorológica numérica se realiza aplicando métodos físicos. En la NOAA los datos se extraen obteniendo una primera aproximación mediante un método de búsqueda de archivos, seguido de una extracción física total basada en un cálculo de la ETR. Otros servicios, como la Oficina Meteorológica de Reino Unido y la Oficina Meteorológica de Australia, emplean una primera aproximación de modelo numérico, seguida de un cálculo completo de la ETR.

Altura Height (17)

(1) 20

20

30 40 50 60 80 100

(2)

30 40 50 60 80 100

(3)

200

200 300 400 500 600 800 1 000

extracción física. El perfil de temperatura se calcula utilizando longitudes de onda en las que se emite dióxido de carbono, y también utilizando longitudes de onda en las que se emite vapor de agua, con una distribución vertical supuesta del mismo. La diferencia entre los dos perfiles de temperatura obedece a la diferencia entre los perfiles de vapor de agua supuesto y real, por lo que es posible deducir el perfil real.

La última novedad es una tendencia a una solución variacional de la ETR, con todos los otros datos disponibles en el momento del análisis. Esto puede

1

1

II.8-15

(4) (5) (6)

(7)

00

0.2 0,2

0.4 0,4

0.6 0,6

0.8 0,8

1.0 1,0

1

300 400 500 600 800 1 000

4

(16) (15) (13)

00

0.2 0,2

0.4 0,4

(14)

0.6 0,6

0.8 0,8

1.0 1,0

3

100

15 µm MSU

3 4 5 6

ángulo de exploración scan angle significantly

MIRS water vapour Canales ventana deand vapor long wave window channels de agua y onda larga HIRS

SSU 15μm CO 2 channels Canales CO2 de

2

2

(3)

2

200

8 10

(2)

300 400 500 600 800 1 000

(3)

(12)

500

MSU microwave Canales O2 en O2 channels (2) microondas MSU

600

(11)

700 800

0.4 0,4

(8)

900

(1) 0.2 0,2

ponderación para la

1 400

00

Función de function Weighting

300

(1) (4)

200

considerablemente fuera del nadir

off nadir

for nadir visión del view nadir

20 30 40 50 60 80 100

Función de

Weighting ponderaciónfunction para el for

0.6 0,6

0.8 0,8

1.0 1,0

1 000

00

0.2 0,2

0.4 0,4

Weightingde function Función ponderación

(10) 0.6 0,6

0.8 0,8

Figura 8.7. Funciones de ponderación TOVS (normalizadas)

1.0 1,0

Figura 8.8. Ilustración esquemática de un grupo de funciones de ponderación para la visión del nadir y el efecto de exploración fuera del nadir sobre una de estas funciones

II.8-16

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

ampliarse a cuatro dimensiones para permitir que los datos no sinópticos contribuyan en un período de tiempo apropiado. En todos los métodos es preciso identificar y utilizar píxeles sin nubes, o bien tener en cuenta los efectos de las nubes. Los procedimientos se describen en el punto 8.3.3.

8.3.2.2

Efecto de limbo

El efecto de limbo se ilustra en la figura 8.8. A medida que el ángulo de visión se aparta de la vertical aumenta la longitud del trayecto de la radiación a través de la atmósfera. Por consiguiente, las transmitancias de todos los niveles hacia el espacio disminuyen, y la cresta de la función de ponderación se eleva. Si el canal percibe una radiación procedente de una capa de la atmósfera en la que hay un gradiente térmico vertical, la radiancia medida cambiará; para los canales troposféricos, tenderá a disminuir. En algunas aplicaciones es, pues, necesario convertir las radiancias medidas para estimar la temperatura pirométrica que se hubiera medido si el instrumento hubiese visto el mismo volumen verticalmente. Se puede aplicar el método de corrección del limbo, o un método de extracción física. Las correcciones del limbo se aplican a las temperaturas pirométricas medidas en un ángulo en el nadir no nulo. Son posibles porque la función de ponderación de la visión al nadir para un canal culminará, en general, con un nivel intermedio entre las crestas de la función de ponderación de dos canales en el ángulo de medición. Así pues, para un ángulo dado, θ, podemos expresar la diferencia entre la temperatura pirométrica en el nadir y en el ángulo de medición como una combinación lineal de las temperaturas pirométricas medidas en cierto número de canales: 1

(TB )θi = 0 − (TB )θi = aθ0 i +

Σ aθji (TB )θj

(8.14)

j =1

Los coeficientes aθji se obtienen por regresión lineal múltiple en las temperaturas pirométricas sintéticas calculadas para una serie representativa de perfiles. Es posible eliminar la necesidad de una corrección de limbo. Por ejemplo, puede utilizarse un algoritmo de extracción de temperatura con una serie diferente de coeficientes de regresión para cada ángulo de exploración. Ahora bien, si se realiza una extracción de regresión en la que se emplea una

serie de coeficientes (apropiada para un ángulo de exploración nulo), habremos de convertir todas las temperaturas pirométricas para el mismo ángulo de visión, generalmente el nadir. La debilidad de los métodos de regresión con respecto al efecto de limbo es que es difícil establecer regresiones para distintos regímenes de nubosidad, temperatura y humedad. Un procedimiento mejor, utilizado ya normalmente en algunos centros, consiste en aplicar el método de extracción física, en el que la ecuación de transferencia radiativa se resuelve para cada ángulo de exploración con respecto al cual hay que hacer mediciones. Exploración del limbo para sondeos Las sondas meteorológicas operativas ven la superficie terrestre en el plano vertical desde el satélite, pero otro método es observar el limbo de la Tierra. Las funciones de ponderación son muy precisas para los sensores que exploran el limbo, y culminan siempre en la presión más alta en el campo de visión. Por lo tanto, se obtiene una buena resolución vertical (1 km), con una resolución horizontal de 10 km aproximadamente. En el sondeo vertical se logran resoluciones algo peores, aunque no es posible efectuar mediciones a una altitud inferior a 15 km con técnicas de sondeo del limbo; por lo tanto, para las mediciones troposféricas es preciso proceder al sondeo vertical.

8.3.2.3

Resolución y exactitud

Es difícil evaluar la exactitud de las extracciones de datos de satélite; lo mismo que en el caso de otros sistemas de observación se trata de saber “dónde se encuentra la verdad”. Un método muy generalizado para evaluar la exactitud es el estudio de estadísticas de las diferencias entre extracciones y perfiles de radiosonda superpuestos. Tales estadísticas comprenden los errores de extracción, pero también contribuciones de los errores de radiosondas (incluidos los efectos de ambas discrepancias con respecto al perfil verdadero a lo largo del trayecto ascendente de la radiosonda y también el grado en que ese perfil es representativo del volumen que rodea la atmósfera) y los errores de superposición causados por la separación espacial y temporal entre el sondeo por satélite y el ascenso de la radiosonda. Si bien las estadísticas de superposición-extracción-radiosonda son muy útiles, no deben tratarse simplemente como mediciones del error de extracción.

CAPÍTULO 8. OBSERVACIONES DESDE SATÉLITES

II.8-17

320

Temperatura pirométrica (K) Brightness temperature (K)

300

280

260

240

220

200 0

200

400

600

800

1 000

0

Channel count Valor de 3 1010-bit bits canal 3

200

400

600

800

1 000

Channel count Valor de41010-bit bits canal 4

Figura 8.9. Curvas de calibración típicas de los valores digitales de los canales 3 y 4 AVHRR para temperaturas pirométricas. La curva del canal 5 AVHRR es muy similar a la del canal 4 AVHRR.

Temperaturas pirométricas Es importante observar la fuerte no linealidad en las ecuaciones de conversión de las radiancias en temperaturas pirométricas. Esto significa que, cuando se trata de temperaturas pirométricas, la verdadera exactitud de medición de la temperatura del radiómetro varía con la temperatura. Esto no es así en el caso de las radiancias, porque están relacionadas linealmente con los valores del radiómetro. En el AVHRR, los tres canales en el infrarrojo tienen una exactitud que disminuye rápidamente para las temperaturas bajas. Esto puede verse en la figura 8.9 (que representa solo dos canales). Las comparaciones de las exactitudes de medición para el canal 3 (anexo 8.A) y el canal 4 presentan Cuadro 8.5. Incertidumbre (K) de los canales IR de AVHRR Temperatura (K)

Canal 3

Canal 4

200

∼10

0,3

220

2,5

0,22

270

0,18

0,10

320

0,03

0,06

algunas diferencias. Cuando se tratan valores de 10 bits, los errores son los indicados en el cuadro 8.5. El canal 3 presenta una no linealidad más fuerte que el canal 4, lo que conduce a menores exactitudes en las bajas temperaturas que en el caso del canal 4. El canal 5 es muy similar al canal 4. El canal 3 es mucho menos exacto, a temperaturas bajas, pero mejor que el canal 4 a temperaturas superiores a 290 K. Sondeos La figura 8.10 muestra las estadísticas de diferencia típica en el sistema de extracción de la Oficina Meteorológica de Reino Unido, y presenta los perfiles de error y de desviación típica para las diferencias extracción-radiosonda. Estas se basan en las superposiciones obtenidas de las extracciones del NOAA-11 en julio de 1991, con criterios de superposición de una separación temporal de tres horas y una separación horizontal de 150 km. Si la serie de perfiles en las superposiciones es grande y ambos son representativos de la misma población, los sesgos en estas estadísticas deberían ser muy pequeños. Se espera que los errores sistemáticos sean aproximadamente de 1 grado a ciertos niveles de presión, pues las superposiciones para un período de tiempo y una superficie limitados pueden no ser representativas de un juego zonal. Si bien las desviaciones

II.8-18

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

típicas son mayores que los valores equivalentes de los errores de extracción solamente, presentan algunas de las características esperadas del perfil de error de extracción. Tienen un valor mínimo en la troposfera media, y valores más altos cerca de la superficie y en la tropopausa. Los valores troposféricos más débiles reflejan problemas asociados a la contaminación residual de las nubes y a diferentes efectos de superficie. Las inversiones en capas bajas suelen provocar también problemas de extracción. Los valores de la tropopausa reflejan tanto la falta de información en las radiancias de esta parte del perfil como la tendencia del método de extracción a “atenuar” características de este tipo. Extracción Retrieval

Resolución El campo de visión del radiómetro HIRS (cuadro 8.3) es de unos 17 km en el punto de proyección del satélite, y los cálculos de perfil pueden hacerse en el borde de la zona explorada, donde el campo es elíptico, con un eje de 55 km aproximadamente. Los perfiles pueden calcularse para cualquier tamaño de retícula horizontal, pero no son independientes si se encuentran más cerca que el campo de visión. Los sondeos de temperatura se calculan hacia abajo hasta la cima de las nubes, o hacia la superficie si se utiliza un instrumento MSU. Sobre tierra firme

Temperatura (ºC: intervalos de 1º) Temperature (°C: 1° intervals)

Primera aproximación First guess (corrected) (corregida)

10 20 20 50 70 100 150 200 250 300 400 500 700 850 1000 9999 8888

ERROR BIAS

SD SD

100

RMS RMS

NÚMERO NUMBER(miles) (1000s)

PuntoDewpoint de rocío (ºC: intervalos (°c : 1° intervals)de 1º)

150 200 250 300 400 500 700 850 1000 9999 0

ERROR BIAS

0

SD SD

0

RMS RMS

Corrección decorrection error prevista (agregada) Forecast bias (added) 8888 T8; 9999-1,5 m; todas las posiciones de exploración; no rotas 1+2; todo momento; todas las superficies (tierra + mar); BTRP > = –300; elev < = 500 m; dist. col. 0-150 km. Perfiles totales 9856; sonda NOK 2122; BTRP NOK 1; rota NOK 166; elev NOK 794.

Figura 8.10. Estadísticas de error para perfiles verticales (Oficina Meteorológica de Reino Unido)

CAPÍTULO 8. OBSERVACIONES DESDE SATÉLITES

y en las proximidades de las costas, la variabilidad horizontal de la temperatura y de la emisividad causa incertidumbres que limitan su utilización en los modelos numéricos por debajo de unos 500 hPa. La resolución vertical de las observaciones está vinculada a las funciones de ponderación, y es normalmente de unos 3 km. Esta débil resolución vertical es una de las principales deficiencias del actual sistema de sondeo para la PMN, y se mejorará en la próxima generación de instrumentos de sondeo, tales como AIRS y HIS. 8.3.3

8.3.3.1

Características de las nubes y de la superficie terrestre, y eliminación de nubes Observaciones de las nubes y de la superficie terrestre

El sistema elaborado en la Oficina Meteorológica de Reino Unido es característico de los que pueden utilizarse para extraer información sobre las nubes y la superficie. Aplica una sucesión de pruebas en cada píxel de una escena, para tratar de identificar nubes. La primera es una prueba de discriminación en el infrarrojo; esencialmente, se considera que todo píxel cuya temperatura es inferior a una temperatura especificada contiene nubes. En la segunda se examina la varianza local de las temperaturas en una imagen. Los elevados valores indican combinaciones de píxeles despejados y nubosos o de píxeles que contienen nubes a diferentes niveles. Los valores reducidos a bajas temperaturas indican píxeles totalmente nubosos. Las temperaturas pirométricas de un objeto en diferentes canales dependen de las variaciones con la longitud de onda, de la emisividad del objeto y de la atenuación de la radiación por la atmósfera. En las nubes delgadas, las temperaturas en el canal 3 AVHRR (3,7 µm) (anexo 8.A) son más cálidas que las del canal 4 (11 µm) (véase la figura 8.11a). Lo mismo ocurre con las nubes bajas espesas, lo cual es la base del sistema de detección de la niebla descrito por Eyre, Brownscombe y Allam (1984) (véase la figura 8.11b). La diferencia entre los canales 4 y 5 AVHRR (11 µm y 12 µm) es sensible al espesor de la nube y al contenido en vapor de agua de la atmósfera. Aplicando un umbral a esta diferencia se facilita la detección de cirros delgados. Durante el día puede utilizarse también la radiación solar reflejada, corregida para eliminar los efectos

II.8-19

de las variaciones de elevación del Sol. Mediante una prueba de umbral se separan las nubes brillantes de las superficies oscuras. En una cuarta prueba se aplica la relación entre la radiancia en el canal 2 cerca del infrarrojo (0,9 µm) y la del canal 1 (0,6 µm) en el visible. Esta relación tiene un valor: a) próximo a la unidad para las nubes; b) de 0,5 aproximadamente para el agua, debido a la mayor retrodifusión por los aerosoles en longitudes de onda cortas; c) de 1,5 aproximadamente para la tierra firme, y en particular para la vegetación en crecimiento, debido a la elevada reflectancia de las estructuras frondosas cerca del infrarrojo. Una vez que se localizan los píxeles no contaminados por las nubes, aplicando esos métodos, es posible determinar algunos parámetros de la superficie. El más importante de ellos es la temperatura de la superficie del mar (punto 8.3.6). Las superficies en tierra firme tienen emisividades muy variables, lo que hace muy inciertos los cálculos. Se pueden extraer parámetros de nubes utilizando ampliaciones de las series de pruebas descritas anteriormente. Comprenden la temperatura en la cima de las nubes, la parte cubierta de nubes y el espesor óptico. La altura de la cima de las nubes puede calcularse de diversas formas. La más sencilla consiste en utilizar temperaturas pirométricas de uno o varios canales para calcular la temperatura en la cima de las nubes, y deducir la altura de un perfil de temperatura, derivada normalmente de un modelo numérico. Este método da buenos resultados para campos importantes de nubes estratiformes y cumuliformes, pero no para las nubes semitransparentes como los cirros o los campos de pequeñas nubes de cúmulos. Smith y Platt (1978) han mostrado cómo utilizar la ecuación de transferencia radiativa en pares próximos de canales HIRS para calcular la presión y, por lo tanto, la altura de cimas de nubes dispersas o delgadas, con errores comprendidos generalmente entre la mitad y la cuarta parte del espesor de las nubes de las capas semitransparentes. Debe destacarse que tales productos solo se pueden derivar de flujos de datos que contengan datos precisos de calibración. Esos datos solo pueden considerarse como imágenes cuando se visualizan en un dispositivo adecuado. Si bien la finalidad de derivarlos, en algunos casos, es obtener variables de entrada para modelos numéricos mesoescalares, visualizándolos puede obtenerse

II.8-20

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

0.7 0,7

11

ττ == 0.7 0,7

μm

Bs

0,4 0.4

11

8

Bs 3, 37.5 75µ m μm

–1 -2–2mm Radiancia (W µm-1 srsr–1-1 ) en Radiance (W mm ) at11 11µm mm

0.5 0,5

9

7

0,3 0.3

τBs

τBs 6

270

0,2 0.2

280

T11

290 T3.7 3,7

T8 300

–1 -2–2μm -1))en Radiancia (W µm-1 sr m Radiance (W mm sr–1 at 3,75 3.75µμm

0.6 0,6

10

(a)a)The effect of semi-transparent Efecto de nubes semitransparentes sobreon las radiances. radiancias cloud La radiancia de la superficie Bs se Surface radiance Bs is reduced reduce por nubes by semi-transparent cloud to τBs. semitransparentes a τ Bs . La Temperature correspondingato temperatura correspondiente τ Bs τBess más is higher for 3.7µμmmque than alta para 3,7 para for 11 11 µm.μm.

0,1 0.1

310

Temperatura (K) Temperature (K) 0.7 0,7

11 1.0 E11 ==1,0 11

EE3,7 0.85 3.7==0,85

m

0,4 0.4 33,. 7755 µμm

8 Bs

0.3 0,3

7

B3.7 3,7 0.2 0,2 EB3.7 3,7

6

-2 -1 sr–1-1) at 3.75 μm Radiance Radiancia(W (Wmm–2μm µm–1 sr ) en 3,75 µm

0.5 0,5

9

11 μ

–1 Radiancia m–2mm µm-1 sr m Radiance (W(W m-2 sr–1-1) )en at11 11µmm

b) Efecto de emisividad diferente

0.6 0,6

10

(b) The effect of different emissivity sobre las radiancias. on radiances. La radiancia recibida en el satelite,

Bsat, es: Radiance received at satellite, Bsat, is: Bsat = E B(T ) s Bsat = E B (Ts) donde E es la emisividad, B es la where E is emissivity; B is blackfunción de cuerpo negro y Ts es la body function; and Ts is surface temperatura de la superficie. temperature. Para nubes bajas y niebla: For low cloud fog; E11 µand m ≈ 1,0 ≈ 1.0 E11 μm E3,7 µm ≈ 0,85 La temperatura a E3.7 μm ≈correspondiente 0.85 E B(Ttemperature ) es más alta para 11 µm que The corresponding s para to E B3,7 (Tµs)m.is higher for 11 μm than for 3.7 μm.

0,1 0.1 270

280 T3.7 3,7

T11 290

300

310

Temperature (K) Temperatura (K) Figura 8.11. Cálculo de la temperatura en presencia de nubes

CAPÍTULO 8. OBSERVACIONES DESDE SATÉLITES

mucha información útil. Para definir determinados tipos de nubes, de nieve y de vegetación se emplean varias combinaciones de canales de radiómetro, como se muestra, por ejemplo, en la figura 8.12.

En este método, las radiancias medidas, R1 y R2, en dos campos de visión adyacentes (denominados a continuación “puntos”) de un canal de radiómetro pueden expresarse, en ciertas condiciones, como sigue:

Sondeos de la sonda vertical operativa del TIROS (TOVS) en presencia de nubes

8.3.3.2

II.8-21

R1 = N1 Rnublado + (1 – N1) Rdespejado R2 = N2 Rnublado + (1 – N2) Rdespejado

Eliminación de nubes Las radiancias en el infrarrojo resultan muy afectadas por la presencia de nubes, puesto que la mayoría son casi opacas en esta gama de longitud de onda. En consecuencia, los algoritmos utilizados en la extracción de la temperatura troposférica deben poder detectar las nubes que influyen notablemente en las radiancias y, de ser posible, tener en cuenta esos efectos. Esto se logra normalmente corrigiendo las radiancias medidas con el fin de obtener valores de “cielo despejado”, es decir, las radiancias que se medirían a partir de los mismos perfiles de temperatura y de humedad sin nubes. En muchos sistemas de extracción, el proceso de inversión convierte radiancias de cielo despejado en parámetros de la atmósfera, por lo que se requiere una fase preliminar de eliminación de nubes. Numerosos algoritmos elaborados son variantes del campo de visión adyacente o método N* (Smith, 1985). A1 – A2

(8.15)

donde Rdespejado y Rnublado son respectivamente, las radiancias propias de las condiciones de cielo despejado y cielo totalmente cubierto; N1 y N2 son las fracciones efectivas de cielo cubierto en los puntos 1 y 2. Para derivar esas ecuaciones se ha partido de las siguientes hipótesis: a) el perfil atmosférico y las características de superficie son iguales en los dos puntos, b) solo hay una capa de nubes, c) la altura (y la temperatura) de la cima de las nubes son iguales en los dos puntos. Si las coberturas de nube fraccionales en los dos puntos difieren (N1 ≠ N2) las ecuaciones 8.15 pueden resolverse simultáneamente para obtener la radiancia de cielo despejado: R1N*R2 Rdespejado = ———— 1 – N*

(8.16)

en donde N* = N1/N2.

T3 – T4

Nieve Snow 25

50

Ns

Sea Mar

Cb

Sg/apr.

Ac

Ci/sea Ci/mar 30

0

Ac

Cu/la

Sg/sum.

Destello Sunglint solar

Ci/la

T Li ae nrr da –25

Cb

St

Ci/la

Ns

Sc St

25

50

75

100

125

150

A1

a)(a)ElSnow, espacio está caracterizado por nieve, cumulonimbos (Cb), nimboscumulonimbus (Cb), nimbostratus (Ns), altocumulus (Ac), cumulus (Cu) tratos (Ns),cirrus altocúmulos (Ac),sunglint, cúmulos (Cu) sobre over land, (Ci) over land, land andsobre sea intierra, the A1 cirros – (A1 –(Ci) A2) feature tierra, destello solar, tierra y mar en A1 – (A1 – A2). La figura se ha extraído de figure ispara extracted from the databaseyfor summer, NOAA-10 anddea 40º sun laspace. baseThe de datos el verano, NOAA-10, una elevación del Sol elevation around 40°. aproximadamente.

Cu over sobreland tierra 10 Cu Ci/sea Ci/mar Tierra Land 25 50 MarSea

Nieve Snow 75

100

125

150

A1

b) espacio está caracterizado clases de From objetos en A1database – (T3 – T4). Desde (b)ElObject classes in the A1 – (T3 – T4)por feature space. the same la misma de base de datos que en a). La separabilidad section as insección (). Separability of snow and clouds is apparent. A problem is thede la nieve y las nubes es aparente. Unsunglint problema es la distinción de estratos destello solar discrimination of stratus and (Sg) during summer. Sunglint/spring (Sg) durante el verano. Tambien se incluye el destello solar/primavera. is also included.

Figura 8.12. Identificación de propiedades de las nubes y de la superficie

II.8-22

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Este método se ha elaborado considerablemente, utilizando los canales HIRS y MSU, cuya resolución horizontal basta para que las hipótesis resulten con suficiente frecuencia. En este método se utiliza la regresión entre mediciones superpuestas en el canal MSU2 y los canales HIRS, y los coeficientes se actualizan regularmente, en general una vez por semana. Ahora se aplican métodos más recientes, en que se utilizan datos AVHRR para ayudar a aclarar el campo de visión HIRS. Además, es posible aplicar métodos de extracción física total, utilizando datos AVHRR y TOVS, en los que pueden calcularse explícitamente con las radiancias observadas la parte de cielo cubierto y la altura y cantidad de nubes.

8.3.4

Mediciones del viento

8.3.4.1

Vientos medidos por el desplazamiento de las nubes

Los vientos medidos por el desplazamiento de las nubes (CDW) se obtienen a partir de imágenes de satélites geoestacionarios que siguen la trayectoria de la cima de las nubes, normalmente durante dos períodos de media hora entre imágenes IR sucesivas. La exactitud de los vientos está limitada por el punto hasta el que el movimiento de las nubes representa el viento (por ejemplo, una aglomeración de nubes convectivas puede desplazarse a la velocidad de una perturbación atmosférica mesoescalar, y no a la velocidad de un viento identificable. También depende del grado a que es posible determinar una altura representativa de las nubes a partir de un campo de temperatura pirométrica. Además, la exactitud de los vientos depende del intervalo de tiempo y, hasta cierto punto, de las correlaciones entre las imágenes de nubes utilizadas en el cálculo, la resolución espacial de esas imágenes, el error en campos de primera aproximación, el grado a que el campo de primera aproximación limita la búsqueda de configuraciones correlacionadas en imágenes secuenciales, y la importancia del desarrollo que se produce en las nubes. Las diferencias de vector medio entre los CDW y los vientos medidos por radares de medición del viento hasta 100 nm fueron de 3, 5 y 7 m s–1 para nubes bajas, medias y altas, respectivamente, durante un mes. Eso indica que los errores son comparables, a bajos niveles, con los de las mediciones clásicas.

El proceso de estimación del viento es en general totalmente automático. Se eligen como objetivos zonas nubosas de unos 20 × 20 píxeles en las imágenes semihorarias, a partir de criterios que abarcan una gama apropiada de temperaturas pirométricas y gradientes dentro de cada zona experimental. Una vez elegidos los objetivos se realiza un seguimiento automático, utilizando normalmente un análisis numérico de 6 o 12 horas como campo de primera aproximación para buscar zonas objetivo bien correlacionadas. Pueden emplearse diferencias de la media cuadrática para comparar las series estadísticas de temperaturas pirométricas del objetivo y las zonas de búsqueda para evaluar el desplazamiento. La primera aproximación reduce el tamaño de la zona de búsqueda necesario para obtener el vector viento, pero limita también los resultados dentro de determinada gama del campo de viento previsto. Se asignan indicadores de error a cada medición sobre la base de diversas características que comprenden las diferencias entre los vectores semihorarios sucesivos y la diferencia entre la medición y el campo de primera aproximación. Esos indicadores de error pueden emplearse en análisis numéricos para ponderar debidamente los datos. El número de mediciones en cada hora sinóptica está limitado evidentemente por la presencia de nubes apropiadas, y es normalmente del orden de 600 vectores por hemisferio. En latitudes altas pueden utilizarse imágenes secuenciales procedentes de satélites en órbita polar para producir vectores del movimiento de las nubes en las latitudes a las que no llegan los satélites geoestacionarios. Una evolución subsiguiente de la misma técnica consiste en calcular los vientos de vapor de agua, utilizando imágenes de satélite sobre la distribución del vapor de agua. 8.3.4.2

Vientos de superficie medidos por un dispersómetro

El dispersómetro es un instrumento a bordo del satélite experimental ERS-1, que efectúa mediciones sistemáticas del viento en la superficie del mar. Esta técnica se aplicará normalmente en los satélites que se están preparando. Tan pronto se hubo generalizado la utilización del radar de microondas en el decenio de 1940, se observó que en ángulos de elevación reducidos el

CAPÍTULO 8. OBSERVACIONES DESDE SATÉLITES

terreno circundante (o, en el mar, las olas) provocaba grandes ecos no deseados. Desde entonces, los proyectistas y los usuarios de equipo de radar han tratado siempre de reducir ese ruido. Quienes investigan el efecto observaron que el eco retrodifundido desde el mar aumentaba con la velocidad del viento, lo que ofrecía la posibilidad de medir el viento a distancia. Los radares concebidos para medir ese tipo de eco se denominan “difusómetros”. La retrodifusión se debe principalmente a las reflexiones en fase desde una superficie rugosa; para los ángulos de incidencia de más de 20º con relación a la vertical esto se produce cuando se cumple la condición de Bragg:

Λ sin θi = n λ /2

64 π 3 R 4 P α = R⋅ 2 PT λ LS G02 (G / G0 )2 A 0

dirección 0º corresponde al viento ascendente, 90º al viento de través y 180º al viento descendente. La ESA tiene cierto número de experimentos coordinados para confirmar estos tipos de curvas a 5,3 GHz, que es la frecuencia de funcionamiento de este instrumento a bordo del satélite ERS-1. Se han efectuado mediciones con varios difusómetros aerotransportados cerca de barcos y boyas con instrumentos, en el mar del Norte, en el Atlántico y en el Mediterráneo. Los datos σ 0 se correlacionan luego con el viento de superficie, ajustado a una altura normal de anemómetro de 10 m (suponiendo una estabilidad neutra). Se ha adaptado a estos datos una función de modelo empírica con la siguiente forma:

(8.17)

en donde Λ es la longitud de onda de la rugosidad de superficie; λ es la longitud de onda del radar; θi es el ángulo de incidencia y n = 1, 2, 3 ... La difusión de Bragg de primer orden (n = 1), en las frecuencias de microondas, se debe a las pequeñas ondulaciones (garras) generadas por la tensión instantánea del viento de superficie. El nivel de retrodifusión de un objetivo ampliado como la superficie del mar, se denomina generalmente “sección transversal de radar normalizado” (NRCS) o σ 0. Para una geometría y una potencia transmitida dadas, σ 0 es proporcional a la potencia recibida de nuevo en el radar. En términos de otros parámetros de radar conocidos o mensurables: (8.18)

en donde PT es la potencia transmitida y PR la potencia recibida de nuevo en el radar; R es la distancia real hasta el objetivo de área A; λ es la longitud de onda del radar; Ls comprende la atenuación atmosférica y otras pérdidas del sistema; G0 es la ganancia de antena de cresta; y G/G0 es la ganancia relativa de la antena en dirección al objetivo. La ecuación 8.18 se denomina con frecuencia ecuación del radar. σ 0 puede expresarse en forma lineal (como anteriormente) o en decibelios, es decir, σ 0dB = 10 log10 σ 0lin · La evidencia experimental extraída de los difusómetros que operan sobre el océano muestra que σ 0 aumenta con la velocidad del viento de superficie (medida por barcos o boyas); disminuye con el ángulo de incidencia, y depende también del ángulo de haz del radar con relación a la dirección del viento. La figura 8.13 es una representación de los datos de aeronave σ 0 con relación a la dirección del viento para diferentes velocidades de este. La

II.8-23

σ 0 = a0 · U γ (1 + a1cos φ + a2cos φ )

(8.19)

en donde los coeficientes a0, a1, a2 y γ dependen del ángulo de incidencia. Este modelo relaciona la velocidad del viento en estabilidad neutra a 10 m, U, y la velocidad del viento con relación al radar, φ, con la NRCS. También puede ocurrir que σ 0 sea una función de la temperatura de la superficie del mar, del estado del mar y de las capas en superficie (naturales o artificiales, pero todavía no se ha demostrado que estos parámetros tengan un efecto significativo sobre la exactitud de extracción del vector viento. Como σ 0 muestra una clara relación con la velocidad y la dirección del viento, en principio, la

Velocidad de viento(m (ms-1 s–1)) Gama Wind-speed Range (dB) (dB)

° (dB) 0 –2

30

42

25

40

20

37

15

34

10

29

5

20

–4 –6 –8

–10

–12 –14

0

90

180

270

360

Dirección viento (grados) Winddel direction (°)

Figura 8.13. Retrodifusión medida, σ 0 (en decibelios), con respecto a la dirección del viento relativa para diferentes velocidades del viento. Datos para 13 GHz, polarización vertical.

II.8-24

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

medición de σ 0 en dos o más ángulos acimutales diferentes permite extraer la velocidad y la dirección del viento. Pero la dirección extraída puede no ser única; es posible que haya direcciones ambiguas. En 1978 se lanzó el primer difusómetro eólico a bordo de un satélite —difusómetro del satélite SEASAT-A (SASS)— y demostró eficientemente la exactitud de esta nueva forma de medición. La especificación correspondía a exactitudes cuadráticas medias de 2 m s–1 para la velocidad del viento y de 20° para la dirección. Las comparaciones con mediciones tradicionales del viento mostraron que esos valores se alcanzaban si se conocía la dirección aproximada del viento, a fin de elegir la mejor de la serie ambigua de direcciones dadas por el SASS. El instrumento SASS utilizaba dos haces en ambos lados del vehículo espacial, en tanto que el difusómetro ERS-1 empleaba un tercer haz central para mejorar la discriminación de la dirección del viento, pero solo se trata de un instrumento unilateral, por lo que su cobertura es menor. Cada una de las tres antenas produce un haz estrecho de

energía de radar en el sentido horizontal, pero amplio en el vertical, lo que se traduce en una banda estrecha de iluminación de la superficie del mar a través de los 500 km de anchura de la zona explorada. A medida que el satélite avanza, el haz central, y luego el trasero, efectúan mediciones de la misma parte del océano que el haz delantero. Por tanto, cada parte de la zona explorada, dividida en cuadrados de 50 km, es objeto de tres mediciones σ 0 realizadas en diferentes direcciones con relación al vector viento de superficie local. La figura 8.14 muestra la cobertura del difusómetro para el Atlántico Norte en 24 horas. Esas zonas exploradas no son estáticas, sino que “se desplazan” hacia el oeste los días siguientes para llenar los grandes vacíos. Incluso así, la cobertura no es total debido a que la anchura de la zona explorada es relativamente pequeña con relación, por ejemplo, al tomavistas AVHRR a bordo de los satélites NOAA. Sin embargo, se dispone potencialmente de un viento cada 50 km en la zona abarcada, globalmente, y la ESA lo transmite a los usuarios operativos en las tres horas siguientes a la medición. Los datos

N Kiruna

60°

27:30

23:00 13:20

15:00

20:00 10:00

11:40 00:30 40°

80°

40°

0°

W

Figura 8.14. Trayectorias subsatelitales del ERS-1 y cobertura de difusómetro del viento de la región del Atlántico Norte durante un día. Los grandes vacíos se llenan parcialmente los días subsiguientes; normalmente, esto ocurre en un ciclo de tres días. La línea de trazos muestra los límites de recepción de la estación terrena de Kiruna, en Suecia.

CAPÍTULO 8. OBSERVACIONES DESDE SATÉLITES

brutos del instrumento se registran a bordo y se retransmiten a estaciones terrenas de la ESA en cada órbita; la estación principal se encuentra en Kiruna, en el norte de Suecia, en donde se derivan los vectores viento. Como ya se ha dicho, el difusómetro mide principalmente el nivel de potencia de la retrodifusión en determinado lugar y a diferentes ángulos acimutales. Como conocemos la geometría, por ejemplo el alcance y los ángulos de incidencia, se puede utilizar la ecuación 8.18 para calcular tres valores de σ 0 para cada célula. Se debe poder utilizar la función modelo (ecuación 8.19) para extraer los dos elementos de información requeridos —la velocidad y la dirección del viento— utilizando dos ecuaciones simultáneas apropiadas. Sin embargo, en la práctica no es posible; los tres σ 0 comprenderán un error de medición finito, y la propia función es fuertemente no lineal. En realidad, el modelo, basado inicialmente en datos de aeronave, puede no ser aplicable en todos los casos. La velocidad y la dirección del viento pueden extraerse numéricamente, en general minimizando una función de la forma siguiente: 3

R=

∫ i =1

⎡ σ io0

o0

− σ (U , φiθi )⎡

σ i0 Kpi

2

(8.20)

donde R es efectivamente la suma de los cuadrados de los errores residuales, comparando los valores medidos de σ 0 con los de la función modelo (utilizando una estimación de la velocidad y de la dirección del viento), ponderada por el ruido en cada haz, Kpi vinculada con la relación señal/ruido. La estimación del vector viento se afina para minimizar R. Partiendo de direcciones del viento con primeras aproximaciones diferentes, la solución numérica puede converger en hasta cuatro vectores viento distintos, o ambiguos, aunque con frecuencia solo dos son manifiestamente distintos: separados generalmente por 180º. Una de estas dos soluciones es la “correcta”, puesto que es la más próxima a la dirección real del viento y se sitúa dentro de las exactitudes cuadráticas medias requeridas de 2 m s–l y 20°. Se han desarrollado algoritmos para elegir cuál de la ambigua serie de soluciones es la correcta. También se han utilizado campos de viento de modelo numérico como primeras aproximaciones para ayudar en tales análisis. Se está trabajando con datos del ERS-1 para calibrar y validar los vientos obtenidos por satélite a partir de mediciones en superficie y a baja altitud por aeronaves.

8.3.4.3

II.8-25

Velocidad del viento de superficie medida por radiómetro de microondas

El sensor especial tomavistas en microondas (SSM/I) a bordo del satélite DMSP suministra datos sobre las temperaturas pirométricas radiométricas en varias frecuencias (19; 22; 37 y 85,5 GHz) y tanto en la polarización vertical como en la horizontal. Se han desarrollado varios algoritmos para medir diversos parámetros meteorológicos. Las velocidades del viento de superficie sobre el mar (no sobre tierra) pueden medirse con una exactitud de unos metros por segundo utilizando una ecuación de regresión de las temperaturas pirométricas en varios canales. Continuan los trabajos para verificar y desarrollar esos algoritmos, que todavía no se emplean operativamente. 8.3.5

Precipitación

8.3.5.1

Técnicas en el espectro visible y en el infrarrojo

Las técnicas en el espectro visible y en el infrarrojo se derivan de las estimaciones cualitativas o cuantitativas de la precipitación realizadas a partir de imágenes de satélites, a través de relaciones indirectas entre la radiación solar reflejada por las nubes (o las temperaturas pirométricas de las nubes) y la precipitación. Se han desarrollado y experimentado varios métodos en los últimos 15 años, con más o menos éxito. Existen dos procedimientos fundamentales, a saber, las técnicas de “historial” y de “indización de nubes”. En el primer tipo se utilizan datos de satélites geoestacionarios que producen imágenes generalmente cada media hora. Se aplica sobre todo en sistemas convectivos. En el segundo tipo, basado también en la clasificación de las nubes, no se requiere una serie de observaciones consecutivas del mismo sistema nuboso. Procede señalar, empero, que hasta ahora ninguna de esas técnicas ha resultado “transportable”. En otras palabras, las relaciones derivadas para determinada región y para un período de tiempo dado pueden no ser válidas para una región distinta, una estación distinta, o ambas. Entre otros problemas figuran las dificultades para definir los límites de lluvia/no lluvia y la incapacidad de tratar las características de la lluvia a escala media o escala local. Los científicos que trabajan

II.8-26

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

en este campo son conscientes de estos problemas, por lo que es práctica corriente hablar de la derivación de “índices de precipitación”, en lugar de intensidad de la lluvia. 8.3.5.2

Métodos de indización de las nubes

La indización de las nubes fue la primera técnica desarrollada para estimar las precipitaciones desde el espacio. Se basa en la hipótesis de que la probabilidad de precipitación en una región dada está relacionada con la cantidad y el tipo de nubes sobre esa región. Por tanto, se puede decir que la precipitación puede caracterizarse por la estructura de la superficie superior de la nubosidad asociada. Además, en el caso de una precipitación convectiva, también puede decirse que existe una relación entre la capacidad de una nube cumuliforme para producir lluvia, así como sus dimensiones vertical y horizontal. La extensión vertical de una nube convectiva está relacionada con la temperatura pirométrica de su cima (las cimas de nubes más altas corresponden a temperaturas pirométricas más frías). Por consiguiente, se trata de realizar un análisis de la estructura de la nube (objetivo o subjetivo), basado en la definición de un criterio que vincula la nubosidad con un coeficiente (o índice) de precipitación. Esta característica puede ser, por ejemplo, el número de píxel de imagen por encima de determinado umbral. El procedimiento general en los métodos de indización de las nubes en que intervienen observaciones en el infrarrojo consiste en derivar una relación entre el índice de precipitación (PI) y una función de la zona de la superficie nubosa, S(TBB), asociada a la temperatura pirométrica de fondo (TBB) más fría que un valor umbral dado T0. Esta relación puede expresarse generalmente como sigue:

PI = Ao +

Σ A , S (TBBi) i

i

I

(8.21)

i

para TBBi < T0 .

I

Si se desea, puede incluirse, a la derecha de la ecuación 8.21, un término adicional vinculado con la imagen visible. La fase siguiente consiste en relacionar PI con una magnitud física que corresponda de alguna manera a la lluvia. Esto se hace ajustando los coeficientes A y el nivel umbral T0 por comparación con observaciones independientes como las realizadas con pluviómetros o datos de radar.

Uno de los problemas propios de esta técnica es el error que crea la presencia potencial de nubes sin precipitación en capas altas, como los cirros. Otra limitación se debe a que la medición por satélite representa una observación instantánea integrada en el espacio, en tanto que las observaciones con pluviómetros están integradas en el tiempo en un lugar dado. 8.3.5.3

Métodos de historial

Estos métodos, como indica su nombre, se basan en la observación de una serie de imágenes consecutivas obtenidas por un satélite geoestacionario. Se ha observado que la cantidad de precipitación asociada a determinada nube está relacionada también con su fase de desarrollo, por lo que dos nubes que presenten el mismo aspecto (desde el punto de vista de las imágenes VIS-IR) pueden producir cantidades diferentes de lluvia según se estén desarrollando o perdiendo intensidad. Lo mismo que con la técnica de indización de nubes, se deriva una relación entre un índice de precipitación (PI) y una función del área de la superficie nubosa, S(TBB), asociada a una temperatura pirométrica dada (TBB) sobre determinado nivel umbral. Además, se tiene en cuenta la evolución de la nube, y se expresa en términos de tasa de variación de S(TBB) entre dos observaciones consecutivas. Se puede derivar una ecuación, tan compleja como se desee, entre PI y las funciones de S(TBB) y su derivada con respecto al tiempo:

PI = A + A, S(TBB ) + A

d S (TBB) dt

(8.22)

para TBB < T0 . También en este caso es necesaria otra fase para relacionar el índice de precipitación definido por la ecuación con una magnitud física correspondiente a la lluvia. Muchas de esas relaciones figuran ya en publicaciones que se han discutido ampliamente y han mostrado que, al menos en un caso, teniendo en cuenta la evolución de la nube con el tiempo se agrega una complejidad innecesaria y se puede lograr un resultado comparable mediante una sencilla técnica de indización de nubes. Recientemente se ha introducido más física en los diversos esquemas. Las mejoras comprenden:

CAPÍTULO 8. OBSERVACIONES DESDE SATÉLITES

II.8-27

a) utilización de modelos de nubes para tener en cuenta la precipitación estratiforme asociada a menudo con lluvias convectivas, y para ayudar a clasificar las nubes; b) utilización de la microfísica de las nubes, como las relaciones entre tamaño de las gotas/intensidad de la lluvia; c) introducción de observaciones simultáneas de vapor de agua en la troposfera superior; d) introducción de un lapso de tiempo entre las observaciones realizadas por satélite y las mediciones en tierra.

temperatura pirométrica de fondo (TBB) en la superficie del océano es mucho más fría en microondas. En tierra, la emisividad se aproxima a uno, pero varía considerablemente con la humedad del suelo.

También es evidente que los datos de satélite pueden utilizarse con las observaciones de radar, no solo para validar un método, sino también como instrumento complementario. FRONTIERS (Forecasting Rain Optimized using New Techniques of Interactively Enhanced Radar and Satellite — Predicción de la lluvia optimada utilizando nuevas técnicas de radar y satélite interactivamente mejoradas), desarrollado por la Oficina Meteorológica de Reino Unido, representa un ejemplo de uso combinado de imágenes de satélite y observaciones de radar.

8.3.6

Se han efectuado y publicado numerosas comparaciones entre diferentes métodos aplicados a los mismos casos experimentales, pero hay que ser sumamente prudentes en cuanto a todo juicio definitivo sobre el éxito (o falta de éxito) de los métodos VIS-IR. El grado de éxito está muy vinculado a las escalas espaciales y temporales consideradas, y no cabe esperar que una regresión desarrollada y probada para utilizarla en estudios sobre el clima pueda ser igualmente válida para estimar una precipitación a escala media. También debe tenerse presente que siempre es fácil ajustar los coeficientes de regresión para un caso particular y pretender que se ha validado el método. 8.3.5.4

Técnicas de microondas

Las mediciones VIS-IR solo representan observaciones de la superficie superior de las nubes. En cambio, con frecuencia se cree que la radiación en microondas no resulta afectada por la presencia de nubes. En general, esto no es cierto. Su grado de validez varía según la frecuencia de microondas utilizada y el tipo de nube observada. Una importante diferencia entre la radiación en infrarrojo y microondas es que mientras que la emisividad de la superficie del mar es casi igual a uno en el infrarrojo, su valor (aunque variable) es mucho menor en la región de microondas (en el caso que nos ocupa, de 5 a 200 GHz). Por lo tanto, la

En cuanto a las microondas, hay varios efectos diferentes asociados a la presencia de nubes sobre el océano. Dependen mucho de la frecuencia. Se están elaborando métodos activos (radar a bordo de un vehículo espacial) con fines experimentales. Temperaturas de la superficie del mar

Las mediciones por satélite de la radiación emitida por la superficie del mar pueden utilizarse para derivar estimaciones de la temperatura de la superficie del mar (TSM), como complemento de los sistemas de observación in situ (por ejemplo, barcos, boyas a la deriva), a fin de emplearlas en aplicaciones meteorológicas u oceanográficas en tiempo real y en estudios sobre el clima. Si bien los satélites miden la temperatura de una capa del océano inferior a 1 mm de espesor, los datos de satélite se compararán muy favorablemente con los convencionales. La gran ventaja de los datos de satélite es que su cobertura geográfica rebasa generalmente con mucho la de los medios tradicionales. También, en muchos casos, la frecuencia de las observaciones por satélite es mejor que la obtenida con boyas a la deriva, si bien esto depende, entre otras cosas, del satélite y de la latitud de observación. Las mediciones TSM por satélite se hacen la mayoría de las veces en longitudes de onda del infrarrojo, y en menor grado en hiperfrecuencias. Normalmente se utilizan radiómetros de exploración. En el IR, lo esencial de la derivación consiste en eliminar todos los píxeles contaminados por las nubes y en corregir las temperaturas pirométricas medidas para la atenuación por el vapor de agua. La identificación de píxeles sin nubes debe hacerse con sumo cuidado, para tener la seguridad de que las radiancias del océano no resultan afectadas por las nubes, que generalmente irradian a temperaturas mucho más frías que la superficie del océano. Se han desarrollado algoritmos con el fin concreto de eliminar las nubes en las mediciones TSM en el IR (por ejemplo, Saunders y Kriebel, 1988). Las TSM por satélite en el IR pueden derivarse únicamente en zonas exentas de nubes, en tanto que en longitudes de onda de hiperfrecuencias la atenuación por las nubes es mucho más débil, hasta el punto de que, salvo en situaciones de fuerte

II.8-28

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

convección, se dispone de mediciones de datos en microondas. El inconveniente de los datos de microondas es que la resolución espacial del instrumento es normalmente de varias decenas de kilómetros, en tanto que en el IR es de 1 a 5 km aproximadamente. Las mediciones TSM en microondas se tratan en Alishouse y McClain (1985). 8.3.6.1

Instrumentos

Técnicas de infrarrojo

La mayoría de las mediciones por satélite se realizan en la ventana atmosférica de 10,5 a 12,5 µm, para la que las correcciones de las temperaturas pirométricas medidas, en razón de la atenuación por el vapor de agua, pueden llegar hasta 10 K en atmósferas húmedas cálidas (tropicales). En las técnicas de derivación TSM se aborda normalmente este problema en una de las dos formas siguientes. En el método de longitudes de trayectos diferentes (multivisión), las observaciones se efectúan en el mismo lugar del mar, desde distintos ángulos. Como la atenuación de la atmósfera es proporcional a la longitud del trayecto, pueden utilizarse mediciones desde dos ángulos de visión para corregir la atenuación. Un ejemplo de instrumento en el que se aplica esta técnica es el radiómetro de exploración en el sentido de la trayectoria (ATSR), una nueva generación de radiómetros IR con doble ángulo de visión del mar, fabricado especialmente para proporcionar mediciones TSM exactas (Prata y otros, 1990). Va a bordo del satélite de teledetección ERS-l de la Agencia Espacial Europea, lanzado en julio de 1991. En la técnica de ventanas divididas, las correcciones de la atenuación atmosférica pueden hacerse en razón de la absorción diferencial en determinada región ventana de la atmósfera (por ejemplo, 10,5 a 12,5 µm), y de la naturaleza de absorción de vapor de agua, que depende mucho de la longitud de onda. Las distintas temperaturas pirométricas de IR medidas para dos longitudes de onda cualesquiera en la ventana IR de 10 a 12 µm confirman los estudios teóricos que indican una relación sumamente lineal entre cualquier par de temperaturas IR y la corrección necesaria. Por consiguiente, la diferencia de atenuación atmosférica entre un par de longitudes de onda es proporcional a la diferencia de atenuación entre un segundo par. Se elige una ventana coma ventana perfecta (a través de la cual el satélite “ve” la superficie del océano) y una longitud de onda es común a los dos pares. Un algoritmo típico de ventana dividida tiene la forma siguiente: TS = a0 + T11 + a1 (T11 – T12)

En donde TS es la TSM; los valores de T son las temperaturas pirométricas a 11 o 12 µm, según se ha indicado, y a0 y a1 son constantes. Los algoritmos de esta forma general se han derivado para utilizarlos en mediciones diurnas o nocturnas, empleando varios canales IR (por ejemplo, McClain, Pichel y Walton, 1985).

(8.23)

Para las mediciones TSM se han utilizado varios instrumentos a bordo de satélites (véase Rao y otros, 1990); a) NOAA AVHRR; b) GOES VAS; c) NOAA HIRS/MSU; d) GMS VISSR; e) Seasat y Nimbus-7 SMMR (radiómetro multicanal de exploración en microondas); f) SSM/T (sondeador especial de temperatura en microondas) en el DMSP (Programa de satélites meteorológicos para la defensa). La fuente de TSM por satélite más utilizada, y con mucho, ha sido el AVHRR, en los canales 3, 4 y 5 (anexo 8.A). 8.3.6.2

Comparación con observaciones en tierra

Antes de considerar la comparación entre TSM derivadas por satélite con mediciones in situ es importante comprender lo que miden realmente los instrumentos del satélite. Entre unos 3 y 14 µm, los radiómetros a bordo solo miden la radiación emitida por una capa de “piel” de un espesor del orden de 1 mm. La temperatura física real de esa capa superficial puede diferir varios K de la temperatura del mar a un nivel inferior (por ejemplo a una profundidad comprendida entre algunos metros y varias decenas de metros), según las condiciones prevalecientes y cierto número de factores, tales como: a) la mezcla de las capas superiores del océano debido al viento, o al ajuste gravitacional durante la noche, una vez enfriadas las capas más altas por efecto radiativo; b) el calentamiento de la superficie del océano por la luz solar; c) la evaporación; d) la lluvia; e) las corrientes; f) el aumento y el descenso de las aguas. El mayor de estos problemas puede ser el calentamiento de la capa superior del océano en un día

CAPÍTULO 8. OBSERVACIONES DESDE SATÉLITES

tranquilo y soleado. Hasta cierto punto, la disparidad entre las TSM de satélite se evita utilizando los algoritmos diurnos y nocturnos, especialmente afinados para tener en cuenta los efectos oceánicos durante el día. Con frecuencia se prefieren las TSM de satélite nocturnas porque el efecto de piel y la termoclina oceánica son mínimos de noche. También debe recordarse que las mediciones por barco se refieren a un valor puntual de determinada profundidad (“temperatura de toma”) de 10 m o más, en tanto que el satélite mide la radiancia promediada en una gran superficie (de 1 a varias decenas o centenares de km2). Debe señalarse que la calidad de los datos de barco con frecuencia puede variar mucho. Rao y otros (1990) muestran una comparación entre las TSM de satélite multicanal a escala mundial con boyas a la deriva. El error es muy pequeño y la desviación cuadrática media es de 0,5 K. Comparaciones típicas de TSM de satélite en IR y datos in situ (por ejemplo, de boyas) muestran sesgos de 0,1 K como máximo, y errores en la gama de 0,4 a 0,6 K. Rao y otros (1990) muestran asimismo una comparación de TSM de satélites en microondas (con el instrumento SMMR) y observaciones de barco. El sesgo es de 0,22 K, y la desviación típica de 0,75 K, en un mes. En resumen, las TSM derivadas de satélites son una importante fuente de observaciones para aplicaciones meteorológicas y ocanográficas. Como los instrumentos a bordo de satélites proporcionan mediciones de la temperatura del mar muy distintas de las procedentes de barcos o boyas, hay que tener cuidado al fusionar los datos de satélite con datos clásicos. Sin embargo, muchos de estos posibles problemas de fusión de series de datos ligeramente dispares se han resuelto afinando minuciosamente algoritmos TSM de satélite, para tener la seguridad de que los datos obtenidos por satélite son coherentes con un punto de referencia definido por las observaciones de boyas a la deriva. 8.3.7

Humedad en la troposfera superior

El método utilizado para extraer valores de humedad en la troposfera superior (DTH) (a partir de datos de satélites geoestacionarios) se basa en la interpretación de las radiancias del canal de vapor de agua de 6,7 µm, y los resultados representan un valor medio a través de una espesa capa de la atmósfera, entre 600 y 300 hPa aproximadamente. Los

II.8-29

límites de esta columna atmosférica no pueden especificarse con precisión, porque la función de contribución del canal de vapor de agua varía en altitud proporcionalmente al contenido en vapor de agua de la atmósfera. El resultado del tratamiento del segmento ofrece una descripción de todas las superficies identificadas (nube, tierra o mar) y el producto DTH solo se deriva para segmentos que no contienen nubes medias ni altas. La resolución horizontal es la del segmento nominal, y los valores se expresan en porcentaje de humedad relativa. El producto se extrae de METEOSAT dos veces al día (sobre la base de los datos de imagen de 1100 y 2300 DTC), y se difunde por el SMT en clave SATOB de la OMM. 8.3.8

Ozono total

La luz ultravioleta solar que llega a la atmósfera es en parte absorbida y en parte retrodifundida al espacio. Como el ozono es el principal retrodifusor, el radiómetro de retrodifusión solar DV (SBDV), que mide las radiaciones DV retrodifundidas, permite calcular la distribución mundial y la variación temporal del ozono atmosférico. Las mediciones en la banda DV, de 160 a 400 pm, revisten ahora gran interés como indicador de posibles cambios climáticos. Además del SBUV, el espectrómetro cartográfico del ozono total (TOMS) a bordo del Nimbus-7, es un aparato monocromo para medir la radiación en seis bandas de 0,28 a 0,3125 µm. Desde hace más de un decenio proporciona estimaciones de ozono total hasta un 2 por ciento aproximadamente de los datos en tierra, y es una de las principales fuentes de datos en la vigilancia del “agujero de ozono”. En vez de medir las longitudes de onda UV o del espectro visible, una banda de absorción del ozono de 9,7 µm en el IR térmico ha permitido medir la densidad de la columna de ozono total, utilizando radiómetros a bordo de satélites con exploración del limbo o subsatelital (por ejemplo, los instrumentos TOVS a bordo de satélites NOAA comprenden un canal de 9,7 µm). La precisión de este tipo de medición por satélite comparada con los datos en tierra (por ejemplo, con el espectrofotómetro de Dobson) es de 10 por ciento aproximadamente, sobre todo a causa de la dependencia de un solo canal (véase Ma, Smith y Woolf, 1984). Cabe señalar que la enorme ventaja de los datos de satélite con respecto a los datos terrestres (sondas de ozono o mediciones de Dobson) es la cobertura

II.8-30

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

temporal y la gran cobertura espacial debido a las cuales esos datos son sumamente importantes para la vigilancia del agotamiento del ozono global, en particular sobre las regiones polares, donde las redes clásicas de observación son muy escasas. En el decenio de 1990 se han puesto en servicio nuevos instrumentos satelitales especializados, que miden los niveles del ozono u otros componentes conexos en la atmósfera superior. Estos comprenden varios instrumentos a bordo del satélite de investigación de la atmósfera superior (DARS) de la NASA; el instrumento de medición del ozono y los aerosoles polares (POAM II), a bordo del Spot-3, un satélite de teledetección lanzado en 1993; el experimento 3 sobre gases y aerosoles estratosféricos (SAGE Ill); y una serie de instrumentos que se prevé lanzar con los satélites no estacionarios en órbita polar del sistema de observación de la Tierra (EOS) a finales del decenio. 8.3.9

Detección de cenizas volcánicas

Las nubes de cenizas volcánicas presentan un grave peligro para la aviación. Tan solo desde 1970 ha habido un gran número de incidentes peligrosos y costosos con aviones a reacción que volaban por inadvertencia entre nubes de ceniza procedentes de volcanes, especialmente en la región Asia-Pacífico y en el arco del Pacífico, donde hay un gran número de volcanes en actividad. Como resultado de este problema, la OMM, la OACI y otras organizaciones han trabajado activamente para disponer de mejores sistemas de detección y aviso, a fin de reducir al mínimo los riesgos para los pasajeros y los aviones. La distinción entre nubes de ceniza volcánica y nubes normales (agua/hielo) a partir de imágenes de satélites en un solo canal en el espectro infrarrojo o visible es sumamente difícil, si no imposible, debido sobre todo a que las nubes de ceniza aparecen con frecuencia en regiones donde la nubosidad y la actividad de las tormentas son frecuentes, y a que ambos tipos de nubes son similares. Sin embargo, recientemente se han desarrollado técnicas para utilizar el canal de ventana dividida en el instrumento AVHRR de la NOAA para ayudar a distinguir las nubes de cenizas de las nubes normales, y mejorar la delimitación de las nubes de ceniza que pueden no ser visibles en imágenes IR de un solo canal. La técnica que se utiliza en el AVHRR se basa en que las propiedades microfísicas de las nubes de ceniza difieren de las propiedades de las nubes de agua/hielo en el IR térmico, de manera que por

encima de una nube de ceniza la diferencia de la temperatura pirométrica entre los canales 4 y 5 del instrumento AVHRR, T4 y T5, es normalmente negativa y llega hasta unos –10 K, en tanto que para las nubes de agua/hielo, los valores T4 y T5 son próximos a cero, o pequeños y positivos (Prata, 1989, y Potts, 1993). Este principio de detección de las nubes de ceniza volcánica se aplica actualmente en el desarrollo de radiómetros multicanal utilizados en tierra o a bordo de aeronaves. Se han efectuado muy pocos estudios con observaciones in situ de nubes de ceniza volcánica, con el fin de comprobar la calidad y la exactitud de la discriminación de este tipo de nubes, utilizando el AVHRR. Los informes de observaciones en tierra de erupciones volcánicas suelen utilizarse operativamente para indicar a los meteorólogos que las imágenes de los satélites pueden emplearse luego para vigilar la evolución y el movimiento subsiguientes de las nubes de ceniza. Procede señalar que la técnica tiene sus limitaciones; por ejemplo, en los casos en que las nubes de ceniza pueden dispersarse, y la radiación subyacente de las nubes de agua/hielo y de las superficie mar/tierra puede dar como resultado valores T4 y T5 próximos de cero o positivos, en lugar de negativos, como cabría esperar por encima de las nubes de ceniza volcánica. 8.3.10

Índices normalizados de diferencia de vegetación

Las observaciones por satélite pueden utilizarse para identificar y vigilar la vegetación (Rao y otros, 1990). Las aplicaciones comprenden la vigilancia de cultivos, la deforestación, la ordenación forestal, la evaluación de la sequía y la vigilancia de las crecidas. La técnica se basa en que la reflectancia de la vegetación rica es débil en longitudes de onda del espectro visible, pero muy fuerte en la región de 0,7 a 1,3 µm (debido a la interacción de la radiación incidente con la clorofila). Sin embargo, la reflectancia del suelo y del mar sigue siendo baja en las regiones próximas al IR y al visible. De ahí que en las técnicas de evaluación de la vegetación por satélite se utilice generalmente la diferencia de reflectividad entre un canal en el visible y un canal cerca del IR de 1 µm aproximadamente. Por ejemplo, el índice normalizado de diferencia de vegetación (NDVI) obtenido con datos AVHRR, cuyo uso está muy generalizado, se define como: NDVI = (Ch2 – Chl)/(Ch2 + Chi)

(8.24)

CAPÍTULO 8. OBSERVACIONES DESDE SATÉLITES

Los valores de este índice se sitúan generalmente en la gama de 0,1 a 0,6 por encima de la vegetación, y los valores más altos están asociados a un mayor verdor y una mayor densidad de la cubierta vegetal. En cambio, sobre nubes, nieve, agua o rocas, el NDVI esta muy próximo de cero o es negativo.

II.8-31

requeridas para las mediciones por satélite. Lo mismo que las mediciones TSM por satélite, el tratamiento de datos satelitales de NDVI conlleva numerosas correcciones para la geometría de la visión del satélite y la iluminación solar, los efectos atmosféricos, tales como aerosoles y vapor de agua, las características de calibración del instrumento, etc. Asimismo, al comienzo se procede también a eliminar nubes para obtener píxeles sin nubes.

La vigilancia de la vegetación por satélite se utilizó ampliamente por primera vez a mediados del decenio de 1970. Desde entonces se ha perfeccionado, principalmente como resultado del mejor conocimiento gradual teórico de la compleja interacción entre la vegetación y la radiación incidente, y también del mejor conocimiento de las características del instrumento a bordo y de las correcciones

Los tres principales instrumentos utilizados en la vigilancia de la vegetación por satélite son el AVHRR de la NOAA, y el Explorador Multiespectral y el Instrumento de Cartografía Temática de Landsat.

Lugares Locations 1.0 1,0 0.9 0,9 0.8 0,8

Ararat

★

Lilydale

●

Yallourn

■

Loy Yang

▲

Vegetation index V0V0 Índice de vegetación

0.7 0,7 0.6 0,6

● ★ ●

0.5 0,5 ● ●

0.4 0,4 ▲ ■

0.2 0,2

★

●

▲

●

▲

● ● ■

●

■

▲

■

● ●

●

■

★

★ ■★ ■ ● ▲ ■

▲

★

0,3 0.3

●

▲

▲ ★

●

★ 0.1 0,1

★ ★ ★ 0

★ ★ ★ 100

200

300

400

500

Fuel moisture F. M. C.content (%) (%)

Very Muyhigh alto

High Alto

Medium Medio

Low Bajo

NivelLevel de inflamabilidad (incendio potencial) of flammability (fire potential)

Figura 8.15. Índice de vegetación observado por satélite de cobertura total en función del contenido de humedad del combustible. Cada punto es un lugar determinado medio en un tiempo de muestreo dado (véase el texto).

II.8-32

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

La interpretación de los NDVI y su aplicación a diversos sectores de la meteorología o a la ciencia del sistema terrestre se basan en la comprensión de lo que mide exactamente el instrumento del satélite, lo cual es un complejo problema porque en el campo de visión las hojas verdes pueden orientarse a diferente ángulos, y puede haber distintos tipos de vegetación, así coma partes del campo de visión sin vegetación alguna. Sin embargo, el NDVI se correlaciona con parámetros medidos en tierra, como se indica en la figura 8.15 (Paltridge y Barber, 1988), que muestran un NDVI (denominado V0) trazado teniendo en cuenta el contenido de humedad de los combustibles (FMC), derivado de las muestras de vegetación tomadas en tierra, en diferentes lugares vistos por el instrumento AVHRR de la NOAA. El gráfico muestra que el NDVI guarda una buena correlación con el contenido en humedad de los combustibles, salvo más allá de un valor crítico de FMC en el que la vegetación es muy verde, y con respecto al cual el NDVI se mantiene constante. Por lo tanto, el NDVI puede ser muy útil en las predicciones meteorológicas de los incendios. En la figura 8.16 (Malingreau, 1986) se muestra el NDVI en un período de tres años, para una zona de arrozales de Tailandia. Las crestas en el NDVI 0.6 0,6 0.5 0,5

a) Curva de desarrollo de un NDVI para el arroz de regadío en la llanura

(a) NDVI development curve for irrigated rice in the Bangkok Plain (Thailand) de Bangkok (Tailandia)

Dry Rainy Estación Estación season season seca lluviosa

0.4 0,4

NDVI

0.3 0,3 0.2 0,2 0.1 0,1

corresponden a los cultivos de arroz en estación seca y en estación húmeda. 8.3.11

Otros parámetros

Actualmente se estiman mediante satélite otros parámetros, entre ellos diferentes gases traza atmosféricos, humedad del suelo (a partir de datos de radar de apertura sintética (ERS-1)), el vapor de agua integrado (SSM/I), el agua líquida en las nubes (SSM/I), la distribución de las aguas de crecidas, y el balance de radiación de la tierra (ERBE) (a bordo de satélites no geoestacionarios en órbita polar de la NOAA). La presión atmosférica no se ha medido aún en forma fiable desde el espacio. La inestabilidad atmosférica puede medirse a partir de los perfiles de temperatura y de humedad. Se ha podido realizar un eficaz seguimiento de los incendios de montes bajos con instrumentos a bordo de satélites, especialmente el AVHRR de la NOAA (por ejemplo, Robinson, 1991). El canal 3 (en la ventana de 3,7 µm) es sumamente sensible a la presencia de “puntos calientes”, es decir, regiones en las que la temperatura pirométrica puede variar de 400 K a unos 1 000 K. Es sensible debido a la fuerte sensibilidad térmica de la función de Planck y a la cresta de la radiancia de un cuerpo negro a partir de objetos calientes a unos 4 µm. Los puntos calientes destacan muchísimo en las imágenes del canal 3, lo que permite detectar con exactitud el frente de un incendio. En combinación con las imágenes del canal 1 y del canal 4, que pueden utilizarse para identificar el humo y las nubes, respectivamente, las del canal 3 son muy útiles para detectar incendios.

0.0 0,0 –0.1 –0,1 –0.2 –0,2

A M J J A S O N D EJ F M A M J J A S O N D EJ F M A M J J A S O N D EJ F M

1982 0.6 0,6 0.5 0,5

1983

1984

1985

b) Curva de desarrollo de un NDVI para el sistema de cultivo de trigo y

(b) NDVI curve for cropping system of the Jiangsu Province (China) arrozdevelopment de la provincia dewheat-rice Jiansu (China)

0.4 0,4

Arroz Rice

0.3 0,3

NDVI

Trigo Wheat

0,2 0.2 0,1 0.1 0,0 0.0

–0,1 –0.1 –0.2 –0,2

A M J J A S O N D E J F M A M J J A S O N D EJ F M A M J J A S O N D EJ F M

1982

1983

1984

1985

Figura 8.16. Curva de desarrollo del NDVI para el sistema de regadío de arroz en Tailandia, y de trigo y arroz en China

La nieve y el hielo pueden detectarse con instrumentos como el AVHRR (en el visible y en el infrarrojo) o el SMMR (microondas) a bordo del Nimbus-7 (por ejemplo, Gesell, 1989). Con el AVHRR, en el proceso de detección interviene la discriminación entre nieve/hielo y diversas superficies como tierra, mar o nubes. La variación con la longitud de onda de las características espectrales de esas superficies se explota utilizando algoritmos en los que intervienen técnicas como umbrales, tasas de radiancia o de reflectividad en distintas longitudes de onda; diferencias entre radiancias y reflectividades, o coherencia espacial. El inconveniente de utilizar el AVHRR es que la detección queda limitada por la presencia de nubes, lo cual es importante porque la nubosidad puede ser muy alta en las regiones de interés. En las longitudes de onda de hiperfrecuencias, la detección de hielos marinos se basa en el marcado

CAPÍTULO 8. OBSERVACIONES DESDE SATÉLITES

contraste entre el mar y el hielo, debido a emisividades sumamente diferentes (y, por tanto, a temperaturas de brillo) de esas superficies en las longitudes de onda de hiperfrecuencias. La principal ventaja de la detección en hiperfrecuencias es la capacidad en cualesquiera condiciones meteorológicas, aunque la resolución espacial sea en general de varias decenas de km, en comparación con 1 km en el caso del AVHRR.

8.4

INSTALACIONES Y MEDIOS CONEXOS

8.4.1

Telemetría satelital

Las ventajas que ofrece la telemetría por satélite son las siguientes: a) no hay necesidad de estaciones repetidoras; b) la instalación de las estaciones periféricas y de los receptores es sencilla; c) las estaciones periféricas pueden desplazarse fácilmente de un lugar a otro; d) las estaciones periféricas son discretas; sus antenas son pequeñas y no requieren altos mástiles; e) está muy poco limitada por la topografía; Meteosat Meteosat (B)

1

(A) Outstation Estación periférica

(F) User Receptor deReceiver usuario

4

2

3

(C)

f)

un receptor puede recibir datos de estaciones periféricas que cubran más de la cuarta parte de la superficie terrestre; g) la corriente necesaria es mínima, por lo que la energía solar es adecuada; h) el equipo tiene una gran fiabilidad, tanto a bordo del satélite como en tierra; i) el usuario no necesita ninguna licencia de frecuencias, por disponer de ella el operador del satélite; j) se pueden utilizar tantos receptares como sea necesario, sin tener que aumentar la energía, o las instalaciones, en las estaciones periféricas. 8.4.2

Todos los satélites reciben instrucciones y transmiten datos utilizando instalaciones de telemetría. Sin embargo, todos los satélites meteorológicos en órbita geoestacionaria y algunos en órbitas polares llevan transpondedores a bordo que reciben datos transmitidos desde plataformas de recopilación de datos (PERD) en estaciones periféricas. Esto permite a los satélites actuar como estaciones retransmisoras de telemetría.

Estación Ground Station terrena

(E)

CEOE ESOC (D)

Figura 8.17. El sistema telemétrico de METEOSAT

II.8-33

Sistema telemétrico PRD de METEOSAT

En la figura 8.17 se muestra el sistema telemétrico PRD de METEOSAT. Procede señalar que con los satélites GOES, GMS e INSAT se utilizan sistemas similares, que se describen en OMM, 1989. Los sistemas para otros satélites geoestacionarios son análogos. La estación periférica (A) transmite sus mediciones a METEOSAT (B) a lo largo del trayecto 1 a determinados intervalos (cada hora, cada tres horas, diariamente, etc.). Dispone de un intervalo de tiempo de un minuto para transmitir sus datos, a una frecuencia comprendida entre 402,01 MHz y 402,20 MHz, con una potencia de cinco vatios (de 25 a 40 vatios para las estaciones móviles, con antenas omnidireccionales). El satélite retransmite inmediatamente esos datos a la estación terrena del CEOE (C), situada en Odenwald, cerca de Michelstadt (Alemania), a lo largo del trayecto 2, a una frecuencia de unos 1 675 MHz. Desde allí se retransmiten los datos por línea terrestre al CEOE, a unos 40 km al noroeste de Odenwald, en Darmstadt (D). Allí se efectúa el control de calidad, se archivan y, cuando procede, se distribuyen por la Red Mundial de Telecomunicación. También se conservan en la estación terrena y se devuelven a METEOSAT (multiplexados con los datos de imágenes), mediante una segunda antena parabólica (E), a lo largo del trayecto 3, para retransmitirlos a los usuarios a través del satélite por el trayecto 4. La señal tiene tal nivel que puede recibirse con una antena parabólica de 2 m de diámetro, aunque muchas veces basta con 1,5 m. El disco parabólico lleva incorporado un “convertidor reductor”, con el fin de convertir la señal recibida de 1 694,5 MHz a 137 MHz, para aplicarla a la entrada del receptor, que descodifica las transmisiones y envía los datos en caracteres ASCII a una impresora o un PC.

II.8-34

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

El equipo que constituye lo esencial de una estación periférica es la Plataforma de Recopilación de Datos (PRD). Se trata de un conjunto electrónico, muy similar a un registrador, que puede aceptar varias tensiones de entrada analógicas directamente de los sensores, o datos de serie (RS232) de una unidad de procesamiento entre los sensores y la PRD. También dispone de una pequeña memoria para almacenar las lecturas efectuadas entre transmisiones, una sección de procesador para la gestión global, un circuito de reloj, el radiotransmisor y una antena direccional u omnidireccional. En la memoria se pueden almacenar hasta 600 bytes para transmitirlos a 100 bits por segundo. Esta capacidad puede duplicarse, pero entonces se requieren dos intervalos de un minuto para la transmisión. La capacidad se determina por la cantidad de datos que se pueden transmitir en un intervalo de un minuto. Las PRD se programan en fábrica con su dirección (número octal de ocho dígitos) y su hora de transmisión, ambas especificadas por Eumetsat. En los futuros modelos será posible que la programación pueda hacerla el usuario, a fin de lograr más flexibilidad. En explotación, el reloj interno de la PRD es ajustado por un operador a la hora TMG, para lo que se utiliza un “sincronizador” o un PC portátil. Se admite una variación de hasta 15 segundos en ambos sentidos, después de lo cual hay que reajustarlo. En las horas convenidas, la PRD transmite el contenido acumulado de su memoria a METEOSAT, con lo que queda vacía y puede recibir la siguiente serie de datos para transmitirlos en el siguiente intervalo de tiempo, operación que se repite indefinidamente. El sincronizador (o PC) puede utilizarse también para dar un nombre a la estación (por ejemplo, su lugar) y realizar toda una serie de pruebas que comprenden la verificación del ajuste del reloj, la tensión de la batería, el estado del transmisor, las entradas analógicas y el contenido de la memoria. También es posible acelerar el reloj para probar el funcionamiento general, incluido una prueba de transmisión (en una carga ficticia para impedir la interferencia transmitiendo fuera del intervalo de tiempo asignado) Una PRD puede ir dentro de una pequeña caja y ser alimentada por batería solar. El resto de la estación exterior comprende los sensores, similares a

los de una estación de registro clásica o una instalación terrestre de radiotelemetría.

8.4.3

Tratamiento de datos por METEOSAT

Imágenes Las imágenes se establecen, línea por línea, mediante un radiómetro multiespectral (véanse las secciones anteriores) . METEOSAT gira alrededor de su eje a 100 rotaciones por minuto, explorando la Tierra en líneas horizontales, de este a oeste. Un espejo efectúa un pequeño desplazamiento de sur a norte en cada rotación, efectuando una exploración completa de la Tierra en 25 minutos (comprendidos 5 minutos para reajustar el espejo para la siguiente exploración). La imagen visible esta formada por 5 000 líneas, cada una de 5 000 píxeles, lo que da una resolución de 2,5 km directamente por debajo del satélite (menor resolución que en latitudes más altas). Las dos imágenes de infrarrojo comprenden cada una 2 500 líneas de 2 500 píxeles, lo que da una resolución subsatelital de 5 km. Las imágenes se transmiten digitalmente, línea por línea, a 333 000 bits por segundo, durante el tiempo que el explorador mira al espacio. Esas transmisiones no están destinadas al usuario final, sino que pasan directamente a la estación terrena, donde son tratadas por el CEOE y difundidas luego a los usuarios, a través de METEOSAT, por dos canales distintos. El primer canal se reserva para los datos de imágenes digitales de gran calidad, que se reciben en una estación principal de utilización de datos (PDUS). El segundo canal transmite las imágenes en forma analógica denominada WEFAX (Facsímil meteorológico), que es la norma utilizada por la mayoría de los satélites meteorológicos (comprendidos los satélites no estacionarios en órbita polar). Estas últimas imágenes pueden recibirse en estaciones secundarias de utilización de datos (SDUS). Las SDUS reciben imágenes que abarcan diferentes secciones de la superficie terrestre en el campo de visión de METEOSAT. Las transmisiones se hacen con arreglo a un horario diario; cada cuatro minutos se transmite una imagen. Las SDUS reciben también transmisiones de las PRO.

CAPÍTULO 8. OBSERVACIONES DESDE SATÉLITES

Tratamiento de datos en las PRD Además de obtener y difundir las imágenes, METEOSAT dispone actualmente de 66 canales para retransmitir los datos de las PRD de las estaciones periféricas a la estación terrena. La mitad de los canales se reservan para uso internacional, es decir, para las PRD móviles que pasan del campo de visión de un satélite meteorológico geoestacionario al del siguiente. El resto corresponde a las PRD “regionales” fijas. Cada canal puede dar servicio a tantas PRD como lo permitan su frecuencia de información y sus longitudes de información. Por lo tanto, con emisiones cada tres horas y mensajes de un minuto desde todas las PRD, y con un período intermedio de 30 segundos entre cada una (para tener en cuenta la variación del reloj), cada canal puede acomodar 120 PRD, lo que da un total de 7 920. 8.4.4

Sistemas telemétricos satelitales en órbita polar

Estos satélites giran en una órbita baja en dirección norte-sur, con un período de unos 100 minutos. Por consiguiente, no aparecen estacionarios en un punto del cielo, sino que aparecen sobre el horizonte, atraviesan luego el cielo (no forzosamente por encima), y desaparecen en el horizonte opuesto. Son visibles durante diez minutos más o menos en cada pasada, pero esto varía según el ángulo. Tales órbitas imponen un modo de funcionamiento distinto para el sistema de telemetría que las utilice. A diferencia de los sistemas geoestacionarios, las PRD utilizadas con satélites en órbita polar (denominados sistemas de recopilación de datos — SRD) no pueden transmitir en horas fijas, ni pueden orientar su antena hacia un punto del cielo. En lugar de eso, los SRD se ajustan para transmitir a determinados intervalos, que varían entre 100 y 200 segundos. Utilizan una frecuencia similar, aunque no idéntica, a las PRD, y su antena es forzosamente omnidireccional. A cada estación periférica se le asigna un intervalo de transmisión ligeramente distinto, con el fin de reducir la posibilidad de que dos estaciones transmitan simultáneamente. Como, debido al desplazamiento del satélite, se produce una desviación Doppler en la frecuencia de recepción, se obtiene una nueva separación de las estaciones periféricas, lo que difiere en cada SRD porque ocupa un lugar diferente con relación al satélite.

II.8-35

Esta última característica se utiliza también para poder seguir la posición de las estaciones periféricas móviles. Es uno de los factores más útiles de las órbitas polares, pues se puede seguir, por ejemplo, a una boya a la deriva y recoger sus datos. Además, la boya puede desplazarse completamente alrededor de la Tierra y ser seguida por el mismo satélite. Esta es la base del sistema ARGOS, que funciona con satélites NOAA, dirigido por Francia. Incluso las SRD fijas pueden beneficiarse de ello, pues el sistema permite recoger datos desde cualquier punto de la Tierra, a través de ese satélite. Las transmisiones de las SRD son recibidas por el satélite en un punto determinado de su vuelo. Los medios de transmisión de los datos recibidos al usuario deben diferir de los adoptados por METEOSAT. Esto se hace por dos procedimientos. En el primero, se retransmiten inmediatamente en tiempo real, en la banda de ondas decimétricas, y pueden llegar al receptor del usuario que disponga de antena omnidireccional. Para garantizar la comunicación, tanto el receptor como la estación periférica no deben estar separados por más de 2 000 km, puesto que ambos han de poder ver el satélite al mismo tiempo. En el segundo, los datos recibidos se registran en un registrador de cinta magnética a bordo del vehículo espacial y se retransmiten a las estaciones terrenas cuando el satélite las sobrevuela. Esas estaciones se encuentran en Estados Unidos y en Francia (sistema ARGOS). Desde allí, los datos se difunden por el SMT o se imprimen y envían por correo, cuando hay menos urgencia. Es bastante costoso utilizar satélites polares y, si bien presentan algunas ventajas excepcionales con respecto a los sistemas geoestacionarios, se utilizan menos como satélites de telemetría. Su principal ventaja consiste en que pueden recoger datos en altas latitudes, a las que no llegan los satélites geoestacionarios. También pueden ser valiosos en las regiones del mundo no abarcadas actualmente por satélites geoestacionarios. Por ejemplo, el satélite japonés GMS no ofrece actualmente medios de retransmisión, y los usuarios solo pueden recibir los datos por el SMT. Mientras la superficie terrestre no esté totalmente abarcada por satélites geoestacionarios con medios de retransmisión, los satélites en órbita polar llenarán satisfactoriamente esa laguna.

II.8-36

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

ANEXO 8.A CANALES DE RADIÓMETROS DE RESOLUCIÓN PERFECCIONADA (AVHRR) Resolución en el nadir 1,1 km: anchura de la banda explorada > 2 600 km

Longitud de onda µm

Principales usos

1

0,58-0,68

Cartografía diurna de la superficie de las nubes

2

0,725-1,10

Agua, hielo y fusión de nieve en superficie

3

3,55-3,93

Temperatura de la superficie del mar, cartografía nocturna de las nubes

4

10,30-11,30

Temperatura de la superficie del mar, cartografía diurna y nocturna de las nubes

5

11,50-12,50

Temperatura de la superficie del mar, cartografía diurna y nocturna de las nubes

Canal

CAPÍTULO 8. OBSERVACIONES DESDE SATÉLITES

II.8-37

ANEXO 8.B CANALES DE HIRS Y SUS APLICACIONES Canales de la sonda de infrarrojos de alta resolución (HIRS) de la sonda vertical operativa (TOVS) del satélite de observación por televisión en infrarrojo (TIROS) Canal

Longitud de onda central µm

Principales usos

1

15,00

Sondeo de la temperatura

2

14,70

3

14,50

4

14,20

5

14,00

6

13,70

7

13,40

8

11,10

Temperatura de la superficie y detección de las nubes

9

9,70

Ozono total

10

8,30

Sondeo del vapor de agua

11

7,30

12

6,70

13

4,57

14

4,52

15

4,46

16

4,40

17

4,24

18

4,00

19

3,70

20

0,70

Sondeo de la temperatura

Temperatura de la superficie Detección de nubes

Canales del equipo de sondeo de microondas (MSU) Canal

Frecuencia GHz

Principales usos

1

50,31

Emisividad de superficie y atenuación de las nubes

2

53,73

Sondeo de la temperatura

3

54,96

4

57,95

Canales del equipo de sondeo estratosférico (SSU) Tres canales de 15 µm para el sondeo de la temperatura.

II.8-38

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA Alishouse, J. C. y E. P. McClain, 1985: Sea surface temperature determinations. Advances in Geophysics, volumen 27, págs. 279 a 296. Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies, 1991: Technical Proceedings of the Sixth International TOVS Study Conference. University of Wisconsin (see also proceedings of previous conferences, 1989, 1988). Eyre, J. R., J. L. Brownscombe y R. J. Allam, 1984: Detection of fog at night using advanced very high resolution radiometer (AVHRR) imagery. Meteorological Magazine, 113, págs. 266 a 271. Gesell, G., 1989: An algorithm for snow and ice detection using AVHRR data. International Journal of Remote-sensing, volumen 10, págs. 897 a 905. King-Hele, D., 1964: Theory of Satellite Orbits in an Atmosphere. Butterworths, London. Ma, X. L., W. L. Smith y H. M. Woolf, 1984: Total ozone from NOAA satellites: A physical model for obtaining measurements with high spatial resolution. Journal of Climate and Applied Meteorology, volumen 23, número 9, págs. 1309 a 1314. Malingreau, J. P., 1986: Global vegetation dynamics: Satellite observations over Asia. International Journal of Remote-sensing, volumen 7, págs. 1121 a 1146. Massey, H., 1964: Space Physics. Cambridge University Press, London. McClain, E. P., W. G. Pichel y C. C. Walton, 1985: Comparative performance of AVHRR-based multichannel sea surface temperatures. Journal of Geophysical Research, volumen 90, págs. 11587 a 11601. Organización Meteorológica Mundial, 1989: Guía del Sistema Mundial de Observación. OMM-Nº 488, Ginebra. —, 1994a: Information on Meteorological and Other Environmental Satellites. Tercera edición. WMO-No. 411, Ginebra.

—, 1994b: Application of Satellite Technology: Annual Progress Report 1993. WMO Satellite Report No. SAT-12, WMO/TD-No. 628, Ginebra. —, 2003: Manual del Sistema Mundial de Observación. OMM-Nº 544, Ginebra. Paltridge, G. W. y J. Barber, 1988: Monitoring grassland dryness and fire potential in Australia with NOAA/AVHRR data. Remotesensing of the Environment, volumen 25, págs. 381 a 394. Potts, R. J., 1993: Satellite observations of Mt Pinatubo ash clouds. Australian Meteorological Magazine, volumen 42, págs. 59 a 68. Prata, A. J., 1989: Observations of volcanic ash clouds in the 10-12 micron window using AVHRR/2 data. International Journal of Remote sensing, volumen 10, págs. 751 a 761. Prata, A. J., R. P. Cechet, I. J. Barton y D. T. LlewellynJones, 1990: The along-track scanning radiometer for ERS-1: Scan geometry and data simulation. IEEE Transactions on Geoscience and Remote-sensing, volumen 28, págs. 3 a 13. Rao, P. K., S. J. Holmes, R. K. Anderson, J. S. Winston y P. E. Lehr, 1990: Weather Satellites: Systems, Data, and Environmental Applications. American Meteorolological Society, Boston. Robinson, J. M., 1991: Fire from space: Global fire evaluation using infrared remote-sensing. International Journal of Remote-sensing, volumen 12, págs. 3 a 24. Saunders, R. W. y K. T. Kriebel, 1988: An improved method for detecting clear sky and cloudy radiances from AVHRR data. International Journal of Remote-sensing, volumen 9, págs. 123 a 150. Smith, W. L., 1985: Satellites. En D. D. Houghton (ed.): Handbook of Applied Meteorology, Wiley, Nueva York, págs. 380 a 472. Smith, W. L. y C. M. R. Platt, 1978: Comparison of satellite-deduced cloud heights with indications from radiosonde and ground-based laser measurements. Journal of Applied Meteorology, volumen 17, número 17, págs. 1796 a 1802.

CAPÍTULO 9. MEDICIONES9POR RADAR CAPÍTULO

II.9-1

MEDICIONES POR RADAR

9.1

GENERALIDADES

Este capítulo ofrece un examen elemental de los radares meteorológicos de microondas —el radar meteorológico— utilizados sobre todo para observar los hidrometeoros en la atmósfera. Se insiste especialmente en las características técnicas y operativas que han de tenerse en cuenta al planificar, desarrollar y operar radares y redes de radares en apoyo de los Servicios Meteorológicos e Hidrológicos. El capítulo se basa en una considerable lista de referencias. Además, informa brevemente sobre los sistemas radar de alta frecuencia utilizados para la observación de la superficie oceánica. Los radares empleados en el estudio de los perfiles verticales se tratan en el capítulo 5 de la parte II. 9.1.1

El radar meteorológico

Los radares meteorológicos pueden detectar la precipitación y las variaciones del índice de refracción en la atmósfera generadas por variaciones locales de la temperatura o de la humedad. También pueden producir ecos de radar las aeronaves, el polvo, los pájaros o los insectos. En este capítulo se analizan los radares que se utilizan generalmente en todo el mundo. Los radares meteorológicos con las características más apropiadas para la observación y la investigación de la atmósfera transmiten pulsos electromagnéticos en el rango de frecuencias de 3 a 10 GHz (longitud de onda de 10 a 3 cm respectivamente). Están diseñados para detectar y localizar zonas de precipitación, medir su intensidad y desplazamiento, y a veces su tipo. Para detectar hidrometeoros más pequeños, como una nube o incluso gotas de niebla, se emplean frecuencias más altas. Si bien esas frecuencias tienen valiosas aplicaciones en el estudio de la física de las nubes, no se utilizan normalmente en la predicción operativa, debido a la excesiva atenuación de la señal del radar por el medio que atraviesa. Los radares que funcionan en frecuencias más bajas pueden detectar variaciones del índice de refracción con aire claro, y se utilizan para evaluar el perfil del viento. Si bien pueden detectar la precipitación, sus capacidades de exploración están limitadas por el tamaño de la antena requerida para lograr una resolución eficaz.

El pulso transmitido, cuando encuentra un objetivo meteorológico, devuelve una señal, denominada eco, que tiene una amplitud, una fase y una polarización. La mayoría de los radares operativos en el mundo se limitan todavía al análisis de la característica de amplitud que está relacionada con la distribución del tamaño y con el número de partículas en el volumen (pulso) iluminado por el haz del radar. La amplitud se emplea para determinar un parámetro denominado factor de reflectividad (Z) que permite estimar la masa de precipitación por unidad de volumen o la intensidad de la precipitación mediante relaciones empíricas. Por lo tanto, una aplicación fundamental consiste en detectar, localizar y estimar la precipitación al nivel del suelo de forma instantánea, casi continuamente, y en grandes áreas. En algunos radares experimentales se han usado factores de reflectividad medidos con las dos polarizaciones de la onda transmitida y de la señal recibida. Continúan las investigaciones para determinar el valor y las posibilidades de los sistemas de polarización en cuanto a la medición de la precipitación y el estado del “objetivo”, pero actualmente no se dispone aún de sistemas en operación. Los radares Doppler pueden determinar la diferencia de fase entre el pulso transmitido y recibido. La diferencia es una medida de la velocidad media Doppler de las partículas: la media ponderada según la reflectividad de las componentes radiales de las velocidades de desplazamiento de los hidrometeoros en el volumen de pulsos. La anchura del espectro Doppler permite medir la variabilidad en el espacio de las velocidades, y proporciona algunas indicaciones de la cizalladura del viento y de la turbulencia. Los radares Doppler ofrecen una nueva dimensión importante para las observaciones meteorológicas por radar, y la mayoría de los nuevos sistemas tienen estas posibilidades. Los radares meteorológicos modernos deberían poseer características óptimas para producir los mejores datos con fines de explotación, y su instalación, funcionamiento y mantenimiento deberían ser adecuados para que los meteorólogos pudieran aprovechar la capacidad del sistema.

II.9-2

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Cuadro 9.2. Algunos parámetros y unidades empleados en los radares meteorológicos

Cuadro 9.1. Bandas de frecuencias de los radares

a

Banda

Frecuencia

Longitud de onda

Nominal

UHF

300–1 000 MHz

1–0,3 m

70 cm

L

1 000–2 000 MHz

0,3–0,15 m

20 cm

Sa

2 000–4 000 MHz

15–7,5 cm

10 cm

Ca

4 000–8 000 MHz

7,5–3,75 cm

5 cm

Xa

8 000–12 500 MHz

3,75–2,4 cm

3 cm

Símbolo

Parámetro

Unidades

Ze

Reflectividad de radar equivalente o efectiva

mm6 m–3 o dBZ

Vr

Velocidad radial media

m s–1

σv

Anchura del espectro

m s–1

Zdr

Reflectividad diferencial

dB

CDR

Relación de despolarización circular

dB

Ku

12,5–18 GHz

2,4–1,66 cm

1,50 cm

K

18–26,5 GHz

1,66–1,13 cm

1,25 cm

LDR

Relación de despolarización lineal

dB

Ka

26,5–40 GHz

1,13–0,75 cm

0,86 cm

kdp

Fase de propagación

grados km–1

W

94 GHz

0,30 cm

0,30 cm

ρ

Coeficiente de correlación

Bandas más comunes en los radares meteorológicos.

9.1.2

La selección de las características del radar, y el conocimiento del clima y de la aplicación son importantes para determinar el grado de exactitud aceptable en la medición de la estimación de la precipitación (cuadros 9.1, 9.2 y 9.3). 9.1.3

Cuadro 9.3. Parámetros físicos y unidades empleados en los radares

Características del radar, terminología y unidades

Aplicaciones meteorológicas

Las observaciones de radar son sumamente útiles para: a) la detección, el seguimiento y el aviso de tiempo severo; b) la vigilancia de sistemas meteorológicos sinópticos y mesoescalares; c) la estimación de cantidades de precipitación. Las características elegidas para un radar no serán adecuadas para todas las aplicaciones. Los criterios de selección de un sistema radar normalmente se optimizan con el fin de que el sistema pueda servir para varias aplicaciones, pero también pueden especificarse para responder mejor a una aplicación determinada de gran importancia. Las elecciones de la longitud de onda, la apertura del haz, la duración de los pulsos y las frecuencias de repetición de pulsos (PRF) tienen consecuencias particulares. Por consiguiente, los usuarios deberían examinar cuidadosamente las aplicaciones y la climatología antes de determinar las especificaciones para el radar.

Símbolo

Parámetro

Unidades

c

Velocidad de la luz

m s–1

f

Frecuencia de transmisión

Hz

fd

Desplazamiento de frecuencia Doppler

Hz

Pr

Potencia de recepción

mW o dBm

Pt

Potencia de transmisión

kW

PRF

Frecuencia de repetición de los pulsos

Hz

T

Período de la repetición de los pulsos (= 1/PRF)

ms

Ω

Velocidad de rotación de la antena

grados s–1 o rpm

λ

Longitud de onda de la onda transmitida

cm

φ

Ángulo acimutal

grados

θ

Apertura del haz entre puntos de potencia mitad

grados

τ

Duración de los pulsos

µs

γ

Ángulo de elevación

grados

CAPÍTULO 9. MEDICIONES POR RADAR

Detección y aviso de tiempo severo El radar es el único medio realista de vigilar en superficie el tiempo severo en una zona extensa. Las intensidades, la extensión y los patrones de los ecos de radar pueden utilizarse para identificar zonas de tiempo severo, incluyendo tormentas con granizo probable y vientos devastadores. El radar Doppler, que puede identificar y proporcionar una medida de los vientos intensos asociados con frentes de ráfagas, descensos violentos del aire y tornados, agrega una nueva dimensión. El alcance nominal de cobertura es del orden de 200 km, suficiente para la predicción a corto plazo y para los avisos locales. Las redes de radares se utilizan para ampliar la cobertura (Browning y otros, 1982). Los datos deben ser interpretados por personal que esté bien formado y vigilando a fin de proporcionar avisos efectivos. Vigilancia de sistemas sinópticos y mesoescalares Los radares pueden proporcionar una monitorización casi continua del tiempo relacionado con tempestades sinópticas y mesoescalares en una zona extensa (por ejemplo, un alcance de 220 km, y una superficie de 125 000 km2) si no hay colinas que lo impidan. Debido a ecos parásitos terrestres a cortas distancias y a la curvatura de la Tierra, la distancia práctica máxima para las observaciones meteorológicas es de unos 200 km. En áreas extensas de agua, con frecuencia no se dispone de otros medios de observación, o no es posible hacer observaciones. Las redes pueden ampliar la cobertura y ser rentables. El radar proporciona una buena descripción de la precipitación. Las aperturas de haz más estrechas proporcionan mejor resolución de los patrones de ecos y una eficacia mayor a mayores distancias. En regiones donde son comunes las precipitaciones fuertes y extensas, se necesita una longitud de onda de 10 cm para obtener buenas medidas de precipitación. En otras zonas, como las de latitudes medias, los radares de 5 cm pueden ser realmente eficaces a un costo mucho menor. La longitud de onda de 3 cm sufre de una atenuación excesiva por la precipitación para ser verdaderamente eficaz, salvo en casos de lluvia o nieve muy ligera. Se ha empezado a trabajar sobre un concepto de redes densas de radares con una longitud de onda de 3 cm, con capacidades polarimétricas para resolver el problema de atenuación de los radares de 3 cm aislados. Estimación de la precipitación El radar se emplea desde hace mucho para estimar la intensidad y, por ende, la cantidad y distribución

II.9-3

de la precipitación, con una buena resolución en el tiempo y en el espacio. La mayoría de los estudios se han dedicado a las precipitaciones de lluvia, pero también pueden hacerse mediciones de la nieve teniendo debidamente en cuenta la composición del objetivo. Para una descripción más completa de la tecnología moderna, las técnicas, los problemas y las dificultades, así como de la eficacia y la exactitud, deberían consultarse los estudios de Joss y Waldvogel (1990) y Smith (1990). Las estimaciones de la precipitación a nivel del suelo mediante sistemas radar típicos se efectúan en general para áreas de 2 km2, en períodos sucesivos de 5 a 10 minutos, utilizando exploraciones con un indicador panorámico (PPI) de ángulo de elevación reducido y aperturas del haz de 1°. Al comparar las estimaciones radar con las mediciones de precipitación en los pluviómetros sobre el terreno, se ha encontrado que sus valores se diferencian en menos de un factor de 2. Las mediciones realizadas con pluviómetros y radares son estimaciones de un parámetro que varía constantemente. El pluviómetro muestrea una superficie sumamente reducida (100 cm2, 200 cm2), en tanto que el radar integra sobre un volumen, a una escala mucho mayor. Los resultados de la comparación pueden mejorarse ajustando las estimaciones del radar a las mediciones efectuadas con el pluviómetro. 9.1.4

Productos meteorológicos

Un radar puede proporcionar una gama de productos meteorológicos en apoyo de diversas aplicaciones. Los productos que pueden generarse mediante un radar meteorológico dependen del tipo de radar, de sus características de procesamiento de la señal, y del sistema de control y análisis asociado al radar. La mayoría de los radares modernos realizan automáticamente una exploración en volumen que consiste en un número de rotaciones completas de acimut de la antena para varios ángulos de elevación. Todos los datos polares sin tratar se almacenan en una red tridimensional, denominada comúnmente base de datos de volumen, que sirve como fuente de los datos para el procesamiento y archivado posterior de los mismos. Mediante una aplicación informática se genera una amplia variedad de productos meteorológicos que se visualizan en forma de imágenes en una pantalla de color de alta resolución. Los valores reticulares o de píxel y la conversión en coordenadas x-y se calculan utilizando técnicas de interpolación tridimensional. Para un radar meteorológico Doppler típico, las variables presentadas son la reflectividad, la intensidad de la precipitación, la velocidad radial

II.9-4

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

y la anchura del espectro. Cada píxel de una imagen representa el valor codificado en color de una variable seleccionada. A continuación figura una lista de mediciones y productos generados, la mayoría de los cuales se explican en este capítulo: a) Indicador panorámico (PPI): representación en formato polar de una variable, obtenida a partir de una sola rotación de antena completa con un ángulo de elevación dado. Se trata de una visualización de radar clásica, utilizada fundamentalmente para la vigilancia del tiempo. b) Indicador de altura-distancia (RHI): representación de una variable obtenida, a partir de un solo barrido de elevación, normalmente de 0 a 90°, para un acimut determinado. Es la visualización de radar clásica que muestra estructuras detalladas de sección transversal, y se utiliza para identificar fuertes tormentas, granizo y la banda brillante. c) Indicador panorámico de altitud constante (CAPPI): representación de una sección transversal horizontal de una variable a una altitud determinada, obtenida por interpolación a partir de los datos de volumen. Se utiliza para la vigilancia y la identificación de fuertes tormentas. También es útil para vigilar el tiempo a determinados niveles de vuelo en las aplicaciones de tránsito aéreo. Las regiones que aparecen “sin datos” en el CAPPI (cercanas al radar y alejadas del mismo con referencia a la altitud determinada) se rellenan con datos de la elevación más alta y más baja respectivamente, bajo otra forma de CAPPI, denominada “pseudo CAPPI”. d) Sección transversal vertical: representación de una variable sobre un vector de superficie definido por el usuario (y no necesariamente mediante el radar). Se obtiene por interpolación a partir de los datos de volumen. e) Máximo de columna: representación, en plano, del valor máximo de una variable sobre cada punto de la zona observada. f) Topes de eco (ECHOTOP): representación, en plano, de la altura máxima (tope) a la que se alcanza el valor de una reflectividad seleccionable, obtenida analizando los datos de volumen. Es un indicador de tiempo severo y granizo. g) Líquido integrado verticalmente (VIL): representación, en plano, de una capa determinada de la atmósfera. Es un indicador de la intensidad de las tormentas violentas. Además de estas visualizaciones estándar o básicas, pueden generarse otros productos para responder a las necesidades particulares de los usuarios con

fines tales como hidrología, predicción inmediata (véase la sección 9.10) o aviación: a) Acumulación de la precipitación: estimación de la precipitación acumulada durante cierto período en cada punto de la zona observada. b) Precipitación total por subcuenca: precipitación acumulada integrada en una zona. c) Representación velocidad-acimut (VAD): estimación del perfil vertical del viento por encima del radar. Se calcula a partir de una sola rotación de la antena para un ángulo de elevación dado. d) Procesamiento de velocidad en un volumen: utiliza datos de un volumen tridimensional. e) Trayectoria de la tormenta: producto obtenido mediante un programa informático complejo para determinar la trayectoria de las células tormentosas y predecir la futura posición del centroide de la tormenta. f) Cizalladura del viento: estimación de la cizalladura del viento radial y tangencial a una altura especificada por el usuario. g) Perfil de divergencia: estimación de la divergencia de los datos de la velocidad radial, obteniendo un perfil de divergencia en base a ciertos supuestos. h) Mesociclón: producto de un avanzado programa informático de reconocimiento de patrones que identifica las características de rotación sobre una base tridimensional de datos de velocidad en la escala de la circulación mesociclónica, a menudo asociada con la generación de tornados. i) Característica de vórtice de tornado: se obtiene como producto de un avanzado programa informático de reconocimiento de patrones que, usando una base tridimensional de datos de velocidad en la escala de circulación de los vórtices de tornado, identifica la característica de “cizalladura puerta a puerta” asociada a los mismos. 9.1.5

Requisitos de exactitud de los radares

Los requisitos de exactitud dependen de las aplicaciones más importantes de las observaciones efectuadas por radar. Los radares modernos debidamente instalados, calibrados y mantenidos son relativamente estables y no producen errores de medición significativos. Los factores externos, entre ellos los efectos de ecos parásitos terrestres, la propagación anómala, los efectos de atenuación y propagación, los efectos del haz, la composición de los objetivos y, sobre todo, sus fluctuaciones y cambios en el plano vertical, así como las anomalías de la relación entre la intensidad de las precipitaciones y la reflectividad, contribuyen mucho a la inexactitud.

CAPÍTULO 9. MEDICIONES POR RADAR

Cuadro 9.4. Requisitos para valores de incertidumbre Parámetro Definición

Incertidumbre aceptable a

φ

Ángulo de acimut

0,1º

γ

Ángulo de elevación

0,1º

Vr

Velocidad Doppler media 1,0 m s–1

Z

Factor de reflectividad

1 dBZ

σv

Anchura del espectro Doppler

1 m s–1

a

Estas cifras se refieren a un espectro gaussiano estándar con una desviación típica menor de 4 m–1. Cuando crece la anchura del espectro aumenta la incertidumbre de la velocidad y disminuye la incertidumbre de la reflectividad.

Si se tienen en cuenta únicamente los errores atribuibles al sistema radar, pueden determinarse los parámetros mensurables con suficiente grado de exactitud (véase el cuadro 9.4).

9.2

TECNOLOGÍA DE RADAR

9.2.1

Principios de medición por radar

Los principios del radar y la observación de los fenómenos meteorológicos por radar se establecieron en el decenio de 1940. Desde entonces se ha avanzado mucho en el mejoramiento del equipo, y en el tratamiento e interpretación de las señales y de los datos. Se deberían consultar algunos textos para obtener más información. Entre las buenas referencias figuran: Skolnik (1970) para los aspectos técnicos y el material; Battan (1981) para los fenómenos y las aplicaciones de carácter meteorológico; Atlas (1964 y 1990), Sauvageot (1982) y OMM (1985) para un estudio general; Rinehart (1991) para las técnicas modernas; y Doviak y Zrnic (1993) para los principios y las aplicaciones del radar Doppler. A continuación se resumen brevemente los principios. La mayoría de los radares meteorológicos son radares por pulsos. Las ondas electromagnéticas a frecuencias fijas predeterminadas se transmiten desde una antena direccional a la atmósfera, en una rápida sucesión de breves pulsos. En la figura 9.1 se muestra simbólicamente una antena direccional de radar que emite un haz formado por pulsos de energía electromagnética sobre la superficie curva de la Tierra, e ilumina una porción de un objetivo meteorológico. El diagrama muestra claramente algunas de las limitaciones y de los condicionamientos

II.9-5

físicos de la técnica de observación. Por ejemplo, la altitud mínima a la que puede efectuarse una observación a gran distancia está limitada por la curvatura de la Tierra. Un reflector parabólico situado en el sistema de antena concentra la energía electromagnética en un haz de forma cónica, muy direccional. La apertura del haz aumenta con la distancia; por ejemplo, un haz de 1° nominal alcanza una anchura de 0,9, 1,7 y 3,5 km para distancias de 50, 100 y 200 km, respectivamente. Las breves ráfagas de energía electromagnética son absorbidas y dispersadas por cualquier objetivo meteorológico que se encuentre. Parte de la energía dispersada es devuelta a la antena y al receptor del radar. Como las ondas electromagnéticas se desplazan a la velocidad de la luz (es decir, a 2,99 × 108 m s–1), midiendo el tiempo transcurrido entre la transmisión del pulso y su retorno se puede determinar la distancia del objetivo. Entre los pulsos sucesivos, el receptor queda a la escucha de cualquier retorno de onda. La señal de retorno procedente del objetivo se denomina comúnmente eco radar. La intensidad de la señal devuelta al receptor del radar es función de la concentración, el tamaño y la fase de las partículas de precipitación que constituyen el objetivo. Por lo tanto, la potencia recibida de retorno Pr , permite medir las características del objetivo meteorológico, y está relacionada, aunque no exclusivamente, con una intensidad de la precipitación que depende de su forma. La “ecuación del alcance del radar” establece una relación entre la potencia de la señal devuelta por el objetivo, las características del radar y los parámetros del objetivo.

Aperturas angulares del

PPI mode Modo PPI

haz de la Antenna antena beamwidths qb, fb

Target Objetivo

Haz de la Antenna antena beam

h/2

Volumen Pulse de pulsos volume

R

Ángulo de elevación Antenna γγ elevation de la antenaangle

Antenna Altura de ha height la antena ha Radar Antena antenna del radar

H

Elevación la antena0°0° Antenna de elevation en paralelo una parallel to atangent tangente de la Tierra of the Earth

Figura 9.1. Propagación de ondas electromagnéticas a través de la atmósfera en el caso de un radar meteorológico de pulsos; ha es la altura de la antena por encima de la superficie terrestre; R, es el alcance de la antena; h es la longitud del pulso; h/2, es la profundidad del volumen de la muestra; y H, es la altura del pulso por encima de la superficie terrestre.

II.9-6

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Las mediciones de potencia están determinadas por la potencia total de la señal retrodispersada por el objetivo en un volumen muestreado en un instante cualquiera: el volumen del pulso (es decir el volumen de la muestra). La magnitud de este volumen depende de la longitud del pulso de radar en el espacio (h) y de las aperturas del haz de la antena en el plano vertical (φb ) y en el horizontal (θb ). La apertura del haz, y por consiguiente el volumen del pulso, aumentan con la distancia. Como la señal cuya potencia llega de vuelta al radar realiza un trayecto de ida y vuelta, la longitud del volumen del pulso solo es igual a la mitad de su longitud en el espacio (h/2), y no varía en función de la distancia. La ubicación del volumen del pulso en el espacio está determinada por la posición de la antena en acimut, así como por la elevación y la distancia del objetivo. La distancia (r) está determinada por el tiempo que tarda el pulso en alcanzar el objetivo y volver al radar. Las partículas que se encuentran dentro del volumen del pulso se mezclan continuamente entre sí, produciendo efectos de fase en la señal dispersada y fluctuaciones de intensidad con respecto a la intensidad media del objetivo. Una sola medición de la intensidad del eco de un objetivo meteorológico no tiene gran valor. Para obtener una estimación razonable de la intensidad media es preciso integrar al menos de 25 a 30 pulsos (Smith, 1995). Esto se hace normalmente de manera electrónica en un circuito de integración. Con frecuencia se lleva a cabo un promedio adicional de los pulsos en distancia, acimut y tiempo para ampliar el tamaño del muestreo y mejorar la exactitud de la estimación, con lo que la resolución espacial disminuye. 9.2.2

Ecuación del radar para objetivos de precipitación

Los objetivos meteorológicos consisten en un volumen de partículas más o menos esféricas compuestas totalmente de hielo y/o agua y distribuidas aleatoriamente en el espacio. La energía retrodispersada desde el volumen del objetivo depende del número, el tamaño, la composición, la posición relativa, la forma y la orientación de las partículas dispersoras. La energía total retrodispersada es la suma de la energía retrodispersada por cada una de esas partículas. Utilizando este modelo de objetivo y la teoría electromagnética, Probert-Jones (1962) desarrolló una ecuación que relaciona la potencia del eco recibida por el radar con los parámetros del radar, la distancia de los objetivos y las características de dispersión.

En general, se considera que esa relación permite obtener una medición cuantitativa de la reflectividad con un grado de exactitud suficiente, teniendo en cuenta las hipótesis generalmente realistas realizadas en su deducción: _ Pt hG2 θ b φ b |K|2 10–8 Z π3 Pr = ————— · ————— · ————— (9.1) λ2 r2 1 024 ln2 _ donde Pr es la potencia de la señal reenviada al radar, promediada en varios pulsos, expresada en vatios; Pt es la potencia pico del pulso emitido por el radar, expresada en vatios; h es la longitud del pulso en el espacio, en metros (h = cτ /2, donde c es la velocidad de la luz, y τ la duración del pulso); G es la ganancia de la antena con relación a una antena isótropa; θb y φb designan las aperturas angulares del haz en el plano horizontal y vertical, en radianes, del diagrama de radiación de la antena al nivel –3 dB de la transmisión en un sentido; λ es la longitud de onda de la onda emitida-transmitida, en metros; |K|2 es el factor del índice de refracción del objetivo; r es la distancia oblicua desde el radar hasta el objetivo, en metros; y Z es el factor de reflectividad del radar (tomado normalmente como el factor de reflectividad equivalente Ze cuando no se conocen bien las características del objetivo), en mm6 m–3. El segundo término de la ecuación contiene los parámetros del radar, y el tercero los parámetros que dependen de la distancia y de las características del objetivo. Los parámetros del radar, salvo la potencia transmitida, son relativamente constantes, y si el transmisor se opera y mantiene a una salida constante (como debería ser), la ecuación puede simplificarse así: _ C|K|2 Z Pr = ——— r2

(9.2)

donde C es la constante del radar. La formulación de esta ecuación se basa en cierto número de supuestos fundamentales de importancia variable para la aplicación y la interpretación de los resultados. Si bien son razonablemente realistas, las condiciones no se cumplen siempre exactamente, y en ciertos casos influyen en las mediciones (Aoyagi y Kodaira, 1995). Esos supuestos se resumen como sigue: a) las partículas de precipitación dispersoras presentes en el volumen del objetivo son esferas dieléctricas homogéneas de poco diámetro en relación con la longitud de onda, es decir, D < 0,06 λ, para la aplicación estricta de las aproximaciones de dispersión de Rayleigh;

CAPÍTULO 9. MEDICIONES POR RADAR

b) el volumen del pulso está totalmente lleno de partículas de precipitación distribuidas aleatoriamente; c) el factor de reflectividad Z es uniforme a lo largo del volumen del pulso muestreado y constante durante el intervalo de muestreo; d) todas las partículas son gotas de agua o todas son partículas de hielo; es decir que todas las partículas tienen el mismo factor de índice de refracción |K|2 y la dispersión de energía por las partículas es isotrópica; e) la dispersión múltiple (entre partículas) es insignificante; f) no hay atenuación en el espacio situado entre el radar y el volumen del objetivo; g) las ondas incidentes y retrodispersadas están polarizadas linealmente; h) el lóbulo principal del diagrama de radiación de la antena tiene forma gaussiana; i) la antena es un reflector parabólico de sección transversal circular; j) la ganancia de la antena se conoce o puede calcularse con suficiente exactitud; k) la contribución de los lóbulos secundarios a la potencia recibida es insignificante; l) la absorción de la señal transmitida por los ecos parásitos terrestres en el haz es insignificante; m) la potencia pico transmitida (Pt ) es la potencia real transmitida por la antena, es decir, que todas las pérdidas debidas al guiaondas, etc., y la atenuación en el radomo han sido tenidas en cuenta; n) la potencia media medida (Pr ) se promedia sobre un número suficiente de pulsos o de muestras independientes para que sea representativa de la media sobre el volumen del pulso del objetivo. Esta formulación simplificada establece una relación entre la potencia de eco medida por el radar y el factor de reflectividad radar, Z, que está a su vez relacionado con la intensidad de la precipitación. Tales factores y sus relaciones son elementos esenciales para interpretar la intensidad del objetivo y para evaluar las cantidades de precipitación a partir de mediciones efectuadas por radar. A pesar del número de hipótesis, esta formulación ofrece una estimación razonable de la masa del objetivo, estimación que puede mejorarse mediante un nuevo análisis de las hipótesis. 9.2.3

Radar meteorológico básico

El radar meteorológico básico consta de: a) un transmisor para producir energía a frecuencias de microondas;

II.9-7

b) una antena para centrar las microondas transmitidas en un haz estrecho y recibir cualquier señal de retorno; c) un receptor para detectar, amplificar y convertir la señal de microondas en una señal de baja frecuencia; d) un procesador para extraer la información deseada de la señal recibida; y e) un sistema para presentar la información en forma inteligible. Otros elementos que permiten optimizar las capacidades del radar son: a) un procesador para producir visualizaciones suplementarias; y b) un sistema de registro para guardar los datos con fines de formación, estudio y archivo. Un radar meteorológico básico puede ser no coherente, es decir, que la fase de los pulsos sucesivos sea aleatoria y desconocida. Casi todos los sistemas actuales utilizan ordenadores para el control de los radares, el tratamiento digital de las señales, el registro, la visualización y el archivo de los productos. La potencia de la señal retrodispersada por los objetivos meteorológicos, detectada por un radar típico, es del orden de 10 –8 a 10 –15 vatios, abarcando un intervalo de 70 dB aproximadamente, entre los objetivos detectables más fuertes y los más débiles. Para cubrir debidamente este intervalo de potencia de la señal se utilizaba en el pasado un receptor logarítmico. Sin embargo, ya se están introduciendo radares modernos operativos y experimentales con receptores lineales con un intervalo dinámico de 90 dB y otras características avanzadas (Heiss, McGrew y Sirmans, 1990; Keeler, Hwang y Loew, 1995). El procesador debe establecer la media de numerosos pulsos para proporcionar una medición significativa; los pulsos pueden integrarse de diferentes modos, normalmente en forma digital, y deben tener en cuenta la función de transferencia del receptor (a saber, lineal o logarítmica). En la práctica, para un sistema típico, la señal recibida por la antena sufre una amplificación que se promedia con varios pulsos, se corrige según la función de transferencia del receptor, y se convierte en un factor de reflectividad Z mediante la ecuación del alcance del radar. El factor de reflectividad es el parámetro más importante para interpretar los datos del radar. Se obtiene a partir de un modelo de dispersión de Rayleigh y se define teóricamente como la suma de los diámetros de las partículas (gotas) contenidas

II.9-8

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

en el volumen de muestreo, elevados a la sexta potencia: Z = Σvol D6

(9.3)

donde la unidad de Z es mm6 m–3. En muchos casos, el número, la composición y la forma de las partículas no se conocen, y se define una reflectividad equivalente o efectiva Ze . Para las partículas de nieve y de hielo hay que tomar una reflectividad equivalente Ze que representa a Z, suponiendo que todas las partículas retrodispersoras son gotas esféricas. Con frecuencia se trabaja en una escala logarítmica o con unidades dBZ, que se definen numéricamente como dBZ = 10 log10 Ze . Normalmente, las observaciones volumétricas de la atmósfera se efectúan mediante una exploración de la antena en un ángulo de elevación dado, y aumentando luego ese ángulo progresivamente a cada rotación de la antena. Una consideración importante es la resolución de los objetivos. Para concentrar las ondas en un haz axial se utilizan antenas de reflector parabólico. Cuanto más grande es el reflector y, por tanto, más costoso, más estrecho es el haz y más elevadas son la resolución y la sensibilidad. La apertura angular del haz, el ángulo comprendido entre las líneas del haz donde la potencia radiada es la mitad de la que hay en el eje, depende también de la longitud de onda y se puede dar la siguiente aproximación: 70λ θe = —— d

(9.4)

donde θe se expresa en grados, y d es el diámetro de la antena expresado en las mismas unidades que λ. Los radares meteorológicos de buena calidad tienen una apertura angular de 0,5 a 1°. Salvo para la detección de tormentas a larga distancia, el alcance útil de los radares meteorológicos es del orden de los 200 km. El haz a una elevación de, por ejemplo, 0,5° está a una altura de 4 km con respecto al suelo. La apertura del haz es también del orden de 1,5 km o más. Para conseguir buenas mediciones cuantitativas de la precipitación, la distancia será inferior a 200 km. A distancias largas, la altura del haz es demasiado importante para que se puedan conseguir estimaciones en relación con el suelo. Además, la divergencia del haz reduce la resolución, lo que puede influir en la medición. Técnicamente existe un alcance máximo inequívoco determinado por la frecuencia de repetición de los pulsos (PRF) (véase la ecuación 9.6), pues la distancia debe medirse durante el período de escucha

entre pulsos. Con PRF habituales no hay problema. Por ejemplo, con una PRF de 250 pulsos por segundo, el alcance máximo es de 600 km. En el caso de PRF más altas, normalmente 1 000 pulsos por segundo, necesarias en los sistemas Doppler, el alcance se reduce considerablemente a unos 150 km. Los nuevos desarrollos podrían mejorar la situación (Joe, Passarelli y Siggia, 1995). 9.2.4

Radares Doppler

El desarrollo y la introducción de radares meteorológicos Doppler para vigilar el tiempo dan una nueva dimensión a las observaciones (Heiss, McGrew y Sirmans, 1990). Los radares Doppler miden la velocidad a la que los objetivos se acercan o alejan del radar a lo largo de un eje. Otra ventaja de la técnica Doppler es la mayor sensibilidad efectiva para objetivos de baja reflectividad cuya señal está cerca del nivel de ruido del radar cuando puede distinguirse el campo de velocidad en un campo Z ruidoso. En el rango normal de velocidades de los objetivos meteorológicos, el desplazamiento de frecuencia es relativamente pequeño con relación a la frecuencia del radar, y es muy difícil medirlo. Una tarea más sencilla es mantener la fase del pulso emitido, compararla con la fase del pulso recibido y determinar luego el cambio de fase entre pulsos sucesivos. Se establece entonces una relación directa entre el ritmo de variación de la fase y el desplazamiento de frecuencia, que a su vez está directamente relacionado con la velocidad del objetivo: el efecto Doppler. Si la fase cambia en más de ±180°, la estimación de la velocidad es ambigua. La velocidad más alta que puede medir sin ambigüedad un radar Doppler es la del objetivo cuando se desplaza, entre dos pulsos sucesivos, en más de un cuarto de la longitud de onda. A velocidades más elevadas hay que introducir un paso adicional de procesamiento para obtener la velocidad correcta. La máxima velocidad Doppler que puede medirse sin ambigüedad depende de la longitud de onda (λ ) del radar y de la PRF, y puede expresarse como sigue: PRF· λ Vmax = ± ——— 4

(9.5)

El alcance máximo sin ambigüedad puede expresarse así: c rmax = ——— PRF·2

(9.6)

CAPÍTULO 9. MEDICIONES POR RADAR

Por tanto, Vmax y rmax están relacionados por la ecuación: λc (9.7) Vmax rmax = ± — 8 Estas relaciones muestran los límites impuestos por la elección de la longitud de onda y de la PRF. Una PRF alta permite aumentar la velocidad máxima que se puede medir sin ambigüedad, en tanto que una PRF baja es adecuada para aumentar el alcance del radar. Es preciso llegar a un término medio hasta que se disponga de una tecnología mejor para obtener informaciones sin ambigüedad fuera de esos límites (Doviak y Zrnic, 1993; Joe, Passarelli y Siggia, 1995). La relación muestra asimismo que cuanto más elevada es la longitud de onda más amplios son los límites. En términos numéricos, para un radar típico que funcione en la banda S con una PRF de 1 000 Hz, Vmax = ±25 m s–1, en tanto que para un radar en la banda X, Vmax = ±8 m s–1. Como el desplazamiento de frecuencia del pulso de retorno se mide comparando las fases de los pulsos transmitidos y recibidos, es necesario conocer la fase de los pulsos emitidos. En un radar no coherente, la fase al comienzo de los pulsos sucesivos es aleatoria y desconocida, por lo que tal sistema no puede utilizarse en mediciones Doppler, aunque sí en las operaciones fundamentales descritas en la sección anterior. Algunos radares Doppler son totalmente coherentes: sus transmisores emplean fuentes de frecuencia

II.9-9

muy estables, en los que la fase se determina y conoce para cada pulso. Los sistemas radar semicoherentes, en los que la fase de los pulsos sucesivos es aleatoria pero conocida, son más económicos y más comunes. Los radares totalmente coherentes emplean en general klistrones en sus amplificadores de salida de alta potencia, y las frecuencias de su receptor se obtienen de la misma fuente que emplean sus transmisores. Con este método se reduce considerablemente la inestabilidad de fase, propia de los sistemas semicoherentes, y se pueden eliminar mejor los ecos parásitos terrestres y distinguir en mayor medida los fenómenos de poca intensidad que pueden observarse con tiempo claro, que de otro modo podrían quedar encubiertos. El transmisor de microondas para radares no coherentes y semicoherentes es normalmente un magnetrón, de relativa sencillez y bajo coste, que generalmente da resultados adecuados en las observaciones rutinarias. Una ventaja adicional del magnetrón es la reducción de la respuesta Doppler a los ecos de segunda o de tercera traza (que proceden de una distancia superior al alcance máximo no ambiguo) en razón de su fase aleatoria, si bien puede conseguirse el mismo efecto en los sistemas coherentes introduciendo modificaciones de fases seudoaleatorias conocidas en el receptor y en el transmisor. Los radares no coherentes pueden convertirse con relativa facilidad en un sistema Doppler semicoherente. Para efectuar la conversión debería instalarse un magnetrón de tipo coaxial, que es más estable.

power (dB) (dB) NivelRelative de potencia relativo

0

Objetivo meteorológico Weather

Ecos parásitos Ground clutter terrestres

–40 –Vmax

0

+Vmax

Figura 9.2. Espectro Doppler del eco de un objetivo meteorológico y de un objetivo terrestre; la contribución de este último está centrada en cero y es mucho más estrecha que la del eco meteorológico.

II.9-10

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

El factor de reflectividad y los datos sobre la velocidad se extraen del sistema radar Doppler. El objetivo consiste normalmente en un gran número de hidrometeoros (gotas de lluvia, copos de nieve, gránulos de hielo, granizo, etc.) de numerosas formas y tamaños, que se desplazan a diversas velocidades a causa de turbulencias en el volumen y de distintas velocidades de caída. Por lo tanto, el campo de velocidad es un espectro de velocidades: el espectro Doppler (véase la figura 9.2). Para procesar los parámetros Doppler se utilizan dos sistemas de distinta complejidad. El sistema de tratamiento por pares de pulsos (PP), más sencillo, emplea la comparación de pulsos sucesivos en el dominio temporal para extraer la velocidad media y la anchura del espectro. El segundo sistema, más complejo, emplea el algoritmo de la transformada rápida de Fourier (TRF) para producir un espectro de velocidad continuo en cada volumen muestreado. El sistema PP es más rápido, requiere menos tiempo de cálculo y da mejores resultados para una baja relación señal/ruido, pero no elimina tan bien los ecos parásitos como el sistema TRF. Los sistemas modernos tratan de usar lo mejor de ambas aproximaciones, eliminando ecos parásitos por medio de técnicas TRF y posteriormente empleando el método PP para determinar la velocidad radial y la anchura espectral. 9.2.5

Radares con diversidad de polarización

Desde hace mucho tiempo se realizan experimentos con radares con diversidad de polarización a fin de determinar su capacidad para mejorar las observaciones meteorológicas (Bringi y Hendry, 1990). Según estudios prometedores, existe la posibilidad de establecer una diferencia entre diversos tipos de hidrometeoros, lo cual es un primer paso para distinguir entre lluvia, nieve y granizo. Hay dificultades de orden práctico, y las técnicas y las aplicaciones no han rebasado la fase de la investigación ni han llegado a la fase operativa. La medición de las precipitaciones podría mejorarse con radares de diversidad de polarización cuyas mediciones permiten determinar mejor la distribución del tamaño de las gotas y conocer mejor los tipos de precipitación. Recientemente, en el Laboratorio sobre tormentas violentas de Estados Unidos de América (Melnikov y otros, 2002), se han realizado una serie de trabajos para añadir capacidades polarimétricas al radar NEXRAD, aportando un sólido diseño de ingeniería que transmite y recibe simultáneamente pulsos con polarización vertical y horizontal. La evaluación de los momentos de las

mediciones polarimétricas, y de los productos derivados para la acumulación de lluvia y la clasificación de hidrometeoros, ha demostrado que se trata de un diseño que se podría utilizar con gran provecho como base para agregar diversidad de polarización a toda la red NEXRAD. Actualmente se aplican dos sistemas radar básicos. En uno de los sistemas se emite una onda de polarización circular, y se miden las polarizaciones copolar y ortogonal. En el otro sistema se emiten alternativamente pulsos con polarización horizontal y luego vertical, utilizando un conmutador de alta potencia. Generalmente se prefiere el sistema lineal ya que la recuperación de la información meteorológica necesita menos tiempo de cálculo. La última técnica es más común cuando se convierte un radar tradicional para agregarle capacidad de polarización. Ahora bien, el primer sistema tiene sin duda ventajas tecnológicas. Varias bases de polarización (Holt, Chandra y Wood, 1995) y sistemas de dos transmisores (Mueller y otros, 1995) se encuentran en fase experimental. Las principales diferencias con respecto a los radares convencionales consisten en la calidad del sistema de antena, la precisión de la calibración electrónica y el tratamiento de las señales. La concordancia de los haces, la conmutación de las polarizaciones y la medición de ligeras diferencias en las señales son operaciones importantes en las que hay que aplicar las técnicas con sumo cuidado. Estas técnicas se basan en diferencias ínfimas en las partículas dispersoras. Cuando caen libremente en la atmósfera, las gotas de agua esféricas se transforman en elipses cuyo eje principal se orienta en el plano horizontal. El grado de achatamiento de las gotas depende de su tamaño. La potencia retrodispersada desde un esferoide achatado es mayor en el caso de una onda de polarización horizontal que en el de una onda de polarización vertical, si se parte de la dispersión de Rayleigh. Utilizando hipótesis adecuadas, se puede determinar la distribución del tamaño de las gotas y deducir la intensidad de la precipitación. La reflectividad diferencial, denominada ZDR , se define como igual a diez veces el logaritmo del cociente entre la reflectividad polarizada horizontalmente ZH y la reflectividad polarizada verticalmente Zv . Comparando el factor de la reflectividad equivalente Ze y la reflectividad diferencial ZDR se puede determinar si el objetivo es hielo, lluvia, llovizna o nieve (Seliga y Bringi, 1976). Cuando una onda electromagnética se propaga en un medio compuesto de partículas achatadas se

CAPÍTULO 9. MEDICIONES POR RADAR

modifica la fase del haz incidente. El efecto de esta propagación sobre las componentes vertical y horizontal de la fase depende del grado de achatamiento y se expresa mediante un parámetro denominado fase diferencial específica (KDP ). Para las mediciones de lluvia intensa KDP presenta ciertas ventajas (Zrnic y Ryzhkov, 1995). English y otros (1991) han demostrado que, para estimar precipitaciones, es mucho mejor usar la fase diferencial KDP que la reflectividad Z para intensidades de precipitación superiores a 20 mm h–1 en la banda S. Los efectos que sobre el haz incidente tiene la propagación por el medio intermedio pueden predominar sobre los efectos de la retrodispersión debida al objetivo, y originar confusión en la interpretación de la señal resultante. Bebbington (1992) concibió para los radares de polarización circular un parámetro denominado grado de polarización, insensible a los efectos de la propagación. Ese parámetro es similar a la correlación lineal utilizada en los radares de polarización lineal. Al parecer, es útil para distinguir objetivos. Por ejemplo, valores sumamente débiles indican la presencia de dispersores con una orientación aleatoria, por ejemplo briznas de hierba en suspensión en el aire o ecos parásitos terrestres (Holt y otros, 1993). 9.2.6

Eliminación de ecos parásitos terrestres

Los ecos procedentes de objetivos-blancos distintos de las precipitaciones se conocen como ecos parásitos, que deberían eliminarse, con excepción de los ecos debidos al aire claro o a insectos, que pueden servir para establecer la cartografía de los campos de viento. Los ecos parásitos pueden deberse a diversos objetos, en particular, edificios, colinas, montañas, aviones y briznas, entre otros. El buen emplazamiento de un radar es el primer medio para reducir los efectos de los ecos parásitos terrestres. Sin embargo, siempre hay algunos. La intensidad de esos ecos parásitos es inversamente proporcional a la longitud de onda (Skolnik, 1970), en tanto que la energía retrodispersada por la lluvia es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda. Por consiguiente, cuanto más corta es la longitud de onda, menos afectado resulta un radar por los ecos parásitos terrestres. Los objetos puntuales, como los aviones, pueden eliminarse, si están aislados, suprimiendo los ecos que ocupan un solo volumen de resolución del radar. Los objetivos meteorológicos se distribuyen en varios volúmenes de resolución. Los objetos

II.9-11

puntuales se pueden suprimir durante la fase de tratamiento de datos. En cambio, con esta técnica —que depende de la intensidad relativa— no es posible eliminar objetos puntuales como los ecos de aviones, que están embebidos entre los ecos de las precipitaciones. Los objetivos distribuidos exigen técnicas de tratamiento de las señales y de los datos más perfeccionadas. Una idea atractiva, desde el punto de vista teórico, es utilizar mapas de ecos parásitos. Los patrones de ecos radar en ausencia de precipitación se usan para generar un mapa de ecos parásitos que se sustrae del patrón obtenido cuando hay precipitación. Pero esta técnica plantea un problema, y es que el patrón de los ecos parásitos terrestres cambia con el tiempo. Tales cambios se deben fundamentalmente a cambios en las condiciones meteorológicas; un ejemplo característico son los ecos causados por una propagación anómala, que duran varias horas y luego desaparecen. Pequeñas modificaciones en el medio ambiente originan ligeras fluctuaciones en el patrón de los ecos terrestres, que dan lugar a confusión al utilizar mapas de ecos parásitos. Mediante técnicas de adaptación (Joss y Lee, 1993) se trata de determinar el patrón de los ecos parásitos en forma dinámica para tener en cuenta las fluctuaciones a corto plazo, pero estas técnicas no son suficientemente precisas para utilizarlas en forma exclusiva, si es que pueden aplicarse. En las técnicas de tratamiento Doppler se procura eliminar los ecos parásitos del eco meteorológico, desde la perspectiva del tratamiento de la señal. Se parte de la hipótesis fundamental de que el eco parásito tiene poca anchura espectral y es estacionario. Sin embargo, para cumplir con estos primeros criterios hay que recoger y tratar un número suficiente de pulsos con objeto de disponer de bastante resolución espectral para poder distinguir el eco meteorológico del eco parásito. También se requiere un intervalo de Nyquist relativamente grande para poder visualizar el eco meteorológico. En general, la anchura espectral del eco parásito terrestre es muy inferior a 1 o 2 m s–1, en tanto que la anchura espectral del eco meteorológico es superior a 1 o 2 m s–1. Por lo tanto, se requiere un intervalo de Nyquist del orden de 8 m s–1. El eco parásito es generalmente estacionario y se identifica en el espectro gracias a un estrecho pico a velocidad nula en la representación espectral (véase la figura 9.2). Ese pico tiene una anchura limitada porque los objetos que originan el eco terrestre, por ejemplo árboles agitados, presentan cierto movimiento.

II.9-12

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

El tratamiento de datos en el tiempo para suprimir la componente de velocidad nula (o DC) de una secuencia finita es problemático, porque en el proceso de filtrado se eliminará también el eco meteorológico correspondiente a la velocidad nula (Zrnic y Hamidi, 1981). Un tratamiento espectral flexible (la transformada de Fourier) puede suprimir el eco parásito terrestre de los ecos meteorológicos, incluso aunque estén superpuestos (Passarelli y otros, 1981; Crozier y otros, 1991). Esto constituye una importante ventaja del tratamiento espectral. Desprovistos del eco parásito, los parámetros meteorológicos significativos pueden calcularse. Otro método se basa en la observación de que las estructuras que contribuyen al eco parásito terrestre son de una escala muy pequeña (inferior a unos 100 m). El muestreo de la distancia se hace con una resolución muy fina (inferior a 100 m), y el eco parásito se identifica utilizando la reflectividad y el tratamiento de la señal Doppler. La media de las distancias (con una resolución final de 1 km) se realiza con células de distancia exentas de ecos parásitos. La finalidad es detectar las células de distancia caracterizadas por el eco parásito y descartarlas, en vez de corregir esos ecos (Joss y Lee, 1993; Lee, Della Bruna y Joss, 1995). Esta técnica difiere radicalmente de las tratadas con anterioridad; queda por ver si será eficaz en todos los casos, y en particular en situaciones de propagación anómala, donde el eco parásito está generalizado. Con el radar de polarización también se pueden identificar los ecos parásitos. Sin embargo, habrá que seguir trabajando para determinar las ventajas y los inconvenientes. Los ecos parásitos pueden reducirse eligiendo cuidadosamente el emplazamiento del radar (véase la sección 9.7). Los radares utilizados en la vigilancia de largo alcance, por ejemplo para seguir los ciclones tropicales, o situados en una red muy dispersa, se instalan habitualmente en la cima de colinas, para ampliar el alcance útil, y de ahí que puedan captar numerosos ecos parásitos. Una técnica de eliminación sencilla es proceder a una exploración automática a varias alturas, y descartar los datos correspondientes a las distancias más cortas para elevaciones bajas, donde se encuentran la mayoría de los ecos parásitos. En la vigilancia de corto alcance, cuando se procesan datos de radares para obtener productos CAPPI se eliminan automáticamente los datos correspondientes a elevaciones bajas en distancias cortas.

9.3

PROPAGACIÓN Y DISPERSIÓN DE LAS SEÑALES DE RADAR

Las ondas electromagnéticas se propagan en línea recta, en un medio homogéneo, a la velocidad de la luz. La atmósfera terrestre no es homogénea, y las microondas sufren refracción, absorción y dispersión en su trayectoria. En general, la atmósfera tiene una estratificación vertical, y los rayos cambian de dirección según las variaciones con la altura del índice de refracción (o de la temperatura y de la humedad). Cuando las ondas encuentran precipitaciones y nubes, parte de la energía es absorbida, parte se dispersa en todas las direcciones, y parte se retrodispersa hacia el radar. 9.3.1

Refracción en la atmósfera

La flexión de las ondas electromagnéticas puede predecirse utilizando el perfil vertical de la temperatura y de la humedad (véase Bean y Dutton, 1966). En condiciones atmosféricas normales, las ondas se desplazan según una curva que se inclina ligeramente hacia la tierra. El trayecto del haz puede ser ascendente (sub-refracción) o descendente (super-refracción). En ambos casos, la medición de la altitud del haz será errónea si se parte del supuesto de una atmósfera tipo. Desde el punto de vista de la medición de la precipitación, el mayor problema se plantea en condiciones de super-refracción o propagación por conductos. El haz puede inclinarse suficientemente hasta alcanzar el suelo y provocar ecos terrestres que normalmente no se producen. El fenómeno aparece cuando el índice de refracción disminuye rápidamente con la altura; por ejemplo, en caso de aumento de la temperatura y disminución de la humedad con la altura. Tales ecos han de tenerse en cuenta al establecer un mapa de precipitación. Esta condición se denomina propagación anómala (AP o ANAPROP). Algunos ecos que se producen en “aire claro” se deben a heterogeneidades de turbulencia en el índice de refracción observado en zonas de turbulencia, en las capas más estables, en las células de cizalladura del viento o en fuertes inversiones. Esos ecos tienen una configuración fácilmente reconocible, pero deben eliminarse como campos de precipitación (véase Gossard y Strauch, 1983). 9.3.2

Atenuación en la atmósfera

Las microondas están sometidas a una atenuación por absorción y dispersión debida a gases atmosféricos, nubes y precipitaciones.

CAPÍTULO 9. MEDICIONES POR RADAR

Atenuación por gases Los gases atenúan las microondas en la banda de 3 a 10 cm. La absorción por gases atmosféricos se debe fundamentalmente al vapor de agua y a las moléculas de oxígeno. La atenuación debida al vapor de agua es directamente proporcional a la presión y a la humedad absoluta, y aumenta en forma casi lineal con la disminución de la temperatura. La concentración de oxígeno hasta una altitud de 20 km es relativamente uniforme. La atenuación también es proporcional al cuadrado de la presión. La atenuación por gases varía ligeramente según el clima y la estación del año. Es significativa a gran distancia para las longitudes de onda de los radares meteorológicos, donde puede alcanzar de 2 a 3 dB para las longitudes de onda más largas y de 3 a 4 dB para longitudes de onda más cortas, a una distancia de 200 km. Al parecer, merece la pena proceder a una compensación, que puede realizarse automáticamente con facilidad. La atenuación se puede calcular en función de la distancia sobre una base estacional de las trayectorias de ondas utilizadas en la medición de la precipitación, y aplicarse como una corrección al campo de precipitación. Atenuación por hidrometeoros La atenuación por hidrometeoros puede deberse a la absorción y a la dispersión. Es la fuente más importante de atenuación. Depende de la forma, la dimensión, el número y la composición de las partículas. En razón de esta dependencia, es muy difícil suprimirla en forma cuantitativa empleando solo observaciones de radar. Todavía no se ha logrado eliminarla satisfactoriamente en los sistemas automatizados de mediciones operativas. Sin embargo, se debe tener presente el fenómeno y reducir los efectos mediante alguna intervención subjetiva basada en conocimientos de carácter general. La atenuación depende de la longitud de onda. En longitudes de onda de 10 cm es más bien débil, en tanto que en longitudes de onda de 3 cm es muy importante. En una longitud de onda de 5 cm, la atenuación puede resultar aceptable en muchos climas, sobre todo en la parte alta de las latitudes medias. Longitudes de onda inferiores a 5 cm no se recomiendan para una buena medición de la precipitación, salvo en el caso de aplicaciones a poca distancia (cuadro 9.5). Para las estimaciones de la precipitación por radar pueden formularse algunas consideraciones de carácter general sobre la magnitud de la atenuación. La atenuación depende de la masa de agua del objetivo

II.9-13

Cuadro 9.5. Relaciones de atenuación unidireccional Longitud de onda (cm)

Relación (dB km –1)

10

0,000 343 R 0,97

5

0,001 8 R 1,05

3,2

0,01 R 1,21

Según Burrows y Attwood (1949). Atenuaciones específicas a 18 °C. R se expresa en unidades de mm h–1.

y, por tanto, la atenuación es más importante en caso de fuertes lluvias; las nubes con una masa de agua mucho menor entrañan una atenuación más débil. Las partículas de hielo atenúan mucho menos que las partículas en estado líquido. Las nubes y las nubes de hielo provocan una atenuación débil que normalmente puede despreciarse. Las partículas de nieve o de hielo (o el granizo) pueden alcanzar dimensiones muy superiores a las de las gotas de lluvia. Se humedecen cuando comienzan a fundirse, lo que da lugar a un gran aumento de la reflectividad y, por consiguiente, de las propiedades de atenuación. Este fenómeno puede distorsionar las estimaciones de las precipitaciones. 9.3.3

Dispersión por nubes y precipitación

La potencia de la señal detectada y tratada por el radar (es decir, el eco) es la potencia retrodispersada por el objetivo o por hidrometeoros. La sección transversal de retrodispersión (σb ) se define como la superficie de un dispersor isotrópico que enviaría a la fuente emisora la misma potencia que el objetivo real. El primero que determinó la sección transversal de retrodispersión de partículas esféricas fue Mie (1908). Rayleigh observó que si la relación entre el diámetro de la partícula y la longitud de onda es igual o inferior a 0,06 se puede utilizar una expresión más sencilla para determinar la sección transversal de retrodispersión:

π 5 |K|2 D6 σb = ———— λ4

(9.8)

lo que justifica la ecuación 9.3. |K|2, el factor del índice de refracción, es igual a 0,93 para el agua en estado líquido, y a 0,197 para el hielo. Las mediciones de potencia del radar se emplean para obtener la intensidad de dispersión del objetivo mediante la ecuación 9.2 en la forma: _ C Pr r 2 z = ——— (9.9) |K|2

II.9-14

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

En la sección 9.9 se trata del método y de los problemas que plantea la interpretación del factor de reflectividad en términos de la intensidad de la precipitación (R).

9.3.4

Dispersión en el aire claro

Se ha comprobado que en regiones sin nubes de precipitación los ecos se deben sobre todo a insectos o a fuertes gradientes del índice de refracción en la atmósfera. Esos ecos son de muy poca intensidad, y solo se detectan por radares muy sensibles. Los valores de reflectividad Ze equivalentes para fenómenos que se producen en aire claro generalmente se sitúan en el intervalo entre –5 y –55 dBZ, si bien no se trata de verdaderos parámetros Z, pues el proceso físico que genera los ecos es totalmente diferente. Para la medición de la precipitación, esos ecos representan un “ruido” poco importante en la señal. En general, se pueden asociar con algunos fenómenos meteorológicos como una brisa de mar o un frente de racha en caso de tormenta. Los ecos que se producen en aire claro también pueden deberse a pájaros o a insectos en concentraciones muy bajas. Los ecos con una intensidad de 5 a 35 dBZ no son raros, sobre todo en períodos de migración (véase el cuadro 9.6). Si bien en el tratamiento normal las señales de radar se interpretan en función de Z o de R, las propiedades de dispersión del aire claro son muy diferentes de las características de los hidrometeoros. La mayoría de las veces se expresan en función del parámetro estructural del índice de refracción, Cn2, que es una medida de las fluctuaciones medias al cuadrado del índice de refracción en función de la distancia (véase Gossard y Strauch, 1983).

Cuadro 9.6. Secciones transversales típicas de retrodispersión para diversos objetivos Objeto

σb (m 2)

Avión

10 a 1 000

Hombre

0,14 a 1,05

Globos sonda

0,01

Pájaros

0,001 a 0,01

Abejas, libélulas, polillas

3 × 10–6 a 10–5

Gota de agua de 2 mm

1,8 × 10–10

9.4

MEDICIONES DE LA VELOCIDAD

9.4.1

El espectro Doppler

Los radares Doppler miden la velocidad estimando el desplazamiento de frecuencia producido por un conjunto de objetivos en movimiento. También proporcionan información sobre la potencia total de las señales devueltas y sobre la anchura del espectro de las partículas de precipitación contenidas en el volumen del pulso. La velocidad Doppler media es igual al movimiento medio de los dispersores ponderado por sus secciones transversales y, para exploraciones de antena casi horizontales, es esencialmente la velocidad a la que el aire se acerca al radar o se aleja de él. Asimismo, la anchura del espectro corresponde a la dispersión de la velocidad, esto es, a la cizalladura o a la turbulencia en el volumen de resolución. Un radar Doppler mide la fase de la señal devuelta referenciando la fase de la señal recibida con relación al transmisor. La fase se mide en forma rectangular, para obtener las componentes en fase (I), y en cuadratura (Q), de la señal. Las componentes I y Q son muestras a distancia fija. Se registran y procesan para obtener la velocidad media y la anchura de espectro. 9.4.2

Ambigüedades Doppler

Para detectar retornos a diversas distancias del radar, se muestrean periódicamente las señales devueltas, en general cada microsegundo, con objeto de obtener información sobre cada 150 m de la distancia. Ese muestreo puede proseguirse hasta que se transmita el pulso siguiente. Un punto muestreado en el tiempo (correspondiente a una distancia con relación al radar) se denomina puerta de distancia. La cartografía de la componente radial del viento a través de una tormenta o de un área de precipitación se establece mediante las exploraciones de la antena. Un problema fundamental en la utilización práctica de cualquier radar Doppler de pulsos es la eliminación de la ambigüedad en las estimaciones Doppler de la velocidad media, es decir, duplicidad de velocidad. Las muestras discretas equidistantes de una función variable en el tiempo dan lugar a una frecuencia máxima no ambigua igual a la mitad de la frecuencia de muestreo (ƒs ). Por consiguiente, las frecuencias superiores a ƒs /2 están solapadas (“dobladas”) en el cointervalo de Nyquist (±ƒs /2), y se interpretan como velocidades comprendidas en

CAPÍTULO 9. MEDICIONES POR RADAR

±λ ƒs /4, donde λ es la longitud de onda de la energía transmitida. Entre las técnicas para suprimir la ambigüedad de las velocidades figuran las de PRF (Crozier y otros, 1991; Doviak y Zrnic, 1993) y las técnicas de continuidad (Eilts y Smith, 1990). En las primeras, se reúnen las estimaciones de la velocidad radial en dos PRF diferentes con distintas velocidades máximas no ambiguas, y se combinan para obtener una nueva estimación de la velocidad radial para una velocidad no ambigua ampliada. Por ejemplo, un radar en la banda C que utilice PRF de 1 200 y 900 Hz tiene velocidades no ambiguas nominales de 16 y 12 m s–1, respectivamente. La magnitud de la ambigüedad puede deducirse de la diferencia entre las estimaciones de las dos velocidades necesarias para suprimir la ambigüedad hasta un intervalo de velocidad ampliada de ±48 m s–1 (véase la figura 9.3). Las técnicas de continuidad se basan en la existencia de un eco suficiente para discernir ambigüedades en las velocidades y corregirlas, suponiendo la continuidad de la velocidad (no hay discontinuidades de más de 2Vmax ).

Velocidad velocidad(m (ms–1s–1 Measuredmedida velocityo diferencia or velocityde difference ))

La utilización de PRF elevadas (superiores a unos 1 000 Hz) impone una limitación del alcance, según se describe en la sección 9.2. Por encima del alcance

II.9-15

máximo, la ambigüedad devuelve los ecos al alcance primario. En el caso de radares con transmisores coherentes (por ejemplo, sistemas de klistrón), los ecos aparecerán en el alcance primario. En el caso de sistemas de recepción coherente, los ecos de segunda traza aparecerán en forma de ruido (Joe, Passarelli y Siggia, 1995; Passarelli y otros, 1981). Mediciones por orientación vertical

9.4.3

En principio, un radar Doppler que funcione en el modo de orientación vertical constituye un instrumento ideal para obtener mediciones exactas, a escala de nube, de velocidades verticales del viento y distribuciones del tamaño de las gotas (DTG). Sin embargo, la exactitud de estas mediciones, obtenidas del espectro Doppler, está limitada por la fuerte interdependencia matemática de las dos magnitudes. La verdadera dificultad estriba en que el espectro Doppler se mide como una función de la velocidad vertical total de las partículas dispersoras, debida a las velocidades terminales de caída de los hidrometeoros, y a las corrientes ascendentes o descendentes. Para poder calcular la DTG a partir del espectro Doppler tomado en incidencia vertical, el espectro ha de expresarse solamente en función de la velocidad terminal. Un error de tan solo ±0,25 m s–1 en la velocidad vertical puede originar

32

16

0

–16

–32 –48

–32

–16

0

16

32

48

Actual velocity (m ss )) Velocidad real (m –1 –1

Figura 9.3. Las líneas continuas y de trazos representan las mediciones de la velocidad Doppler realizadas con dos frecuencias de repetición de pulsos diferentes (1 200 y 900 Hz para un radar de banda C). Las velocidades superiores a las velocidades máximas no ambiguas, son ambiguas (están solapadas). Las diferencias (líneas de puntos) entre las estimaciones de la velocidad Doppler son distintas y pueden utilizarse para identificar el grado de ambigüedad (solapamiento).

II.9-16

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

un error del 100 por ciento en las concentraciones numéricas de las gotas (Atlas, Scrivastava y Sekhom, 1973). Se ha desarrollado una técnica de doble longitud de onda (denominada método Ratio) que permite determinar con exactitud la velocidad vertical con independencia de la DTG. En este enfoque, hay un compromiso entre la exactitud potencial y las posibilidades de aplicación con éxito.

9.4.4

Mediciones de los campos de velocidad

Con un solo radar Doppler se puede obtener una gran cantidad de información en tiempo real. Debería tenerse en cuenta que la interpretación de la velocidad radial que se estima a partir de un solo radar no siempre carece de ambigüedad. La visualización en color de los esquemas de la velocidad radial obtenida con un solo radar Doppler facilita la interpretación en tiempo real de los campos de reflectividad asociados, y puede revelar importantes características que no se observan en las estructuras de la reflectividad aisladas (Burgess y Lemon, 1990). Esto es particularmente importante para identificar y seguir las tormentas severas. En las pantallas de color normales se asignan de 8 a 15 colores o más a las velocidades comprendidas entre –Vmax y +Vmax . Las velocidades comprendidas fuera del intervalo de Nyquist entran en la escala de colores en el extremo opuesto. Este proceso puede repetirse si hay ambigüedad en las velocidades en más de un intervalo de Nyquist. El radar Doppler puede utilizarse también para obtener perfiles verticales de los vientos horizontales. Cuando la antena del radar está orientada por encima de la horizontal, la altura aumenta en función de la distancia. Se puede obtener un perfil del viento según la altura, ajustando las curvas sinusoidales a los datos observados (técnica denominada “representación velocidad-acimut” (VAD), según Lhermitte y Atlas, 1961), si el viento es relativamente uniforme en la zona explorada. Los vientos a lo largo de la línea de contorno correspondiente a una velocidad radial nula son perpendiculares al eje del haz del radar. Es fácil interpretar en pantallas de color los datos VAD obtenidos a partir de sistemas de precipitación de gran escala. Los esquemas de exploración cónica en altitud típicos cuando hay precipitaciones generalizadas revelan una línea de contorno en forma de S para una velocidad radial nula cuando el viento medio cambia de dirección con la altura (Wood y Brown, 1986). Otras veces, son evidentes las líneas de contorno cerradas que representan las corrientes en chorro.

Como la exactitud de la medición es buena, también pueden obtenerse estimaciones de la divergencia empleando la técnica VAD, si bien esta no puede emplearse de manera precisa en períodos de precipitación convectiva alrededor del radar. Sin embargo, con radares Doppler sensibles y de mediana potencia se ha logrado obtener perfiles del viento y estimaciones de la divergencia en la capa límite, cuando está ópticamente despejada, en todos los meses del año salvo los más fríos, hasta alturas de 3 a 5 km sobre el nivel del suelo. La técnica VAD parece muy apropiada para medir vientos procedentes de sistemas de precipitación asociados a ciclones extratropicales y tropicales. Si el radar funciona en modo de aire claro, una serie cronológica de mediciones de divergencia y velocidad vertical derivada es particularmente útil para la predicción inmediata de la probabilidad de convección profunda. Desde mediados del decenio de 1970 se realizan experimentos para medir campos de viento tridimensionales utilizando redes de varios radares Doppler. Las mediciones efectuadas en un lugar dado, en una zona de precipitación, pueden combinarse utilizando una transformación geométrica apropiada para obtener las tres componentes del viento. Esas estimaciones pueden hacerse asimismo con dos radares solamente, aplicando la ecuación de continuidad. En Browning y Wexler (1968) figura una descripción del análisis cinemático del campo de viento.

9.5

FUENTES DE ERROR

Relleno del haz del radar En muchos casos, especialmente a gran distancia del radar, el volumen de pulsos no está totalmente lleno de precipitación homogénea. Con frecuencia, la intensidad de la precipitación varía considerablemente en pequeñas distancias; a grandes distancias del radar el volumen del pulso aumenta de tamaño. Al mismo tiempo, los efectos de la curvatura de la tierra adquieren importancia. En general, las mediciones pueden ser útiles cuantitativamente para una distancia inferior a 100 km. Este efecto es importante para medir la altura de la cima de las nubes y para estimar la reflectividad. Irregularidad en la distribución vertical de las precipitaciones El primer parámetro de interés al hacer mediciones por radar es normalmente la intensidad de la

CAPÍTULO 9. MEDICIONES POR RADAR

precipitación a nivel del suelo. Debido a los efectos de la apertura del haz, de la inclinación de este y de la curvatura de la tierra, las mediciones de precipitación por radar están a mayor altura que la media, sobre una profundidad considerable. Estas mediciones dependen de los detalles de la distribución vertical de la precipitación y pueden contribuir a generar grandes errores en las estimaciones de la precipitación en el suelo.

II.9-17

Interferencia electromagnética La interferencia electromagnética causada por otros radares o dispositivos, tales como enlaces de microondas, puede ser a veces un importante factor de error. Este tipo de problema puede reconocerse fácilmente a través de las observaciones. Se puede resolver mediante negociación, cambio de frecuencia, utilización de filtros en el receptor del radar y, en ocasiones, con programas informáticos.

Variaciones de la relación Z-R Ecos parásitos terrestres Se ha observado que existen diversas relaciones Z-R para los diferentes tipos de precipitación. Sin embargo, a partir de un solo radar (excepto en el caso de radares con doble polarización) no pueden estimarse esas variaciones en los tipos y distribución de tamaño de los hidrometeoros. En las aplicaciones prácticas, tales variaciones pueden constituir una importante fuente de error. Atenuación por precipitaciones intermedias La atenuación debida a la lluvia puede ser importante, sobre todo en las longitudes de onda de radar más cortas (5 cm y 3 cm). La atenuación debida a la nieve, aunque menor que la producida por la lluvia, puede ser igualmente importante en el caso de trayectorias largas. Bloqueo del haz Según el emplazamiento del radar, el haz puede quedar parcial o totalmente oculto por la topografía o por obstáculos situados entre el radar y el objetivo. Esto produce una subestimación de la reflectividad, y por ende, de la intensidad de las precipitaciones. Atenuación debida a la humedad del radomo La mayoría de las antenas de radar están protegidas contra el viento y la lluvia por un radomo, en general de fibra de vidrio. El radomo se concibe de manera que la pérdida de energía radiada sea escasa. Por ejemplo, la pérdida bidireccional originada por este dispositivo puede limitarse a menos de 1 dB en la banda C, en condiciones normales. Ahora bien, en caso de precipitaciones intensas, la superficie del radomo puede cubrirse con una fina película de agua o hielo, lo que origina una fuerte atenuación dependiente del acimut. La experiencia con los radares NEXRAD WSR-88D ha demostrado que los radomos cubiertos con una pintura hidrófoba especial eliminan prácticamente esa fuente de atenuación, al menos en longitudes de onda de hasta 10 cm.

La contaminación de los ecos de la lluvia por ecos parásitos terrestres puede ser causa de errores muy importantes en la estimación de la precipitación y del viento. Ante todo, deberían reducirse al mínimo los ecos parásitos terrestres mediante una antena adecuada y un buen emplazamiento del radar. Este efecto puede reducirse sensiblemente merced a una combinación de dispositivos de supresión de ecos parásitos en el equipo (Aoyagi, 1983) y mediante el tratamiento de las señales y de los datos. Los ecos parásitos terrestres aumentan considerablemente en caso de propagación anómala. Propagación anómala La propagación anómala distorsiona el trayecto del haz del radar, y provoca un aumento de los ecos parásitos terrestres al refractar el haz hacia el suelo. A causa de ello, el radar puede detectar tormentas situadas muy lejos de su alcance normal, lo que provoca errores en la determinación de la distancia debido a la distorsión del alcance. La propagación anómala es frecuente en algunas regiones, cuando la atmósfera está sometida a fuertes disminuciones de humedad y/o aumentos de temperatura con la altura. Los retornos de un eco parásito debido a una propagación anómala pueden inducir a error a observadores inexpertos, y es más difícil eliminarlos totalmente tratándolos como un eco parásito terrestre normal. Ajuste de los parámetros de la antena Con un sistema bien diseñado se puede determinar la posición de la antena con una aproximación de 0,2°. Una anchura excesiva del haz del radar, o la presencia de lóbulos secundarios, pueden también originar errores en presencia de ecos parásitos o de fuertes ecos debidos a precipitaciones. Estabilidad del equipo electrónico Los sistemas electrónicos modernos están sometidos a pequeñas variaciones con el tiempo. Estas

II.9-18

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

pueden controlarse utilizando un sistema de control bien desarrollado, que limitará las variaciones del equipo electrónico a menos de 1 dB, o activará una alarma en caso de avería. Exactitud del tratamiento El tratamiento de las señales ha de concebirse de manera que se saque el máximo provecho de la capacidad de muestreo del sistema. Las varianzas en la estimación de la reflectividad, la velocidad Doppler y la anchura del espectro han de reducirse al mínimo. La ambigüedad en el alcance y en la velocidad puede constituir una importante fuente de error. Ecuación del alcance del radar Existen numerosas hipótesis para interpretar, mediante la ecuación del alcance del radar, las mediciones de la potencia recibida en función del parámetro meteorológico Z. Si no se respetan esas hipótesis, pueden originarse errores.

9.6

OPTIMIZACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL RADAR

9.6.1

Elección del radar

El radar es un sistema de observación muy eficaz. Las características del radar y la climatología determinan su eficacia en determinada aplicación y no puede concebirse un único radar que logre la máxima eficacia en todas las aplicaciones. Se pueden elegir sus características para optimizar la capacidad de adaptación a una o varias aplicaciones, por ejemplo la detección de tornados. La mayoría de las veces, para las aplicaciones generales hay que llegar a soluciones intermedias a fin de responder a las diversas exigencias del usuario. Muchas de las características son interdependientes con respecto a los resultados, por lo que es necesaria la optimización para ajustarse a una especificación adecuada. El costo es un aspecto importante. Gran parte de la interdependencia puede visualizarse con referencia a la ecuación del alcance del radar. A continuación se resumen algunos de los factores importantes. 9.6.2

Longitud de onda

Cuanto más larga es la longitud de onda más costará el sistema radar, particularmente por lo que se refiere a la antena para aperturas angulares del haz

comparables (es decir, resolución). Esto se debe a una mayor cantidad de material, pero también a la dificultad para ajustarse a las tolerancias en los casos de mayor tamaño. En las bandas utilizadas en los radares meteorológicos (S, C, X y K), la sensibilidad o capacidad del radar para detectar un objetivo depende mucho de la longitud de onda. También está muy relacionada con el tamaño de la antena, la ganancia y la apertura angular del haz. Para una determinada antena, la capacidad de detección de objetivos aumenta con la disminución de la longitud de onda. También se produce un aumento de la sensibilidad de 8,87 dB en teoría, y de 8,6 dB en la práctica, cuando la longitud de onda pasa de 5 a 3 cm. Por tanto, cuanto más reducida es la longitud de onda mayor es la sensibilidad. Al mismo tiempo, la apertura angular del haz es más estrecha cuanto mejores son la resolución y la ganancia. Hay un gran inconveniente, y es que con pequeñas longitudes de onda aumenta mucho la atenuación. 9.6.3

Atenuación

Los rayos del radar resultan atenuados sobre todo por la lluvia, menos por la nieve y el hielo, y menos aún por las nubes y los gases atmosféricos. La mayoría de las veces, la atenuación en la banda S es relativamente débil y en general no muy importante. A pesar de su costo, la banda S es esencial para penetrar en las grandísimas reflectividades de las latitudes medias y subtropicales en el caso de tormentas severas acompañadas de granizo húmedo. La atenuación en los radares que funcionan en la banda X puede ser fuerte en cortas distancias, lo que dificulta la estimación de la intensidad de las precipitaciones, e incluso la vigilancia, salvo en distancias muy cortas cuando tormentas próximas no sombrean ni ocultan sensiblemente otras más alejadas. La atenuación en la banda C es intermedia. 9.6.4

Potencia del transmisor

La capacidad de detección de objetivos está directamente relacionada con el pico de potencia del pulso emitido por el radar. Sin embargo, en la práctica, la potencia de transmisión es limitada a causa de la tecnología de los tubos de potencia. Un aumento ilimitado de potencia no es el medio más eficaz para aumentar la capacidad de detección de objetivos; por ejemplo, duplicando la potencia solo aumenta la sensibilidad del sistema en 3 dB. Desde el punto de vista técnico, la máxima potencia de emisión posible aumenta con la longitud de onda. Las mejoras de la sensibilidad del receptor y de la ganancia de la antena, y la debida elección de la

CAPÍTULO 9. MEDICIONES POR RADAR

longitud de onda, pueden ser los mejores medios para aumentar la capacidad de detección. Normalmente, los tubos de potencia están constituidos por magnetrones y klistrones. Los magnetrones son menos costosos, pero tienen frecuencias menos estables. Para las operaciones Doppler, se consideró indispensable la estabilidad de los klistrones. En un análisis de Strauch (1981) se llegó a la conclusión de que los magnetrones pueden ser totalmente eficaces en las aplicaciones meteorológicas de carácter general, y numerosos radares Doppler se basan actualmente en magnetrones. Las técnicas de supresión del eco en tierra y las aplicaciones de detección en aire claro pueden favorecer el empleo de klistrones. Por otra parte, los sistemas de magnetrones simplifican la supresión de los ecos de segunda traza. En las longitudes de onda utilizadas normalmente, los radares convencionales deberían detectar las intensidades de precipitación del orden de 0,1 mm h–1 a 200 km, y tener un pico de potencia en la emisión del orden de 250 kW o más, en la banda C. 9.6.5

Duración del pulso

La duración del pulso determina la potencia de resolución del objetivo dentro del alcance del radar. La resolución en alcance o la capacidad de un radar para distinguir dos objetivos discretos es proporcional a la mitad de la longitud del pulso en el espacio. Para la mayoría de los klistrones y magnetrones la relación máxima de anchura del pulso con la PRF es de aproximadamente 0,001. La duración normal de los pulsos se sitúa en el rango de 0,3 a 4 µs. Una duración de pulso de 2 µs tiene una potencia de resolución de 300 m, y una duración de 0,5 µs, de 75 m. Suponiendo que el objetivo llene totalmente el volumen del pulso, duplicando la duración del pulso se aumenta la sensibilidad efectiva del radar en 6 dB, disminuyendo al mismo tiempo la resolución; reduciendo la duración del pulso se disminuye la sensibilidad, y se aumenta su resolución. La menor duración del pulso permite tomar muestras más independientes del objetivo dentro del alcance y la posibilidad de mejorar la exactitud de la estimación. 9.6.6

Frecuencia de repetición de los pulsos

La PRF debería ser la más alta posible para conseguir el máximo número de mediciones del objetivo por unidad de tiempo. Una de las razones fundamentales

II.9-19

para limitar la PRF es la detección no deseada de ecos de segunda traza. La mayoría de los radares convencionales tienen alcances máximos no ambiguos superiores al alcance útil de la observación meteorológica por radar. Una importante limitación para el alcance útil de los objetivos meteorológicos es la considerable altura del haz con respecto al suelo, incluso a distancias de 250 km. En los sistemas radar Doppler, las PRF elevadas se utilizan para aumentar el límite de medición de la velocidad Doppler sin ambigüedad. Ya se han señalado anteriormente los inconvenientes de las PRF más altas. El factor PRF no es una consideración de costo importante, pero influye mucho en el rendimiento del sistema. En resumen, las PRF elevadas son adecuadas para aumentar el número de muestras medidas y la velocidad máxima no ambigua que puede medirse, y también para lograr velocidades de exploración admisibles más altas. Las PRF reducidas son adecuadas para aumentar la máxima distancia sin ambigüedad que puede ser medida, y proporcionar un ciclo de trabajo más bajo. 9.6.7

Sistema de antena, apertura angular del haz, velocidad y ganancia

Los radares meteorológicos utilizan normalmente una antena con una fuente de radiación de tipo bocina y con un reflector parabólico para producir un haz cónico estrecho. Dos importantes factores que deben considerarse son la apertura angular del haz (resolución angular) y la ganancia de potencia. En los radares meteorológicos comunes, el tamaño de la antena aumenta cuando la longitud de onda es mayor y cuando el haz requerido es más estrecho. Normalmente, los radares meteorológicos tienen aperturas angulares comprendidas entre 0,5° y 2,0°. Para un haz de 0,5° y 1,0° en una longitud de onda en la banda C, el diámetro del reflector de la antena es de 7,1 m y 3,6 m, respectivamente, y en la banda S, de 14,3 m y 7,2 m. El costo del sistema de antena y del pedestal experimenta un incremento muy superior al lineal con el tamaño del reflector. También hay un límite técnico y de costo. Además, hay que elegir debidamente la torre que pueda soportar el peso de la antena. La elección de un haz estrecho para obtener la máxima resolución y para mejorar la posibilidad de que el haz contenga todo el objetivo es particularmente esencial para grandes distancias. Para un haz de

II.9-20

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

0,5°, la apertura del haz acimutal (y vertical) a distancias de 50, 100 y 200 km es de 0,4, 0,9 y 1,7 km, respectivamente. Para un haz de 1,0°, las aperturas son de 0,9, 1,7 y 3,5 km. Incluso con esos haces relativamente estrechos, la apertura angular a grandes distancias es considerable. La ganancia de la antena es también inversamente proporcional a la apertura angular del haz, por lo que con haces más estrechos mejora igualmente la sensibilidad del sistema por un factor igual a la ganancia diferencial. En las estimaciones de reflectividad y precipitación se requiere alcanzar el objetivo un mínimo de veces para lograr una exactitud aceptable en las mediciones. El haz ha de tener un tiempo de permanencia adecuado sobre el objetivo operando en modo de exploración rotatorio. Por eso está limitada la velocidad de rotación de la antena. Los ciclos de exploración no pueden reducirse sin consecuencias. En las mediciones significativas de objetivos distribuidos, las partículas deben tener suficiente tiempo para volver a cambiar de posición con el fin de poder efectuar una estimación independiente. En general, los sistemas exploran a una velocidad del orden de 3 a 6 revoluciones por minuto. La mayoría de los radares meteorológicos tienen polarización lineal, y la dirección del vector del campo eléctrico emitido es horizontal o vertical. La elección no es evidente, pero la polarización más común es horizontal. Las ventajas de la polarización horizontal son: a) los ecos marinos y terrestres son en general menores; b) los lóbulos secundarios están menos desarrollados, lo que permite realizar mediciones más precisas en el plano vertical; y c) la retrodispersión debida a la lluvia es mayor, porque las gotas que caen son elípticas. Sin embargo, con ángulos de elevación reducidos, la mejor reflexión de las ondas de polarización horizontal en un suelo plano puede producir un efecto no deseado dependiente de la distancia. En resumen, la pequeña apertura angular del haz influye en la sensibilidad, la capacidad de detección, la resolución horizontal y vertical, el alcance útil y la exactitud de medición del sistema. El inconveniente de la pequeña apertura angular es principalmente el costo. Es por ello que cuanto más se reduce la apertura angular del haz a un precio asequible mayor es la utilidad del radar (Crozier y otros, 1991). 9.6.8

Características de los radares meteorológicos típicos

En el cuadro 9.7 figuran las características de los radares típicos utilizados en las aplicaciones meteorológicas generales.

Como ya se ha dicho, las características y los parámetros del radar son interdependientes. Los límites técnicos de los elementos del radar y la disponibilidad de elementos fabricados son consideraciones importantes en el diseño de los sistemas radar. Los de tipo “Z únicamente” son los radares convencionales no coherentes de pulsos utilizados durante decenios, que siguen siendo sumamente útiles. Los radares Doppler son los radares de nueva generación que agregan una nueva dimensión a las observaciones. Permiten estimar la velocidad radial. Los radares “micro-Doppler” se han concebido para detectar mejor microrráfagas y tornados en pequeña escala en zonas muy limitadas, y se utilizan en la protección de las terminales aéreas. Cuadro 9.7. Especificaciones de los radares meteorológicos típicos Tipo

Z Z únicamente Doppler únicamente Doppler

Banda

MicroDoppler

C

C

S

S

C

Frecuencia (GHz)

5,6

5,6

3,0

2,8

5,6

Longitud de onda (cm)

5,33

5,33

10,0

10,7

5,4

Pico de potencia (kW)

250

250

500

1 000

250

Duración del pulso (µs)

2,0

0,5; 2,0

0,25; 4,0

1,57; 4,5

1,1

PRF (Hz)

250–300 250–1 200 200–800 300–1 400 235–2 000

Receptor

Log

Log/Lin

Log

Log/Lin

Log/Lin

Señal –105 mínima detectable, MDS (dBm)

–105

–110

–113

–106

Diámetro 3,7 de la antena (m)

6,2

3,7

8,6

7,6

Apertura angular (grados)

1,1

0,6

1,8

1,0

0,5

Ganancia (dB)

44

48

38,5

45

51

Polarización

H

H

H

H

H

Velocidad de rotación (rpm)

6

1–6

3

6

5

CAPÍTULO 9. MEDICIONES POR RADAR

9.7

INSTALACIÓN DE RADAR

9.7.1

Elección del emplazamiento óptimo

La elección del emplazamiento óptimo para instalar un radar meteorológico depende del uso a que esté destinado. En caso de una zona definida en la que se necesitan avisos de tormenta, la mejor solución consiste normalmente en situar el equipo a una distancia comprendida entre 20 km y 50 km de la zona considerada, y normalmente frente al viento con relación a la trayectoria principal de las tormentas. Se recomienda instalar el radar ligeramente fuera de esa trayectoria para evitar los problemas de medición cuando la perturbación pasa sobre el radar. Esto debería permitir, al mismo tiempo, una buena resolución en la zona, y dar aviso con mayor antelación de las tormentas que se aproximen (Leone y otros, 1989). En el caso de una red de radares destinada fundamentalmente a aplicaciones sinópticas, los radares en latitudes medias deberían situarse a una distancia de 150 a 200 km aproximadamente unos de otros. La distancia puede aumentarse en latitudes más próximas al Ecuador terrestre, si los ecos de radar que deben captarse alcanzan frecuentemente grandes altitudes. En todos los casos, la mejor exactitud en la medición de las precipitaciones se obtiene con los radares de haz estrecho. En la elección exacta del emplazamiento del radar influyen numerosos factores económicos y técnicos, a saber: a) Existencia de carreteras para acceder al radar. b) Disponibilidad de energía y enlaces de telecomunicaciones. Con frecuencia, es necesario instalar dispositivos de protección contra rayos disponibles en el mercado. c) Precio del terreno. d) Proximidad de un servicio de control y mantenimiento. e) Es preciso evitar los obstáculos que bloqueen los haces. No debería haber ningún obstáculo en un ángulo mayor que la mitad de la apertura angular del haz sobre el horizonte, o con una anchura horizontal superior a la mitad de la apertura angular del haz. f) Los ecos parásitos terrestres deben evitarse en la medida de lo posible. En el caso de un radar que se utilice para aplicaciones a distancias relativamente cortas, a veces es posible hallar, tras una minuciosa inspección del lugar y un examen detallado de los mapas topográficos, una zona relativamente plana en una depresión

II.9-21

poco profunda, cuyos bordes servirán de obstáculo natural a los ecos parásitos de los lóbulos secundarios del diagrama de radiación de la antena y representarán un bloqueo mínimo para el haz principal. En todos los casos, al estudiar el emplazamiento debería utilizarse una cámara y un teodolito para comprobar si hay obstáculos. A veces, conviene emplear un sistema de radar móvil para confirmar la conveniencia del emplazamiento. Algunos radares modernos cuentan con equipo y programas que suprimen gran parte de los ecos parásitos terrestres con un rechazo mínimo de los ecos meteorológicos (Heiss, McGrew y Sirmans, 1990). g) Cuando se utiliza el radar para la vigilancia a gran distancia, como en el caso de ciclones tropicales o de otras aplicaciones en las costas, normalmente se lo sitúa en lo alto de una colina. Se observará una gran cantidad de ecos parásitos, pero esto puede no tener mucha importancia en grandes distancias (para la eliminación de los ecos parásitos véase el punto 9.2.6). h) Los parques eólicos situados cerca de un radar meteorológico pueden resultar perjudiciales para el funcionamiento del mismo y, por consiguiente, los radares no deberían situarse cerca de aquellos. En el anexo figura un estudio más detallado de este nuevo problema y directrices sobre cómo minimizar los efectos de las turbinas eólicas sobre los radares meteorológicos. i) En todos los estudios sobre posibles emplazamientos debería verificarse minuciosamente la interferencia electromagnética, para evitar en la mayor medida posible la interferencia con otros sistemas de comunicaciones tales como señales de televisión, enlaces de microondas u otros radares. También debería comprobarse que no existan riesgos debidos a la radiación de microondas para la salud de la población que viva cerca del lugar previsto para la instalación del radar (Skolnik, 1970; Leone y otros, 1989). 9.7.2

Telecomunicaciones y visualización a distancia

La reciente evolución en la tecnología de las telecomunicaciones y de la informática permite transmitir datos de radar a un gran número de aparatos distantes. En particular, se dispone de sistemas informáticos capaces de asimilar los datos procedentes de numerosos radares, así como de otras fuentes de datos, por ejemplo satélites. El funcionamiento de un radar también se puede monitorizar y controlar a distancia, o sea, de modo automático. Gracias a esos avances técnicos, en muchos países se

II.9-22

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

realizan predicciones inmediatas en lugares alejados de las estaciones de radar. Las imágenes pueden transmitirse por casi todos los medios de transmisión modernos, como líneas telefónicas (especializadas o no), enlaces de fibra óptica, radioenlaces o enlaces de microondas, y canales de comunicación por satélite. Los sistemas de transmisión más utilizados son las líneas telefónicas especializadas, en razón de su disponibilidad y de su costo, relativamente bajo, en muchos países. Debería tenerse presente que los radares se encuentran a menudo en lugares remotos donde no se dispone de sistemas avanzados de telecomunicaciones. Gracias a los rápidos progresos en materia de tecnologías de la comunicación las imágenes de radar pueden ahora transmitirse en unos pocos segundos. Por ejemplo, una imagen de radar correspondiente a una distancia de 100 km, con una resolución espacial de 0,5 km puede caber en un archivo de 160 kBytes. Utilizando un algoritmo de compresión, se puede reducir ese archivo a un formato GIF de entre 20 y 30 kBytes. Ese archivo puede transmitirse mediante una línea telefónica analógica en menos de 30 segundos, mientras que a través de un circuito ISDN de 64 kbps la transmisión no duraría más de 4 segundos. Sin embargo, la transmisión de un mayor número de niveles de reflectividad o de datos adicionales, tales como las exploraciones de volumen de la reflectividad o datos Doppler, aumenta el tiempo de transmisión.

9.8

CALIBRACIÓN Y MANTENIMIENTO

Para la calibración y el mantenimiento de los radares deberían seguirse los procedimientos prescritos por el fabricante. A continuación se ofrece una reseña. 9.8.1

Calibración

Lo mejor para la calibración completa de la reflectividad es utilizar un objetivo externo con un factor de reflectividad de radar conocido, como una esfera revestida de metal. Se trata de comprobar si la antena y los guiaondas conservan sus características nominales. Sin embargo, este método se emplea muy raramente, a causa de las dificultades prácticas para poner en órbita una esfera y de las múltiples reflexiones en el suelo. Los parámetros de la antena pueden también ser verificados mediante mediciones del flujo solar. Las calibraciones rutinarias, en las que se prescinde de la antena, incluyen el

guiaondas y el sistema transmisor y receptor. Normalmente se prescriben las siguientes operaciones: a) medición de la potencia de emisión y de la forma de onda en la banda de frecuencias apropiada; b) verificación de la frecuencia de transmisión y del espectro de frecuencias; c) inyección de una señal de microondas conocida antes de la etapa del receptor, a fin de comprobar si los niveles de reflectividad indicados por el radar responden debidamente a la potencia de entrada; d) medición de la relación señal-ruido, que debería situarse en el intervalo nominal de acuerdo con las especificaciones del radar. Si algunas de estas verificaciones de la calibración indican cambios o errores sistemáticos, entonces deben efectuarse los ajustes correctivos correspondientes. La calibración Doppler comprende la verificación y el ajuste de la estabilidad de fase utilizando objetivos fijos o señales artificiales, así como la graduación de las partes real e imaginaria del sistema de vídeo complejo, y la prueba del procesador de señales mediante señales conocidas generadas artificialmente. La mejor manera de controlar el nivel y el ángulo de elevación es seguir la posición del Sol en modo de recepción únicamente, y utilizar la información disponible sobre la posición solar; de otro modo se requiere información sobre los niveles mecánicos de la antena. La presencia o ausencia de ecos procedentes de objetivos terrestres fijos también puede servir para verificar aproximadamente el rendimiento del transmisor o del receptor. Aunque los radares modernos están normalmente provistos de elementos electrónicos muy estables, las calibraciones han de realizarse con suficiente frecuencia para garantizar la fiabilidad y la exactitud de los datos. La calibración ha de hacerse por personal cualificado, o mediante técnicas automáticas tales como los diagnósticos en línea y el equipo de prueba. En el primer caso, en el que se necesita personal, se debería efectuar la calibración al menos una vez por semana. En el segundo, puede hacerse diariamente o en forma semicontinua. Se pueden realizar frecuentemente verificaciones comparativas sencillas de la potencia y la ubicación del eco, utilizando dos o más radares superpuestos, orientados a un objetivo apropiado. 9.8.2

Mantenimiento

Los radares modernos instalados y funcionando debidamente no deberían sufrir averías frecuentes.

CAPÍTULO 9. MEDICIONES POR RADAR

Algunos fabricantes señalan un tiempo medio entre fallos (MTBF) del orden de un año. Sin embargo, tales afirmaciones son muchas veces optimistas y para alcanzar tal media hay que realizar un mantenimiento preventivo programado. Para que el tiempo de reparación sea lo más breve posible es preciso contar con un plan de mantenimiento periódico y con suficiente personal técnico. El mantenimiento preventivo debería comprender al menos un control mensual de todas las partes del radar que puedan desgastarse, por ejemplo engranajes, motores, ventiladores e infraestructuras. El personal local de mantenimiento debería anotar los resultados de las verificaciones en un libro de control del radar y, cuando proceda, transmitirlos al servicio central de mantenimiento. Cuando haya varios radares, se podrá disponer de un servicio centralizado de logística y de un taller de reparación. Este último recibirá las piezas averiadas de los radares, las reparará y las pasará al servicio logístico, que las almacenará como piezas de repuesto, para ser usadas cuando se necesiten. Para el mantenimiento correctivo, el servicio debería estar suficientemente provisto de: a) piezas de repuesto para todos los elementos más sensibles, tales como tubos, componentes de semiconductores, tarjetas, chasis, motores, engranajes, suministros de alimentación, etc.; la experiencia ha demostrado que conviene asignar el 30 por ciento de la inversión inicial en radar, a las piezas de repuesto esenciales en el emplazamiento del radar; cuando haya varios radares, ese porcentaje deberá reducirse al 20 por ciento aproximadamente, con una distribución apropiada entre el mantenimiento central y local; b) equipo de prueba, incluido el equipo de calibración mencionado anteriormente; en general, esto representará aproximadamente el 15 por ciento del valor del radar; c) personal debidamente capacitado para hacer diagnósticos y efectuar reparaciones con rapidez y eficiencia. Con una organización de mantenimiento competente se debería disponer del radar durante el 96 por ciento del tiempo sobre una base anual, con un equipo estándar. Aumentando los gastos se pueden obtener mejores resultados. Para la calibración y el mantenimiento se recomienda disponer al menos del siguiente equipo: a) un generador de señales de microondas; b) un medidor de potencia en microondas;

II.9-23

c) d) e) f)

un osciloscopio de MHz; un medidor de frecuencia de microondas; antenas de bocina de ganancia normalizada; un generador de señales de frecuencia intermedia (FI); g) componentes de microondas, entre ellos circuitos de carga, acopladores, atenuadores, conectores, cables, adaptadores, etc.; h) un analizador versátil de espectro de microondas en el servicio central; i) herramientas y equipo estándar de electricidad y mecánica.

9.9

MEDICIÓN DE LAS PRECIPITACIONES

La medición de las precipitaciones por radar suscita interés desde el comienzo de la meteorología por radar. La principal ventaja del uso de radares para medir la precipitación es la cobertura, desde un solo punto de observación y en tiempo real, de una amplia zona con resolución espacial y temporal. Además, es posible ampliar la imagen bidimensional de la situación meteorológica a una zona muy vasta recopilando los datos procedentes de varios radares. Sin embargo, hasta hace poco no había sido posible realizar mediciones en una zona grande con el suficiente grado de exactitud que exigen las aplicaciones hidrológicas. Lamentablemente, no se puede determinar de forma precisa la exactitud de las mediciones, en parte porque no se dispone de ninguna base satisfactoria de comparación. Un método común consiste en utilizar alguna red de pluviómetros como referencia para comparar las estimaciones obtenidas por radar. Este método parece atractivo a primera vista, pero tiene una limitación fundamental: que no se dispone de ningún patrón de referencia para determinar la exactitud de la medición de la cantidad de lluvia en la zona, realizada mediante una red de pluviómetros en la escala del haz del radar. La naturaleza no proporciona precipitaciones homogéneas y uniformes como para poder probar la red, y tampoco se dispone de ningún patrón de categoría superior con el que comparar los datos obtenidos en dicha red. Por lo tanto, no se conoce la verdadera cantidad de lluvia en la zona, ni la exactitud de la red de pluviómetros. En realidad, hay indicios de que la exactitud de los datos pluviométricos puede ser, para algunos fines, bastante inferior a la supuesta comúnmente, sobre todo si las estimaciones proceden de un número relativamente reducido de pluviómetros (Neff, 1977).

II.9-24

9.9.1

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Características de la precipitación que influyen en las mediciones por radar: relación Z-R

La precipitación se mide habitualmente utilizando la relación Z-R: Z = AR b

(9.10)

donde A y b son constantes. La relación no es única pues se han desarrollado numerosas relaciones empíricas para diversos climas o localidades y tipos de perturbaciones. Los valores nominales y característicos del índice y del exponente son: A = 200; b = 1,60 (Marshall y Palmer, 1948; Marshall y Gunn, 1952). La ecuación se desarrolla teniendo en cuenta varias hipótesis que puede que no sean siempre totalmente válidas. Sin embargo, el historial y la experiencia muestran que, en la mayoría de los casos, la relación da una buena estimación de la precipitación en el suelo, a menos que haya anomalías evidentes. Pueden exponerse algunas generalidades. En longitudes de onda de 5 y 10 cm, la aproximación de Rayleigh es válida a todos los efectos prácticos, salvo en presencia de granizo. Las grandes concentraciones de hielo mezclado con agua pueden provocar anomalías, sobre todo cerca del nivel de fusión. Teniendo en cuenta el factor del índice de refracción del hielo (es decir, |K|2 = 0,208) y eligiendo una relación apropiada entre el factor de reflectividad y la intensidad de la precipitación (Ze con relación a R), se pueden estimar razonablemente las cantidades de precipitación en condiciones de nieve (el valor de 0,208, en lugar de 0,197 para el hielo, tiene en cuenta la variación del diámetro de las partículas cuando se trata de partículas de agua y de hielo de igual masa). La intensidad de la precipitación (R) es un producto de la masa contenida y de la velocidad de caída en un volumen de radar. Es aproximadamente proporcional a la cuarta potencia del diámetro de las partículas. No existe, pues, ninguna relación única entre la reflectividad del radar y la intensidad de la precipitación, ya que la relación depende de la distribución del tamaño de las partículas. Por esta razón la variabilidad natural en tal distribución es una importante fuente de incertidumbre en las mediciones de la precipitación por radar. Las relaciones empíricas Z-R, y las variaciones entre una formación tormentosa y otra y en el interior de una misma tormenta, han sido objeto de numerosos estudios en los últimos cuarenta años. Se

puede obtener una relación Z-R calculando los valores de Z y de R a partir de distribuciones medidas del tamaño de las gotas. También se puede comparar el valor de Z medido en altura por el radar (se denomina entonces “factor de reflectividad del radar equivalente” y se designa mediante Ze ) con R medida en el suelo. Con este último procedimiento se trata de reflejar cualquier diferencia que exista entre la precipitación en altura y la que llega al suelo. También puede haber errores en la calibración del radar, por lo que el resultado no es estrictamente una relación Z-R. Se ha prestado mucha atención a la posibilidad de explicar parte de la variabilidad de la relación Z-R, separando las perturbaciones según el tipo de lluvia (convectiva, no celular, orográfica). Las mejoras conseguidas no son grandes, y subsisten dudas en cuanto a la posibilidad de aplicar esta técnica en la práctica. Las variaciones de la distribución del tamaño de las gotas son ciertamente importantes, pero con frecuencia se sobrestima su importancia relativa. Después de establecer alguna media en el tiempo y/o en el espacio, se observa que los errores asociados a esas variaciones raramente exceden en un factor de 2 en la intensidad de la lluvia. Dichos errores son la principal fuente de variación en experimentos bien definidos, a distancias cortas. Pero, a distancias mayores, predominan generalmente los errores debidos a la imposibilidad de observar las precipitaciones cerca del suelo y al rellenado del haz. Estos errores no se tienen muy en cuenta, a pesar de su importancia. Debido al aumento o a la evaporación de la precipitación, al movimiento del aire y al cambio de fase (hielo y agua en la capa de fusión, o banda brillante), se observan perfiles verticales de reflectividad muy variables, tanto en el interior de una perturbación como entre dos perturbaciones. A menos que la apertura angular del haz sea muy reducida, esto da lugar a una distribución no uniforme de la reflectividad en el volumen muestreado por el radar. La experiencia muestra que el problema del perfil vertical plantea menos dificultades en el caso de lluvia convectiva. En cambio, con lluvia o nieve en condiciones estratiformes, el perfil vertical adquiere más importancia. Al aumentar la distancia, el haz se agranda y su altura es mayor. Por consiguiente, las diferencias entre las estimaciones de la precipitación por radar y la lluvia medida en el suelo también aumentan. Normalmente, la reflectividad disminuye con la altura, por lo que la lluvia se subestima en las mediciones por radar en caso de precipitación en condiciones estratiformes.

CAPÍTULO 9. MEDICIONES POR RADAR

A grandes distancias, en perturbaciones a baja altura, y especialmente cuando las elevaciones bajas de la antena quedan bloqueadas por obstáculos tales como montañas, la subestimación puede ser grande. Estos errores suelen predominar sobre todos los demás. Se puede prescindir fácilmente de ellos cuando se observan perturbaciones a corta distancia únicamente, o cuando se analizan varias perturbaciones situadas aproximadamente a la misma distancia. En Joss y Waldvogel (1990), Smith (1990) y Sauvageot (1994) se tratan estas y otras cuestiones, entre ellas la elección de la longitud de onda, los errores causados por la atenuación, los aspectos que deben considerarse al elegir un emplazamiento del radar para aplicaciones hidrológicas, la calibración del equipo de los sistemas de radar, el muestreo y la realización de promedios, y el ajuste meteorológico de los datos obtenidos por radar. En esta breve exposición se consideran únicamente las mediciones de la lluvia; se dispone de poca experiencia práctica sobre las mediciones por radar de la nieve, y todavía menos de las mediciones del granizo. 9.9.2

Procedimientos de medición

El principal procedimiento para deducir la intensidad de la lluvia a partir de reflectividades medidas por radar para aplicaciones hidrológicas comprende los siguientes pasos: a) asegurarse de que el equipo es estable mediante la calibración y el mantenimiento; b) corregir los errores utilizando el perfil vertical de la reflectividad; c) tener en cuenta toda la información sobre la relación Ze-R y deducir la intensidad de la lluvia; d) realizar el ajuste con los pluviómetros. Los tres primeros pasos se basan en factores físicos conocidos, y en el último se utiliza un método estadístico para compensar los errores residuales, con lo que los métodos estadísticos resultan más eficaces. En el pasado, los circuitos analógicos y las técnicas fotográficas para registrar y analizar los datos imponían grandes limitaciones a la realización de este proceso. Por eso, era sumamente difícil determinar y hacer los ajustes necesarios, y desde luego no en tiempo real. Actualmente, los datos pueden obtenerse en tres dimensiones y en una forma manejable, y se dispone de la necesaria potencia de cálculo para efectuar esas tareas. Buena parte de la investigación actual se dirige hacia la elaboración de técnicas que permitan realizar estas tareas con carácter operativo (véase Ahnert y otros, 1983).

II.9-25

Los métodos empleados en los pasos b) a d) anteriores, y la validez de los resultados obtenidos en la medición de las precipitaciones por radar dependen mucho de las circunstancias. Estas pueden incluir el objetivo específico, la región geográfica considerada, los detalles de la aplicación y otros factores. En algunos casos conviene realizar un proceso interactivo, como el elaborado para FRONTIERS y descrito en el Apéndice A, de Joss y Waldvogel (1990). En ese proceso se utiliza toda la información pertinente de que se dispone en los centros modernos de información meteorológica. Hasta ahora no se ha aceptado con carácter general ningún método de compensación de los efectos del perfil vertical de la reflectividad en tiempo real (paso b)), pero se pueden señalar tres métodos de compensación: a) Corrección dependiente de la distancia. El efecto del perfil vertical está asociado a la combinación de la creciente altura del eje del haz y a su agrandamiento con la distancia. En consecuencia, se puede aplicar un factor climatológico medio, dependiente de la distancia, para obtener una corrección en primera aproximación. Puede haber diferentes factores apropiados para distintas categorías de perturbación; por ejemplo, convectiva o estratiforme. b) Ajuste variable en el espacio. A veces, cuando las características de la precipitación varían sistemáticamente en la zona considerada, o cuando la cobertura por radar no es uniforme debido a la topografía o a obstáculos locales, puede ser conveniente hacer correcciones variando ambos, el acimut y la distancia. Si se dispone de suficiente información anterior, se pueden introducir factores medios de ajuste en las tablas de consulta apropiadas; si no, las correcciones han de deducirse de los propios datos de reflectividad o de comparaciones con datos pluviométricos (operación difícil en ambos casos). c) Perfiles verticales completos. Los perfiles verticales de las perturbaciones varían según el lugar y el momento, y el nivel más bajo, visible para el radar, varía normalmente debido a las irregularidades del horizonte del radar. En consecuencia puede ser necesario un proceso de corrección punto por punto utilizando un perfil vertical representativo para cada zona considerada, a fin de obtener los mejores resultados. Pueden obtenerse perfiles representativos a partir de los propios datos de las exploraciones de volumen de radar, de resúmenes climatológicos o de modelos de perturbaciones. Se trata del método más complejo, pero puede aplicarse con sistemas modernos de datos (Joss y Lee, 1993).

II.9-26

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Tras efectuar las correcciones del perfil, debería utilizarse una relación entre la reflectividad y la intensidad de la precipitación apropiada para la situación, para las condiciones geográficas y para la estación, a fin de calcular el valor de R (paso c) en el primer párrafo de esta sección). En opinión general las comparaciones con los datos de los pluviómetros deberían hacerse regularmente, para comprobar el rendimiento del radar, y se deberían efectuar los ajustes apropiados si se observaran claramente errores sistemáticos del radar (paso d)). En aquellos casos en que las estimaciones realizadas por radar difieran considerablemente de las de los pluviómetros, ya sea por un problema de calibración o de otro tipo, con esos ajustes se pueden conseguir importantes mejoras. Sin embargo, los ajustes no garantizan automáticamente la mejora de las estimaciones efectuadas por radar, y a veces las estimaciones ajustadas son peores que las originales. Así ocurre especialmente en el caso de lluvia convectiva, donde el alcance vertical del eco mitiga las dificultades asociadas al perfil vertical, y los datos obtenidos con los pluviómetros son dudosos a causa de un muestreo no representativo. Asimismo, la distancia de correlación espacial puede ser pequeña, y la comparación pluviómetro-radar resulta cada vez más imprecisa con la distancia desde el pluviómetro. Una regla general es que los ajustes producirán sensibles mejoras solo si las diferencias sistemáticas (es decir, el error o sesgo) entre las estimaciones de las precipitaciones por radar y por pluviómetro es mayor que la desviación típica de la dispersión aleatoria de las comparaciones de pluviómetro y radar. Esta regla permite determinar si deberían utilizarse los datos pluviométricos para hacer ajustes, e indica que los datos disponibles deberían ser comprobados antes de proceder realmente a un ajuste. Se han estudiado varios métodos, pero ninguno cuenta con la aceptación general. Se han propuesto diversas técnicas para utilizar radares con diversidad de polarización a fin de mejorar la medición de las precipitaciones. En particular, se ha sugerido que la diferencia entre las reflectividades medidas con polarización horizontal y vertical (ZDR , reflectividad diferencial) puede proporcionar información útil sobre las distribuciones del tamaño de las gotas (Seliga y Bringi, 1976). Otro método consiste en utilizar KDP (fase diferencial específica) que depende del cambio de la fase de la onda transmitida debido a grandes esferoides achatados. El método depende de las deformaciones hidrodinámicas sufridas por las grandes gotas de lluvia, aportando las precipitaciones más intensas

y las gotas de mayor tamaño señales de polarización más fuertes. Sin embargo, todavía hay bastante controversia en cuanto a si esta técnica es prometedora para la medición de las precipitaciones en la práctica (English y otros, 1991). A distancias cortas (con elevada resolución espacial), los radares con diversidad de polarización pueden proporcionar valiosa información sobre la distribución de las partículas de las precipitaciones y otros parámetros propios de la física de las nubes. A distancias mayores, no se puede tener la seguridad de que el haz del radar esté lleno de hidrometeoros distribuidos homogéneamente, por lo que resulta más incierta la relación empírica entre la señal polarimétrica y la distribución del tamaño de las gotas. Por supuesto, será útil conocer mejor la relación Z-R, pero incluso aunque las técnicas de parámetros múltiples funcionaran perfectamente, el error causado por la relación Z-R solo podría reducirse del 33 al 17 por ciento, como han mostrado Ulbrich y Atlas (1984). Para aplicaciones hidrológicas a corta distancia, la corrección de otros errores (considerados ya anteriormente) es generalmente mucho mayor, tal vez de un orden de magnitud o más. 9.9.3

Técnicas modernas y resumen

A lo largo de los años gran parte de los trabajos de investigación se han orientado a estudiar las posibilidades del radar como instrumento de medición de la lluvia. En general, las mediciones de la lluvia por radar, deducidas de una relación empírica Z-R, están bastante de acuerdo con las mediciones de pluviómetros situados a distancias próximas al radar. A distancias mayores aumentan la variabilidad y la subestimación de las mediciones por radar. Por ejemplo, en Suiza, a una distancia media de 100 km, los radares solo miden el 25 por ciento de la cantidad de lluvia medida por pluviómetros, en tanto que a distancias cortas miden el 100 por ciento. En terreno llano o con lluvia convectiva se observan variaciones similares, pero no tan importantes. Esto se debe a la curvatura de la tierra, a obstáculos topográficos y a la ampliación del haz del radar con la distancia. Por eso, el principal inconveniente de utilizar el radar para medir precipitaciones y para aplicaciones hidrológicas prácticas es la imposibilidad de medir las precipitaciones suficientemente cerca del suelo a la distancia de cobertura deseada. Como este problema no se presenta frecuentemente en experimentos bien definidos, no se le ha prestado la atención que merece como un

CAPÍTULO 9. MEDICIONES POR RADAR

problema fundamental en las aplicaciones prácticas. Dado que se dispone de equipo de tratamiento de datos a gran velocidad de bajo costo, hoy día es posible determinar la distribución tridimensional de los ecos en toda la zona de cobertura del radar. Y como además se conoce la posición del radar y la orografía que lo circunda, se puede corregir en tiempo real una gran parte del problema que plantea el perfil vertical, o estimar al menos su magnitud. Tal corrección permite ampliar la región en que se obtiene una exactitud aceptable en muchas aplicaciones hidrológicas. Para utilizar en forma óptima el radar deberían seguirse las siguientes reglas: a) El emplazamiento del radar debería elegirse de manera que se puedan observar las precipitaciones lo más cerca posible del suelo. Por “observar” se entiende aquí la inexistencia de efecto de pantalla o ecos parásitos o que pueda suprimirse la influencia de estos, por ejemplo mediante análisis Doppler. Esta condición puede limitar frecuentemente el alcance útil del radar para mediciones cuantitativas a entre 50 y 100 km. b) La longitud de onda y el tamaño de la antena deberían elegirse de manera que se logre un término medio aceptable entre la atenuación debida a las precipitaciones y una buena resolución espacial. A distancias mayores, tal vez se necesite una longitud de onda más corta para lograr un haz suficientemente estrecho, o una antena mayor si es necesario utilizar la banda S, a causa de la frecuente atenuación provocada por grandes células intensas. c) Se deberían mantener los sistemas con rigor y controlar la calidad, incluso asegurando la suficiente estabilidad y calibración del equipo. d) A menos que las mediciones de reflectividad se efectúen junto al suelo, deberían corregirse los errores procedentes del perfil vertical de la reflectividad. Como ese perfil cambia con el tiempo, se debería monitorizar constantemente mediante el radar. Tal vez sea necesario calcular la corrección para cada píxel, pues depende de la altura del volumen visible más bajo por encima del suelo. Debería efectuarse la corrección del perfil vertical de la reflectividad antes de proceder a otros ajustes, por tratarse de la principal corrección a gran distancia. e) La muestra debería tener el tamaño adecuado para la aplicación de que se trate. En las aplicaciones hidrológicas, y especialmente cuando se ajustan las estimaciones del radar con las

II.9-27

mediciones realizadas con pluviómetros, conviene integrar los datos sobre cierto número de horas y/o kilómetros cuadrados. La integración ha de hacerse sobre la magnitud deseada (intensidad lineal de la lluvia R) para evitar todo sesgo originado por esta integración. Incluso una estimación aproximada del perfil vertical real de la reflectividad puede producir una importante mejora. Las mediciones polarimétricas pueden proporcionar alguna mejora más, pero todavía no se ha demostrado que el costo adicional, la complejidad y el riesgo de interpretación errónea de las mediciones de polarización puedan estar justificados en las aplicaciones hidrológicas operativas. Las principales ventajas del radar residen en su elevada resolución espacial y temporal, su amplia cobertura y la inmediatez (datos en tiempo real). El radar también puede efectuar mediciones en zonas inaccesibles, tales como lagos, y seguir un “objetivo flotante” o un “complejo convectivo” en tiempo real; por ejemplo, para predicciones a corto plazo. Aunque no sea tan adecuado para dar la medición de cantidades de lluvia con una exactitud absoluta, en muchos lugares se obtiene ya información cuantitativa de buena calidad con redes de radar. No es probable que el radar sustituya algún día totalmente al pluviómetro, pues este proporciona información adicional y es esencial para ajustar y/o controlar las indicaciones obtenidas por radar. Por otro lado, según han señalado muchos expertos, para obtener una resolución como la que puede conseguirse fácilmente con el radar se necesitaría una red sumamente densa y costosa de pluviómetros. 9.9.4

Técnica de integración superficie-tiempo

En las aplicaciones climatológicas, que no requieren datos en tiempo real, se puede sacar provecho de la estrecha relación entre la cantidad total de lluvia y la extensión y duración de los chubascos (Byers, 1948; Leber, Merrit y Robertson, 1961). Sin utilizar una relación Z-R, Doneaud y otros (1984, 1987) establecieron una relación lineal entre la superficie de la zona abarcada por la lluvia y la pluviosidad total en esa zona con muy poca dispersión. Esta relación depende del umbral elegido para definir la zona de lluvia. Si bien tiene limitaciones en las aplicaciones de predicción a corto plazo en tiempo real, esta relación debería tener verdadero valor en las aplicaciones y estudios climatológicos.

II.9-28

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

9.10

DETECCIÓN DEL TIEMPO SEVERO Y APLICACIONES A LA PREDICCIÓN INMEDIATA

posible mejorar la detección del granizo y la estimación de las precipitaciones fuertes basándose en la reflectividad diferencial (ZDR ) medida por un radar Doppler de doble polarización (Seliga y Bringi, 1976).

9.10.1

Utilización de la información sobre la reflectividad

Desde finales del decenio de 1970 se utilizan ordenadores para proporcionar técnicas de “intervalos de tiempo” y de “zum” para tratar los datos radar. El sistema británico FRONTIERS (Browning y Collier, 1982; Collier, 1989), el sistema japonés AmeDAS, el sistema francés ARAMIS (Comisión de las Comunidades Europeas, 1989) y el sistema estadounidense PROFS, que son interactivos, permiten al usuario obtener imágenes polícromas compuestas desde varios radares remotos simultáneamente, así como combinar los datos de radar con otros tipos de información.

En la actualidad, el criterio más utilizado para la detección por radar de tormentas potencialmente severas es la intensidad de la reflectividad. Se aconseja a los meteorólogos de los servicios operativos que busquen zonas de alta reflectividad (50 dBZ o más). Estas comprenden estructuras de bandas espirales y de la pared del ojo que caracterizan a los ciclones tropicales. Los ecos en forma de gancho o de dedo, los ecos salientes y de otro tipo obtenidos mediante exploraciones del volumen del radar se utilizan para predecir tornados o tormentas violentas (véase, por ejemplo, Lemon, Burgess y Brown, 1978), pero hay una elevada proporción de falsas alarmas. Recientemente se ha logrado mejorar la detección de tormentas severas tratando los datos digitales de reflectividad obtenidos por exploración automática del volumen con intervalos de actualización de 5 a 10 minutos. Con mediciones masivas de la reflectividad como las realizadas para calcular el líquido integrado verticalmente (VIL) y la probabilidad de tiempo severo, se ha podido mejorar la detección y el aviso de tormentas violentas, especialmente para granizo. Se han propuesto numerosas técnicas para identificar el granizo con radares convencionales de 10 cm, entre ellas la presencia de un eco de 50 dBZ a alturas de 3 u 8 km (Dennis, Schock y Koscielski, 1970; Lemon, Burgess y Brown, 1978). Sin embargo, todavía no se ha informado acerca de estudios de verificación para otras partes del mundo. Federer y otros (1978) observaron que la altura de la línea de contorno de 45 dBZ debe superar la altura del nivel de grado nulo en más de 1,4 km para que exista probabilidad de granizo. Una extensión de este método se ha verificado en el Instituto Real de Meteorología de los Países Bajos y se está aplicando (Holleman y otros, 2000; Holleman, 2001). Otro método para mejorar la detección del granizo incluye el empleo de radares con dos longitudes de onda, generalmente en las bandas X y S (Eccles y Atlas, 1973). La física de lo que ve el radar en esas diversas longitudes de onda es esencial para comprender las ventajas y las limitaciones de estas técnicas (cambios de sección transversal de los hidrometeoros o distribución de la intensidad). Según estudios sobre la diversidad de polarización, será

Para monitorizar la cantidad de lluvia se dispone de un potente producto de predicción inmediata que consiste en una síntesis de datos de radar y datos de pluviómetros. Uno de los métodos aplicados en Japón (Makihara, 2000) es el análisis de precipitaciones utilizando componentes de la red de radares del Sistema de adquisición automática de datos meteorológicos (AMeDAS). La intensidad del eco captado mediante una red de radares se convierte en intensidad de precipitación utilizando la relación Ze-R, y se calcula la cantidad de precipitación en una hora a partir de la intensidad de precipitación. Luego se calibran las cantidades estimadas utilizando las cantidades de lluvia observadas mediante pluviómetros para obtener con gran exactitud un gráfico de la cantidad de lluvia durante una hora. 9.10.2

Utilización de la información Doppler

El mejor método para medir los vientos en las precipitaciones es el método Doppler múltiple, utilizado desde mediados del decenio de 1970 en programas científicos específicos de duración limitada. Sin embargo, de momento no se prevé la utilización operativa en tiempo real de dobles o triples análisis Doppler, a causa de los requisitos de cobertura espacial. Una excepción podrían ser los aeropuertos, por sus requisitos de área limitada, en que podrían ser útiles los sistemas biestáticos (Wurman, Randall y Burghart, 1995). La aplicación del radar Doppler a la detección y el seguimiento en tiempo real de tormentas violentas comenzó en los primeros años del decenio de 1970. Donaldson (1970) fue probablemente el primero en identificar una de las características del flujo de vórtice en una tormenta fuerte. Experimentos cuasi

CAPÍTULO 9. MEDICIONES POR RADAR

operativos han demostrado que un elevadísimo porcentaje de las señales de vórtice identificadas por análisis Doppler simple, vienen acompañadas por granizo devastador, fuertes vientos convectivos o tornados (Ray y otros, 1980; JDOP, 1979). Desde entonces es evidente la existencia de dos rasgos útiles de tormenta severa con patrones característicos o “señales-firma”. La primera “señal-firma” es la del mesociclón, columna de aire vertical con un movimiento rotatorio ascendente, normalmente con un diámetro de 2 a 10 km. Se ha observado que la “señal-firma” de mesociclón (o pareja de velocidades) se forma al nivel medio de una tormenta y desciende hacia la base de la nube, coincidiendo con el desarrollo del tornado (Burgess, 1976; Burgess y Lemon, 1990). Este comportamiento permitió reducir el tiempo de aviso de los tornados en 20 minutos o más, en experimentos cuasi operativos realizados en Oklahoma (JDOP, 1979). La mayoría de las observaciones con radar Doppler se efectuaron en Estados Unidos de América, y no se sabe todavía si pueden generalizarse los resultados. En experimentos llevados a cabo en Oklahoma, aproximadamente el 50 por ciento de todos los mesociclones produjeron tornados verificados; además, todas las tormentas con tornados violentos se formaron en entornos con fuerte cizalladura y se caracterizaron por mesociclones fuertes (Burgess y Lemon, 1990). La segunda “señal-firma” es la señal del vórtice del tornado (TVS), que la produce el propio tornado. Se trata de la ubicación de una circulación muy débil en el interior del mesociclón. A veces la TVS se detecta en altura, aproximadamente media hora, o más, antes de que un tornado llegue a tierra. Tras varios años de experiencia con la TVS, ha quedado demostrada su gran utilidad para determinar la ubicación de los tornados, generalmente con una aproximación de ±1 km. Se estima que es posible detectar entre el 50 y el 70 por ciento de los tornados al este de las altas llanuras de las Montañas Rocosas, en Estados Unidos de América (Brown y Lemon, 1976). Se han identificado espectros Doppler de gran anchura (momento de segundo orden) relacionados con la ubicación de tornados. Sin embargo, también se ha establecido una buena correlación entre grandes valores de anchura de espectro con grandes valores de turbulencia durante las tormentas. La divergencia calculada a partir de datos sobre la velocidad radial parece corresponder debidamente a la divergencia total. Se estima que la divergencia radial en la cima de una tormenta coincide con la que existe a la altura máxima de los ecos de

II.9-29

precipitación, lo cual es un indicador de la fuerza de las corrientes ascendentes. En experimentos cuasi operativos con radares Doppler se ha demostrado que un aumento en la magnitud de la divergencia probablemente sea el primer indicador de que una tormenta se está volviendo severa. Además, se ha observado que una fuerte divergencia cerca de la cima de una tormenta es un indicador útil de granizo. Las “señales-firma” de divergencia a niveles bajos de los “reventones” o ráfagas descendentes se han utilizado con los radares meteorológicos Doppler para aeropuertos (TDWR) para proteger a los aviones durante las operaciones de despegue y aterrizaje. Esos radares se han construido especialmente para la vigilancia de zonas limitadas y para rápidas exploraciones reiteradas del espacio aéreo circundante de las terminales aéreas. Como el ciclo de vida de las microrráfagas es de 10 a 20 minutos, para detectarlas eficazmente se requieren sistemas radar especializados. En esta aplicación, el sistema radarordenador proporciona automáticamente avisos a la torre de control de tránsito aéreo (Michelson, Schrader y Wilson, 1990). Los estudios con radares Doppler de la función de las líneas de convergencia de la capa límite en la formación de nuevas tormentas confirman los resultados de estudios previos de nubes-arco realizados con datos de satélite. Hay indicaciones de que las líneas de convergencia a mesoescala de la capa límite (incluida la intersección de frentes de ráfagas de una convección anterior) desempeñan un importante papel en la determinación del lugar y del momento en que se forman las tormentas. Wilson y Schreiber (1986) han documentado y explicado varios casos de formación de tornados por líneas de cizalladura del viento no debidas a precipitaciones, observados mediante radares Doppler (Mueller y Carbone, 1987). Las recientes mejoras en las técnicas de tratamiento y visualización digital de los datos de radar han permitido crear nuevos productos cuantitativos, a base de radar, para aplicaciones hidrometeorológicas. En varios países europeos y en Japón se utilizan esos productos de radar con modelos numéricos para la predicción operativa de las crecidas y su control (véase, por ejemplo, Cluckie y Owens, 1987). Por consiguiente, ya se estima posible realizar importantes avances en la predicción de tormentas en un plazo de 0 a 2 horas. Para que esto sea posible habrá que lograr la integración eficaz de los datos obtenidos con radares Doppler con datos de alta resolución transmitidos por satélite y datos de observación en superficie y de sondeos.

II.9-30

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Los radares Doppler son particularmente útiles para seguir los ciclones tropicales, proporcionar datos sobre la evolución dinámica del ojo, el muro del ojo y las bandas espirales, y sobre la localización y la intensidad de los vientos de fuerza huracanada (Ruggiero y Donaldson, 1987; Baynton, 1979).

9.11

RADARES DE ALTA FRECUENCIA PARA LAS MEDICIONES EN LA SUPERFICIE DE LOS OCEANOS

Las señales radioeléctricas transmitidas en la banda de ondas (decamétricas) de alta frecuencia, de 3 a 30 MHz, son retrodispersadas por las olas en la superficie del mar, y su frecuencia sufre un desplazamiento Doppler. Esas señales pueden detectarse mediante un radar de ondas (decamétricas) de alta frecuencia, diseñado para observarlas. La intensidad de la señal devuelta se debe a la interferencia constructiva de los rayos dispersados por sucesivas olas del mar, espaciadas de manera que los rayos se dispersen en resonancia, como ocurre en una red difractora. En el caso de incidencia rasante, la resonancia se produce cuando la longitud de onda de las olas es igual a la mitad de la longitud de onda de las ondas radioeléctricas. La señal devuelta sufre un desplazamiento Doppler debido al movimiento de las olas. Mediante el espectro Doppler es posible determinar la dirección del movimiento

de las olas con una ambigüedad izquierda-derecha a lo largo de la dirección del haz, que puede resolverse utilizando otra información, como la de un campo de valores de un estado anterior. Si las olas se encuentran en equilibrio con el viento en superficie, se obtiene la dirección del viento, que es la medición meteorológica básica en el mar con radares en ondas (decamétricas) de alta frecuencia. El análisis del espectro de la señal devuelta puede profundizarse para obtener el espectro de las olas y una indicación de la velocidad del viento. Es posible realizar mediciones hasta una distancia de 200 km o más con radares de onda de superficie, y hasta 3 000 km o más con radares de onda ionosférica (utilizando la reflexión desde la ionosfera). Estos últimos se conocen como radares transhorizonte. La mayoría de los radares de alta frecuencia operativos se utilizan con fines militares, pero algunos se emplean para proporcionar regularmente datos sobre la velocidad del viento, en zonas muy vastas, a los Servicios Hidrometeorológicos. Shearman (1983), Dexter, Heron y Ward, (1982), Keenan y Anderson (1987) y Harlan y Georges (1994) proporcionan más información sobre los radares en ondas (decamétricas) de alta frecuencia y sus aplicaciones meteorológicas, así como numerosas referencias.

CAPÍTULO 9. MEDICIONES POR RADAR

II.9-31

ANEXO DECLARACIÓN DE ORIENTACIÓN DE LA OMM SOBRE EL EMPLAZAMIENTO DE RADARES METEOROLÓGICOS Y GENERADORES EÓLICOS

La Organización Meteorológica Mundial (OMM) expresa su preocupación por los efectos cada vez más evidentes de los parques de generadores eólicos sobre los radares meteorológicos y destaca la necesidad de emprender esfuerzos de consulta, protección y atenuación adecuados. La OMM transmite su preocupación a las instancias normativas, a los organismos nacionales de administración de radio, a las sociedades meteorológicas e hidrológicas nacionales, a los promotores de parques de generadores eólicos, a los proveedores comerciales de equipos de generadores eólicos y a la comunidad meteorológica. La protección de los datos de los radares meteorológicos es fundamental para el funcionamiento y la mejora ininterrumpidos de la detección, la vigilancia, la predicción y los avisos meteorológicos y, por lo tanto, redunda en interés de la protección y la seguridad públicas. Los modelos de predicción meteorológica y la predicción operativa localizada dependen de forma creciente de las redes nacionales

de radares meteorológicos terrestres Doppler y perfiladores de viento terrestres para emitir avisos de condiciones meteorológicas extremas, tales como los tornados, las crecidas repentinas y los huracanes que llegan a tierra, predecir las precipitaciones (lluvia, nieve o granizo), el engelamiento de las aeronaves y desviar el tránsito aéreo de zonas con condiciones meteorológicas desfavorables. En el mundo entero, las redes de radares Doppler y de perfiladores de viento deben enfrentarse actualmente a la presión creciente que ejercen los parques eólicos. Los parques eólicos ya han producido efectos en las redes de radares meteorológicos operacionales, y han creado así ecos del suelo que ocasionan confusión y una pérdida significativa de datos o falsas precipitaciones para aplicaciones hidrológicas. La rotación de las aspas puede crear velocidades desconcertantes que podrían, potencialmente, confundirse con fenómenos meteorológicos extremos, tales como un tornado. Mientras que los radares

Distancia

Efectos potenciales

Directriz

0-5 km

El generador eólico puede bloquear, de forma total o parcial, el radar y conllevar una pérdida significativa de datos que no podrán recuperarse.

Zona de impacto definido: no deberían instalarse generadores eólicos en esta zona.

5-20 km

La reflexión múltiple o la dispersión por trayectos múltiples pueden crear ecos falsos y múltiples elevaciones. Las mediciones Doppler de la velocidad pueden verse alteradas por la rotación de las aspas.

Zona de impacto moderado: los efectos del terreno constituirán un factor. Se recomienda realizar análisis y consultas. La reorientación o modificación del emplazamiento de los generadores puede reducir o atenuar los efectos.

20-45 km

Por lo general son visibles en una exploración en elevación mínima; se observarán ecos como los del suelo en la reflectividad; las velocidades Doppler pueden verse alteradas por la rotación de las aspas.

Zona de bajo impacto: se recomienda emitir notificaciones.

> 45 km

Por lo general no son observables en los datos, pero pueden llegar a serlo debido a las condiciones de propagación.

Zona de impacto intermitente: se recomienda emitir notificaciones.

II.9-32

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

meteorológicos han sido desplazados por los promotores de parques eólicos, en general, la comunidad meteorológica no tiene jurisdicción sobre el emplazamiento de los parques eólicos y se apoya en políticas cooperativas de “buena vecindad” para la atenuación de su efecto. La creación de nuevas redes de radares y de perfiladores de viento, así como de parques eólicos, exigirá de las comunidades meteorológica y de parques eólicos una planificación estratégica para la atenuación. La OMM y la comunidad meteorológica cuentan con los organismos nacionales e internacionales de radio autorizados y los respaldan, y alentarán y apoyarán enérgicamente los esfuerzos de esos organismos por promover y proteger el uso de espacios sin obstrucciones con fines meteorológicos. La OMM alienta a los organismos nacionales de radio a elaborar criterios aceptables relativos a la obstrucción y a proporcionar herramientas a los promotores de parques eólicos para ayudarlos en la selección del emplazamiento. La distancia entre los generadores eólicos y los radares meteorológicos puede generalmente utilizarse para describir los efectos en la calidad de los datos de los radares y también para elaborar una estrategia de atenuación en el marco de un emplazamiento conjunto de radares meteorológicos y generadores eólicos. A continuación figuran las

directrices generales para radares corrientes en emplazamientos con terrenos llanos, que pueden requerir modificaciones para situaciones específicas y para radares particulares. Los radares más potentes, como los de banda S (10 cm de longitud de onda), con menos atenuación, podrían necesitar mayores límites de alcance que los que figuran en la tabla. La OMM alienta a que se financien y realicen estudios para crear tecnologías destinadas a atenuar los efectos. Las técnicas de procesamiento de señales de radares meteorológicos o el uso de otros materiales para construir generadores eólicos podrían contribuir a reducir los ecos parásitos a largas distancias. Asimismo, la OMM recomienda que los resultados de esos estudios se pongan a disposición de los fabricantes de radares meteorológicos y generadores eólicos. Redunda en interés de todas las naciones proteger los espacios sin obstrucción para los radares meteorológicos y los perfiladores de viento, que son esenciales y fundamentales para la predicción exacta de condiciones meteorológicas desfavorables. Se buscan soluciones tecnológicas y a nivel local y nacional. La OMM proporcionará material de orientación y herramientas para proteger los espacios sin obstrucción para los radares meteorológicos y los perfiladores de viento, y defenderá esos espacios.

CAPÍTULO 9. MEDICIONES POR RADAR

II.9-33

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PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

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II.9-36

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

CAPÍTULOCAPÍTULO 10. TÉCNICAS10 DE GLOBOS

II.10-1

TÉCNICAS DE GLOBOS

10.1

GLOBOS

10.1.1

Principales tipos de globos

Hay dos grandes categorías de globos utilizados en meteorología: a) Los globos piloto, que se utilizan para medir visualmente el viento en altitud, y los globos sonda para la medición de la altura de la base de las nubes. No suelen llevar una carga apreciable, por lo que son considerablemente más pequeños que los globos de radiosonda. Son casi siempre extensibles y esféricos, y de ellos se requiere ante todo que, además de poder alcanzar alturas satisfactorias, mantengan su forma esférica mientras ascienden. b) Los globos utilizados para transportar instrumentos para el registro o la transmisión de las observaciones corrientes en altitud suelen ser del tipo extensible, y de forma esférica. Se denominan habitualmente globos de radiosonda o de sondeo. Deberían poseer el tamaño y la calidad suficientes para poder transportar la carga requerida (por lo general, entre 200 g y 1 kg) a alturas de hasta 35 km, a una velocidad de ascenso lo bastante rápida como para permitir una aireación razonable de los elementos de medición. Para la medición de vientos en altitud mediante radar se utilizan globos piloto grandes (100 g) o globos de radiosonda, según el peso y la resistencia del equipo transportado. Hay otros tipos de globos, utilizados para fines especiales, que no se describen en el presente capítulo. Los globos de nivel constante, que ascienden hasta un nivel predeterminado y flotan en él, están fabricados de material inextensible. Los globos grandes de nivel constante se llenan parcialmente en el momento del lanzamiento. Los globos de superpresión de nivel constante se llenan de modo que se inflen completamente al efectuarse el lanzamiento. Los globos tetraédricos son pequeños globos de nivel constante y de superpresión utilizados para estudios de trayectoria. El uso de globos cautivos para la obtención de perfiles se aborda en el capítulo 5 de la parte II.

10.1.2

Materiales y propiedades de los globos

Los mejores materiales básicos para los globos extensibles son el látex de caucho natural de alta calidad y un látex sintético a base de policloropreno. El látex natural conserva su forma mejor que el policloropreno, que es más fuerte y puede fabricarse de mayor grosor para obtener las prestaciones deseadas. Resulta menos afectado por la temperatura, pero resiste peor el ozono y las radiaciones ultravioleta a grandes altitudes, y su duración en almacén es menor. Ambos materiales pueden llevar incorporados diversos aditivos para mejorar su duración en almacén, su resistencia y sus prestaciones a bajas temperaturas, tanto durante el almacenamiento como en vuelo, y para resistir el ozono y la radiación ultravioleta. Durante la fabricación de los globos que se desea llenar de hidrógeno puede añadirse también un agente antiestático, como precaución frente a posibles explosiones. Hay principalmente dos procesos para la producción de globos extensibles. Uno de ellos consiste en sumergir un armazón en una emulsión de látex, y el otro, en modelar el globo sobre la cara interior de un molde hueco. Este último método permite fabricar los globos con un grosor más uniforme, lo cual es deseable para alcanzar grandes altitudes a medida que el globo se expande, y el cuello puede fabricarse formando una sola pieza con el resto, con lo que se evita la aparición de puntos débiles. Para los globos de nivel constante, el material inextensible que se emplea es el polietileno. 10.1.3

Especificaciones de los globos

Una vez terminados, los globos deberían estar libres de materias extrañas, picaduras u otros defectos, y deberán ser homogéneos y de grosor uniforme. Deberían estar provistos de cuellos de entre 1 y 5 cm de diámetro y de 10 a 20 cm de longitud, según el tamaño del globo. En los globos de sondeo los cuellos tendrían que poder soportar una fuerza de hasta 200 N sin sufrir daños. Para evitar que el cuello llegue a desprenderse, es importante que el grosor de la envoltura aumente gradualmente en dirección a aquel; toda discontinuidad brusca del grosor constituirá un punto débil.

II.10-2

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

En cuanto al tamaño, los globos se identifican mediante su peso nominal en gramos. El peso real de un globo no debería diferir del peso nominal especificado en más de un diez, y preferiblemente, un cinco por ciento. Al expandirse, el globo debería poder alcanzar un diámetro como mínimo cuatro veces, y preferiblemente cinco o seis veces, superior al original, y mantenerlo durante al menos una hora. La geometría del globo inflado debería ser esférica o en forma de pera. La duración de los globos en almacén es un aspecto importante, especialmente en condiciones tropicales. Aunque pueden realizarse pruebas de envejecimiento artificial, sus resultados no son muy indicativos. Una de ellas consiste en mantener el globo de muestra en un horno a 80 °C durante cuatro días, situación que se considera equivalente a unos cuatro años en los trópicos, después de lo cual el globo debería seguir siendo capaz de producir la expansión mínima requerida. Un embalado cuidadoso de los globos para evitar exponerlos a la luz (especialmente a la luz del sol), al aire fresco o a temperaturas extremas es esencial para evitar un deterioro rápido. Los globos fabricados con látex sintético incorporan un plastificante que les permite resistir el endurecimiento o congelación del material a las bajas temperaturas reinantes en torno a la tropopausa y a altitudes superiores. Algunos fabricantes proponen distintos tipos de globo para usos diurnos y nocturnos, con cantidades diferentes de plastificante.

10.2 10.2.1

COMPORTAMIENTO DE LOS GLOBOS

Velocidad de ascenso

Según el principio de flotabilidad, la fuerza ascensional total de un globo viene dada por la flotabilidad del volumen de gas que contiene, a saber: T = V( ρ – ρg ) = 0,523 D3 ( ρ – ρg )

(10.1)

En donde T es la fuerza ascensional; V es el volumen del globo; ρ es la densidad del aire; ρg es la densidad del gas; y D es el diámetro del globo, que se habrá supuesto esférico. Todas las unidades están expresadas en el Sistema Internacional. Para el hidrógeno al nivel del suelo, la flotabilidad ( ρ – ρg ) es aproximadamente 1,2 kg m–3. Todas las magnitudes de la ecuación 10.1 varían con la altura.

La fuerza ascensional libre L de un globo es la cantidad en que la fuerza ascensional total excede del peso conjunto W del globo más su carga (si la hubiera): L=T–W

(10.2)

En otras palabras, es la flotabilidad neta, es decir, el peso adicional que el globo conseguirá soportar, con toda su carga, sin ascender o caer. Basándose en el principio de similitud dinámica, puede demostrarse que la velocidad de ascenso V de un globo en el seno de aire inmóvil viene expresada mediante la fórmula general: qLn V = ————— (L + W)1/3

(10.3)

donde q y n dependen del coeficiente de resistencia aerodinámica, y por consiguiente del número de Reynolds, vρ D/µ (donde µ es la viscosidad del aire). Lamentablemente, muchos de los globos meteorológicos tienen, en algún momento del vuelo, números de Reynolds comprendidos en la región crítica 1·10 5 a 3·10 5, en que se produce un rápido cambio del coeficiente de resistencia, y no siempre son perfectamente esféricos. Por ello, resulta impracticable utilizar una fórmula simple que sirva para globos de tamaños y fuerzas ascensionales libres diferentes. Así pues, los valores de q y de n en la fórmula precedente deberán obtenerse experimentalmente; expresando en m min–1 la velocidad de ascenso, dichos valores suelen ser muy aproximadamente iguales a 150 y a 0,5, respectivamente. Otros factores, como el cambio de densidad del aire o las pérdidas de gas, pueden afectar también a la velocidad de ascenso y causar una variación apreciable con la altura. Durante la realización de sondeos en condiciones de precipitación o de engelamiento, podría ser necesario un aumento de la fuerza ascensional libre de hasta un 75 por ciento, en función del mayor o menor rigor de las condiciones reinantes. Únicamente deberían utilizarse los valores supuestos de la velocidad de ascenso en condiciones de precipitación ligera. Por lo general, solo es necesario conocer con precisión la velocidad de ascenso para las observaciones piloto y de techo de nubes, en que no hay otro medio de determinar la altura. La velocidad de ascenso depende en gran medida de la fuerza ascensional libre y de la resistencia del aire sobre el globo y el tren de lanzamiento. La resistencia aerodinámica puede ser más importante, especialmente en el caso de los globos no esféricos. La altura máxima depende principalmente de la fuerza ascensional y del tamaño y la calidad del globo.

CAPÍTULO 10. TÉCNICAS DE GLOBOS

II.10-3

Prestaciones típicas de un globo Peso (g)

10

30

100

200

350

600

1 000

1 500

3 000

Diámetro en el lanzamiento (cm)

30

50

90

120

130

140

160

180

210

Carga útil (g)

0

0

0

250

250

250

250

1 000

1 000

Fuerza ascensional libre (g)

5

60

300

500

600

900

1 100

1 300

1 700

Velocidad de ascenso (m min–1)

60

150

250

300

300

300

300

300

300

Altura máxima (km)

12

13

20

21

26

31

34

34

38

10.2.2

Rendimiento de los globos

En el cuadro de arriba se indican valores típicos de las prestaciones que proporcionan distintos tamaños de globos. Se trata de valores muy aproximados. Cuando sea necesario conocer con precisión las prestaciones de determinado globo y de su tren de lanzamiento, habrá que averiguarlas mediante el análisis de vuelos reales. Aumentando la fuerza ascensional total, un globo puede transportar una carga superior a la indicada en el cuadro. Ello se consigue utilizando más gas y aumentando el volumen del globo, con lo cual se modifica la velocidad de ascenso y la altura máxima. La selección de un globo para fines meteorológicos viene dictada por la carga que haya que transportar, por la velocidad de ascenso, por la altitud requerida, por el propósito de utilizar o no el globo para un seguimiento visual, y por la cubierta de nubes en relación con su color. Normalmente es deseable una velocidad de ascenso de entre 300 y 400 m min–1, a fin de reducir al mínimo el tiempo requerido para la observación; podría ser también necesaria para proporcionar una aireación suficiente de los sensores de la radiosonda. Al seleccionar un globo habrá que tener también en cuenta que la altitud alcanzada suele ser menor cuando la temperatura es muy baja en el momento del lanzamiento. En cuanto a los globos que se utilizan para operaciones ordinarias, es conveniente determinar la fuerza ascensional libre que permita alcanzar alturas de estallido óptimas. Por ejemplo, se ha notado que, en algunos globos medianos, una menor cantidad de gas de inflado conlleva una reducción de la velocidad media de ascenso de 390 a 310 m min–1, lo que puede dar lugar a un incremento de la altura de explosión en una media de 2 km. Deberían llevarse registros de las alturas de estallido y examinarse periódicamente para asegurar la aplicación de las mejoras prácticas.

En períodos diurnos, las observaciones visuales se facilitan utilizando globos incoloros los días soleados y despejados, y de color oscuro los días nubosos. La mejor manera de calibrar el rendimiento de un globo es determinando la extensión lineal máxima que soportará sin estallar, y puede expresarse de manera práctica mediante el cociente entre el diámetro (o circunferencia) en el momento de estallar y el diámetro del globo no inflado. El rendimiento de un globo durante el vuelo, sin embargo, no es necesariamente el mismo que en una prueba de estallido efectuada en tierra. El rendimiento puede resultar afectado por un trato rudo durante el inflado y por los esfuerzos provocados durante un lanzamiento en condiciones de viento fuerte. Durante el vuelo, la extensión del globo puede resultar afectada por la pérdida de elasticidad a bajas temperaturas, por la acción química del oxígeno, del ozono o de la radiación ultravioleta, y por defectos de fabricación, como picaduras o puntos débiles. Con todo, un globo de calidad satisfactoria debería extenderse al menos hasta el cuádruple durante un sondeo real. El grosor del material en el momento del lanzamiento suele ser de 0,1 a 0,2 mm. Durante el ascenso, se produce siempre un ligero exceso de presión, p1, de varios hectopascales en el interior del globo, debido a la tensión del caucho. Ello impone un límite a la presión externa que es posible alcanzar. Puede demostrarse que, si la temperatura es la misma en el interior que en el exterior del globo, la presión limitadora p viene dada por:

⎛1,.07W ⎛ Wp1 p= ⎜ + 0,.075 ⎜ p1 ≅ L0 ⎝ L0 ⎝

(10.4)

donde W es el peso del globo más los aparatos, y L0 es la fuerza ascensional libre en tierra, expresados ambos en gramos. Si el globo es capaz de alcanzar la altura correspondiente a p, flotará a esa altura.

II.10-4

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

10.3

MANEJO DE LOS GLOBOS

10.3.1

Almacenamiento

Es muy importante que los globos de radiosonda se almacenen correctamente si se desea obtener de ellos un rendimiento óptimo al cabo de varios meses. Es aconsejable reducir las existencias de globos a la cantidad mínima que permitan las necesidades operativas dentro de los márgenes de seguridad. Siempre que sea posible, será preferible recibir material con frecuencia antes que comprar en grandes cantidades, con los consecuentes largos períodos de almacenamiento. Para evitar utilizar globos que hayan estado almacenados durante mucho tiempo, deberían utilizarse siempre siguiendo el orden determinado por su fecha de fabricación. Normalmente es posible obtener el rendimiento máximo hasta unos 18 meses después de la fabricación, siempre y cuando las condiciones de almacenamiento hayan sido cuidadosamente determinadas. Muchos fabricantes publican instrucciones para sus propios globos, que habría que observar meticulosamente. Las instrucciones generales siguientes son aplicables a la mayoría de los tipos de globos de radiosonda. Los globos deberían almacenarse al abrigo de la luz del sol y, a ser posible, en la oscuridad. En ningún momento deberían almacenarse junto a una fuente de calor o de ozono. Los globos compuestos de policloropreno o de una mezcla de policloropreno y caucho natural pueden deteriorarse si se exponen al ozono emitido por generadores eléctricos o por motores de grandes dimensiones. Todos los globos deberían mantenerse en su embalaje original hasta que comiencen los preparativos del vuelo. Habría que poner cuidado para que no entren en contacto con sustancias oleosas o de otro tipo que pudieran penetrar en la envoltura y dañar el globo. Siempre que sea posible, los globos deberían guardarse en un recinto a temperaturas de entre 15 °C y 25 °C; algunos fabricantes proponen directrices concretas sobre este particular, que habría que seguir en todos los casos. 10.3.2

Acondicionamiento

Los globos de caucho natural no requieren un tratamiento térmico especial previo a su uso, ya que ese material no se congela a las temperaturas habituales de los edificios destinados a viviendas. Sin embargo, si un globo ha estado almacenado a una

temperatura inferior a 10 °C durante un largo período, es preferible tenerlo a la temperatura ambiente durante varias semanas antes de utilizarlo. Los globos de policloropreno experimentan una pérdida parcial de elasticidad durante el almacenamiento prolongado a temperaturas inferiores a 10 °C. Para obtener un resultado óptimo, habría que recuperar dicha pérdida antes del inflado mediante una preparación del globo. Convendría atenerse a las instrucciones del fabricante. Lo habitual es colocar el globo en una cámara aislada térmicamente con circulación forzada de aire, mantenerlo a temperatura y humedad adecuadas durante algunos días antes de inflarlo, o sumergirlo en un baño de agua templada. En las estaciones polares, durante períodos extremadamente fríos, los globos que se utilicen deberían tener unas características especiales, de modo que puedan mantener la resistencia y la elasticidad en tales condiciones. 10.3.3

Inflado

Cuando no se utilice un lanzador de globos, convendría disponer de un recinto especial, preferiblemente aislado de otros edificios, para el llenado de los globos. El recinto debería estar adecuadamente ventilado (por ejemplo, NFPA, 1999). Si se va a utilizar hidrógeno gaseoso, será esencial respetar las precauciones de seguridad (véase la sección 10.6). El edificio no debería contener ninguna fuente de chispas, y sería preciso que todos los interruptores y dispositivos eléctricos estén diseñados de manera que no las produzcan; en la sección 10.6.2 se dan más indicaciones al respecto. Si se va a usar helio gaseoso, habrá que prever la posibilidad de calentar el edificio en tiempo frío. Las paredes, puertas y suelos tendrían que disponer de buenos acabados, y deberían estar libres de polvo y de partículas finas. El calentamiento de los recintos de inflado con hidrógeno puede conseguirse mediante vapor, agua caliente u otros métodos indirectos; sin embargo, el calentamiento eléctrico, si se utilizase, deberá cumplir las normativas eléctricas nacionales (por ejemplo, NFPA 50A para espacios de clase I y división 2). Durante el inflado (véase la sección 10.6.4) convendría usar vestimentas de protección. El operario no debería permanecer en una habitación cerrada con un globo que contenga hidrógeno. El proceso de suministro del hidrógeno debería estar controlado, y la operación de llenado tendría que observarse desde el exterior si las puertas están cerradas;

CAPÍTULO 10. TÉCNICAS DE GLOBOS

estas deberían permanecer abiertas mientras el operario se encuentre en el recinto con el globo. El inflado debería realizarse lentamente, ya que toda expansión súbita podría crear puntos débiles en el material del globo. Sería deseable disponer de una válvula de ajuste fino para regular el flujo del gas. El nivel de inflado deseado (fuerza ascensional libre) puede determinarse utilizando una boquilla de llenado, del peso requerido, o una boquilla que forme un brazo de balanza, en el que pueda pesarse la fuerza ascensional del globo. Este último método es menos conveniente, a menos que se desee un margen de variación en el peso de los globos, que es prácticamente innecesario en el régimen de trabajo habitual. Es útil disponer de una válvula acoplada al inflador de balanza; un sistema más depurado, utilizado en algunos servicios, consiste en una válvula ajustable de modo que se cierre automáticamente al alcanzarse la fuerza ascensional adecuada. 10.3.4

Los lanzadores mecánicos de globos tienen la gran ventaja de haber sido diseñados para proporcionar una seguridad prácticamente total, ya que mantienen separado al operario del globo durante el llenado y el lanzamiento. Pueden ser automatizados en grado diverso, incluso hasta el punto de realizarse toda la operación de radiosonda sin la presencia de un operario en caso necesario. Estos dispositivos podrían no ser efectivos a velocidades del viento superiores a 20 m s–1. Convendrá prever una ventilación adecuada para los sensores de la radiosonda antes del lanzamiento, y sería deseable que la estructura estuviera construida de manera que no resultara dañada por el fuego o por las explosiones.

10.4

ACCESORIOS PARA ASCENSOS DE GLOBOS

10.4.1

Iluminación para ascensos nocturnos

Lanzamiento

El globo debería mantenerse al abrigo hasta que todo estuviera listo para el lanzamiento. Convendría evitar una exposición prolongada a la luz solar intensa, que podría causar un rápido deterioro del material del globo, o incluso hacerlo estallar antes de iniciar el ascenso. En los lanzamientos manuales se debería vestir prendas de protección. El lanzamiento de un globo de radiosonda con viento ligero no reviste especial dificultad. Habría que tener cuidado siempre en evitar que el globo y los instrumentos tropiecen con obstáculos antes de elevarse por encima de los árboles y edificios que rodean la estación. Una gran parte de los problemas del lanzamiento puede evitarse planificando detenidamente el lugar en que se va a efectuar. El área seleccionada debería tener el mínimo posible de obstáculos que puedan interferir en el lanzamiento; los edificios de la estación habrían de estar diseñados y ubicados atendiendo a los vientos predominantes, a los efectos de las ráfagas en el área de lanzamiento y, en climas fríos, a las ventiscas de nieve. Es también aconsejable, con vientos fuertes, mantener la amarra de suspensión del instrumento lo más corta posible durante el lanzamiento, utilizando una trabilla de suspensión o un devanador. Un dispositivo útil sería un carrete que enrolle la cuerda de suspensión, junto con un perno provisto de un freno de aire o de una trabilla que permita ir devanando lentamente la cuerda tras el lanzamiento del globo.

II.10-5

La fuente de luz habitualmente utilizada en los ascensos nocturnos de los globos piloto es una pequeña batería eléctrica de linterna y una lámpara. Suele ser adecuada una batería de dos celdas de 1,5 V, o bien una de activación por agua con una bombilla de 2,5 V y 0,3 A. Otra posibilidad es utilizar un dispositivo de iluminación por fluorescencia química. No obstante, para sondeos de gran altitud se necesita un sistema más potente, de 2 o 3 W, junto con un reflector simple. Si se desea que la velocidad de ascenso se mantenga invariable cuando se utilice un dispositivo de iluminación, en teoría se requerirá un pequeño aumento de la fuerza ascensional libre; es decir, la fuerza ascensional total deberá aumentar en una cantidad superior al peso adicional transportado (véase la ecuación 10.3). En la práctica, sin embargo, el aumento requerido es probablemente menor que el calculado, ya que la carga mejora el perfil aerodinámico y la estabilidad del globo. Tiempo atrás, se utilizaba para los ascensos nocturnos una pequeña vela alojada en un farol de papel translúcido suspendido a unos 2 m por debajo del globo. Aun así, hay riesgo de deflagración o de explosión si la vela llega a aproximarse al globo o a la fuente de hidrógeno, además del riesgo de originar un incendio forestal u otro incendio grave al retornar a la tierra. Por ello, no es en absoluto recomendable utilizar velas.

II.10-6

10.4.2

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Paracaídas

Para reducir el riesgo de causar daños con la caída de un instrumento de sondeo, es habitual instalar un paracaídas simple. Este debería poder abrirse con fiabilidad, y reducir la velocidad de descenso a no más de 5 m s–1 en las proximidades del suelo. Convendría también que sea resistente al agua. Para instrumentos de hasta 2 kg de peso, será suficiente un paracaídas de papel impermeable o de plástico, de unos 2 m de diámetro, y de una longitud de cordaje de unos 3 m. Para reducir la tendencia del cordaje a retorcerse durante el vuelo es aconsejable fijar las cuerdas a un aro ligero de madera, plástico o metal, de unos 40 cm de diámetro, inmediatamente por encima del punto en que se enlazan. Cuando el tren de lanzamiento incorpora un reflector de radar para la detección de vientos, podrá instalarse este en el paracaídas, y servirá además para mantener las cuerdas separadas. Las cuerdas y los accesorios deberán poder resistir la apertura del paracaídas. Si se utilizan radiosondas de poco peso (menos de 250 g), el reflector de radar podría proporcionar suficiente resistencia por sí solo durante el descenso.

10.5

GASES DE INFLADO

10.5.1

Consideraciones generales

Los dos gases más adecuados para los globos meteorológicos son el helio y el hidrógeno. El primero es con mucho preferible, ya que no presenta riesgos de explosión ni de incendio. Sin embargo, son pocos los países que disponen de un suministro natural abundante, por lo que se utiliza más el hidrógeno (véase OMM, 1982). La flotabilidad (la fuerza ascensional total) del helio es de 1,115 kg m–3 a una presión de 1 013 hPa y a una temperatura de 15 °C. El valor correspondiente para el hidrógeno puro es de 1,203 kg m–3, y para el hidrógeno comercial, un poco más bajo. Cabe señalar que la utilización de hidrógeno a bordo de buques ya no está permitida en las condiciones generales de las pólizas de seguro marítimo. En tales circunstancias, deberá sopesarse el costo adicional que supondría la utilización de helio, frente a los riesgos para la vida humana y el costo extra del seguro, si fuera posible concertar uno. Además del costo y de los problemas de transporte, el suministro en bombonas de gas comprimido

constituye el medio de abastecimiento de gas más conveniente en las estaciones meteorológicas. Sin embargo, cuando el costo o la dificultad de suministrar bombonas sea un impedimento, la utilización de un generador de hidrógeno en la estación (véase la sección 10.5.3) no debería presentar grandes dificultades. 10.5.2

Bombonas de gas

Para usos generales, las bombonas de acero, con una capacidad de 6 m3 de gas comprimido a una presión de 18 MPa (10 MPa en los trópicos), tienen probablemente el tamaño más conveniente. Sin embargo, cuando el consumo de gas es alto, como ocurre en las estaciones de radiosonda, puede ser útil emplear bombonas de mayor capacidad, o baterías de bombonas estándar conectadas mediante un colector a una misma válvula de salida. Esta forma de colocación reducirá al mínimo las operaciones del personal. Para evitar el riesgo de confusión con otros gases, las bombonas de hidrógeno deberían estar pintadas de un color distintivo (en muchos países se usa el rojo), y estar marcadas además conforme a las normativas nacionales. Sus válvulas de salida deberían estar enroscadas a la izquierda, para diferenciarlas de las de las bombonas de gases no combustibles. Las bombonas tendrían que estar provistas de un capuchón, para proteger las válvulas durante los desplazamientos. Convendría probar las bombonas de gas a intervalos regulares de dos a cinco años, en función del tipo de reglamentación nacional vigente. Para efectuar la prueba, habría que someterlas a una presión interna de, al menos, un 50 por ciento superior a su presión de funcionamiento normal. Las bombonas de hidrógeno no deberían exponerse al calor y, en climas tropicales, deberían estar protegidas de la luz solar directa. Preferiblemente, tendrían que almacenarse en un lugar cerrado, bien ventilado, que permita salir al exterior los escapes de gas que se produzcan. 10.5.3

Generadores de hidrógeno

El hidrógeno puede producirse in situ mediante diversos tipos de generadores. Todas las plantas generadoras e instalaciones de almacenamiento de hidrógeno deberán estar claramente marcadas y llevarán las advertencias adecuadas conforme a las reglamentaciones nacionales (por ejemplo, “Esta unidad contiene hidrógeno”; “Hidrógeno: Gas inflamable. Prohibido fumar. No generar llamas al aire libre”). Los procesos siguientes han resultado

CAPÍTULO 10. TÉCNICAS DE GLOBOS

II.10-7

los más adecuados para generar hidrógeno con fines meteorológicos: a) ferrosilicio y sosa cáustica con agua; b) aluminio y sosa cáustica con agua; c) hidruro de calcio y agua; d) pastillas de magnesio-hierro y agua; e) amoníaco líquido con catalizador de platino caliente; f) metanol y agua con un catalizador caliente; g) electrólisis de agua.

Por desgracia, el hidruro de calcio y el magnesiohierro, que permiten evitar la utilización de sosa cáustica, son caros de producir, por lo que probablemente solo serán aceptables para fines especiales. Dado que estos dos materiales producen hidrógeno a partir de agua, es esencial almacenarlos en contenedores absolutamente a prueba de humedad. En los procesos en que se utilice un catalizador, se pondrá buen cuidado en evitar la contaminación del catalizador.

La mayoría de las sustancias químicas empleadas en estos procesos son peligrosas, y habría que atenerse estrictamente a las normas nacionales pertinentes y a los códigos de aplicación de dichas normas, incluidos el marcado y las advertencias. Esas sustancias requieren un transporte, almacenamiento, manipulación y evacuación especiales. Muchas de ellas son corrosivas, al igual que el residuo resultante de su utilización. Si no se controlaran cuidadosamente esas reacciones, podrían producir un exceso de calor y de presión. El metanol, que es un alcohol tóxico, puede ser mortal si se ingiere o si se abusa de esa sustancia mediante una exposición excesiva.

Todos los sistemas producen gas a una presión suficiente para llenar globos. Sin embargo, las tasas de producción de algunos de ellos (en particular, la electrólisis), son demasiado bajas, por lo que habría que producir el gas antes de necesitarlo, y almacenarlo en forma comprimida o en un gasómetro.

En particular, la sosa cáustica, que es de uso común, requiere un manejo cuidadoso por parte del operario, que debería protegerse adecuadamente, especialmente en los ojos, no solo del contacto con la solución, sino también de las finas partículas que podrían desprenderse al colocar el material sólido en el generador. En previsión de accidentes, convendría tener a mano un frasco de colirio para el lavado de los ojos y un agente neutralizador (por ejemplo, vinagre). Algunos de estos métodos químicos tienen lugar a alta presión, con el consiguiente aumento del riesgo de accidente. Convendría probar los generadores de alta presión cada dos años, como mínimo al doble de la presión de funcionamiento. Los generadores deberían estar provistos de un dispositivo de seguridad que alivie el exceso de presión. Este suele consistir en un disco de ruptura, y es muy importante atenerse estrictamente a las instrucciones de uso en lo referente al material, tamaño y forma de los discos y a la frecuencia de recambio. Aunque el dispositivo de seguridad sea eficiente, es previsible que durante su funcionamiento expulse solución caliente. Deberán limpiarse cuidadosamente los generadores de alta presión antes de recargarlos, dado que los restos de la carga anterior podrían reducir considerablemente el volumen disponible del generador y aumentar, por consiguiente, la presión de funcionamiento por encima del límite de diseño.

Los procesos que funcionan mediante electrólisis de agua o mediante la desintegración catalítica de metanol son atrayentes por su relativa seguridad y su bajo costo, y por utilizar materiales no corrosivos. Tanto estos dos procesos como el de amoníaco líquido requieren la utilización de energía eléctrica. El equipo es más bien complejo, y deberá estar sometido a un cuidadoso mantenimiento y, diariamente, a procedimientos de comprobación detallados, para asegurarse de que los sistemas de control de seguridad son efectivos. El agua destinada a la electrólisis deberá tener un bajo contenido en minerales.

10.6

UTILIZACIÓN DEL HIDRÓGENO Y PRECAUCIONES DE SEGURIDAD

10.6.1

Consideraciones generales

El hidrógeno puede entrar fácilmente en ignición mediante una pequeña chispa, y arde con una llama casi invisible. Puede también arder mezclado con el aire a muy diversas concentraciones, entre el 4 y el 74 por ciento en volumen (NFPA, 1999), y explotar a concentraciones del 18 al 59 por ciento. En ambos casos, un operario cercano puede sufrir quemaduras graves en toda la piel expuesta, y una explosión puede lanzar a una persona contra una pared o derribarla, causándole heridas graves. El riesgo de accidente puede eliminarse mediante procedimientos y equipamientos cuidadosamente diseñados, siempre y cuando se respeten aquellos y se mantengan estos con diligencia (Gremia, 1977; Ludtke y Saraduke, 1992; NASA, 1968). La incorporación de medios de seguridad adecuados para los edificios en los que se genera y almacena hidrógeno,

II.10-8

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

o para los lugares en que se llenan o lanzan los globos, no siempre es objeto de la atención adecuada (véase la sección siguiente). En particular, deberá someterse a vigilancia e inspección meticulosas y continuas la observancia de los procedimientos por los operarios. La gran ventaja de los lanzadores automáticos de globos (véase la sección 10.3.4) es que pueden llegar a tener un grado de seguridad casi total para los operarios, manteniendo a estos separados del hidrógeno. Un punto de partida esencial para conocer las precauciones que se han de adoptar con el hidrógeno consistirá en aplicar las normas y reglas de utilización concebidas para evitar los riesgos que conllevan las atmósferas explosivas en general. Se encontrará mayor información sobre las precauciones necesarias en las publicaciones sobre los riesgos de explosión en las salas de operaciones de los hospitales y en otros entornos industriales en que existan problemas similares. El operario no debería permanecer nunca en un recinto cerrado con un globo inflado. A lo largo de este capítulo se encontrarán otras indicaciones sobre seguridad. 10.6.2

Diseño de edificios

Debería disponerse lo necesario para evitar la acumulación de hidrógeno libre y de cargas estáticas, y la aparición de chispas en todo recinto en que se genere, almacene o utilice hidrógeno. Deberá evitarse la acumulación de hidrógeno incluso en caso de que estallara un globo en el interior del recinto durante el proceso de inflado (OMM, 1982). El diseño estructural de los edificios en que se opere con hidrógeno deberá incorporar disposiciones de seguridad (NFPA, 1999; SAA, 1985). Las condiciones climáticas y las normas y códigos nacionales establecen un margen de limitación dentro del cual pueden definirse muchos tipos de diseños y materiales apropiados para esa clase de edificios. Los códigos tienen únicamente carácter de recomendación, y sirven como base para adoptar unas prácticas adecuadas. Las normas se publican en forma de especificaciones para materiales, productos y prácticas de seguridad en el trabajo. Deberían referirse a aspectos tales como accesorios de iluminación eléctrica que no produzcan llamas, aparatos eléctricos en atmósferas explosivas, ventilación de recintos con atmósferas explosivas, utilización de ventanas de plástico, discos de ruptura, etc. (OMM, 1982). Tanto los códigos como las normas deberían contener información útil y adecuada para el diseño

de edificios en que se trabaje con hidrógeno además de estar en consonancia con las prácticas nacionales recomendadas. Cuando se diseñen edificios de este tipo, o cuando se reexamine la seguridad de un edificio existente, convendría solicitar directrices de las autoridades nacionales de normalización, en particular para aspectos tales como: a) ubicaciones preferidas para los sistemas de hidrógeno; b) resistencia de los materiales propuestos contra incendios, en relación con los valores que haya que cumplir; c) necesidades de ventilación, y en particular techos de construcción ligera para que el hidrógeno y los productos de las explosiones escapen desde el punto más alto del edificio; d) equipo y cableado eléctrico adecuados; e) protección contra incendios (extintores y alarmas); f) disposiciones para que el operario controle el inflado del globo desde el exterior del recinto de llenado. Convendría adoptar medidas para reducir al mínimo la posibilidad de que se produzcan chispas en los recintos en que se maneje hidrógeno. Por lo tanto, debería mantenerse fuera de los recintos todo tipo de sistemas eléctricos (interruptores, tomas, cables); en caso contrario, habría que instalar interruptores especiales a prueba de chispas, presurizados para evitar la penetración de hidrógeno, así como cables de esas mismas características. Es también aconsejable iluminar los recintos mediante luces exteriores a través de ventanas. Por esas mismas razones, ningún instrumento de los que se utilicen debería producir chispas. El calzado del observador tampoco debería producir chispas, y habría que instalar asimismo una protección adecuada contra rayos. Si en alguna parte del edificio se utilizan sistemas de aspersión, habría que tener presente la posibilidad de que siga escapando hidrógeno aun después de haber extinguido el fuego. Existen sistemas de detección de hidrógeno que pueden utilizarse, por ejemplo, desconectar la corriente al generador de hidrógeno si llegase a un 20 por ciento del límite inferior de explosión, y que activarían una alarma, más una alarma subsiguiente que se activaría a un 40 por ciento de dicho límite. Convendría delimitar una zona de emergencia en torno a un área que abarque el generador, el almacén y el globo, y a la que solo estaría permitido el acceso con vestimenta de seguridad (véase la sección 10.6.4). Los lanzadores de globos (véase la sección 10.3.4) hacen normalmente innecesario un recinto especial

CAPÍTULO 10. TÉCNICAS DE GLOBOS

para el llenado del globo, y simplifican mucho el diseño de las instalaciones para uso de hidrógeno. 10.6.3

Cargas estáticas

Los peligros que conlleva el inflado y el lanzamiento de los globos pueden reducirse considerablemente evitando la presencia de cargas estáticas en el recinto de llenado, en la ropa del observador y en el propio globo. En Loeb (1958) se encontrará información sobre el proceso de electrificación estática. Las cargas estáticas se controlan mediante una buena toma de tierra de los equipos de hidrógeno y de los accesorios del recinto de llenado. La utilización de tenazas para descarga estática por los observadores puede eliminar las cargas generadas en las prendas de vestir (OMM, 1982). En los globos, las cargas eléctricas son más difíciles de tratar. El material del globo, especialmente el látex puro, es un aislante excelente. Se generan cargas estáticas al separar dos materiales aislantes en contacto entre sí. Un breve contacto con las ropas o el cabello del observador puede generar una carga de 20 kV, que, si se descarga a través de una chispa, es más que suficiente para deflagrar una mezcla de aire e hidrógeno. Las cargas acumuladas en un globo pueden tardar muchas horas en descargarse a tierra a través del material del globo, o de manera natural al aire circundante. Se ha determinado también que, cuando un globo estalla, la separación de la lámina a lo largo de una hendidura en el material puede generar chispas con energía suficiente para desencadenar la ignición. Las cargas electrostáticas pueden evitarse o eliminarse rociando agua sobre el globo durante el llenado, sumergiéndolo en una solución antiestática (secándolo o no antes de su utilización), utilizando globos con aditivos antiestáticos en el látex, o insuflando aire ionizado sobre el globo. No bastará con conectar a tierra el cuello del globo. El potencial electrostático máximo que se puede generar o mantener en la superficie de un globo disminuye al aumentar la humedad, pero la magnitud de este efecto no se conoce aún con exactitud. Ciertas pruebas realizadas con globos de 20 gramos inflados indican que es poco probable que se produzcan chispas con la energía suficiente para deflagrar mezclas hidrógeno-oxígeno cuando la humedad relativa del aire es superior al 60 por ciento. Otros estudios cifran el límite de seguridad en valores de humedad relativa de entre el 50 y el 76 por ciento, pero hay algunos que indican que pueden producirse chispas a niveles de humedad relativa todavía más altos. Se podría

II.10-9

decir que es poco probable una descarga estática cuando la humedad relativa excede del 70 por ciento, pero sería mejor no fiarse de esta afirmación (véase Cleves, Sumner y Wyatt, 1971). Se recomienda sin reservas rociar el globo con finas gotas de agua, ya que el humedecimiento y la toma de tierra eliminarán la mayor parte de las cargas estáticas de las partes mojadas. La aspersión debería hacerse de modo que moje la mayor superficie de globo posible, produciendo regueros continuos de agua desde el globo hasta el suelo. Si se mantienen cerradas las puertas, la humedad relativa en el interior del recinto de llenado puede aumentar hasta el 75 por ciento o más, reduciendo así la probabilidad de que salten chispas con energía suficiente para producir una ignición. El lanzamiento del globo debería realizarse rápidamente, una vez que concluya la aspersión y se abran las puertas del recinto de llenado. Otras medidas que se deberían adoptar para reducir la formación de cargas estáticas son (OMM, 1982): a) dotar al edificio de un sistema completo de tomas a tierra, conectando por separado a una sola tierra todos los accesorios, el equipo de hidrógeno y el pararrayos, de modo que dicha tierra cumpla las especificaciones nacionales vigentes para los electrodos de tierra; se debería contemplar la posibilidad de extraer las cargas eléctricas desde el suelo; b) instalar puntos de descarga estática para los observadores; c) revestir regularmente las ventanas con una solución antiestática; d) sugerir a los operarios que no lleven puestas prendas de vestir sintéticas o zapatos aislantes; es una buena costumbre proporcionar un calzado parcialmente conductor; e) reducir al mínimo todo contacto entre el observador y el globo; esto se podría facilitar situando el dispositivo de llenado a un metro o más por encima del suelo. 10.6.4

Vestimenta de protección e instalaciones de primeros auxilios

Convendría llevar puestas prendas de protección siempre que se trabaje con hidrógeno, durante todas las etapas de las operaciones, y concretamente durante la generación del gas, el manejo de las bombonas, el inflado y el lanzamiento del globo. Estas prendas consistirán en una bata ligera de material ignífugo, con capucha de material antiestático y no sintético, y protección para la

II.10-10

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

parte inferior de la cara, gafas o anteojos, guantes de algodón, y cualquier otra prenda contra deflagraciones recomendada localmente (véase Hoschke y otros, 1979). Debería disponerse de material de primeros auxilios adecuado en la instalación, por ejemplo contra las

quemaduras producidas por deflagraciones y para los miembros rotos. Cuando se utilicen sustancias químicas, convendría tener a mano soluciones neutralizantes apropiadas, por ejemplo ácido cítrico para las quemaduras de sosa cáustica. Sería preciso disponer de un dispositivo para el lavado ocular, listo para su uso (OMM, 1982).

CAPÍTULO 10. TÉCNICAS DE GLOBOS

II.10-11

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), 1968: Hydrogen Safety Manual. NASA Technical Memorandum TM-X-52454, NASA Lewis Research Center, Estados Unidos de América. Atmospheric Environment Service (Canadá), 1978: The Use of Hydrogen for Meteorological Purposes in the Canadian Atmospheric Environment Service, Toronto. Cleves, A. C., J. F. Sumner y R. M. H. Wyatt, 1971: The Effect of Temperature and Relative Humidity on the Accumulation of Electrostatic Charges on Fabrics and Primary Explosives. Proceedings of the Third Conference on Static Electrification (Londres). Gremia, J. O., 1977: A Safety Study of Hydrogen Balloon Inflation Operations and Facilities of the National Weather Service. Trident Engineering Associates, Annapolis, Maryland. Hoschke, B. N., y otros, 1979: Report to the Bureau of Meteorology on Protection Against the Burn Hazard from Exploding Hydrogen-filled Meteorological Balloons. CSIRO Division of Textile Physics and the Department of Housing and Construction, Australia. Loeb, L. B., 1958: Static Electrification, Springer-Verlag, Berlín. Ludtke, P. y G. Saraduke, 1992: Hydrogen Gas Safety Study Conducted at the National Weather Service Forecast Office. Norman, Oklahoma. National Fire Protection Association, 1999: NFPA 50A: Standard for Gaseous Hydrogen Systems at Consumer Sites. Edición de 1999, National Fire Protection Association, Quincy, Maryland.

National Fire Protection Association, 2002: NFPA 68: Guide for Venting of Deflagrations. Edición de 2002, National Fire Protection Association, Batterymarch Park, Quincy, Maryland. National Fire Protection Association, 2005: NFPA 70, National Electrical Code. Edición de 2005, National Fire Protection Association, Quincy, Maryland. National Fire Protection Association, 2006: NFPA 220, Standard on Types of Building Construction. Edición de 2006, National Fire Protection Association, Quincy, Maryland. Organización Meteorológica Mundial, 1982: Meteorological Balloons: The Use of Hydrogen for Inflation of Meteorological Balloons. Informe Nº 13 sobre instrumentos y métodos de observación, Ginebra. Rosen, B., V. H. Dayan y R. L. Proffit, 1970: Hydrogen Leak and Fire Detection: A Survey. NASA SP-5092. Standards Association of Australia, 1970: AS C99: Electrical equipment for explosive atmospheres – Flameproof electric lightning fittings. Standards Association of Australia, 1980: AS 1829: Intrinsically safe electrical apparatus for explosive atmospheres. Standards Association of Australia, 1985: AS 1482: Electrical equipment for explosive atmospheres – Protection by ventilation – Type of protection V. Standards Association of Australia, 1995: ASNZS 1020: The control of undesirable static electricity. Standards Association of Australia, 2004: AS 1358: Bursting discs and bursting disc devices – Application selection and installation.

II.10-12

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

CAPÍTULO 11. OBSERVACIONES CAPÍTULO 11 URBANAS

II.11-1

OBSERVACIONES URBANAS

11.1

CONSIDERACIONES GENERALES

La necesidad de efectuar observaciones meteorológicas en áreas urbanas es cada vez mayor. Las poblaciones urbanas siguen expandiéndose, y los Servicios Meteorológicos experimentan una demanda creciente de datos que ayuden a entregar predicciones detalladas, tanto a los ciudadanos como en los sectores de construcción y diseño urbano, conservación de energía, transporte y comunicaciones, calidad del aire y salud, estructuras de protección frente a temporales de agua y de viento, seguros, y medidas de emergencia. Al mismo tiempo, los Servicios Meteorológicos tienen dificultades para llevar a cabo unas observaciones urbanas cuyos resultados sean perfectamente fiables. Esto ocurre porque en la mayoría de los emplazamientos desarrollados no es posible atenerse a las directrices normalizadas indicadas en la parte I de la presente Guía con respecto a la selección de emplazamientos y a la exposición de instrumentos, debido a circunstancias tales como la obstrucción del flujo de aire

y el intercambio de radiación que causan edificios y árboles, la presencia de una cubierta superficial artificial, y los excedentes de calor y de vapor de agua que emiten las actividades humanas. Este capítulo contiene información de utilidad para la selección de emplazamientos, la instalación de estaciones meteorológicas y la interpretación de los datos obtenidos en áreas urbanas. En particular, aborda el caso de las estaciones climáticas habitualmente consideradas “estándar”. Pese a la complejidad y heterogeneidad de los entornos urbanos, es posible obtener observaciones útiles y repetibles. Cada emplazamiento presenta unas dificultades específicas. Para asegurarse de que las observaciones obtenidas sean aceptables, habrá que prestar atención a ciertos principios y conceptos que son virtualmente exclusivos de las áreas urbanas. La persona que cree y se ocupe de la estación también deberá aplicar esos principios y conceptos de manera inteligente y flexible, atendiendo a las realidades del entorno específico en cuestión. Las

a) Mesoescala (a) Mesoscale “Penacho urbano” Urban “plume”

Mixing layer Capa de mezcla

Capa límite PBL planetaria

Capa límite UBL urbana Capa superficial Surface layer

(b) Rural Zona rural

Urban Zona urbana

(b) Locallocal scale b) Escala

CapaRBL límite rural

Rural Zona rural

(c) Microscale c) Microescala

Capa Surface superficial layer

Inertial Subcapa inercial sublayer Roughness Subcapa de rugosidad sublayer

Palio UCL urbano

Roughness Subcapa de rugosidad sublayer

(c)

Palio UCL urbano

Figura 11.1. Esquema de las escalas climáticas y las capas verticales observadas en las zonas urbanas: capa límite planetaria, capa límite urbana, palio urbano, capa límite rural (modificado de Oke, 1997).

II.11-2

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

“normas” rígidas son de escasa utilidad. La necesaria flexibilidad no encaja del todo con la noción general de normalización que promueve la OMM como práctica de observación. En áreas urbanas, es necesario en ocasiones avenirse a exponer los instrumentos en superficies y alturas no normalizadas, dividir las observaciones entre dos o más puntos, o acercarse más de lo habitual a los edificios o fuentes de calor artificial. Las unidades de medición y los instrumentos utilizados en las áreas urbanas son los mismos que en otros entornos. Por consiguiente, en el presente capítulo se abordan solo los aspectos que son exclusivos de las áreas urbanas, o que plantean dificultades debido a la naturaleza de las ciudades, por ejemplo para la selección del emplazamiento, la exposición de los instrumentos y la documentación de los metadatos. Las horas y la frecuencia de observación, así como la codificación (cifrado) de los informes deberían regirse por unas normas apropiadas (OMM, 1983; 1988; 1995; 2003b; 2006). Con respecto a las estaciones automatizadas y a los requisitos aplicables al cifrado y transmisión de mensajes, al control de la calidad, al mantenimiento (teniendo presentes las exigencias especiales de los entornos urbanos) y a la calibración, deberían seguirse las recomendaciones del capítulo 1 de la parte II.

11.1.1

Definiciones y conceptos

11.1.1.1

Justificación de las estaciones

Una explicación clara de las razones que justifican el establecimiento de una estación urbana es esencial para su éxito. Dos de las razones más habituales son el deseo de representar el entorno meteorológico en un lugar dado con fines climatológicos generales, y el deseo de proporcionar datos en respuesta a las necesidades de determinado usuario. En ambos casos, será necesario definir las escalas espaciales y temporales que se utilizarán y, como se describe más adelante, tanto el emplazamiento de la estación como la exposición de los instrumentos podrían variar considerablemente según el caso. 11.1.1.2

Escalas horizontales

Para obtener resultados satisfactorios en una estación urbana, lo más importante es valorar el concepto de

escala. Hay tres escalas que podrían ser útiles (Oke, 1984; figura 11.1): a) Microescala: toda superficie u objeto tiene su propio microclima, que abarca también sus inmediaciones. Las temperaturas de la superficie y del aire pueden variar en varios grados a lo largo de distancias muy cortas, de milímetros incluso, y el flujo de aire puede resultar muy alterado incluso por objetos pequeños. Las escalas típicas del microclima urbano están relacionadas con la dimensión de los distintos edificios, árboles, carreteras, calles, patios, jardines, etc. Las escalas más habituales abarcan desde un metro hasta varios centenares de metros. Las directrices de la parte I de la presente Guía están formuladas específicamente para evitar los efectos microclimáticos. Las recomendaciones sobre las estaciones climáticas tienen por objeto normalizar todos los emplazamientos en la medida en que ello sea viable. De ahí la especificación de una altura de medición normalizada, una cubierta superficial única, unas distancias mínimas a los obstáculos y una escasa obstrucción del horizonte. Lo que se pretende es conseguir unas observaciones del clima exentas de señales microclimáticas espurias y, con ello, caracterizar los climas locales. Aplicando unas normas aún más estrictas, las estaciones de primer orden podrían ser capaces de representar las condiciones existentes a escalas espaciales y temporales sinópticas. Los datos pueden servir para evaluar las tendencias del clima a escalas todavía mayores. A menos que los objetivos sean muy especializados, las estaciones urbanas deberían evitar también las influencias microclimáticas; sin embargo, ese fin es difícil de alcanzar. b) Escala local: es la escala a la que deberán operar las estaciones climáticas normalizadas. Incluye ciertas características del paisaje, como la topografía, pero excluye los efectos a microescala. En zonas urbanas, ello equivale al clima de diversos entornos con tipos de desarrollo urbano similares (cubierta superficial, tamaño y separación de los edificios, actividad). La señal viene a ser la integración de una combinación característica de efectos microclimáticos causados por el área fuente en las inmediaciones del emplazamiento. El área fuente es la parte de la superficie a barlovento que aporta las principales propiedades del flujo o de la concentración meteorológica que se desea determinar (Schmid, 2002). Las escalas más habituales abarcan desde uno hasta varios kilómetros. c) Mesoescala: las ciudades influyen en el tiempo y en el clima a la escala del núcleo urbano, que abarca generalmente una extensión de varias

CAPÍTULO 11. OBSERVACIONES URBANAS

decenas de kilómetros. Una estación única no es suficiente para representar esta escala. 11.1.1.3

Escalas verticales

Una diferencia esencial entre el clima de las áreas urbanas y el de las ubicaciones rurales o los aeropuertos estriba en que, en las ciudades, los intercambios verticales de cantidad de movimiento, calor y humedad no tienen lugar en una superficie (prácticamente) plana, sino en una capa de espesor no desdeñable, denominada palio urbano (figura 11.1). La altura del palio urbano equivale aproximadamente a la altura media de los principales elementos de rugosidad (edificios y árboles), zH (véanse en la figura 11.4 las definiciones de los parámetros). Los efectos microclimáticos de las distintas superficies y obstáculos persisten a lo largo de una corta distancia desde la fuente para, seguidamente, mezclarse y desaparecer por la acción de las corrientes turbulentas. La distancia requerida antes de que el efecto desaparezca dependerá de la magnitud del mismo, de la velocidad del viento y de la estabilidad (conceptuada como estable, neutral o inestable). Esta mezcla tiene lugar tanto en dirección horizontal como vertical. Como ya se ha indicado, los efectos horizontales pueden persistir hasta una distancia de varios centenares de metros. En la vertical, los efectos de las distintas peculiaridades son discernibles en la subcapa de rugosidad (SCR), que se extiende desde el nivel del suelo hasta la altura de mezcla zr , donde finaliza ese fenómeno. Las estimaciones efectuadas grosso modo y las mediciones sobre el terreno indican que zr puede alcanzar valores tan bajos como 1,5zH en emplazamientos densamente edificados (con pequeña separación entre edificios) y homogéneos, pero superiores a 4zH en áreas de baja densidad (Grimmond y Oke, 1999; Rotach, 1999; Christen, 2003). Un instrumento situado por debajo de zr puede registrar anomalías microclimáticas, pero por encima de ese valor percibe una señal difusa, promediada espacialmente, que es representativa de la escala local. Hay que considerar también otra restricción de altura pues cada tipo de superficie a escala local genera una capa límite interna en la cual la estructura del flujo y las propiedades termodinámicas están adaptadas al tipo de superficie. La altura de la capa aumenta con el alcance (es decir, con la distancia a barlovento hasta la frontera en que tiene lugar una transición a un tipo de superficie claramente diferente). La rapidez con que aumente la capa límite interna con el alcance dependerá de la rugosidad y de la estabilidad. En condiciones rurales, las relaciones altura/alcance pueden variar desde valores tan

II.11-3

pequeños como 1:10 en condiciones inestables hasta proporciones tan elevadas como 1:500 en casos estables, disminuyendo a medida que aumenta la rugosidad (Garratt, 1992; Wieringa, 1993). Las áreas urbanas tienden a una estabilidad neutra, debido al aumento de turbulencia térmica y mecánica asociado a las islas de calor y a su elevada rugosidad. Por consiguiente, se considera como valor típico una relación altura/alcance de aproximadamente 1:100. La altura de la capa límite interna se determina por encima de la altura de desplazamiento zd , que es el nivel de referencia del flujo por encima de la altura de mezcla. (Para una explicación de zd , véanse la figura 11.4 y la nota 2 del cuadro 11.2). Considérese, por ejemplo, un distrito hipotético densamente edificado con un valor de zH igual a 10 m. Ese valor significa que zr no es inferior a 15 m. Si se selecciona esa altura como nivel de medición, el alcance requerido en un terreno urbano similar probablemente no sea inferior a 0,8 km, dado que el alcance es igual a 100 (zr – zd ), y zd será aproximadamente 7 m. Ello puede restringir considerablemente el emplazamiento dado que, si el terreno urbano no es similar como mínimo hasta esa distancia en torno al emplazamiento de la estación, las observaciones no serán representativas del tipo de superficie local. En emplazamientos de menor densidad artificial, donde los efectos de isla de calor y rugosidad son menores, el alcance requerido será probablemente mayor. En alturas superiores a la altura de mezcla, aunque sin salirse de la capa límite interna local, las mediciones se sitúan en una subcapa inercial (figura 11.1) en la que es válida la teoría clásica de la capa límite. Esa teoría determina la forma de los perfiles verticales medios de las variables meteorológicas (en particular la temperatura del aire, la humedad y la velocidad del viento), así como el comportamiento de los flujos, espectros y estadísticas asociados a la turbulencia. Todo ello permite: a) calcular el área fuente (o “huella”; véase el siguiente apartado) desde la que se origina el flujo turbulento o la concentración de una variable meteorológica; se define así la distancia a barlovento correspondiente al alcance mínimo aceptable; b) extrapolar determinado flujo o propiedad a través de la capa inercial y en sentido descendente hacia la SCR (y, aunque es menos fiable, hacia el palio urbano). En la capa inercial, los flujos son constantes en altura, y el valor medio de las propiedades meteorológicas es invariante en dirección horizontal. Por consiguiente, las observaciones de los flujos y de las variables normalizadas presentan una utilidad conside-

II.11-4

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

rable y permiten caracterizar el entorno subyacente a escala local. La extrapolación hacia la SCR resulta menos aconsejable. 11.1.1.4

superficie circular en cuyo centro está situado el instrumento (figura 11.2). El radio (r) del área fuente circular que contribuye a la señal del radiómetro a la altura (z1) se indica en Schmid y otros (1991):

Áreas fuente (“huellas”)

Un sensor situado sobre una superficie “percibe” solo una parte de su entorno denominada “área fuente” del instrumento, y depende de su altura y de las características del proceso responsable de transportar la propiedad superficial al sensor. Para las señales de radiación ascendentes (radiación en onda corta y larga, y temperatura superficial medida por un termómetro de infrarrojos), el campo de visión del instrumento y la geometría de la superficie subyacente determinan las variables percibidas. Por analogía, ciertos sensores, tales como termómetros, higrómetros, analizadores de gas y anemómetros, “perciben” propiedades como la temperatura, la humedad, los gases atmosféricos y la velocidad y dirección del viento transportadas desde la superficie hasta el sensor en régimen turbulento. La figura 11.2 muestra una ilustración conceptual de estas áreas fuente. El área fuente de un radiómetro orientado hacia abajo con su elemento detector paralelo al terreno es una z

1  r = z1  — – 1 F 

–0,5

(11.1)

donde F es el factor de visión, es decir, la proporción de flujo medido en el sensor que corresponde a esa área. En función de su campo de visión, un radiómetro podría percibir solo un círculo limitado, o extenderse hacia el horizonte. En este último caso, el instrumento suele presentar una respuesta en forma de coseno, de modo que en dirección al horizonte es cada vez más difícil definir el área fuente realmente percibida. De ahí la utilización del factor de visión que define el área que contribuye en una proporción determinada (a menudo elegida como el 50, 90, 95, 99 o 99,5 por ciento) de la señal del instrumento. El área fuente de un sensor que obtiene su señal mediante transporte turbulento no está distribuida simétricamente en torno a la ubicación del sensor. Es de forma elíptica, y está alineada a barlovento de la torre (figura 11.2). Cuando hay viento, el efecto de la superficie en la base del Isopletas área fuente de radiación Radiationdel source area isopleths

Turbulence area de isopleths Isopletas del source área fuente turbulencia Sensor y

50% x 50% 90%

Viento Wind

90%

Figura 11.2. Representación conceptual de las áreas fuente que contribuyen a los sensores de radiación y de los flujos turbulentos de las concentraciones. Si el sensor es un radiómetro, el 50 o el 90 por ciento del flujo se origina en la zona interior del círculo en perspectiva. Si el sensor responde a una propiedad de transporte turbulento, el 50 o el 90 por ciento de la señal procede de la zona del interior de las elipses respectivas, que son dinámicas pues están orientadas hacia el viento y, por consiguiente, se mueven de acuerdo con la dirección y la estabilidad del mismo.

CAPÍTULO 11. OBSERVACIONES URBANAS

mástil es, de hecho, cero, ya que la turbulencia no puede transportar esa influencia hasta el nivel del sensor. A cierta distancia a barlovento, la fuente comienza a afectar al sensor; este efecto alcanza un máximo (pico) para, seguidamente, disminuir a mayor distancia (la configuración en las direcciones x e y se describe en Kljun, Rotach y Schmid, 2002; Schmid, 2002). La distancia a barlovento hasta la primera superficie que contribuye a la señal, hasta el punto de influencia máxima (pico), y hasta la superficie más alejada a barlovento que influye en la medición, así como el área de la “huella”, varían considerablemente con el tiempo pues dependen de la altura de la medición (valores más altos cuanto mayor es la altura), de la rugosidad de la superficie, de la estabilidad atmosférica (valores en aumento conforme se pasa de inestable a estable) y de si lo que se mide es un flujo turbulento o una concentración meteorológica (valores más altos cuando se trata de esta última) (Kljun, Rotach y Schmid, 2002). Existen métodos para calcular las dimensiones de las “huellas” de flujo y de concentración (Schmid, 2002; Kljun y otros, 2004). Aunque la figura 11.2 ilustra una situación de carácter general, es especialmente válida para los instrumentos situados en la subcapa inercial, suficientemente por encima de las complicaciones que entrañan la SCR y la compleja geometría de la superficie urbana tridimensional. En el palio urbano no se ha evaluado todavía de manera fiable el proceso en virtud del cual los efectos de las áreas fuente de radiación y turbulencia disminuyen con la distancia. Cabe suponer que dependerán de las mismas propiedades y se asemejarán a las formas generales de la figura 11.2. Sin embargo, hay complicaciones obvias debidas a la compleja geometría de la radiación y al bloqueo y canalización del flujo, que son característicos del palio urbano. Sin duda, el entorno inmediato de la estación es, con diferencia, el factor más crítico, y el alcance del área fuente de los efectos convectivos aumenta con la estabilidad y con la altura del sensor. La distancia que influye en los sensores al nivel de la garita (~1,5 m) puede cuantificarse en varias decenas de metros en condiciones neutras, en valores inferiores en condiciones de inestabilidad, y posiblemente en más de 100 m cuando las condiciones son estables. A una altura de 3 m, las distancias equivalentes llegan probablemente hasta los 300 m en el caso estable. El círculo de influencia sobre un sensor de temperatura o de humedad, situado al nivel de la garita, se considera que tiene generalmente un radio de unos 0,5 km, aunque este valor dependerá de la densidad de edificación.

11.1.1.5

II.11-5

Metodologías de medición

De la discusión precedente se desprende que en emplazamientos urbanos provistos de instrumentos para vigilar el clima a escala local en las proximidades de la superficie caben dos metodologías: a) Situar el emplazamiento en el palio urbano, en un lugar circundado por unas condiciones medias o “típicas” del terreno urbano, y colocar los sensores a alturas similares a las utilizadas en emplazamientos no urbanos. Se supone con ello que la mezcla inducida por el flujo en torno a los obstáculos es suficiente para entremezclar las propiedades hasta conformar un palio urbano medio a escala local. b) Instalar los sensores en una torre elevada situada por encima de la SCR, para obtener valores entremezclados que puedan extrapolarse al palio urbano. Por lo general, el método a) es más eficaz para la temperatura del aire y la humedad, mientras que el b) lo es para la velocidad y dirección del viento y para la precipitación. En el caso de la radiación, el único requisito importante es que el horizonte carezca de obstáculos. Por consiguiente, las estaciones urbanas suelen consistir en instrumentos instalados tanto por debajo como por encima del nivel del techo; para ello es necesario que en la evaluación y descripción del emplazamiento se tengan en cuenta las escalas correspondientes a ambos contextos. 11.1.1.6

Descripción del emplazamiento urbano

La magnitud de cada escala urbana no concuerda exactamente con las que habitualmente se indican en los libros de texto. Las escalas vienen dadas por las dimensiones de los rasgos morfométricos que constituyen un paisaje urbano. Se pone así de relieve la necesidad de describir adecuadamente las propiedades de las áreas urbanas que afectan a la atmósfera. Los rasgos básicos más importantes son la estructura urbana (dimensiones de los edificios y separación entre ellos, anchura y separación de las calles), la cubierta urbana (componentes, superficies pavimentadas y ajardinadas, suelo desnudo, agua), el tejido urbano (materiales de construcción y naturales) y el metabolismo urbano (calor, agua y contaminantes debidos a la actividad humana). Así pues, al caracterizar los emplazamientos de las estaciones climáticas urbanas deberán tenerse en cuenta esos descriptores, utilizarlos en posibles emplazamientos, e incorporarlos en forma de metadatos que describan adecuadamente las condiciones en la estación.

II.11-6

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Estas cuatro características básicas de las ciudades tienden a agruparse en varias clases urbanas típicas. Así, por ejemplo, en las ciudades la mayoría de las áreas céntricas contienen edificios relativamente altos y muy próximos entre sí, por lo que el terreno está cubierto en su mayor parte de edificios o pavimentos de material duradero (piedra, hormigón, ladrillo o asfalto) y con presencia de abundantes emisiones provenientes de hornos, aparatos de aire acondicionado, chimeneas y vehículos. En el otro extremo del espectro hay distritos de baja densidad de edificación con edificios de una o dos plantas, de construcción relativamente ligera, y amplias superficies ajardinadas o verdes y con emisiones de calor bajas aunque, posiblemente, con importantes aportes de irrigación. No existe un método universalmente aceptado de clasificación urbana con fines climáticos. Un planteamiento útil con respecto a los componentes edificados es el de Ellefsen (1991), que desarrolló varios tipos de zonas de terreno urbano. Este autor diferencia inicialmente los tipos en función de las tres clases de contigüidad de los edificios (adosados (en hileras), separados a poca distancia, separados a gran distancia). Estos tipos se subdividen ulteriormente en un total de 17 subtipos atendiendo a su función, ubicación en la ciudad, altura de sus edificios, tipo de construcción y edad. Para aplicar este método son suficientes las fotografías aéreas, generalmente de fácil acceso, y su clasificación ha sido utilizada en varias ciudades del mundo, por lo que parece revestir carácter general. La clasificación de Ellefsen puede utilizarse para describir la estructura urbana en términos de rugosidad, flujo de aire, acceso a la radiación y apantallamiento. Cabe argumentar que refleja indirectamente aspectos de la cubierta, del tejido y del metabolismo urbanos, dado que una estructura determinada conlleva un tipo de cubierta y de materiales, y un cierto grado de actividad humana. Sin embargo, la clasificación reviste menor utilidad cuando las edificaciones son escasas y hay áreas de vegetación muy extensas (bosques urbanos, cubierta vegetal de baja altura, pastizales, monte bajo, cultivos), terrenos desnudos (suelo o rocas) o masas de agua (lagos, pantanos, ríos). En el cuadro 11.1 se representa una clasificación más simple de las zonas climáticas urbanas (ZCU). Abarca grupos de zonas de Ellefsen, más un indicador de la estructura, zH/W (véase la nota c del cuadro 11.1), estrechamente relacionado con el flujo, la protección solar y la isla de calor, así como un indicador de la cubierta superficial (en porcentaje de edificaciones) relacionado con el grado de permeabilidad de la superficie. La importancia de las ZCU no estriba en la exactitud absoluta con que describan el emplazamiento, sino

en su capacidad para clasificar áreas de asentamientos en distritos similares en cuanto a su potencial para modificar el clima local, y para identificar posibles transiciones a otras ZCU. Este tipo de clasificación es esencial al iniciar la instalación de una estación urbana, con el fin de que se cumplan aproximadamente los criterios de homogeneidad espacial en el palio urbano o por encima de la SCR. En lo sucesivo, se supondrá que la morfometría del área urbana, o de una parte de ella, ha sido evaluada mediante mapas pormenorizados y/o fotografías aéreas, imágenes satelitales (visibles y/o térmicas), documentos de planificación o, como mínimo, un reconocimiento visual realizado desde un vehículo y/o a pie. Aunque los mapas de uso de la tierra pueden ser útiles, debería tenerse en cuenta que describen la función, y no necesariamente la forma física, del asentamiento. La descripción urbana debería traducirse en un mapa que delimite las distintas ZCU. Las ZCU aquí utilizadas son las que aparecen en el cuadro 11.1. Podría ser necesario adaptar esas categorías para incorporar características especiales de las formas urbanas en ciertas ciudades antiguas o del desarrollo urbano no planificado en el caso de algunos países menos adelantados. Así, en gran número de ciudades y pueblos de África y Asia la fracción de superficie cubierta por materiales impermeables no es tan grande, y las carreteras no siempre están pavimentadas.

11.2

SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN Y DEL EMPLAZAMIENTO DE UNA ESTACIÓN URBANA

11.2.1

Ubicación

En primer lugar, es necesario establecer claramente la finalidad de la estación. Si el propósito es instalar una sola estación en un área urbana, habrá que decidir si lo que se desea es vigilar los efectos más intensos de la ciudad o de un distrito más representativo o típico, o caracterizar un emplazamiento determinado (donde pueda percibirse que vaya a haber problemas climáticos, o donde se hayan planificado desarrollos futuros). En líneas generales, las áreas con máxima probabilidad de presentar efectos máximos pueden apreciarse tomando como referencia la lista de tipos de ZCU del cuadro 11.1. Análogamente, la probabilidad de que una estación sea típica puede evaluarse mediante los principios en que se basa el cuadro 11.1 y seleccionando extensas áreas de desarrollo urbano similar para llevar a cabo una investigación más a fondo.

CAPÍTULO 11. OBSERVACIONES URBANAS

II.11-7

Cuadro 11.1: Clasificación simplificada de distintas formas urbanas organizadas por orden decreciente aproximado de su capacidad para afectar al clima local (Oke, 2004, sin publicar) Zona climática urbana a

Clase de rugosidad b

Imagen

Relación de % construido aspecto c (impermeable) d

1. Zona urbana intensamente construida con edificios muy juntos de gran altura con revestimiento, por ejemplo, torres del centro

8

>2

> 90%

2. Zona urbana densamente construida con edificios de entre dos y cinco plantas, adosados o muy juntos, a menudo de ladrillo o piedra, por ejemplo, el centro histórico de la ciudad

7

1,0-2,5

> 85

3. Zona urbana muy construida, densidad media con viviendas, locales y apartamentos en fila o unifamiliares, pero muy juntos, por ejemplo, edificaciones urbanas

7

0,5-1,5

70-85

4. Zona urbana construida, densidad media de grandes edificios bajos y estacionamientos pavimentados, por ejemplo centros comerciales, almacenes

5

0,05-0,2

70-95

5. Zona suburbana de construcción media de una o dos plantas, por ejemplo, viviendas suburbanas

6

0,2-0,6 hasta > 1 con árboles

35-65

6. Uso mixto con grandes edificios en paisaje abierto, por ejemplo, instituciones como hospitales, universidades, aeropuertos

5

0,1-0,5 depende de los árboles

< 40

7. Desarrollo semirural, viviendas dispersas en zonas naturales o agrícolas, por ejemplo, granjas, fincas

4

> 0,05 depende de los árboles

< 10

Buildings; Impervious ground;

Vegetation Pervious ground

Edificios Buildings;

Impervious ground; Terreno impermeable

Vegetación Vegetation Perviouspermeable ground Terreno

a

Conjunto simplificado de clases que incluye aspectos de los esquemas de Auer (1978) y Ellefsen (1990/1991), además de las medidas físicas relativas al viento y al control térmico y de humedad (columnas de la derecha). La correspondencia aproximada entre las ZCU y las zonas de terreno urbano definidas por Ellefsen es: 1 (Dc1, Dc8), 2 (A1-A4, Dc2), 3 (A5, Dc3-5 , Do2 ), 4 (Do1, Do4 , Do5), 5 (Do3), 6 (Do6), 7 (ninguna).

b

La rugosidad eficaz del terreno de acuerdo con la clasificación de Davenport (Davenport y otros, 2000); véase el cuadro 11.2.

c

La relación de aspecto Zh /W es la altura media de los principales elementos de rugosidad (edificios, árboles) dividida por su espaciado medio; en el centro de la ciudad representa la razón altura/anchura de los “cañones (desfiladeros)” que forman las calles. Se sabe que esta medida está relacionada con los tipos de régimen de flujo (Oke, 1987) y con los controles térmicos (protección solar y apantallamiento de la radiación de onda larga) (Oke, 1981). Los árboles altos aumentan esta medida de forma significativa.

d

Proporción media del plano del terreno cubierto por características de la construcción (edificios, carreteras y zonas pavimentadas, y otras áreas impermeables); el resto de la superficie está ocupado por una cubierta permeable (espacios verdes, agua y otras superficies naturales). La permeabilidad afecta al estado de la humedad del suelo y, por lo tanto, al potencial de humidificación y de enfriamiento por evaporación.

II.11-8

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

En el caso de la temperatura del aire y de la humedad, la búsqueda suele mejorarse utilizando reconocimientos espaciales, transportando el sensor a pie, en bicicleta o en automóvil, y recorriendo las áreas de interés. Repitiendo el procedimiento varias veces, será posible dibujar las secciones transversales o mapas de isolíneas (véase la figura 11.3), que revelarán las áreas donde radica la anomalía térmica o de humedad. Por lo general, el mejor momento para efectuar esas operaciones será o bien cuando hayan transcurrido algunas horas después de la puesta del sol, o bien antes del amanecer, en noches con cielo despejado y aire en relativa calma. Se maximizarán así las posibilidades de caracterizar las diferencias entre microclimas y climas locales. No es aconsejable realizar tales reconocimientos en torno a la puesta del sol o al amanecer, ya que las variables meteorológicas cambian tan rápidamente en esos momentos que dificultan las comparaciones espaciales. Si se desea integrar la estación en una red que caracterice los rasgos espaciales del clima urbano, se necesitará una visión más extensa. Este concepto puede ilustrarse considerando la forma espacial típica de las distribuciones del clima urbano. Así, las isolíneas de las “islas” urbanas de calor y de humedad se asemejan efectivamente al contorno de sus homónimos topográficos (figura 11.3) ya que contienen “escarpes” relativamente bruscos, y frecuentemente una “meseta” que abarca gran parte del área urbana, salpicada de “picos” localizados y de “cuencas” de calor/frialdad y de humedad/sequedad.

B

Centro de la City core ciudad +8 +6 +4 A

Parque Park +4 +2

dto n Vine W

Built-up area Zona edificada

Figura 11.3. Patrón espacial típico de las isotermas de una gran ciudad en una noche serena, con tiempo despejado, que ilustra el efecto de la isla de calor (según Oke, 1982).

Estas características coinciden en el espacio con áreas de mayor o menor desarrollo como, por ejemplo, bloques de apartamentos, tiendas, fábricas o parques, espacios abiertos o agua. Por consiguiente, una decisión se impone: ¿lo que se desea es obtener una muestra representativa de la diversidad de las ZCU, o reflejar fielmente la estructura espacial? En la mayoría de los casos, esta última finalidad resulta demasiado ambiciosa para una red de estaciones fijas en el palio urbano. La razón de ello es que será necesario un gran número de estaciones para describir los gradientes cerca de la periferia, la meseta, y los picos y valles de los nodos de desarrollo urbano superior e inferior al promedio. Si se desea efectuar las mediciones desde una torre, con los sensores situados por encima de la SCR, el efecto de mezcla dará lugar a configuraciones espaciales más atenuadas, y el alcance hasta la frontera siguiente entre la ZCU y la franja urbana-rural se convertirá en una cuestión importante. En tanto que una distancia de 0,5 a 1 km hasta la ZCU adyacente podría resultar aceptable dentro del palio urbano, cuando el sensor está instalado en una torre se necesitarán probablemente varios kilómetros de alcance. Dado que el objetivo es vigilar el clima local atribuible a un área urbana, será necesario evitar las influencias microclimáticas espurias u otros fenómenos climáticos locales o mesoescalares que compliquen el registro urbano. Por consiguiente, a menos que se tenga un interés específico por las configuraciones climáticas generadas topográficamente, como los efectos del drenaje de aire frío descendente a lo largo de valles y laderas hacia el área urbana, la aceleración o apantallamiento de los vientos por efecto de colinas y escarpaduras, la niebla en valles fluviales o en las inmediaciones de masas de agua, las configuraciones de nubes geográficamente tupidas, etc., será conveniente evitar las ubicaciones que puedan resultar afectadas por los efectos locales y mesoescalares. Por otra parte, si de ello resultase algún beneficio o riesgo, podría ser útil diseñar la red específicamente para obtener una muestra de sus efectos sobre el clima urbano; por ejemplo, el suavizado térmico de una ciudad muy cálida gracias a las brisas marinas o lacustres. 11.2.2

Emplazamiento

Una vez seleccionado el tipo de ZCU y su ubicación general en el interior del área urbana, el paso siguiente consistirá en inspeccionar el mapa, las imágenes y las evidencias fotográficas para reducir el número de posibles ubicaciones en una ZCU. Lo

CAPÍTULO 11. OBSERVACIONES URBANAS

que se busca son zonas con un desarrollo urbano razonablemente homogéneo, sin grandes extensiones de estructura, cubierta o material anómalos. Sin embargo, no es posible definir de forma precisa lo que se entiende por “razonablemente”, pues casi todos los distritos urbanos tienen en la práctica su propia idiosincrasia que reduce su homogeneidad a una cierta escala. Aunque no es posible, por ello, confeccionar una lista completa, cabe señalar algunas situaciones a evitar: extensiones inhabitualmente húmedas en una superficie mayoritariamente seca, edificios que sobresalgan más de la mitad de la altura media de los demás, aparcamientos pavimentados de gran extensión en áreas ajardinadas con riego, una fuente de calor grande y concentrada (por ejemplo, una central de calefacción) o la salida de ventilación de un túnel. Debería evitarse la proximidad a las zonas de transición entre diferentes tipos de ZCU, al igual que los emplazamientos en que está previsto o es probable que se modifique el desarrollo urbano. El efecto de las peculiaridades anómalas disminuye con la distancia respecto del propio emplazamiento, como se ha indicado en relación con las áreas fuente. En la práctica, para cada posible emplazamiento debería estimarse una “huella” de radiación (por ejemplo, la ecuación 11.1) y de propiedades turbulentas. Seguidamente, habría que documentar las principales propiedades superficiales, como la altura y la densidad medias de los obstáculos y las características de la cubierta y material superficial dentro de las respectivas huellas. A continuación debería valorarse su homogeneidad, de forma visual o mediante métodos estadísticos. Una vez seleccionadas unas áreas de homogeneidad aceptable para una estación a nivel de garita o en altitud (por encima de la SCR), será útil identificar a los posibles propietarios que pudieran estar dispuestos a acoger el emplazamiento. Si hay un organismo gubernamental buscando un emplazamiento, es posible que posea ya tierras destinadas a otros fines en esa misma zona, o que mantenga buenas relaciones con otros organismos o empresas (oficinas, parques industriales, tierras inutilizadas, derechos de paso) como, por ejemplo, escuelas, universidades, instalaciones de servicios básicos (electricidad, teléfono, conducciones) o grandes vías de transporte (carreteras, vías férreas). Todos ellos son emplazamientos adecuados, ya que el acceso a los mismos estará permitido y, frecuentemente, también estarán protegidos del vandalismo y dispondrán de conexiones de alimentación eléctrica. Los techos de los edificios a menudo se han utilizado para efectuar observaciones meteorológicas. En muchos casos, esta idea está basada en la creencia

II.11-9

errónea de que a esa elevación el abrigo del instrumento no traerá aparejadas las complicaciones del palio urbano. En realidad, los techos tienen sus propios microclimas anómalos claramente diferenciados, que conducen a resultados erróneos. El flujo del aire por encima de un edificio crea intensas perturbaciones de velocidad, dirección y rafagosidad que son muy distintas del flujo a esa misma elevación lejos del edificio o cerca del nivel del suelo (figura 11.5). Es más, los edificios de techo llano pueden crear flujos opuestos al flujo externo principal, con velocidades que varían desde las propias de un chorro a presión hasta la calma casi total. Los techos están también fabricados de materiales con comportamiento térmico bastante extremo que, con vientos flojos y cielos despejados, pueden caldearse mucho durante el día y enfriarse por la noche. Por consiguiente, suele crearse un gradiente de temperatura acentuado cerca del techo. Además, los techos están diseñados para ser impermeables y desaguar con rapidez; y esta circunstancia, unida a su exposición a la radiación solar y al viento, los hace anormalmente secos. Los techos son, pues, por lo general ubicaciones muy poco adecuadas para medir la temperatura del aire, la humedad, el viento y la precipitación, a menos que los instrumentos estén situados sobre mástiles muy altos. Sin embargo, pueden ser adecuados para observar los componentes de la radiación entrante. Una vez seleccionado el emplazamiento, es esencial documentar detalladamente sus características en forma de metadatos (véase la sección 11.4).

11.3

EXPOSICIÓN DEL INSTRUMENTO

11.3.1

Modificaciones de las prácticas estándar

En muchos aspectos, las normas generalmente aceptadas con respecto a la exposición de instrumentos meteorológicos, descritas en la parte I de la presente Guía, son aplicables a los emplazamientos urbanos. Sin embargo, en numerosas ocasiones será imposible o carecerá de sentido atenerse a ellas. En esta sección se recomiendan algunos principios que serán útiles en tales circunstancias; aun así, no es posible prever todas las eventualidades. Las recomendaciones aquí indicadas concuerdan con los objetivos generales descritos en el capítulo 1 de la parte I. Son numerosas las estaciones urbanas que han sido instaladas sobre hierba corta en lugares abiertos

II.11-10

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

(parques, campos de ocio), debido a lo cual monitorizan realmente unas condiciones rurales modificadas, no representativas del entorno urbano. De ahí la curiosa conclusión de que ciertos pares de estaciones rurales-urbanas no revelan efecto alguno de los núcleos urbanos sobre la temperatura (Peterson, 2003). El principio a seguir con respecto a la exposición de los sensores en el palio urbano consistiría en situarlos de tal modo que monitoricen unas condiciones que sean representativas del entorno de la ZCU seleccionada. En pueblos y ciudades, no será apropiado utilizar emplazamientos similares a los habituales de las áreas rurales sin edificar. Se recomienda más bien emplazar las estaciones urbanas en superficies que, dentro de un cierto radio a microescala, sean representativas del entorno urbano a escala local. El criterio del porcentaje construido (cuadro 11.1) permite hacerse una idea del tipo de superficie base recomendada. Evidentemente, el requisito más difícil de cumplir en numerosos emplazamientos urbanos es la distancia a los obstáculos, ya que el emplazamiento debería estar situado a gran distancia de árboles, edificios, muros u otras obstrucciones (capítulo 1 de la parte I). Se recomienda, pues, situar la estación urbana en el centro de un espacio abierto cuya relación de aspecto circundante (zH /W ) sea aproximadamente representativa del lugar. Al instalar instrumentos en emplazamientos urbanos será especialmente importante utilizar cables blindados, debido a la ubicuidad de las líneas eléctricas y de otras fuentes de ruido eléctrico en tales lugares. 11.3.2

Temperatura

11.3.2.1

Temperatura del aire

Los sensores generalmente utilizados para medir la temperatura del aire (así como su grado de exactitud y sus características de respuesta) son apropiados para las áreas urbanas. Se recomienda especialmente prestar gran atención a la protección frente a las radiaciones y a la ventilación. En el palio urbano, existe la posibilidad de que un grupo de sensores se encuentre relativamente cerca de superficies calientes, como un muro iluminado por el sol, una carretera o un vehículo con el motor en marcha, o de que reciba calor reflejado por superficies de vidrio. Por consiguiente, las protecciones utilizadas deberían bloquear de forma eficaz la radiación. Análogamente, dado

que un grupo de sensores situado en el palio urbano inferior podría estar demasiado apantallado, se recomienda la ventilación forzada del sensor. La presencia en una red de una combinación de grupos de sensores con o sin apantallamiento y ventilación podría contribuir a la obtención de unos resultados diferentes según el emplazamiento. Por ello, las prácticas deberían ser uniformes. La superficie sobre la cual se mide la temperatura del aire y la exposición del dispositivo sensor deberían atenerse a las recomendaciones de la sección precedente, es decir, la superficie tendría que ser típica de la ZCU, y la garita o protección del termómetro debería estar centrada en un espacio de zH /W en promedio, aproximadamente. En una ZCU muy edificada, esto significa que deberá estar situada a solo 5 o 10 m de los edificios de 20 a 30 m de altura. Si el emplazamiento estuviera situado en una calle de tipo “cañón” (cañón urbano), el valor zH /W será aplicable solo a la sección transversal perpendicular al eje de la calle. La orientación del eje de la calle puede ser también importante, debido a la presencia de configuraciones sistemáticas de sol/sombra. Si está previsto realizar una vigilancia continua, las calles de orientación norte-sur serán preferibles a las de orientación este-oeste, dado que presentan una menor distorsión de fase, aunque la evolución diurna de la temperatura podría ser bastante anfractuosa. En estaciones no urbanas, la altura de garita recomendada es de entre 1,25 y 2 m sobre el suelo. Aunque este valor es también aceptable para los emplazamientos urbanos, puede resultar conveniente suavizar este requisito para permitir alturas mayores. En la mayoría de los casos, ello no debería conllevar errores apreciables, especialmente en áreas muy densamente edificadas, ya que las observaciones en cañones urbanos evidencian unos gradientes de temperatura del aire muy poco acentuados en la mayor parte del palio urbano, siempre y cuando la ubicación se halle a más de 1 m de una superficie (Nakamura y Oke, 1988). Las mediciones efectuadas a alturas de 3 o 5 m no son muy diferentes de las realizadas a alturas estándar, tienen algunas áreas fuente ligeramente mayores, y en ellas el sensor está situado a una distancia suficiente para evitar daños y la proximidad de vehículos. Permiten también una mayor dilución del calor emitido por los vehículos, y reducen la contaminación debida al polvo. Las temperaturas del aire medidas por encima del palio urbano mediante sensores instalados en una torre están influidas por el aire intercambiado con el palio urbano, más el efecto de los techos. Los

CAPÍTULO 11. OBSERVACIONES URBANAS

II.11-11

Cuadro 11.2: Clasificación de Davenport de la rugosidad eficaz del terrenoa Clase

z0 (m)

Descripción del paisaje

4 Abierto rugoso

0,10

Moderadamente abierto con obstáculos ocasionales (p. ej. edificios bajos aislados o árboles) con separaciones horizontales relativas de al menos 20 veces la altura del obstáculo

5 Rugoso

0,25

Obstáculos dispersos (edificios) a distancias relativas de 8 a 12 veces la altura del obstáculo para objetos sólidos bajos (p. ej. edificios) (el análisis puede requerir zd )b

6 Muy rugoso

0,5

Zona moderadamente cubierta por edificios bajos con separaciones relativas de 3 a 7 veces la altura del obstáculo y sin árboles altos (el análisis requiere zd )b

7 Cerrado

1,0

Zona densamente construida sin demasiada variación en la altura de los edificios (el análisis requiere zd )b

8 Caótico

2,0

Centros de ciudades con combinación de edificios altos y bajos (se recomienda análisis por túnel de viento)

a

Versión abreviada (revisada en 2000 solo para la rugosidad urbana) de Davenport y otros (2000); para las clases 1 a 3 y para las clases rurales 4 a 8, véanse el anexo del capítulo 5 de la parte I de la presente Guía y OMM (2003a).

b

Los valores de primer orden de zd figuran como fracciones de la altura media de los obstáculos, esto es: 0,5 zH, 0,6 zH y 0,7zH para las categorías 5, 6 y 7 de Davenport, respectivamente.

techos presentan una variabilidad térmica mucho mayor que la mayoría de las superficies del palio urbano. En su mayor parte, están diseñados para aislar, y, por consiguiente, para minimizar el intercambio de calor con el interior del edificio. En consecuencia, la temperatura superficial del techo suele aumentar mucho durante el día, en tanto que el suelo y las paredes del cañón urbano, parcialmente a la sombra y más conductores, son más fríos. Durante la noche, la situación se invierte: los techos son relativamente más fríos, y las superficies que dan a la calle son más cálidas, al liberar el calor acumulado durante el día. Pueden presentarse también complicaciones por efecto del calor liberado en las salidas de ventilación de los techos. Por consiguiente, aunque en el palio urbano la temperatura varía escasamente con la altura, hay una discontinuidad cerca del nivel del techo, tanto horizontal como verticalmente. Así pues, si se desea conseguir un promedio espacial correcto, los sensores deberían estar situados suficientemente por encima del nivel medio del techo, a una altura superior a 1,5zH si fuera posible, a fin de que el aire del techo se mezcle con el de la calle. A la hora de abordar los datos de temperatura del aire obtenidos mediante un sensor situado a gran altura, es difícil extrapolar esos valores en sentido descendente hasta el nivel de la garita, dado que no existen en la actualidad métodos normalizados. Análogamente, no hay un método simple y general que permita extrapolar horizontalmente la temperatura del aire en el palio urbano. Los modelos estadísticos son eficaces, pero

obligan a disponer de un gran archivo de observaciones referidas a una red densa, lo cual no siempre es factible. 11.3.2.2

Temperatura en superficie

La temperatura superficial no es una variable habitualmente medida en las estaciones urbanas, pero puede ser muy útil como dato de entrada en los modelos para calcular los flujos. Para conseguir una temperatura superficial representativa es necesario promediar una muestra adecuada de las numerosas superficies, tanto verticales como horizontales, que constituyen una zona urbana. Ello solo es posible mediante teledetección en infrarrojos, o bien gracias a un escáner instalado en una aeronave o en un satélite, o utilizando un pirgeómetro orientado hacia abajo, o uno o más termómetros de radiación cuyo campo de visión conjunto abarque una muestra representativa del distrito urbano. Por consiguiente, para obtener unos resultados exactos, será necesario obtener unas muestras suficientes del observable y conocer su emisividad promedio. 11.3.2.3

Temperatura del suelo y de la calzada

En las áreas urbanas es aconsejable medir la temperatura del suelo. El efecto de isla de calor afecta también al subsuelo de la ciudad, circunstancia que

II.11-12

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Altura Height

Z

Inertial Subcapa sublayer inercial Surface Capa layer superficial

Zr ZH

Subcapa de RSL rugosidad

{ Z0

PalioUCL urbano

{

Zd 0

0

_

Mean horizontal velocity, Velocidad horizontal media, u

_ Figura 11.4. Perfil de la velocidad media (espacial y temporal) generalizada del viento u en una zona urbana densamente desarrollada, incluida la localización de las subcapas de la capa superficial. Las mediciones en la escala de la altura son la altura media de los elementos de rugosidad (zH ), la subcapa de rugosidad (zr o altura de mezcla), la longitud de rugosidad (z0) y la longitud de desplazamiento del plano cero (zd ). La línea discontinua representa el perfil extrapolado de la subcapa inercial, la línea continua representa el perfil real.

podría ser importante para diseñar las conducciones de agua o para la construcción de carreteras. En la práctica, medir esta variable puede resultar una tarea difícil en emplazamientos urbanos muy desarrollados. No siempre se dispone de un terreno desnudo, el perfil del suelo suele estar muy alterado, y en el subsuelo puede haber obstrucciones o artefactos anormalmente cálidos o fríos (por ejemplo, conducciones de agua vacías, llenas o con fugas, alcantarillas, conducciones de calefacción). En áreas urbanas, la medición de la temperatura mínima de la hierba prácticamente no tiene utilidad. Los sensores de temperatura suelen estar subsumidos en el pavimento de las calles, especialmente en zonas propensas a congelación. Suelen formar parte de las estaciones de vigilancia meteorológica de las autopistas. A menudo es útil disponer de sensores en la calzada situados bajo la zona de rodadura y el centro del carril. 11.3.3

Presión atmosférica

A escala de un área urbana probablemente no será necesario monitorizar la presión atmosférica cuando exista ya una estación sinóptica en la región. Si se incorporan sensores de presión, serán válidas las recomendaciones del capítulo 3 de la parte I. En espacios cerrados y en las proximidades de los

edificios existe la posibilidad de un “bombeo” de presión debido a las ráfagas. Asimismo, puede haber diferencias de presión entre el interior y el exterior si el sensor está situado en una habitación con aire acondicionado. Ambas dificultades se pueden atenuar instalando una cabeza estática de presión (véase la parte I, capítulo 3, sección 3.8). 11.3.4

Humedad

Los instrumentos habitualmente utilizados para medir la humedad (capítulo 4 de la parte I) son también válidos en las áreas urbanas. Las directrices indicadas en la sección 11.3.2.1 con respecto al emplazamiento y la exposición de los sensores de temperatura en el palio urbano y por encima de la SCR son también aplicables a los sensores de humedad. Los entornos urbanos son ostensiblemente más sucios (polvo, aceites, contaminantes). En ellos, hay varios tipos de higrómetros que pueden experimentar degradación o que necesitan de un mantenimiento más cuidadoso. Por consiguiente, si se utilizan métodos psicrométricos, el manguito del bulbo húmedo deberá ser sustituido con mayor frecuencia de lo normal, y habría que procurar que el agua destilada no se contamine. En los higrómetros de cabello, este puede resultar destruido por el aire urbano contaminado; por ello, no se recomienda

CAPÍTULO 11. OBSERVACIONES URBANAS

su uso durante períodos prolongados. Tanto el espejo de los higrómetros de punto de rocío como las ventanas de los higrómetros de absorción en ultravioleta e infrarrojo deberán limpiarse con frecuencia. Algunos instrumentos se degradan hasta tal punto que los sensores han de ser completamente sustituidos con bastante regularidad. En el palio urbano, el apantallamiento frente al viento hace esencial la ventilación forzada según lo recomendado en la sección 4.2 del capítulo 4 de la parte I al igual que la protección frente a fuentes espurias de radiación solar y de onda larga. 11.3.5

Velocidad y dirección del viento

Las mediciones de la velocidad y dirección del viento son muy sensibles a las distorsiones del flujo a causa de los obstáculos, que alteran el flujo medio del viento y su turbulencia. Este tipo de efectos se manifiestan en todas las escalas utilizadas, e incluyen los efectos del relieve local debidos a picos, valles y escarpes, cambios bruscos de la rugosidad o de la elevación efectiva de la superficie (zd , véase más adelante), perturbaciones del flujo en torno a grupos de árboles y edificios, y a árboles y edificios individuales, e incluso alteraciones inducidas por el grueso de la torre o del soporte al que va fijado el instrumento. 11.3.5.1

Perfil medio del viento

Sin embargo, si un emplazamiento se encuentra sobre un terreno razonablemente llano, con un alcance suficiente a sotavento de los principales cambios de rugosidad y en una única ZCU con ausencia de edificios anormalmente elevados, debería existir un perfil medio del viento como el indicado en la figura 11.4. La media es tanto espacial como temporal. En el palio urbano no hay que esperar emplazamientos que presenten ese tipo de perfil. Cada ubicación experimenta cambios muy variables de la velocidad y dirección del viento, ya que la corriente de aire interactúa con la configuración de los edificios, calles, patios y árboles. En los cañones urbanos, la configuración del perfil es diferente a lo largo del cañón que a su través (Christen y otros, 2002), y depende de la posición transversal y longitudinal en la propia calle (DePaul y Shieh, 1986). Los gradientes de velocidad del viento son pequeños en el palio urbano, hasta niveles muy cercanos a la superficie. En primera aproximación, el perfil en el palio urbano puede describirse por una curva exponencial (Britter y Hanna, 2003) que coincide con el perfil logarítmico en las proximidades del nivel de los techos (figura 11.4).

II.11-13

En la subcapa inercial es aplicable la teoría de similitud de Monin-Obukhov, y en particular la ley logarítmica: _ uz = (u* /k){ln[(z – zd )/z0 ] + ΨM(z/L)}

(11.2)

donde u* es la velocidad de rozamiento; k es la constante de von Kármán (0,40); z0 es la longitud de rugosidad superficial; zd es la altura de desplazamiento del plano cero (figura 11.4); L es la longitud de estabilidad de Obukhov (= –u *3/[k(g/ θv )Q H ], donde g es la aceleración de la gravedad, θv la temperatura potencial virtual y QH el flujo turbulento de calor sensible); ΨM es una función adimensional que refleja la variación de la curvatura del perfil del viento respecto del perfil neutro con mayor estabilidad o inestabilidad1. En el caso neutro (generalmente con vientos fuertes y nubes), cuando ΨM es igual a la unidad la ecuación 11.2 se reduce a: _ uz = (u* /k) {ln[(z – zd )/z0 ]

(11.3)

Para medir los parámetros del perfil del viento puede utilizarse una formación vertical de anemómetros, o una serie de mediciones del flujo de la cantidad de movimiento o de la rafagosidad mediante anemometría de respuesta rápida en la capa inercial, pero las estimaciones varían con la dirección del viento y son susceptibles de errores (Wieringa, 1996; Verkaik, 2000). Existen también métodos para parametrizar los parámetros del perfil del viento z0 y zd en terrenos urbanos (véanse las referencias de Grimmond y Oke, 1999; Britter y Hanna, 2003). Los métodos más simples conllevan una descripción general del uso de la tierra y de los obstáculos (véanse los cuadros 11.1 y 11.2, así como Davenport y otros, 2000; Grimmond y Oke, 1999), o una descripción detallada de las alturas de los elementos rugosos y de su separación mediante un sistema de información geográfica que indique las dimensiones de los edificios y calles, o mediante mapas y fotografías aéreas oblicuas, o bien mediante imágenes tomadas desde el aire o desde satélites, aplicando seguidamente alguna de las fórmulas empíricas (véanse recomendaciones al respecto en Grimmond y Oke, 1999). Es importante incorporar la altura de desplazamiento zd en las evaluaciones del perfil del viento urbano. En efecto, ello equivale a establecer una base para el perfil logarítmico del viento que reconozca 1

Para más información sobre L y la forma de la función ΨM , consúltese cualquier texto clásico de micrometeorología; por ejemplo: Stull, 1988; Garratt, 1992; o Arya, 2001. Obsérvese que u* y QH deberían ser evaluadas en la capa inercial situada por encima de la SCR.

II.11-14

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

la envergadura física del palio urbano. Es algo así como establecer una nueva “superficie del terreno” a un nivel superior, donde estará situado el sumidero de la cantidad de movimiento media del flujo (figura 11.4). Según sea la densidad de edificios y de árboles, este método podría establecer la base del perfil a una altura situada entre 0,5 y 0,8 zH (Grimmond y Oke, 1999). Por consiguiente, si no se incorpora en los cálculos se obtendrán grandes errores. Para una primera estimación pueden utilizarse las fracciones de zH indicadas en el cuadro 11.2 (nota b). 11.3.5.2

Altura de medición y exposición

La selección de la altura a la que se efectuarán las mediciones de viento en áreas urbanas plantea serias dificultades. Sin embargo, si se aplican varios principios básicos pueden obtenerse resultados sólidos. La inadecuada ubicación de los sensores de viento en las ciudades es causa de un considerable malgasto de recursos y de esfuerzos, y puede traducirse en cálculos erróneos de la dispersión de los contaminantes. Naturalmente, ese tipo de situaciones plantea también dificultades en terrenos despejados, debido a los obstáculos y a los efectos topográficos. A ello se debe el que la altura estándar de las observaciones de viento en terrenos rurales sea de 10 metros sobre tierra, y no al nivel de la a) (a) A A

B C

D

(b) b)

Figura 11.5. Flujo bidimensional típico alrededor de un edificio, con flujo perpendicular a la pared de barlovento a): líneas de corriente y zonas de flujo; A representa la zona no perturbada, B representa la zona de desplazamiento, C representa la cavidad, D representa la estela del flujo (según Halitsky, 1963); y b): flujo y estructuras de vórtice (simplificado según Hunt y otros, 1978).

garita, y el que el anemómetro no esté a una distancia horizontal de las obstrucciones inferior a diez veces la altura del obstáculo (parte I, capítulo 5, sección 5.9.2). En los distritos urbanos típicos no es posible encontrar tales ubicaciones; por ejemplo, en una ZCU con edificios y árboles de 10 metros de altura sería necesario un radio no inferior a 100 metros. Si ese emplazamiento existiese, es casi seguro que no sería representativo de la zona. Se ha señalado ya que la SCR, en la que persisten los efectos de los elementos individuales de rugosidad, se extiende hasta una altura de aproximadamente 1,5zH en áreas densamente edificadas, y posiblemente superior en lugares menos densamente desarrollados. Por consiguiente, en el distrito utilizado como ejemplo la altura mínima aceptable para el anemómetro no será inferior a 15 metros, en lugar de los 10 metros habituales. Cuando los edificios sean mucho más altos, un anemómetro situado a la altura estándar de 10 metros estaría a un nivel bastante inferior en el palio urbano y, dada la heterogeneidad de la configuración urbana y, por consiguiente, de la estructura del viento, no será realmente muy útil colocar un sensor de viento por debajo del nivel del techo, o incluso en torno a ese nivel. Gracias a las observaciones mediante túneles de viento y sobre el terreno, se sabe ya que el flujo sobre un obstáculo sólido aislado, como un edificio de gran altura, resulta muy perturbado tanto inmediatamente por encima como a su alrededor. Tales perturbaciones implican alteraciones de las líneas de corriente, la presencia de zonas de recirculación sobre el techo y en la denominada “burbuja” o cavidad situada tras él, y efectos de estela que persisten en el flujo corriente abajo a lo largo de varias decenas de veces la altura del edificio y que afectan a una gran parte del entorno (figura 11.5). Son muchos los ejemplos de sistemas de anemómetro de veleta mal ubicados en las ciudades. Los datos registrados por tales instrumentos son erróneos, equívocos y posiblemente engañosos si se utilizan para obtener datos de viento en aplicaciones relacionadas con la carga de viento o su dispersión, y malgastan recursos. No se insistirá bastante en que los anemómetros de veleta no deben estar situados en mástiles de escasa altura sobre la cima de los edificios. La velocidad y las direcciones varían enormemente a corta distancia, tanto en sentido horizontal como vertical. Los resultados obtenidos mediante los instrumentos así instalados reflejan escasamente el flujo general y dependen enteramente de los rasgos específicos del propio edificio, de la situación del mástil en la estructura y del ángulo de ataque del flujo contra el edificio. Los flujos de la circulación y del vórtice que pueden apreciarse

CAPÍTULO 11. OBSERVACIONES URBANAS

en la figura 11.5 significan que, si el mástil está situado delante, sobre el techo o en la zona de cavidad situada detrás de un edificio, la dirección del viento obtenida por las mediciones podría ser muy diferente de la dirección dominante del flujo sin la influencia del clima eólico generado por el propio edificio (es decir, la zona A de la figura 11.5a), y las velocidades serán altamente variables. Para salir de la zona perturbada, los instrumentos de viento deberán instalarse a una altura considerable. Así, por ejemplo, algunos autores han propuesto que la altura de esos sensores fuera superior a la dimensión horizontal máxima del techo principal (Wieringa, 1996). Ello conlleva un sistema de mástil costoso, posiblemente con amarres que abarquen una gran extensión y dificultades para obtener el permiso de instalación. Sin embargo, es el único planteamiento aceptable si se desea obtener unos datos significativos. Ante esa realidad, los sensores deberían estar instalados de modo que su señal no resulte afectada en gran medida por la estructura de su soporte. Se ofrecen las recomendaciones siguientes: a) en distritos urbanos con altura y densidad de elementos bajas (ZCU 6 y 7), podrá utilizarse un emplazamiento en el que sea posible aplicar las directrices sobre exposición típica en “paisajes abiertos”; para usar la altura de 10 metros, los obstáculos más cercanos deberían estar como mínimo a una distancia de diez veces su altura desde el anemómetro, y no medirán más de 6 metros de altura, en promedio; b) en distritos más densamente edificados, con una altura y densidad de elementos relativamente uniformes (edificios y árboles), las mediciones de la velocidad y la dirección del viento deberían realizarse con el anemómetro instalado en un mástil de construcción abierta, a una altura mínima igual a 1,5 veces la altura media de los elementos; c) en distritos urbanos con edificios altos dispersos, las recomendaciones son las mismas que en b), aunque prestando especial atención para evitar la zona de estela de las estructuras elevadas; d) no se recomienda efectuar mediciones de la velocidad del viento o de la dirección en áreas densamente edificadas con múltiples estructuras de gran altura, a menos que se utilice una torre muy alta. Los anemómetros situados en torres de construcción abierta deberían estar instalados en aguilones (brazos transversales) suficientemente largos para mantener los sensores a una distancia no inferior a dos diámetros de torre (preferiblemente tres) respecto del lateral del mástil (Gill y otros, 1967).

II.11-15

Los sensores tendrían que estar montados de modo que a través de la torre pase la dirección del flujo menos frecuente. Si ello no fuera posible, o si la construcción de la torre no estuviera muy descubierta, podría ser necesario instalar dos o tres aguilones con sensores duplicados para evitar los efectos de estela y el estancamiento a barlovento producido por la propia torre. Cuando los mástiles del anemómetro deban ser instalados en edificios altos o aislados, habrá que considerar el efecto de las dimensiones de esa estructura sobre el flujo (véase la parte II, capítulo 5, sección 5.3.3). Para ello, probablemente sea necesario efectuar análisis utilizando túneles de viento, canales de agua o modelos informáticos de dinámica de fluidos específicamente adaptados al edificio en cuestión, incluidos el terreno y las estructuras circundantes. El objetivo es asegurarse de que todas las mediciones de viento se efectúan a alturas en que sean representativas de la rugosidad superficial a barlovento en la escala local y que estén lo más exentas posible de la influencia perturbadora de las anomalías superficiales a escala local o a microescala. De ahí la importancia de efectuar mediciones exactas a la altura que sea necesaria para reducir el error, en lugar de utilizar alturas estándar. Para ello podría ser necesario separar físicamente el emplazamiento de medición del viento de la ubicación de los demás sistemas de medición. En consecuencia, podrían efectuarse observaciones de viento a distintas alturas en un mismo asentamiento. A tal fin será necesario extrapolar los valores medidos hasta un valor de altura común si se pretende discernir diferencias espaciales, o si los datos van a ser introducidos en un modelo de mesoescala. La extrapolación se consigue fácilmente aplicando el perfil logarítmico (ecuación 11.2) a dos valores de altura: _ _ u1/uref = ln(z1/z0 )/ln(zref /z0 )

(11.4)

donde zref es la altura de referencia seleccionada; z1 es la altura del anemómetro en el emplazamiento; y z0 es la longitud de rugosidad de la ZCU. En terreno urbano, es correcto definir la altura de referencia de modo que incluya la altura de desplazamiento del plano cero, es decir, de modo que tanto z1 como zref presenten la forma (zx – zd ), donde el subíndice x representa “1” o “ref”. 50 m por encima de la altura de desplazamiento podría ser una altura de referencia apropiada. Es posible introducir también otras correcciones de la exposición para reflejar distorsiones del flujo, características topográficas y efectos de rugosidad,

II.11-16

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

con arreglo a lo recomendado en el capítulo 5 de la parte I (véase 5.9.4: Corrección de la exposición). Cabe la posibilidad de que no se puedan efectuar observaciones de viento adecuadas en determinado emplazamiento urbano. En tales casos, siempre será posible calcular el viento a la altura de referencia mediante observaciones efectuadas en otra estación urbana o en el aeropuerto, utilizando el modelo de “transformación logarítmica” de Wieringa (1986):

uzA = uzB

⎡ ln( zr / z0 B ) ⋅ ln( zA / z0 A ) ⎡ ln( zB / z0 B ) ⋅ ln( zr / z0 A )

(11.5)

donde los subíndices A y B hacen referencia al emplazamiento en que se esperan los vientos y al emplazamiento en que se dispone de mediciones de viento normalizadas, respectivamente. La altura de mezcla zr debería ser o bien 4 zH (sección 11.1.1.3), o bien un valor estándar de 60 metros; el método no es muy sensible a este término. También en este caso, si alguno de los emplazamientos contiene elementos de rugosidad densos y altos, la escala de alturas correspondiente debería incorporar zd . 11.3.5.3

Consideraciones sobre los sensores de viento

Los instrumentos utilizados para medir la dirección y la velocidad del viento, la rafagosidad y otras características del flujo en entornos no urbanos son también válidos en áreas urbanas. En las ciudades, las mediciones de la dirección y la velocidad del viento deberían efectuarse siempre de modo que permitan introducir correcciones de la influencia de la torre en función del acimut. Si se utilizan anemómetros mecánicos de cazoletas, debería llevarse a cabo un mantenimiento más frecuente a causa de la suciedad de la atmósfera y, por esa misma razón, habría que prestar una mayor atención a los engranajes y a la corrosión. Si se efectúan mediciones en el palio urbano, la rafagosidad puede agravar el problema de la velocidad demasiado elevada de las cazoletas, y un apantallamiento excesivo puede dar lugar a que los anemómetros funcionen en torno a su velocidad mínima de umbral o por debajo de ella. Este problema deberá abordarse por medio de un mantenimiento más cuidadoso y, posiblemente, utilizando anemómetros de respuesta rápida, de hélice o sónicos. Los anemómetros de hélice son menos propensos a alcanzar velocidades excesivas, y los sónicos, que no contienen piezas móviles, prácticamente no necesitan mantenimiento. Sin embargo, son costosos y obligan a mantener un registro electrónico y un procesamiento sofisticados, y no todos los modelos funcionan en condiciones de lluvia.

11.3.6

Precipitación

Los instrumentos y métodos utilizados para medir la precipitación que han sido descritos en el capítulo 6 de la parte I son también aplicables a las áreas urbanas. La medición de la precipitación en forma de lluvia o de nieve se presta siempre a errores asociados a la exposición del pluviómetro, especialmente en relación con el campo de viento de sus inmediaciones. Dado el contexto urbano y la alta variabilidad del campo de viento en el palio urbano y en la SCR, se plantean al respecto cuatro problemas principales: a) la interceptación de la precipitación a lo largo de su trayectoria hasta el suelo causada por superficies colectoras cercanas, como árboles o edificios; b) la presencia de superficies duras próximas al pluviómetro que pudieran causar salpicaduras, y de objetos situados a mayor altura que pudieran verter precipitación sobre el pluviómetro; c) la complejidad espacial del campo de viento en torno a los obstáculos en el palio urbano da lugar a una concentración muy localizada o a una ausencia de flujos de aire portadores de lluvia o nieve; d) las ráfagas de viento, conjuntamente con la presencia física del propio pluviómetro, crean turbulencias anómalas a su alrededor, que dan lugar a una captación superior o inferior a la real. En el campo, la exposición típica implica la ausencia de obstáculos a distancias inferiores al doble de su altura. En ciertos aspectos, esta condición es menos restrictiva que para las mediciones de temperatura, humedad o viento. Sin embargo, en el palio urbano la actividad turbulenta creada por el flujo en torno a edificios con aristas acentuadas es más intensa que alrededor de obstáculos naturales y puede extenderse a distancias superiores a lo largo de su estela. También en este caso, la alta variabilidad de las velocidades y direcciones del viento sobre el techo de un edificio aconsejan evitar tales emplazamientos. Por otra parte, a diferencia de las mediciones de temperatura, humedad y viento, el objeto de las mediciones de precipitación no suele ser el análisis de efectos locales, excepto posiblemente en el caso de la intensidad de lluvia. Ciertos efectos urbanos sobre la precipitación pueden desencadenarse a escala local (por ejemplo, a causa de una instalación industrial de gran envergadura), aunque sin manifestarse hasta bastante distancia a sotavento de la ciudad. Las configuraciones características de un área urbana se deberán más probablemente al relieve o a los efectos de la topografía costera.

CAPÍTULO 11. OBSERVACIONES URBANAS

La selección de un emplazamiento extenso y abierto en una ciudad, que permita cumplir las normas referentes a la exposición, puede resultar aceptable, aunque significará, casi con toda seguridad, que el pluviómetro no compartirá ubicación con los sensores de temperatura del aire, humedad y viento. Aunque estos últimos tienen que ser representativos de la estructura, la cubierta, el tejido y el metabolismo urbanos a escala local en una ZCU específica, no es ese el caso de la precipitación. Sin embargo, el entorno local del pluviómetro será importante si se desea utilizar la estación para estudiar las configuraciones del tipo de precipitación en el seno del medio urbano. La isla de calor urbana, por ejemplo, ejerce una influencia sobre la existencia de diferentes formas de precipitación; así, la nieve o el aguanieve en la base de las nubes podrían derretirse en la atmósfera urbana, más cálida, y caer en forma de lluvia. Ello podría traducirse en la presencia de nieve en emplazamientos rurales y suburbanos, en tanto que en el centro de la ciudad se registraría lluvia. Con respecto a los medidores de precipitación en áreas urbanas, se recomienda lo siguiente: a) Deberían situarse en espacios abiertos de la ciudad donde sea posible cumplir los criterios normalizados de exposición (por ejemplo, campos de actividad deportiva, parques no acotados con baja densidad de árboles, aeropuertos urbanos). b) Habría que situarlos junto con los instrumentos de viento si se identifica una exposición que sea representativa. Si se exceptúan los emplazamientos con baja densidad de edificación, lo anterior probablemente conlleve instalar el pluviómetro sobre un mástil por encima del nivel de los techos. Con ello, el pluviómetro estará expuesto a una velocidad de viento superior a lo normal, por lo que el error de estimación será mayor que en las proximidades de la superficie, y los datos proporcionados por el medidor deberán ser corregidos. Estas correcciones son factibles si la medición del viento se realiza en el mismo mástil. Ello significa también que se opta por el registro automático, por lo que será necesario verificar el pluviómetro con regularidad para asegurarse de que está en posición horizontal y de que su boca está libre de detritos. c) No deberían instalarse sobre los techos de los edificios a menos que su exposición tenga lugar a una altura suficiente para evitar la envolvente de viento del edificio. d) Habría que efectuar la medición de la altura de nieve en emplazamientos abiertos o, si el lugar

II.11-17

está edificado, debería obtenerse una muestra espacial de mayor tamaño para tener en cuenta la inevitable deriva en torno a los obstáculos. El muestreo debería abarcar calles orientadas en distintas direcciones. Los hidrólogos urbanos están interesados en las intensidades de lluvia, especialmente durante los episodios de fuerte temporal. Por consiguiente, serán útiles los pluviómetros de cubeta basculante o de pesaje. La medición de las precipitaciones de lluvia y nieve en áreas urbanas puede beneficiarse del desarrollo de técnicas tales como los pluviómetros ópticos o los radares. En las ciudades hay también precipitaciones en forma de rocío, hielo y niebla, que pueden tener importancia en el balance hídrico, especialmente para ciertas superficies, y ser útiles para determinadas aplicaciones, como enfermedades de las plantas, actividad de los insectos, seguridad vial o localización de una fuente suplementaria de recursos hídricos. Los métodos descritos en el capítulo 6 de la parte I son apropiados para los emplazamientos urbanos. 11.3.7

Radiación

En la actualidad son escasas las mediciones del flujo de radiación que se efectúan en áreas urbanas. Por ejemplo, no hay prácticamente ninguna en el Archivo del inventario de energía mundial del Programa Mundial sobre el Clima ni en el Programa de medición de la radiación atmosférica del Departamento de Energía de Estados Unidos de América. Los emplazamientos en que se mide la radiación suelen estar situados en ubicaciones rurales o apartadas específicamente con objeto de evitar los aerosoles y los contaminantes gaseosos que están presentes en las ciudades y que “contaminan” sus registros. Incluso cuando una estación lleva el nombre de la ciudad, los metadatos suelen revelar que en realidad está situada a bastante distancia de los límites urbanos. Cuando las estaciones se hallan en la zona edificada, probablemente se medirá solo la radiación solar entrante (global), y no se observarán ni las radiaciones entrantes de onda larga ni los flujos con componentes salientes. En su mayor parte, los proyectos experimentales de corta duración centrados específicamente en los efectos urbanos miden tanto las ganancias como las pérdidas de radiación en las ciudades. Todos los flujos de onda corta y larga resultan afectados por las propiedades especiales de la atmósfera y la superficie de las ciudades, y lo mismo cabe decir con respecto al balance de radiación en todas las frecuencias, que

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PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

determina de hecho el balance de energía urbano (Oke, 1988a). Todos los instrumentos, calibraciones y correcciones, así como la mayoría de los métodos sobre el terreno descritos en relación con las mediciones de la radiación en emplazamientos no urbanos en el capítulo 7 de la parte I son aplicables a las áreas urbanas. Se mencionarán aquí únicamente las diferencias, o determinadas necesidades o dificultades de carácter urbano. 11.3.7.1

Flujos entrantes

La radiación solar entrante es una variable de forzamiento del clima urbano tan fundamental que su medición debería ser altamente prioritaria cuando se establece o se mejora una estación. El conocimiento de este término, junto con las observaciones estándar de temperatura del aire, humedad y velocidad del viento, más unas simples medidas de la estructura y cubierta del emplazamiento, permiten configurar un sistema de procesamiento meteorológico previo (es decir, el conjunto de métodos y algoritmos utilizados para convertir los campos de observación estándar en las variables de entrada para los modelos, aunque no hayan sido medidas; por ejemplo, flujos, estabilidad, altura de mezcla, coeficientes de dispersión, etc.), como el modelo híbrido de dispersión de penachos (HPDM) (Hanna y Chang, 1992) o el sistema de parametrización meteorológica urbana a escala local (LUMPS) (Grimmond y Oke, 2002), con el fin de determinar otras mediciones mucho más complejas, como las de estabilidad atmosférica, estadísticas de turbulencia, flujos de cantidad de movimiento, calor y vapor de agua. Estas, a su vez, permiten predecir la altura de mezcla y la dispersión de contaminantes (COST 710, 1998; COST 715, 2001). Además, puede utilizarse la radiación solar como alternativa de la actividad diurna de las nubes, y como base para aplicaciones de energía solar, determinación de niveles de luz diurna en edificios, comodidad de los peatones, derechos legislados con respecto a la exposición solar y muchas otras vertientes. En las estaciones automáticas, la incorporación de mediciones de la radiación solar es simple y relativamente barata. Los requisitos de exposición para piranómetros y otros sensores de flujo entrante se cumplen con relativa facilidad en las ciudades. Se necesita principalmente que el sensor esté nivelado, exento de vibraciones y libre de obstrucciones por encima del plano del elemento detector, tanto fijas (edificios, mástiles, árboles o colinas) como circunstanciales

(nubes generadas por salidas de ventilación o penachos de contaminantes). Por consiguiente, lo ideal será, habitualmente, disponer de una plataforma elevada, estable y accesible, como el techo de un edificio alto. Puede que sea imposible evitar la obstrucción, durante cortos períodos de tiempo, del haz directo de radiación solar que llega a los radiómetros orientados al cielo a causa de la presencia de torres, antenas, mástiles o estructuras similares. Si fuera ese el caso, debería documentarse detalladamente la ubicación de la obstrucción y la duración típica de sus efectos sobre el elemento detector (véase la sección 11.4). En el capítulo 7 de la parte I se mencionan varios métodos para corregir estas interferencias. Es también importante asegurarse de que no hay una reflexión excesiva proveniente de paredes de colores muy claros que se extiendan por encima del horizonte local. Es esencial limpiar con regularidad las cúpulas superiores. En entornos con alto nivel de polución, la limpieza podría tener que ser diaria. Sería también conveniente medir otros flujos de radiación entrante, pero ello dependerá de la naturaleza de la ciudad, de las posibles aplicaciones y del costo de los sensores. Tales flujos de radiación (así como sus instrumentos) son: haz solar directo entrante (pirheliómetro), solar celeste difusa (piranómetro provisto de un anillo de sombra o de un disco de sombra sobre una montura ecuatorial), ultravioleta solar (sensores de banda ancha y estrecha, y espectrómetros) y onda larga (pirgeómetro). Todos estos flujos de radiación tienen aplicaciones útiles: haces de luz (coeficientes de extinción de la contaminación), difusa (iluminación diurna en interiores, paneles solares), ultravioleta (agotamiento del ozono y daños a los seres humanos, a las plantas y a los materiales) y onda larga (observación de nubes nocturnas e intensificación del flujo por los contaminantes y por el efecto de isla de calor). 11.3.7.2

Flujos salientes y netos

La reflexión de la radiación solar y la emisión y reflexión de la radiación de onda larga desde la superficie subyacente, así como el resultado neto de los flujos radiantes de onda corta, de onda larga y de todas las longitudes de onda rara vez se monitorizan en las estaciones urbanas actuales. Ello significa que las propiedades destacadas del sistema climático urbano siguen inexploradas. El albedo, que decide si la radiación solar es absorbida por el tejido urbano o reenviada a la atmósfera y al espacio, será un valor desconocido. Se perderá así la oportunidad de invertir la relación de Stefan-Boltzmann y de resolverla para la temperatura radiante en superficie. No se conocerá

CAPÍTULO 11. OBSERVACIONES URBANAS

la radiación neta, cuyo valor es crítico para el calentamiento y enfriamiento del tejido urbano, ni los intercambios de agua y calor entre la superficie y la capa límite urbana. De estos, los menos conocidos son los datos de radiación neta en todas las frecuencias. Los resultados de un radiómetro neto adecuadamente mantenido son inestimables para configurar un sistema de procesamiento previo como medición alternativa de las nubes. La principal dificultad para medir con exactitud los términos de la radiación saliente es la exposición del radiómetro orientado hacia abajo para abarcar un área representativa de la superficie urbana subyacente. El área fuente radiativa (ecuación 11.1 y figura 11.2) debería “percibir” idealmente una muestra representativa de las principales superficies que contribuyen al flujo. En los casos de exposición normalizada, definida en las secciones correspondientes del capítulo 7 de la parte I, se considera apropiada para el sensor una altura de 2 m por encima de una superficie de hierba de baja altura. A ese nivel, un 90 por ciento del flujo proviene de un círculo de 12 m de diámetro sobre la superficie. Claramente se necesita una altura mucho mayor sobre un área urbana para obtener muestras de una superficie que contenga una población de facetas superficiales suficiente para ser representativa de sus ZCU. En el caso de un radiómetro situado a una altura de 20 m (en la cima de un mástil alto de 10 m instalado sobre un edificio de 10 m de altura) en un distrito densamente desarrollado, el 90 por ciento del área fuente tendrá un diámetro de 120 m a nivel del suelo. Este valor parecería suficiente para “percibir” varios edificios y carreteras, pero deberá tenerse en cuenta también que el sistema es tridimensional, y no prácticamente llano como la hierba. Al nivel de los techos del ejemplo, el área fuente tendrá ahora solo 60 m de diámetro, y el número de edificios visibles será relativamente pequeño. Cabe plantearse si el sensor puede percibir una combinación apropiada de superficies climáticamente activas. Esto significa que el sensor no solo deberá percibir un conjunto adecuado de tipos de superficies esquemáticas, sino también muestrear las fracciones apropiadas de las superficies de techos, paredes y suelos, incluidas las fracciones exactas de cada uno de ellos que se encuentran al sol o a la sombra. La tarea no es trivial, y depende de la estructura de la superficie y de la posición tanto del sensor como del sol en el espacio situado por encima de los elementos. Soux, Voogt y Oke (2004) desarrollaron un modelo para calcular esas fracciones en el caso de configuraciones geométricas del tipo urbano relativamente simples. Sin embargo, es necesario seguir investigando para poder

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disponer de unas directrices específicas respecto a cada uno de los tipos de ZCU. Parece probable que la altura del sensor deba ser superior a la de las mediciones de turbulencia. La naturaleza no lineal de los efectos del área fuente radiativa es evidente en la ecuación 11.1 (véase la figura 11.2). La mayor ponderación de las superficies cercanas a la ubicación del mástil significa que el entorno inmediato es lo más relevante. En el ejemplo anterior, de un radiómetro situado a una altura de 20 m sobre un edificio de 10 m de altura, un 50 por ciento de la señal al nivel del techo proviene de un círculo de solo 20 m de diámetro (posiblemente un único edificio). Si el techo de ese edificio, o cualquier otra superficie sobre la que se instale el mástil, tuviera propiedades radiativas anómalas (albedo, emisividad o temperatura), afectará desproporcionadamente al flujo, que debería ser representativo de un área mayor. Por consiguiente, habría que evitar los techos con grandes superficies de vidrio o de metal, o de un color inhabitualmente oscuro o claro, o los diseñados para contener masas de agua estáticas. A grandes alturas, algunos de los problemas relacionados con los radiómetros orientados hacia abajo son: a) conseguir que el plano del elemento detector esté nivelado; b) conseguir que para grandes ángulos cenitales el elemento detector no “perciba” la radiación solar directa o la radiación entrante de onda larga proveniente del cielo; c) determinar si es necesario corregir los resultados para reflejar la divergencia de flujo radiativo en la capa de aire situada entre la altura del instrumento y la superficie considerada. Para eliminar la radiación espuria de carácter solar o de onda larga en las proximidades del horizonte, podría ser necesario instalar un manguito estrecho que limite el campo visual a unos grados menos de 2π. Para ello será necesario introducir una pequeña corrección en las lecturas, a fin de reflejar la falta de aportación solar difusa (véase el anexo 7.E del capítulo 7 de la parte I, para el caso de un anillo de sombra) o la contribución adicional de onda larga proveniente del manguito. Los sensores invertidos pueden adolecer de errores, ya que su parte posterior está expuesta al calentamiento solar. Este efecto debería evitarse utilizando algún tipo de apantallamiento y de aislamiento. Puede ser también más difícil mantener la limpieza de las cúpulas del instrumento y limpiar los depósitos de agua o hielo. La imposibilidad de observar la tasa y efectividad de ventilación del instrumento a una altura determinada significa que deberían ser preferibles los instrumentos que no necesitan aspiración. Es conveniente poder abatir el mástil para ocuparse de la limpieza, para la sustitución

II.11-20

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

del desecante o de las cúpulas de polietileno, y para su nivelación.

de agua liberados por chimeneas y otros conductos de ventilación.

Se recomienda: a) situar los radiómetros orientados hacia abajo a una altura como mínimo igual a la de un sensor de turbulencia (es aconsejable un valor mínimo de 2 zH), y preferiblemente a mayor altura; b) que las propiedades radiativas del entorno inmediato del mástil provisto de un instrumento de medición de la radiación fueran representativas del distrito urbano considerado.

Los instrumentos que miden el MOR (por ejemplo, transmisómetros y dispersómetros) funcionan generalmente bien en las áreas urbanas. Requieren unas trayectorias relativamente cortas, y arrojarán unos resultados satisfactorios si los componentes ópticos se mantienen limpios. Naturalmente, el instrumento deberá estar expuesto en una ubicación que sea representativa de la atmósfera de las inmediaciones, pero los requisitos no son más estrictos que para otros instrumentos situados en el palio urbano. Podría suceder que, para ciertas aplicaciones, fuese de utilidad conocer la variación del MOR con la altura (por ejemplo, para determinar la posición de la cima de niebla o para establecer la base de nubes).

11.3.8

Duración de la insolación

Las atmósferas contaminadas de las áreas urbanas reducen las horas de insolación en comparación con los valores en sus inmediaciones o valores de las zonas preurbanas (Landsberg, 1981). Los instrumentos, métodos y recomendaciones sobre exposición indicados en el capítulo 8 de la parte I son aplicables a una estación urbana. 11.3.9

Visibilidad y alcance óptico meteorológico

Los efectos de las áreas urbanas sobre la visibilidad y el alcance óptico meteorológico (MOR) son complejos dado que, aunque los contaminantes tienden a reducir la visibilidad y el MOR en la medida que influyen en la atenuación de la luz y en la intensificación de ciertos tipos de niebla, los efectos de isla de calor y de humedad urbana reducen a menudo la frecuencia e intensidad de la niebla y de las nubes bajas. En la práctica, resulta bastante conveniente disponer de información sobre la visibilidad urbana y el MOR para sectores como la aeronáutica, el transporte fluvial y por carretera, o las comunicaciones ópticas, y, consiguientemente, incorporar esas observaciones en las estaciones urbanas. En las ciudades, la apreciación visual de la visibilidad no es fácil de llevar a cabo pues, aunque hay numerosos objetos y fuentes luminosas que pueden servir para determinar el alcance, podría resultar difícil obtener una línea de visibilidad directa ininterrumpida a la altura recomendada de 1,5 m. La utilización de una plataforma elevada o del nivel superior de los edificios está considerada como una medida inhabitual, y no se recomienda. Las observaciones cerca del plano del techo pueden verse afectadas también por el centelleo proveniente de los techos calientes, o por el “humeo” del vapor de agua que emana de los techos húmedos cuando se secan, y también por los contaminantes y las nubes

11.3.10

Evaporación y otros flujos

El desarrollo urbano suele dar lugar a una reducción de la evaporación, debido principalmente a la circunstancia de que los elementos edificados sellan la superficie, mientras que la vegetación ha sido eliminada. Sin embargo, en ciertas regiones naturalmente secas la evaporación puede aumentar si el agua se importa de otro lugar y se utiliza para regar la vegetación urbana. En las áreas urbanas hay muy pocas estaciones de medición de la evaporación. Ello es comprensible, ya que es casi imposible interpretar las mediciones de evaporación realizadas en el palio urbano mediante atmómetros, bandejas de evaporación o lisímetros. Como se explica en el capítulo 10 de la parte I, tales mediciones deberán efectuarse en un emplazamiento que sea representativo de la zona; a una distancia de los obstáculos no inferior a cinco veces su altura, o a diez veces si están agrupados; el emplazamiento no deberá estar situado sobre hormigón ni asfalto, ni excesivamente a la sombra, y estará libre de superficies duras que pudieran causar salpicaduras. Además de estas precauciones, las superficies de los instrumentos deberán actuar como sucedáneos de los sistemas de vegetación o de agua libre. Estas superficies probablemente no sean representativas del entorno en lugares urbanos. Por consiguiente, son receptoras de microadvección, que probablemente forzará la evaporación a unas tasas irrealmente elevadas. Considérese el caso de una bandeja de evaporación instalada durante un largo período en un emplazamiento semiárido que es después convertido para usos agrarios de regadío y posteriormente invadido

CAPÍTULO 11. OBSERVACIONES URBANAS

por el desarrollo suburbano, quedando finalmente situado en mitad de un área urbana muy edificada. Su registro de evaporación comenzará en valores muy altos, ya que es una superficie de agua libre en un entorno cálido y seco. Por consiguiente, aunque la evaporación real en el área sea muy baja, la advección forzará unas pérdidas considerables en la bandeja. Dado que la introducción del riego enfría y humidifica las condiciones, las lecturas de la bandeja disminuyen mientras la evaporación real aumenta. En la medida en que el desarrollo urbano invierte considerablemente los cambios ambientales y reduce la velocidad del viento en las proximidades del suelo, las pérdidas de la bandeja aumentan, pero la evaporación real probablemente disminuye. Por consiguiente, a lo largo de esta secuencia la evaporación de la bandeja y la evaporación real se encuentran probablemente en fases opuestas. Durante el período de explotación agraria podría haberse aplicado un coeficiente de bandeja para convertir las lecturas de esta en otras típicas de extensiones de hierba o cultivos. No se dispone de tales coeficientes para convertir la evaporación de la bandeja en evaporación urbana, incluso aunque las lecturas no estén distorsionadas a causa de la complejidad del entorno en el palio urbano. En resumen, no se recomienda utilizar instrumentos convencionales de evaporación en el palio urbano. Las dimensiones y la heterogeneidad de las áreas urbanas hacen poco práctico el uso de lisímetros de escala completa (por ejemplo, por no poder estar situados a menos de 100 y 150 m de un cambio del entorno). Los microlisímetros pueden determinar la evaporación en ciertas superficies, pero son en cualquier caso específicos de su entorno. Este tipo de dispositivos necesitan un gran cuidado, en particular para renovar la muestra de suelo y evitar la desecación, y no son apropiados para las observaciones de rutina durante largos períodos. Para obtener información sobre el promedio espacial de evaporación y otros flujos turbulentos (cantidad de movimiento, calor sensible, dióxido de carbono) pueden utilizarse observaciones obtenidas por encima de la SCR. Algunos de esos flujos revisten en áreas urbanas un interés práctico mayor que en muchas áreas no urbanas. Así, es necesario conocer el flujo vertical de la cantidad de movimiento horizontal y las estadísticas y espectros del viento integrales para determinar la carga de viento sobre las estructuras y la dispersión de los contaminantes aéreos. El flujo de calor sensible es un dato de entrada esencial para calcular la estabilidad atmosférica (por ejemplo, el número de Richardson del flujo y la longitud de Obukhov) y el espesor de la capa de mezcla urbana. Se recomienda utilizar métodos

II.11-21

de desviación típica o de covarianza turbulenta de respuesta rápida en lugar de métodos de gradiente de perfil. Son apropiados a ese respecto los anemómetros sónicos, los higrómetros de infrarrojos y los analizadores de gas y escintilómetros. Los sensores deberían exponerse de la misma manera que los sensores de viento: por encima de la SCR, pero por debajo de la capa límite interna de la ZCU considerada. También en este caso, tales mediciones se basan en una “huella” del flujo lo suficientemente grande como para que sea representativa del área local considerada. Si tales mediciones están fuera del alcance de los recursos financieros y técnicos disponibles, un método aceptable para obtener unos valores aéreamente representativos de la evaporación urbana y del flujo de calor puede ser la utilización de un sistema de procesamiento meteorológico previo como el método de limitación de ozono (OLM), el modelo HPDM o el sistema LUMPS (véase la sección 11.3.7). Estos sistemas requieren únicamente observaciones espacialmente representativas de la radiación solar entrante, la temperatura del aire, la humedad y la velocidad del viento, y unas estimaciones generales de las propiedades superficiales medias, como el albedo, la emisividad, la longitud de rugosidad y las fracciones del distrito urbano pobladas de vegetación, edificadas o irrigadas. Evidentemente, las observaciones de velocidad del viento deberán adecuarse a las recomendaciones de la sección 11.3.5. Lo ideal sería que la temperatura del aire y la humedad se observasen por encima de la SCR; sin embargo, si se dispusiera solo de valores del palio urbano, estos serán por lo general aceptables, ya que ese tipo de sistemas no son muy sensibles a estas variables. 11.3.11

Humedad del suelo

El conocimiento de la humedad del suelo urbano puede ser útil, por ejemplo, para los jardineros o para el cálculo de la evaporación. Su importancia térmica en paisajes urbanos queda evidenciada por las configuraciones notablemente diferenciadas que se aprecian en las imágenes térmicas obtenidas por teledetección. Durante el día, cualquier zona con vegetación activa o tierra irrigada es visiblemente más fría que la tierra edificada, pavimentada o desnuda. Sin embargo, el muestreo necesario para obtener unos valores representativos de la humedad del suelo constituye una tarea de enormes proporciones. Algunos de los problemas que se plantean surgen de la circunstancia de que una gran proporción de

II.11-22

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

las superficies urbanas están completamente selladas por pavimentos y edificaciones; buena parte del suelo expuesto ha sido muy alterado en el pasado durante las actividades de construcción o tras su abandono después de haber estado destinado a usos urbanos; de hecho, el “suelo” puede estar constituido en gran parte por los escombros de antiguos edificios y material de pavimentación o haber sido importado en forma de suelos o material de relleno procedente de lugares distantes; o bien la humedad del suelo podría estar afectada por las infiltraciones provenientes de fuentes localizadas, como conducciones de agua rotas o alcantarillas, o provenir de operaciones de riego. Todos estos elementos configuran un campo de humedad del suelo urbano muy fragmentado que podría presentar superficies totalmente secas inmediatamente adyacentes a extensiones de césped con exceso de agua. Por consiguiente, aunque es posible hacerse una idea de la humedad del suelo a escala local en áreas de escaso desarrollo urbano, o donde se ha conservado el paisaje seminatural, resulta casi imposible caracterizarlo en la mayoría de los distritos urbanos. También en este caso, podría ser más conveniente utilizar valores rurales que proporcionen un valor de fondo regional, en lugar de carecer completamente de estimaciones de la disponibilidad de la humedad del suelo. 11.3.12

Tiempo atmosférico presente

Si se dispone de observadores humanos o de los instrumentos habituales, la observación de fenómenos del tiempo presente, como escarcha, hielo superficial, niebla, tormentas de polvo o de arena, nubes de embudo y truenos y relámpagos pueden ser de utilidad, especialmente si tienen implicaciones prácticas con respecto a la eficacia o seguridad de las actividades urbanas; por ejemplo, el transporte. Si se dispone de instalaciones de archivo, las imágenes de webcams pueden ofrecer evidencias muy útiles de las nubes, de los cambios de corta duración en nubes asociadas a frentes nubosos, de los bancos de niebla que aumentan y disminuyen, de las nubes bajas que se elevan o descienden, y de la llegada de frentes tormentosos de polvo y de arena. 11.3.13

Nubes

Aunque las observaciones de la nubosidad son raras en las grandes áreas urbanas, se trata de una información de gran utilidad. Todos los métodos e instrumentos descritos en el capítulo 15 de la parte I son válidos para las áreas urbanas. El gran número e intensidad de fuentes de luz en las ciudades, junto

con una atmósfera neblinosa y, en ocasiones, contaminada hacen más difícil la observación visual. Siempre que sea posible, el lugar de observación debería estar apartado de áreas con iluminación particularmente intensa. 11.3.14

Composición atmosférica

El control de la contaminación atmosférica en los entornos urbanos es cada vez más importante. Sin embargo, se trata de otro campo de especialización, que no será abordado en el presente capítulo. En el capítulo 17 de la parte I se analiza este tema en el contexto más general de la Vigilancia de la Atmósfera Global. 11.3.15

Técnicas de perfilado de la capa límite urbana

Dado que las influencias urbanas afectan a toda la capa límite planetaria (figura 11.1), es necesario utilizar torres y mástiles para obtener observaciones por encima de la SCR si se desea efectuar mediciones a mayor altura. Revisten especial interés los efectos sobre el campo de viento y la estructura vertical de la temperatura, y en particular el espesor de la capa de mezcla y sus efectos combinados sobre la dispersión de los contaminantes. Todas las técnicas especiales de perfilado descritas en el capítulo 5 de la parte II son de utilidad en las áreas urbanas. Las sondas acústicas (sodares) pueden ser muy útiles; sin embargo, hay que reconocer que adolecen de dos inconvenientes: en primer lugar, sus señales acusan frecuentemente interferencias de diversas fuentes de ruido urbanas (tráfico, aeronaves, actividades de construcción, e incluso cortadoras de césped); y, en segundo lugar, su utilización podría estar prohibida si ocasionan molestias a los residentes. Los radares perfiladores de viento, los sistemas de sondeo radioacústico, los radiómetros de microondas, los perfiladores de temperatura de microondas, los radares láser (lidares) y los nefobasímetros modificados son sistemas adecuados para vigilar la atmósfera urbana siempre que sea posible evitar la interferencia proveniente del nivel del suelo. Análogamente, es también posible utilizar con muy buenos resultados globos de seguimiento de viento, radiosondas para la capa límite (minisondas) y globos cautivos provistos de instrumentos, siempre y cuando las autoridades del tránsito aéreo autoricen su uso. Las torres y mástiles provistos de instrumentos pueden ser un lugar excelente para colocar los sensores por encima del nivel de los techos y en la subcapa inercial, y las

CAPÍTULO 11. OBSERVACIONES URBANAS

estructuras muy altas pueden permitir efectuar mediciones en la capa de mezcla situada por encima. Sin embargo, es necesario insistir en las precauciones indicadas en la sección 5.3.3 del capítulo 5 de la parte II con respecto a la posible interferencia con las propiedades atmosféricas por parte de la estructura de apoyo. Aunque pudiera parecer que los edificios altos permiten llegar a niveles más altos de la capa límite urbana, a menos que se evalúen enteramente los efectos de interferencia de los obstáculos y que se adopten medidas para evitarlos, la instalación de sensores puede resultar inútil y, probablemente, engañosa. 11.3.16

Observaciones satelitales

La teledetección por satélite con una resolución adecuada en el espectro infrarrojo puede ser aplicable a áreas urbanas extensas; sin embargo, la descripción de esta técnica excede del alcance del presente capítulo. Puede obtenerse cierta información al respecto en el capítulo 8 de la parte II, y se encontrará una exposición del tema en Voogt y Oke, 2003.

11.4

METADATOS

Resulta absolutamente esencial contar con una documentación completa y exacta de los metadatos de una estación (véase el capítulo 1 de la parte I) “para asegurarse de que el usuario de los datos finales no tiene dudas acerca de las condiciones en que estos han sido registrados, recopilados y transmitidos con objeto de extraer conclusiones acertadas de su análisis” (OMM, 2003a). Cabe argumentar que esa condición es si cabe más crucial en el caso de las estaciones urbanas, ya que los emplazamientos de este tipo presentan un inusual grado alto de complejidad y, al mismo tiempo, una mayor propensión a los cambios. La complejidad confiere a cada emplazamiento un carácter verdaderamente único, mientras que los emplazamientos adecuados en campo abierto se atienen a un modelo relativamente estándar. La existencia de cambios implica que los controles del emplazamiento son dinámicos y, por consiguiente, será necesario actualizar con frecuencia la documentación. En la figura 11.6 se ha supuesto que se cumplen todos los requisitos mínimos estipulados en OMM (2003a) con respecto a los metadatos de una estación, y que se aplicarán algunas o todas las prácticas más eficaces recomendadas en esa publicación. Se insiste aquí en las características urbanas especiales que hay que incluir en los metadatos, particularmente en las categorías de “entorno local” y “sucesos históricos”.

11.4.1

II.11-23

Entorno local

Como se ha explicado en la sección 11.1.1, las estaciones urbanas conllevan la exposición de instrumentos tanto en el palio urbano como por encima de él. Por consiguiente, la descripción de sus inmediaciones deberá abarcar tanto la microescala como la escala local. Según OMM (2003a), con algunas adaptaciones para caracterizar el entorno urbano, se recomienda registrar la información descriptiva siguiente con respecto a la estación: a) Un mapa de escala local o mesoescalar (~ 1:50 000) como el de la figura 11.6(a), actualizado conforme sea necesario para describir las variaciones del desarrollo urbano en gran escala (por ejemplo, conversión de terrenos sin edificar en viviendas, construcción de un centro comercial o de un aeropuerto, construcción de nuevos edificios de gran altura, tala de un área boscosa, drenaje de un lago, creación de un estanque de retención). Lo ideal sería aportar también una fotografía aérea del área y un mapa esquemático simple (a escala 1:500 000 o 1:1 000 000) para indicar la ubicación de la estación con respecto al resto de la región urbanizada (figuras 11.6 b) y c)) y cualquier accidente geográfico importante, como grandes masas de agua, montañas y valles, o cambios del tipo de ecosistema (desierto, pantano, bosque). Una fotografía aérea oblicua puede resultar especialmente útil, ya que permite apreciar también la altura de los edificios y de los árboles. Si fuera posible, sería también útil incluir imágenes aéreas o satelitales en el espectro infrarrojo de los controles importantes del microclima. Así, las superficies relativamente frías durante el día suelen indicar la existencia de humedad o de materiales con una emisividad superficial anómala. Las zonas más calientes de lo normal pueden estar muy secas o presentar un albedo bajo o un aislamiento muy eficaz. Durante la noche, el frío relativo indica un buen aislamiento, mientras que el calor relativo indica la situación contraria, o bien un material con una admitancia térmica elevada que emite calor almacenado durante el día, o una fuente anómala de calor antropógeno. Puede obtenerse una idea de las clases de rugosidad de la ZCU y de Davenport consultando los cuadros 11.1 o 11.2. b) Un mapa esquemático en microescala (~ 1:5 000) que cumpla las directrices sobre metadatos, actualizado todos los años (figura 11.7 a)). c) Una cartografía del horizonte obtenida de un reconocimiento efectuado con ayuda de un clinómetro y de una brújula en un círculo en torno a la garita (como puede verse en el gráfico de la parte inferior de la plantilla, figura 11.7 a),

II.11-24

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

a)

b)

c)

Figura 11.6. Información mínima necesaria para describir el entorno a escala local de una estación urbana formada por: a) una plantilla para documentar el emplazamiento local; b) un mapa croquis para situar la estación en la región urbana más amplia; y c) una fotografía aérea.

así como en la fotografía tomada con un objetivo de “ojo de pez” obtenida apuntando verticalmente al cénit con la parte posterior de la cámara colocada sobre el suelo cerca de la garita, pero sin llegar a permitir que esta bloquee parte alguna del cielo (figura 11.7 b)). Si no se dispone de una lente de ojo de pez, un método más simple consiste en tomar una fotografía de un reflector hemisférico (figura 11.7 c)). Esta debería actualizarse todos los años, o con mayor frecuencia si hubiera variaciones notables de la obstrucción del horizonte, por ejemplo a causa de la construcción o demolición de un nuevo edificio cercano, o de la tala de árboles. d) Fotografías tomadas desde los puntos cardinales del recinto de instrumentos, y de otras ubicaciones y torres de instrumentos. e) Un esquema en microescala del recinto de instrumentos, actualizado cada vez que se reubiquen los instrumentos o sobrevengan otros cambios importantes. f) Si algunas de las mediciones en la estación (viento, radiación) han sido obtenidas a distancia del recinto (en mástiles, techos o lugares

más abiertos), se repetirán los pasos b) a d) anteriores para cada emplazamiento. 11.4.2

Evolución histórica

Los distritos urbanos están sujetos a numerosos factores de cambio, como las ordenanzas municipales que modifiquen los tipos de uso de la tierra permitidos en esa área, la altura de los edificios o los materiales y técnicas de construcción aceptables, o bien ordenanzas sobre el medio ambiente, el riego o las normas de tráfico. Las iniciativas de planificación centralizada para la renovación urbana pueden dar lugar a alteraciones muy radicales. Sobrevienen también alteraciones orgánicas de la naturaleza de un distrito con la inmigración o emigración de grupos de población, o cuando un barrio se pone en boga o se pasa de moda como lugar de residencia o de trabajo. El área urbana puede ser un centro de conflicto y destrucción. Este tipo de acontecimientos debería documentarse, con el fin de que los usuarios posteriores de los datos tengan información sobre el contexto de los cambios que podría experimentar el clima urbano.

CAPÍTULO 11. OBSERVACIONES URBANAS

II.11-25

a)

b)

c)

Figura 11.7. Información necesaria para describir los entornos a microescala de una estación climática urbana; a) plantilla para archivo de metadatos; b) ejemplo de una fotografía tomada con un objetivo de “ojo de pez” de un cañón urbano que ilustra una obstrucción horizontal; y c) reflector hemisférico de la Oficina Meteorológica de Reino Unido situado sobre un pluviómetro.

11.4.3

Observancia de otras recomendaciones de la OMM

Todas las demás recomendaciones de la OMM sobre la documentación de los metadatos, incluidos los identificadores de estación, los datos geográficos, la exposición de los instrumentos, los tipos de instrumentos, la instalación y apantallamiento de estos, el registro y transmisión de datos, las prácticas de observación, el almacenamiento y accesibilidad de los metadatos y el procesamiento de los datos deberían ser observadas en las estaciones urbanas.

11.5

EVALUACIÓN DE LOS EFECTOS URBANOS

El estudio del tiempo y el clima urbanos ofrece una perspectiva prácticamente única en su género. La ciudadanía siente curiosidad por conocer el papel

que desempeñan los seres humanos en la modificación de la atmósfera de las ciudades. Por ello, a diferencia de lo que ocurre en otros entornos de interés, en los que basta con estudiar la atmósfera por sí misma, en las áreas urbanas hay interés por conocer los efectos. Ello conlleva una evaluación de los posibles cambios de las variables meteorológicas a medida que se desarrolla el área urbana, en comparación con lo que habría sucedido si no se hubiera creado el asentamiento. Esta cuestión es esencialmente imposible de responder una vez instalado este y, si el asentamiento no existiera, el paisaje podría perfectamente haber evolucionado en otra dirección (por ejemplo, como consecuencia de otras actividades humanas, como la agricultura o la silvicultura). Por consiguiente, la evaluación de los efectos urbanos está sembrada de dificultades metodológicas y no es posible conocer una “verdad”, sino solo aproximaciones sustitutivas. A la hora de establecer una estación urbana, tanto con carácter individual como formando parte de una

II.11-26

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

red, se recomienda tener muy en cuenta el análisis de Lowry (1977) y de Lowry y Lowry (2001) para evaluar los efectos urbanos sobre el tiempo y el clima.

11.6

11.6.1

RESUMEN DE LAS CONSIDERACIONES CLAVE CON RESPECTO A LAS ESTACIONES URBANAS

Principios prácticos

Al establecer una estación urbana, las rígidas directrices aplicables a las estaciones climáticas son frecuentemente inapropiadas. Será necesario aplicar principios orientativos en lugar de reglas, y adoptar una perspectiva flexible. En muchos casos, ello equivaldrá a adoptar diferentes soluciones para propiedades atmosféricas distintas, y puede implicar que no todas las observaciones asociadas a un “emplazamiento” hayan sido efectuadas en un mismo lugar. Dado que el entorno de las estaciones urbanas suele evolucionar a medida que avanza el desarrollo, la actualización frecuente de los metadatos es tan importante como los datos meteorológicos obtenidos. Sin una descripción adecuada de la estación es imposible vincular las mediciones al terreno circundante. 11.6.2

Selección del emplazamiento

Un primer paso esencial al seleccionar los emplazamientos para una estación urbana consiste en evaluar la naturaleza física del terreno urbano mediante una clasificación de las zonas climáticas. Ello permitirá identificar áreas de homogeneidad. Una extensión urbana está constituida por varios tipos de terreno urbano. Para tener una idea descriptiva del clima de un asentamiento se necesitan

múltiples estaciones. Habría que seleccionar emplazamientos que previsiblemente obtengan muestras de aire relativamente homogéneas en terrenos urbanos y que sean, por consiguiente, representativas de una única zona climática. Deberá procurarse que los efectos microclimáticos no interfieran en el objetivo de medición del clima a escala local. 11.6.3

Mediciones

Con respecto a las mediciones, habría que tener en cuenta los importantes aspectos siguientes: a) Las mediciones de temperatura del aire y de humedad obtenidas en el palio urbano pueden ser localmente representativas si se selecciona cuidadosamente el emplazamiento. Si se observan estas variables por encima del nivel de los techos, y en particular por encima de la SCR, no existirá un vínculo entre ellas y las del palio urbano. b) Las mediciones de viento y del flujo turbulento deberían efectuarse por encima de la SCR, pero dentro de la capa límite interna de la ZCU seleccionada. Tales mediciones deberán establecer que la “huella” superficial que contribuye a las observaciones sea representativa de la zona climática. En el caso del viento, es posible vincular el flujo a ese nivel con el experimentado dentro del palio. c) Las observaciones de precipitación pueden efectuarse o bien cerca del suelo en un emplazamiento sin obstrucciones, o bien por encima de la SCR, introduciendo correcciones acordes con las mediciones en paralelo del viento. d) Con la excepción de las mediciones de la radiación solar entrante, deberán evitarse los emplazamientos sobre techos, a menos que los instrumentos estén expuestos sobre un mástil elevado. e) Las mediciones de los flujos de las radiaciones neta y ascendente deberán efectuarse a alturas que permitan muestrear adecuadamente todos los tipos de superficie y orientaciones típicas de la zona.

CAPÍTULO 11. OBSERVACIONES URBANAS

II.11-27

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II.11-28

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

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CAPÍTULO 12. MEDICIONES METEOROLÓGICAS VIARIAS CAPÍTULO 12

II.12-1

MEDICIONES METEOROLÓGICAS VIARIAS

12.1

CONSIDERACIONES GENERALES

12.1.1

Definición

Las mediciones meteorológicas viarias son particularmente útiles en países donde la transitabilidad invernal de la infraestructura de transporte ejerce una gran influencia sobre la economía nacional. En algunos países habrá, además, otros factores de riesgo en las carreteras como las tempestades de polvo o las erupciones volcánicas. La seguridad y eficacia del transporte por carretera resulta afectada negativamente por las condiciones que se indican a continuación, que influyen en los aspectos de velocidad, distancia entre vehículos, adhesión de los neumáticos o eficacia de frenado: escasa visibilidad (precipitación intensa, niebla, humos, tempestades de arena), vientos fuertes, inundaciones en superficie, socavones, nieve, precipitación engelante y hielo. 12.1.2

Finalidad

El cometido del responsable de una red viaria es asegurar un tráfico óptimo, seguro y fluido en las vías principales. Las decisiones prácticas sobre la emisión de información meteorológica y sobre la puesta en marcha de las operaciones de deshielo y limpieza de nieve dependerán de las observaciones meteorológicas viarias, que son cada vez más habituales en las estaciones meteorológicas automáticas (EMA) especializadas. Aunque estas estaciones deberían adecuarse en la medida de lo posible a las normas de exposición de los sensores y de medición aplicadas en las EMA convencionales (véase el capítulo 1 de la parte II), tendrán características específicas en consonancia con sus funciones, su ubicación y sus requisitos de medición. En las estaciones meteorológicas viarias, que apoyan mediante datos la toma de decisiones sobre el transporte, la fiabilidad es un elemento decisivo: cada estación se ocupará del entorno inmediato de las vías importantes y de alta densidad, y se encargará de suministrar datos para las operaciones de rutina de predicción meteorológica y para la generación de alarmas automáticas. Así, la fiabilidad y el mantenimiento del equipo, el suministro de energía, la continuidad de las comunicaciones y la

integridad de los datos son, todos ellos, elementos importantes a la hora de seleccionar, establecer y gestionar la red de mediciones meteorológicas. Estas consideraciones ponen de manifiesto los beneficios que reportaría una colaboración eficaz entre los servicios de gestión viaria y el Servicio Meteorológico e Hidrológico Nacional (SMHN). 12.1.3

Requisitos meteorológicos viarios

Este capítulo debería ayudar a normalizar las mediciones meteorológicas viarias utilizando un método lo más acorde posible con las normas comunes de la OMM. Sin embargo, los usuarios que deseen utilizar ese tipo de mediciones para otras aplicaciones meteorológicas deberán tener en cuenta que hay importantes desviaciones, por ejemplo en la exposición de los sensores. Las necesidades de los responsables de una red viaria abarcan cuatro grandes aspectos (OMM, 1997; 2003a): a) Observación de la meteorología viaria en tiempo real. El objetivo práctico es, por una parte, informar a los usuarios de las carreteras de los riesgos (previstos o en tiempo real) que probablemente deberán afrontar en las rutas indicadas y, por otra parte, emprender una serie de actuaciones encaminadas a mejorar la seguridad viaria; por ejemplo, despejando la nieve o aplicando agentes químicos anticongelantes. b) Mejora de las predicciones de la temperatura en la superficie del pavimento. Las mediciones de las EMA viarias son los datos de mayor importancia para los programas que utilicen los SMHN con el fin de predecir la temperatura y el estado del pavimento. Estos organismos disponen de los medios para asegurar la continuidad y puntualidad de las observaciones y del servicio de predicción. En la práctica, los predictores disponen de dos herramientas. La primera es un modelo informático que permite transponer una predicción de las condiciones atmosféricas para obtener una predicción de la temperatura superficial del pavimento, teniendo en cuenta las características físicas de cada estación. La segunda herramienta consiste en la aplicación de un algoritmo basado en un estudio climatológico específico de la superficie del pavimento.

II.12-2

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

c) Base de datos sobre el clima viario. La creación de una base de datos climatológicos viarios es importante, ya que la evaluación de la situación meteorológica existente en una ubicación provista de los instrumentos adecuados permite frecuentemente a los responsables experimentados de las redes viarias utilizar el modelo climático para transponer los datos a otras ubicaciones que ellos conocen bien. En algunos casos, será posible obtener valores de la huella térmica para modelizar esa relación espacial. El registro de los datos meteorológicos viarios será útil para analizar alteraciones invernales precedentes y para efectuar estudios climatológicos específicamente viarios. Los SMHN pueden rellenar las lagunas de datos y comparar mediciones provenientes de diferentes fuentes, sometiéndolas a un proceso de garantía de la calidad. d) Datos fiables. Los responsables viarios no necesitan unas mediciones muy exactas (a excepción de la temperatura superficial de la carretera). Lo que necesitan es que los datos sean lo más fiables posible. En otras palabras, los datos deberán reflejar de manera coherente la situación real, y los dispositivos de medición tendrán que ser robustos. Con frecuencia, la continuidad de las comunicaciones y del suministro eléctrico son aspectos de la mayor importancia.

12.2

ESTABLECIMIENTO DE UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA VIARIA

12.2.1

Mediciones representativas normalizadas

Los requisitos generales aplicables a las estaciones meteorológicas, a su emplazamiento y al tipo y frecuencia de sus mediciones se definen en OMM (1988; 2003a). Cuando se establezca una estación meteorológica viaria, se recomienda atenerse lo más estrictamente posible a esas normas y al resto del material pertinente de la presente Guía, con el fin de obtener unas mediciones normalizadas y representativas que puedan ser relacionadas con las de otras estaciones viarias de la red y con los datos obtenidos de estaciones sinópticas o climatológicas normalizadas, excepto en aquellos casos en que las mediciones de variables meteorológicas específicamente viarias requieran otras normas, por ejemplo en lo referente a la exposición de los sensores. Podrá obtenerse información sobre la ubicación y densidad óptima de las estaciones en la oficina local del

SMHN, que tendrá acceso a los datos climatológicos de la región. Los emplazamientos de las estaciones meteorológicas se seleccionan de modo que representen adecuadamente una región geográfica determinada. La estación meteorológica viaria estará ubicada de modo que represente óptimamente una parte de la red de carreteras o un tramo particular de una carretera importante expuesta a factores de riesgo meteorológico o de otro tipo. Por ello, la estación deberá ser adyacente a la carretera, de modo que sea posible instalar sensores en la superficie de esta, siendo necesario en algunos casos encontrar una solución intermedia con respecto al emplazamiento y la exposición “ideales” en términos meteorológicos. Los sensores quedarán instalados de modo que su exposición permita representar de la mejor manera posible en el espacio y en el tiempo la variable que se desea medir, sin interferencias indeseadas de elementos secundarios. Por lo general, los emplazamientos inmediatamente adyacentes a la calzada deberían ser llanos, con hierba de baja altura, y exentos de sombras de edificios o árboles. 12.2.2

Metadatos sobre la estación

En todos los casos, será importante documentar detalladamente tanto la ubicación como las características del emplazamiento, y especificar las características del equipo y de los sensores, en particular mediante planos y fotografías del emplazamiento. Estos metadatos (capítulo 1 de la parte I y capítulo 1 de la parte III) serán inestimables para el funcionamiento de la estación y para comparar la calidad de las mediciones con las de otros emplazamientos.

12.3

VARIABLES OBSERVADAS

12.3.1

Mediciones meteorológicas viarias

En las estaciones meteorológicas viarias, las mediciones importantes para la predicción del estado de las carreteras son: temperatura y humedad del aire, velocidad y dirección del viento, cantidad y tipo de precipitación, visibilidad, radiación global y de onda larga, temperatura y estado de la superficie de la carretera. Algunas de las mediciones obtenidas (por ejemplo, temperatura y humedad) permitirán predecir estados del tiempo de interés para los usuarios, mientras que otras (viento y

CAPÍTULO 12. MEDICIONES METEOROLÓGICAS VIARIAS

visibilidad) podrían indicar la inminencia o presencia real de fenómenos peligrosos; ciertas mediciones (radiación meteorológica, temperatura y estado de la superficie de la carretera) tienen específicamente por objeto predecir el comportamiento de la superficie de la carretera. La selección de los sensores se hará ateniéndose a su incertidumbre, estabilidad, facilidad de mantenimiento y calibración, y procurando que dispongan de salidas eléctricas que les permitan conectarse con el sistema automático de adquisición de datos. La decisión sobre los sensores y su exposición debería adecuarse a la práctica y recomendaciones estándar de la OMM (véanse los capítulos correspondientes en la parte I de la presente Guía), excepto en aquellos casos en que sean incompatibles con las necesidades específicas de la meteorología viaria. Por lo general, la incertidumbre de las mediciones debería atenerse a los rendimientos indicados en el anexo 1B del capítulo 1 de la parte I. Ténganse también en cuenta las recomendaciones indicadas en el capítulo 1 de la parte II sobre las mediciones de las EMA. 12.3.1.1

Temperatura del aire

El sensor podrá consistir en un termómetro de resistencia eléctrica (de platino, o un termistor estable). El sensor de temperatura del aire, su garita o protección contra la radiación y su exposición deberían adecuarse a las directrices del capítulo 2 de la parte I, instalando la protección a una altura de entre 1,25 y 2 metros sobre hierba de baja altura o sobre un suelo natural. Precauciones a adoptar: el sensor y la garita no deberían instalarse sobre superficies de hormigón o asfalto que pudieran sobrevalorar la temperatura medida. La protección tendría que estar situada de modo que no quede expuesta a salpicaduras de agua de las ruedas de los vehículos que transitan, que podrían ser causa de importantes errores de medición. 12.3.1.2

Humedad relativa

El sensor higrométrico podrá ser de tipo conductivo o capacitivo, de película delgada (capítulo 4 de la parte I). No se recomienda utilizar un psicrómetro de bulbo húmedo, debido a la contaminación permanente de su mecha por los hidrocarburos. El sensor podrá estar combinado con el sensor de temperatura del aire en la garita de protección contra la radiación, o compartir ubicación con él, siempre y cuando la salida térmica del sensor

II.12-3

(autocalentamiento) sea muy baja, con el fin de no influir en la medición de la temperatura. Precauciones a adoptar: las precauciones en relación con las salpicaduras de agua serán las mismas que para los sensores de temperatura. La efectividad de los sensores de humedad estará sujeta a los efectos de la contaminación de la atmósfera y de los vehículos. Deberían efectuarse con regularidad comprobaciones funcionales de control de la calidad durante la adquisición de datos, y habría que comprobar las calibraciones como mínimo cada seis meses, particularmente antes del comienzo de cada invierno. Los sensores que no respondan correctamente deberán ser sustituidos inmediatamente. 12.3.1.3

Velocidad y dirección del viento

Estas variables suelen medirse mediante un par de sensores de cazoleta y veleta, o por medio de un anemómetro de hélice (capítulo 5 de la parte I) con una salida que genere impulsos o frecuencias. Los sensores estarán instalados a una altura estándar de 10 metros por encima de la superficie del terreno, y en un área despejada y representativa, con el fin de efectuar unas mediciones que no resulten influidas por las alteraciones del flujo de la masa de aire causadas por el tráfico y los obstáculos locales. Precauciones a adoptar: la congelación de las piezas mecánicas, la penetración de agua, la corrosión y la caída de rayos constituyen factores de riesgo. 12.3.1.4

Precipitación

a) Precipitación acumulada: en las estaciones automáticas se utiliza habitualmente el pluviógrafo de cubeta basculante (capítulo 6 de la parte I), que suma incrementos de precipitación de 0,2 mm. Para medir nieve u otros tipos de precipitación sólida pueden utilizarse pluviómetros con dispositivo de calefacción. Podrá estimarse la intensidad de precipitación registrando el número de sucesos a lo largo de un intervalo de tiempo fijo. Precauciones a adoptar: el pluviómetro deberá mantenerse nivelado, y tanto el embudo como las cubetas estarán limpios y exentos de obstrucciones. El pluviómetro de cubeta basculante no da resultados satisfactorios cuando se desea detectar el comienzo de una lluvia muy fina, o en períodos prolongados de condiciones meteorológicas de congelación. Los totales serán inferiores a los valores verdaderos, debido al

II.12-4

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

efecto del viento en torno a la boca del medidor, a la evaporación de las cubetas entre descarga y descarga de lluvia, y a las pérdidas entre vaciado y vaciado de la cubeta en condiciones de lluvia intensa. b) Presencia y tipo de precipitación: existen sensores basados en medios electrónicos (en particular, rejillas caldeadas, mediciones por conductancia o capacitancia) para estimar el tipo de precipitación (llovizna, lluvia o nieve) recibida. Los sensores ópticos, que determinan las características de la precipitación (tamaño, densidad y movimiento de las partículas) mediante dispersión de un haz láser semiconductor, ofrecen una mejor discriminación con un costo mucho mayor. Precauciones a adoptar: estas funciones de detección son muy convenientes en todas las estaciones, pero los tipos de sensores existentes carecen de discriminación y de una reproducibilidad estable. Deberán adaptarse medidas (ciclos de calentamiento) para eliminar la nieve acumulada en la superficie y será necesario limpiar periódicamente los elementos sensibles y las superficies ópticas. Únicamente deberían instalarse sensores que estén bien documentados y que puedan calibrarse con una referencia apropiada. Si algún sistema utilizara un algoritmo para obtener indirectamente una variable, el algoritmo también debería estar documentado. 12.3.1.5

Radiación meteorológica

a) Radiación global: para medir la radiación solar (directa y difusa) recibida por un ángulo sólido de 2π estereorradianes sobre una superficie horizontal debería utilizarse un piranómetro con elementos detectores termoeléctricos o fotoeléctricos (capítulo 7 de la parte I). El sensor tendría que estar situado de modo que carezca de obstrucciones cercanas apreciables por encima del plano del instrumento y esté exento de sombras o de reflexiones luminosas sobre el sensor. Aunque su ubicación debería ser tal que evitase la posibilidad de accidentes que dañasen el sensor, este tendría que ser accesible para su inspección y limpieza. La radiación global medida in situ reviste particular interés para el responsable viario pues expresa la cantidad de energía recibida por la carretera durante el día. La relación de la radiación entrante con la temperatura superficial y la inercia de la carretera dependerá de los materiales integrantes y de las dimensiones de la masa del pavimento.

Precauciones a adoptar: se evitará la presencia de obstrucciones en el horizonte del sensor, la inclinación del sensor respecto del plano horizontal, la suciedad en su superficie, la presencia de nieve o escarcha que oscurezcan la cúpula de vidrio o la superficie detectora, y la condensación de agua en el interior de la cúpula de vidrio. b) Radiación de onda larga: podrá utilizarse un pirgeómetro que mida la radiación en infrarrojos mediante una termopila, filtrando el espectro visible. Una vez instalado con el sensor orientado hacia arriba y un horizonte exento de obstrucciones, determinará la radiación de onda larga recibida de la atmósfera, particularmente durante la noche, y ofrecerá una indicación de la nubosidad y, por consiguiente, del enfriamiento radiativo de la calzada. Para las predicciones meteorológicas viarias será adecuado un sensor sensible a un espectro comprendido entre 5 y 50 µm, con una sensibilidad máxima de 15 µV/Wm–2 y un tiempo de respuesta inferior a 5 segundos. Precauciones a adoptar: las mismas que para la radiación global. 12.3.1.6

Visibilidad

Podrán utilizarse transmisómetros y dispersómetros frontales (capítulo 9 de la parte I). Precauciones a adoptar: los responsables viarios están interesados en valores de visibilidad inferiores a 200 metros (el umbral de peligro). Es importante mantener limpias las ventanas de los sensores y las lentes. Algunos sistemas compensarán hasta cierto punto la contaminación de la ventana. Durante el mantenimiento de rutina debería efectuarse una calibración apropiada. 12.3.1.7

Temperatura de la superficie de la carretera

Existen sensores activos basados en una resistencia de platino de 100 ohmios, provistos de transmisión digital en serie, que pueden ser incrustados en la superficie de la carretera. Para la instalación y cableado del sensor, y para su fijación a la superficie de la carretera, deberían seguirse las instrucciones del fabricante. El sensor estará situado a cierta distancia de la línea de rodadura de los neumáticos, ya que en caso contrario su superficie se manchará y las mediciones se verán afectadas por el calentamiento resultante del rozamiento. El sensor estará situado en el plano de la superficie de la carretera,

CAPÍTULO 12. MEDICIONES METEOROLÓGICAS VIARIAS

donde esta no forme depresiones que pudieran acumular agua y afectar a las mediciones. Deberá comprobarse regularmente la posición correcta del sensor. Precauciones a adoptar: el retardo térmico (constante de tiempo) del sensor y el material donde va incrustado deberían ser compatibles con la composición de la superficie de la carretera. El sensor debería presentar un acabado superficial con bajo poder de absorción en el infrarrojo para minimizar los errores debidos a la radiación. Para longitudes de cable de conexión largas (más de 20 metros), se recomienda una compensación de la resistencia del cable. 12.3.1.8

Temperatura del pavimento

Para determinar las temperaturas del pavimento a 5, 10 y 20 centímetros por debajo de la superficie de la carretera se introducirán los sensores de resistencia eléctrica, adecuadamente revestidos, a las profundidades correspondientes, utilizando el material adhesivo apropiado. Precauciones a adoptar: las mismas que para la temperatura en la superficie de la carretera. 12.3.1.9

Estado de la superficie de la carretera y temperatura de congelación

Este sensor estima el estado de la superficie de la carretera (sequedad, agua, escarcha o hielo) y la temperatura de congelación del agua residual de la superficie. El circuito de control del sensor calienta este antes de refrigerarlo mediante el efecto Peltier. La velocidad de enfriamiento es función del estado de la superficie y de la temperatura de congelación. Véase también el capítulo 6 de la parte I en lo referente a la presencia de hielo sobre el pavimento. Los datos generados por el sensor deberían proporcionar a los responsables viarios una indicación de la persistencia química de los agentes de deshielo en la ubicación específica del sensor, así como permitirles optimizar las operaciones de diseminación química. Precauciones a adoptar: el sensor no deberá quedar cubierto por material extraño, o aflorar sobre el nivel de la carretera. Deberá ser limpiado con regularidad. Es difícil conseguir una respuesta del sensor que sea representativa del estado verdadero de la superficie de la carretera, y ello es debido al pequeño tamaño de la muestra, a la ubicación del sensor sobre la superficie de la carretera y a la variabilidad

II.12-5

de los métodos de incrustación. La medición dependerá de la densidad del tráfico, y en cualquier caso no será muy estable a lo largo del tiempo. Este tipo de sensor, del que existen pocos modelos alternativos, puede ser difícil de obtener. La teledetección de la temperatura superficial de la carretera mediante sensores térmicos en infrarrojos no suele ser un método práctico, debido a la interferencia de las salpicaduras de agua de los neumáticos de los vehículos. La estimación del riesgo de escarcha en la superficie de la carretera puede mejorar si también lo hace la medición de la temperatura y de la humedad y temperatura atmosféricas en la superficie de la carretera, y por encima de ella, es decir, mejorando la exposición del sensor y reduciendo los errores sistemáticos y aleatorios. 12.3.1.10

Vigilancia mediante vídeo

La vigilancia mediante vídeo es un componente de lo que ha venido a denominarse sistemas de transporte inteligentes. Se utiliza principalmente para detectar incidentes viarios, pero ofrece también indicaciones útiles del tiempo presente con fines de gestión del transporte. Los algoritmos de procesamiento de imágenes ayudarán a discriminar entre diferentes condiciones meteorológicas.

12.4

SELECCIÓN DEL EQUIPO EN UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA VIARIA

El capítulo 1 de la parte II ofrece información que es válida para las aplicaciones de las mediciones meteorológicas viarias. En las secciones siguientes se señalan los problemas experimentados por los responsables de las redes viarias, y particularmente la necesidad de una gran eficacia en aquellos casos en que la seguridad pública es primordial. 12.4.1

El entorno viario

Las estaciones meteorológicas viarias están sujetas a un estrés considerable, debido a la proximidad de la calzada: vibraciones, interferencia del encendido de los vehículos, contaminación por los humos de escape, corrosión causada por la sal anticongelante, y curiosidad indeseada de los transeúntes. En cierto sentido, puede considerarse que la estación opera en un entorno industrial, con todo lo que ello implica en términos de robustez del diseño y de peligro para la integridad de los datos. Algunos problemas frecuentes son: ausencia de protección frente a la sobretensión en los circuitos de interfaz

II.12-6

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

con los sensores; aislamiento eléctrico inadecuado entre los sensores, sus cables y el dispositivo de adquisición de datos; resistencia de contacto variable de los conectores, que ocasiona una deriva de la calibración; fallos de la medición; y una mayor necesidad de mantenimiento. 12.4.2

Capacidad de procesamiento en estaciones distantes

Al diseñar una EMA se tiende a incorporar una capacidad mayor de procesamiento de datos y un mayor volumen de almacenamiento en la unidad remota de adquisición de datos, con las finalidades siguientes: utilizar algoritmos de procesamiento que actúen sobre varias señales del sensor para generar salidas complejas; proporcionar un cierto grado de garantía de la calidad de los datos; ofrecer sistemas de comunicación bidireccional entre el centro de control y las unidades remotas con fines de diagnóstico, tanto del rendimiento del sensor como de la unidad; y proporcionar nuevos algoritmos de descarga y actualizaciones de los programas informáticos en las unidades remotas. Por otra parte, una red de estaciones distantes que no sean más complejas de lo necesario para la fiabilidad en la adquisición de datos, y un ordenador central de control y adquisición de datos que utilice los algoritmos más complejos y que se encargue de la garantía de la calidad y de la traducción de los códigos (o claves), así como una mayor capacidad de procesamiento orientado a las decisiones de gestión viaria, permitirán disponer de un sistema generalmente más fiable y menos costoso. Se alienta a los planificadores de redes de mediciones meteorológicas viarias a considerar soluciones de equipo flexibles y ampliables con opciones de programación potentes para el procesamiento de los datos de los sensores y el control de los sistemas. El procesamiento de los datos en la estación podría abarcar: control del ciclo de medición (iniciación, frecuencia, hora y fecha); gestión compleja del sensor (encendido/apagado, régimen de muestreo); procesamiento de la señal del sensor (filtrado, conversión a unidades científicas, algoritmos); comprobaciones de la calidad de los datos; generación de alarmas (variables que rebasen los límites preestablecidos, fallo parcial del sistema, violación de la integridad de la estación); almacenamiento de datos (almacenamiento para períodos cortos y archivo); generación de mensajes de salida (estructura de los códigos o claves, protocolo de comunicaciones); gestión de las comunicaciones; y mantenimiento del recinto de la estación (suministro eléctrico, comprobación de los sensores, comunicaciones).

12.4.3

Configuración de la red y opciones con respecto al equipo

La selección del equipo de la estación, de sus comunicaciones y del control de la red (es decir, la infraestructura de la red) debería reflejar las demandas específicas de la meteorología viaria y los procesos decisorios de los responsables de la red viaria. Las decisiones resultarán afectadas de hecho por la relación existente entre la autoridad de la red viaria y el SMHN local. Así, el organismo de la red viaria podría contratar los servicios de predicción meteorológica del SMHN y el suministro de determinados datos viarios, que los responsables de la red utilizarán para, aplicando sus criterios físicos, adoptar decisiones operativas. En tales casos, sería lógico que las estaciones de la red viaria constituyeran una extensión de la red de EMA del SMHN y que utilizaran unos equipos, comunicaciones y servicios de mantenimiento comunes en la estación, cuidando especialmente de la fiabilidad de la red, e incorporando los sensores especiales, los algoritmos y los programas informáticos necesarios para las tareas meteorológicas viarias. Sin embargo, si tal integración no resultara factible, el organismo viario podría adoptar algunas disposiciones comunes con los sistemas del SMHN para beneficiarse de la experiencia operativa y para el suministro de elementos de equipo y piezas de recambio. Cuando sea necesaria una red enteramente nueva o diferente, se recomienda adoptar las directrices siguientes para seleccionar el equipo y las comunicaciones destinados a la adquisición de datos. En lugar de crear nuevos equipos y programas informáticos para las mediciones meteorológicas viarias, sería aconsejable utilizar sistemas existentes ya comprobados y fabricados por empresas y fuentes de confianza, introduciendo únicamente las modificaciones necesarias para su aplicación a la red viaria, y beneficiándose de la experiencia y del asesoramiento de otros administradores de la red. El equipo y sus programas informáticos deberían ser modulares, a fin de permitir la incorporación de futuros sensores y la modificación de las especificaciones del sensor. Para facilitar la ampliación de la red al cabo de varios años, sería muy útil que el equipo presentara un diseño normalizado basado en un proceso de fabricación consistente, de modo que las versiones ulteriores sean previsiblemente compatibles con las generaciones precedentes. 12.4.4

Diseño orientado a la fiabilidad

Los módulos de procesamiento de datos deberían reflejar una arquitectura industrial estándar, y

CAPÍTULO 12. MEDICIONES METEOROLÓGICAS VIARIAS

utilizar unos sistemas operativos normalizados y robustos, con un proceso de mejoras adecuadamente gestionado. Las aplicaciones informáticas deberían programarse en un lenguaje estándar, y estar bien documentadas. Para conseguir la fiabilidad deseada, podrán seleccionarse unos componentes y módulos industrializados especiales. Una alternativa más barata consistiría en utilizar diseños comerciales habituales con sistemas redundantes en paralelo o de reserva que garanticen la fiabilidad del sistema. Requerirá particular atención el diseño de la unidad remota de suministro eléctrico. Podría recomendarse un suministro de energía de continuidad asegurada, aunque teniendo presente que los sistemas de comunicaciones dependerán también del suministro eléctrico local. Sea cual fuere el diseño del sistema, el alojamiento de los componentes electrónicos en una carcasa robusta, resistente a la corrosión, segura, de temperatura uniforme y exenta de polvo y humedad mejorará mucho su fiabilidad. Los conectores que transmiten las señales del sensor deberían ser de alta calidad industrial o militar y estarán adecuadamente protegidos de las tensiones del cable, de la penetración de agua y de la corrosión. El cableado del sensor tendría que estar provisto de una protección conectada a tierra y de un revestimiento aislante robusto e impermeable, y alojado en un conducto. En el sistema de adquisición de datos habría que procurar evitar el efecto de ruido eléctrico o las interferencias por efecto de los cables del sensor, del suministro eléctrico o de las líneas de comunicación. Esas señales eléctricas indeseadas podrían dar lugar a errores en la señal del sensor y corromper los datos, causando fallos electrónicos, particularmente en los circuitos sensibles de la interfaz. Será necesario prestar atención a: el diseño del aislamiento del sensor y la línea de comunicaciones así como de la protección frente a sobretensiones, y en particular una protección adecuada frente a la electricidad atmosférica; una toma de tierra adecuada para los sensores, los suministros eléctricos, el módem de comunicaciones y las carcasas del equipo; y un apantallamiento con toma de tierra para todas los piezas de la cadena de medición, evitando los bucles de corriente a tierra, que causarán errores de medición. La realización de unas prácticas de instalación y mantenimiento adecuadas y normalizadas contribuirá en gran medida a la fiabilidad del sistema, relacionada también con el “tiempo medio de reparación”, que incluye el tiempo de aviso y desplazamiento del personal de mantenimiento para

II.12-7

sustituir los elementos de equipo, tanto de la unidad como de los módulos.

12.5

CODIFICACIÓN (CIFRADO) DE LOS MENSAJES

12.5.1

Funciones de codificación

El mensaje transmitido por la estación meteorológica viaria remota contendrá un identificador de estación, la fecha y hora del mensaje, los datos del canal del sensor, y en particular la identificación del canal, y cierto número de datos de “mantenimiento interno”, que podrían consistir en información sobre la seguridad de la estación, el suministro eléctrico, la calibración y otras comprobaciones de la calidad de los datos. Este mensaje estará incorporado en la envolvente del código correspondiente al canal de comunicaciones, y contendrá un encabezamiento de dirección, así como información de control y caracteres de comprobación de redundancia para la detección de errores. La parte del mensaje correspondiente a los datos meteorológicos viarios podrá estar codificada utilizando un método eficaz e inequívoco que permita al ordenador central de control y adquisición de datos descodificar y procesar estos antes de generar una información orientativa que sea comprensible para los responsables de la red con miras a la toma de decisiones. 12.5.2

Codificación (cifrado) estándar de la OMM

Los diseñadores de las redes de mediciones meteorológicas viarias deberían considerar también la utilidad de las claves estándar de la OMM para el cifrado de mensajes (véase OMM, 1995), que permiten a otros usuarios, como los SMHN, recibir los datos y utilizarlos en otras aplicaciones meteorológicas. La codificación de los mensajes podrá efectuarse en la EMA remota, utilizando por consiguiente programas informáticos y sistemas de procesamiento de la estación, o, más probablemente, en el ordenador central de control y adquisición de datos, una vez finalizadas las operaciones de garantía de la calidad.

12.6

ORDENADOR CENTRAL DE CONTROL Y ADQUISICIÓN DE DATOS

Se han indicado ya las funciones del ordenador u ordenadores centrales. Tales funciones consisten

II.12-8

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

en gestionar la red controlando las comunicaciones (véase la sección siguiente), recibir informes (mensajes meteorológicos viarios, mensajes de mantenimiento interno de la EMA, e información sobre la calidad) y procesar los datos de las mediciones viarias para proporcionar a los responsables de la red la información práctica y las herramientas de decisión que necesiten. La arquitectura de la red podrá estar diseñada de modo que permita al ordenador central actuar como servidor de Intranet o servidor web para facilitar el acceso a esa información de los responsables regionales y de otros usuarios de los datos meteorológicos. Es probable que se destine un ordenador distinto específicamente para la gestión de la base de datos climáticos de la red viaria y para la elaboración y distribución de análisis y resúmenes estadísticos. En una red sofisticada, el ordenador central gestionará ciertas operaciones de mantenimiento y calibración, modificará los modos de funcionamiento de la EMA y actualizará los programas informáticos de la misma.

12.7

CONSIDERACIONES SOBRE LAS COMUNICACIONES

Es esencial disponer de un servicio de telecomunicaciones fiable que permita a la red de estaciones realizar una gestión eficaz, proporcionando puntualmente al mismo tiempo los datos necesarios. Dado que los gastos de comunicación constituirán una gran parte de los costos de funcionamiento anuales, será importante analizar las opciones de comunicación existentes, de modo que se optimice el costo por mensaje a tenor del servicio deseado. Un examen detallado de las opciones de telecomunicación existentes para la recopilación y gestión de los datos de las EMA viarias excede del alcance del presente capítulo (véase el capítulo 1 de la parte II sobre las directrices de transmisión de datos). La solución adoptada dependerá de los objetivos de gestión de la red meteorológica viaria y de los servicios ofrecidos por los proveedores de telecomunicaciones del país, así como de las correspondientes tarifas.

12.8

PROCESAMIENTO DE LA SEÑAL DEL SENSOR Y GENERACIÓN DE ALARMAS

12.8.1

Algoritmos de procesamiento de la señal

Los datos en bruto de la señal de los sensores deberán ser procesados o filtrados para obtener unos

valores medios que sean representativos. Estas operaciones se efectúan en algunos sensores activos, en la interfaz del sensor con la unidad de adquisición de datos, o durante el procesamiento más elaborado de los datos de la estación. En el anexo 1B del capítulo 1 de la parte I se encontrarán las especificaciones necesarias para promediar las señales de salida de los sensores. Los algoritmos aplicados a las señales de salida (o a los grupos de señales de salida) de los sensores, tanto en la estación distante como en el ordenador central, deberían provenir de fuentes acreditadas, estar rigurosamente comprobados y, a ser posible, haber sido publicados y ser accesibles. Todo algoritmo interno adoptado por la dirección de la red viaria debería estar claramente definido y registrado en los metadatos de la estación o en los manuales de la red. 12.8.2

Generación de alarmas

Cuando los valores exceden de unos límites preestablecidos, las señales de salida de los sensores pueden generar indicaciones de alarma en forma de mensajes de la EMA. Las alarmas y pruebas de límite seleccionados dependerán de las prácticas nacionales o regionales. A continuación se indican algunos ejemplos de alarmas en EMA viarias. Obsérvese la utilización de las combinaciones lógicas “Y” y “O” en los algoritmos. Ejemplos de alarmas: Alarma 1: T(aire) O T(superficie de la carretera) 3 °C Y T(extrapolada a la superficie de la carretera)a ≤ 1 °C Alarma 2: T(aire) ≤ 0 °C Alarma 3: Primera condición T(superficie de la carretera) ≤ 1 °C O T(extrapolada de la superficie de la carretera) ≤ 0 °C O T(pavimento a –5 cm) ≤ 0 °C O T(pavimento a –10 cm) ≤ –1 °C O T(pavimento a –20 cm) ≤ –2 °C Y Segunda condición La calzada no está seca O como mínimo una precipitación contabilizada en la última hora O humedad relativa ≥ 95% O T(superficie de la carretera) – T(punto de rocío) ≤ 1 °C Alarma 4: T(superficie de la carretera) ≤ 0 °C Y estado detectado: escarcha o hielo oscuro Alarma 5: Primera condición Precipitación detectada = nieve o granizo Y Segunda condición T(aire) ≤ 2 °C O T(superficie de la carretera) ≤ 0 °C

CAPÍTULO 12. MEDICIONES METEOROLÓGICAS VIARIAS Alarma 6: Promedio de viento ≥ 11 m s–1 Y Dirección del viento referida al acimut de la carretera, entre 45° y 135° O entre 225° y 315° Alarma 7: Visibilidad ≤ 200 m a

La temperatura extrapolada de la superficie de la carretera se calcula mediante un algoritmo que incorpora las últimas mediciones y crea una ecuación cuadrática. Su valor puede utilizarse para calcular estimaciones de la temperatura durante las 3 horas siguientes.

Será posible incorporar otras alarmas si se detectaran fallos en los sensores, en el formato de los mensajes, en el suministro eléctrico o en las comunicaciones.

12.9

CONTROL DE LA CALIDAD DE LAS MEDICIONES

Una adecuada toma de decisiones de los responsables viarios dependerá de la obtención de mediciones fiables de modo que cuando los sensores, su cableado o interfaces en la EMA fallen, el elemento defectuoso sea detectado y reparado sin un retraso indebido. Para un responsable viario es muy difícil detectar mediciones erróneas. Deberían consultarse a este respecto las directrices sobre control de la calidad del capítulo 1 de la parte II y del capítulo 1 de la parte III. Los programas informáticos del sistema de la EMA pueden detectar fallos importantes del sensor y deberían generar seguidamente una situación de alarma. 12.9.1

Comprobación frente a valores espurios

Los valores de medición no comprendidos en el rango de funcionamiento esperado del sensor (por ejemplo, entre 0° y 359° en el caso de una veleta, y los valores del punto de rocío no superiores a la temperatura del aire) pueden descartarse estableciendo unos límites para cada variable. Los valores nulos debidos al mal funcionamiento, las derivas rápidas o los saltos escalonados en la respuesta del sensor son mediciones inválidas que deben ser descartadas por el programa informático que analiza estadísticamente las mediciones a lo largo del tiempo, o bien en la EMA si esta dispone de capacidad de procesamiento suficiente, o bien en el ordenador central de adquisición de datos. En algunos de los ejemplos siguientes, se compara la desviación típica de los n últimos valores con un umbral parametrizado. Algunos ejemplos de algoritmos de comprobación (solo para mediciones meteorológicas viarias):

II.12-9

a) Para todas las temperaturas: los datos serán aceptables solo si la desviación típica de los 30 últimos valores es ≥ 0,2 °C. b) Para la velocidad del viento: los datos serán aceptables solo si la desviación típica de los 20 últimos valores es ≥ 1 km h–1. c) Para la dirección del viento: los datos serán aceptables solo si la desviación típica de los 30 últimos valores es ≥ 10°. d) Para la precipitación líquida: se comprobará la coherencia de la cantidad obtenida con la del día anterior. e) Para la precipitación de nieve: se comprobarán los datos cuando T(aire) > 4 °C. f) Para la radiación atmosférica (RA) de onda larga (relacionada con la nubosidad): se rechazarán los datos si RA > 130 W m–2, si la humedad relativa es mayor que el 97 por ciento y RA > 10 W m–2, y si la humedad relativa es mayor o igual que el 90 por ciento y RA > 10 W m–2, durante cuatro horas sucesivas.

12.10

MANTENIMIENTO DE LAS ESTACIONES METEOROLÓGICAS VIARIAS

12.10.1

El entorno viario

Con respecto a la inspección, el mantenimiento y la calibración, deberían consultarse el capítulo 1 de la parte I y el capítulo 1 de la parte II. Los capítulos de la parte I contienen información sobre el mantenimiento y la calibración de determinados sensores. Obsérvese, sin embargo, que las EMA viarias están situadas en un entorno con problemas peculiares: vulnerabilidad de la estación y de sus sensores a los daños accidentales o intencionados; exposición a altos niveles de polución de los humos de escape de los vehículos; interferencia eléctrica del encendido de los vehículos y de las líneas eléctricas de alta tensión cercanas; corrosión por salpicaduras de sal; y vibración (que afecta a las conexiones entre sensores y cables). 12.10.2

Planes de mantenimiento y documentación

Las decisiones operativas que afectan a la seguridad viaria pueden depender crucialmente de la fiabilidad de los datos de las EMA, por lo que hay unos requisitos estrictos con respecto al mantenimiento de determinadas estaciones en ciertas fechas del año. Estas consideraciones se describen en el plan

II.12-10

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

de gestión del mantenimiento de la red, que debería incluir el mantenimiento preventivo de rutina con arreglo a unos plazos, y una respuesta eficaz a las averías conocidas. La administración de la red viaria debería disponer de un manual de mantenimiento propio para sus estaciones meteorológicas, basado en las recomendaciones del fabricante, en la información obtenida de la presente Guía y en su propia experiencia. Un buen manual contendrá listas de comprobación como ayuda durante la inspección y para las tareas de mantenimiento. La administración podría decidir contratar la labor de inspección y mantenimiento con el SMHN local, quien debería poseer experiencia en ese tipo de instrumentación. 12.10.3

Inspecciones y programas de trabajo

Dos veces al año, cada estación debería someterse a un programa de mantenimiento completo consistente en: mantener el emplazamiento (cortar la hierba y la vegetación que pudiera afectar a la exposición de los sensores); comprobar los recintos por si pudiera penetrar agua, y sustituir los desecantes; tratar y pintar las carcasas, las garitas y los soportes desgastados y corroídos; comprobar la integridad de cables y conectores; limpiar y nivelar los sensores (teniendo presentes las precauciones anteriormente indicadas); y calibrar o sustituir los sensores y la cadena de medición de la EMA.

Los responsables viarios deberían mantener un programa de inspección física que permita comprobar la integridad y el funcionamiento adecuados de sus estaciones una vez al mes en invierno, y una vez cada dos meses en verano. Cuando se efectúen trabajos en la superficie de la carretera, deberán instalarse las señales de aviso reglamentarias, y será preciso utilizar la vestimenta de seguridad aprobada.

12.11

FORMACIÓN

Para gestionar, operar y mantener una red de estaciones meteorológicas viarias con el fin de obtener un flujo continuo de datos fiables y de interpretarlos de manera que aporten información plenamente satisfactoria, será necesario contar con personal formado específicamente en las disciplinas apropiadas. Algunas de ellas son: el medio viario y la adopción de decisiones operativas en el ámbito de la seguridad y la eficacia del tráfico; adquisición, telecomunicación y computación de datos a distancia; selección, aplicación y mantenimiento de sensores meteorológicos y del procesamiento de sus señales; e interpretación de datos meteorológicos y de otro tipo con fines prácticos. La administración responsable de la red viaria debería colaborar con otros organismos en la medida necesaria para cerciorarse de que se mantiene la combinación óptima de conocimientos y formación necesarios para un funcionamiento satisfactorio de la red de mediciones meteorológicas viarias.

CAPÍTULO 12. MEDICIONES METEOROLÓGICAS VIARIAS

II.12-11

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA Organización Meteorológica Mundial, 1988: Reglamento Técnico. OMM-Nº 49, Ginebra. —, 1995: Manual de claves. Volúmenes I.1 y I.2, OMM-Nº 306, Ginebra. —, 1997: Road Meteorological Observations (R. E. W. Pettifer y J. Terpstra). Informe Nº 61 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 842, Ginebra. —, 2003a: Road Managers and Meteorologists over Road Meteorological Observations: The Result of

Questionnaires (J. M. Terpstra y T. Ledent). Informe Nº 77 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 1159, Ginebra. —, 2003b: Manual del Sistema Mundial de Observación. OMM-Nº 544, Ginebra. World Road Association (PIARC), 2002: Proceedings of the Eleventh PIARC International Winter Road Congress (Sapporo, Japón).

II.12-12

PARTE II. SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

PARTE III GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

ÍNDICE PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

III.1

ÍNDICE Página CAPÍTULO 1. GESTIÓN DE LA CALIDAD .................................................................................. 1.1 1.2

Generalidades .............................................................................................................. La familia ISO 9000, las normas ISO/IEC 17025 e ISO/IEC 2000, y el Marco de gestión de la calidad de la OMM .......................................................... 1.3 Introducción de la gestión de la calidad ..................................................................... 1.4 Acreditación de laboratorios ....................................................................................... 1.5 Herramientas de gestión de la calidad ........................................................................ 1.6 Factores que afectan a la calidad de los datos ............................................................ 1.7 Garantía de la calidad (control de la calidad) ............................................................. 1.8 Supervisión del funcionamiento ................................................................................. 1.9 Homogeneidad de los datos y metadatos ................................................................... 1.10 Gestión de redes ..........................................................................................................

III.1–1 III.1–1 III.1–3 III.1–7 III.1–8 III.1–9 III.1–10 III.1–13 III.1–15 III.1–15 III.1–17

Referencias y bibliografía complementaria ........................................................................... III.1–20 CAPÍTULO 2. MUESTREO DE VARIABLES METEOROLÓGICAS ................................................ 2.1 2.2 2.3 2.4

III.2–1

Generalidades .............................................................................................................. III.2–1 Series temporales, espectros de potencia y filtros ....................................................... III.2–3 Determinación de las características de los sistemas .................................................. III.2–12 Muestreo ...................................................................................................................... III.2–13

Referencias y bibliografía complementaria ........................................................................... III.2–17 CAPÍTULO 3. REDUCCIÓN DE DATOS ..................................................................................... 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

III.3–1

Generalidades .............................................................................................................. Muestreo ...................................................................................................................... Aplicación de funciones de calibración ...................................................................... Linealización ............................................................................................................... Promediado ................................................................................................................. Variables y estadísticas derivadas ................................................................................ Correcciones ................................................................................................................ Gestión de la calidad ................................................................................................... Compilación de metadatos .........................................................................................

III.3–1 III.3–2 III.3–3 III.3–3 III.3–4 III.3–4 III.3–5 III.3–5 III.3–5

Referencias y bibliografía complementaria ...........................................................................

III.3–6

CAPÍTULO 4. PRUEBA, CALIBRACIÓN E INTERCOMPARACIÓN ............................................

III.4–1

4.1 4.2 4.3 4.4

Consideraciones generales .......................................................................................... Pruebas ........................................................................................................................ Calibración .................................................................................................................. Intercomparaciones .....................................................................................................

III.4–1 III.4–2 III.4–5 III.4–7

Anexo 4.A. Procedimientos para las intercomparaciones mundiales y regionales de instrumentos de la OMM .................................................................................................

III.4–8

Anexo 4.B. Directrices para organizar las intercomparaciones de instrumentos de la OMM ...

III.4–9

Anexo 4.C. Informes de comparaciones internacionales realizadas bajo los auspicios de la Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación ......................... III.4–14 Referencias y bibliografía complementaria ........................................................................... III.4–16

III.2

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Página CAPÍTULO 5. CAPACITACIÓN DE ESPECIALISTAS EN INSTRUMENTOS ................................. 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

III.5–1

Introducción ............................................................................................................... III.5–1 Formación adecuada a las necesidades operativas ...................................................... III.5–2 Algunos principios generales de formación ................................................................ III.5–3 El proceso de formación .............................................................................................. III.5–7 Recursos de formación ................................................................................................ III.5–13

Anexo. Centros Regionales de Formación ............................................................................ III.5–18 Referencias y bibliografía complementaria ........................................................................... III.5–19

CAPÍTULO 1. GESTIÓN DE 1 LA CALIDAD CAPÍTULO

III.1-1

GESTIÓN DE LA CALIDAD

1.1

GENERALIDADES

El presente capítulo aborda, en términos generales, los sistemas operativos de observación meteorológica de cualquier tamaño o naturaleza. Las directrices que ofrece sobre la gestión de la calidad son aplicables a las grandes redes de estaciones de observación, pero debería entenderse que también son válidas para una sola estación.

la acreditación con arreglo a la norma ISO/IEC 17025, así como un requisito del proceso de acreditación. Seguidamente se introduce en la discusión la norma ISO/IEC 20000 sobre gestión de servicios en tecnología de la información, puesto que todo sistema de observación incorpora componentes de esa tecnología. Garantía de la calidad y control de la calidad

Gestión de la calidad La gestión de la calidad establece los principios y el marco metodológico de las operaciones, y coordina las actividades con el fin de gestionar y controlar una organización en lo referente a la calidad. La garantía y el control de la calidad son los ingredientes de todo sistema eficaz de gestión de la calidad. La garantía de la calidad tiene por objeto infundir confianza en que se satisfarán los requisitos de calidad, y abarca todas las actividades planificadas y sistemáticas que se llevan a cabo en un sistema de gestión de la calidad con el fin de cumplir los requisitos de calidad de un producto o servicio. El control de la calidad está asociado a los componentes que permiten asegurarse del cumplimiento de los requisitos en materia de calidad, y abarca todas las técnicas y actividades operativas utilizadas para cumplir tales requisitos. El presente capítulo está dedicado a la gestión de la calidad en relación con el control y la garantía de la calidad, así como a la acreditación oficial de las actividades en laboratorio, especialmente desde el punto de vista de las observaciones de las variables meteorológicas y atmosféricas. El examen de la familia de normas ISO 9000 permite comprender el mejor método que hay que seguir durante la introducción de un sistema de gestión de la calidad en un Servicio Meteorológico e Hidrológico Nacional (SMHN); este grupo de normas contiene los procesos mínimos que deberán ser introducidos en un sistema de gestión de la calidad para satisfacer los requisitos de la norma ISO 9001. A continuación se analiza el concepto de gestión total de la calidad con arreglo a las directrices ISO 9004, poniendo de relieve las opiniones de los usuarios y de las partes interesadas, e introduciendo también la norma ISO/IEC 17025. Asimismo, se describen las ventajas que para los SMHN y los Centros Regionales de Instrumentos (CRI) representan

Los datos son de buena calidad cuando responden a necesidades tanto explícitas como implícitas. En otro lugar de esta Guía se exponen necesidades explícitas o implícitas de los grados de exactitud, incertidumbre, resolución y representatividad requeridos, principalmente para las aplicaciones sinópticas de los datos meteorológicos, aunque pueden identificarse también necesidades similares para otras aplicaciones. Hay que suponer que un costo total bajo es también una condición, implícita o explícita, para todo tipo de aplicación. La gestión de la calidad tiene por objeto asegurarse de que los datos cumplen las condiciones necesarias (en cuanto a margen de incertidumbre, resolución, continuidad, homogeneidad, representatividad, puntualidad, formato, etc.) para la aplicación deseada, con un costo mínimo viable. Todos los datos medidos son imperfectos pero, cuando su calidad es conocida y demostrable, pueden ser utilizados de manera apropiada. El suministro de datos meteorológicos de buena calidad no es asunto sencillo, y resulta imposible sin un sistema de gestión de la calidad. Los mejores sistemas de gestión de la calidad actúan de manera continua en todos los elementos del sistema de observación, desde la planificación de la red y la formación hasta la transmisión y el archivo de datos, pasando por la instalación y las operaciones en la estación, y prevén mecanismos de respuesta y de seguimiento en tiempo casi real y con periodicidades más amplias, hasta las revisiones de carácter anual. Los recursos que hay que dedicar para una gestión eficaz de la calidad suponen una parte apreciable del costo de las operaciones en un sistema o red de observación, y suele representar varios puntos porcentuales del costo total. De no mediar este gasto, habrá que considerar los datos como inciertos o de calidad desconocida, y su utilidad será menor.

III.1-2

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Un sistema eficaz de gestión de la calidad es aquel que gestiona los vínculos entre la preparación para la recopilación de datos, la propia recopilación de los datos, la garantía de su calidad y su distribución a los usuarios a fin de asegurarse de que el usuario recibe la magnitud solicitada. Para numerosas magnitudes meteorológicas existen varios ciclos de preparación-recopilación-garantía como el anterior entre el lugar de observación y la fase final de distribución al usuario. Es esencial identificar todos esos ciclos y minimizar las posibilidades de divergencia respecto de la magnitud solicitada. Muchos de esos ciclos estarán tan estrechamente vinculados que podrán ser considerados como uno solo. La mayoría de los problemas surgen cuando hay varios ciclos que son tratados de manera independiente entre sí. Una vez que se obtiene un dato a partir de un proceso de medición, aquel es conceptuado como tal. Posteriormente, otros procesos permitirán verificar su validez como magnitud requerida, utilizarlo en un proceso de ajuste para conseguir la calidad deseada, o rechazar el dato. Sin embargo, ninguno de esos procesos ulteriores modifica el dato del proceso de medición. El control de la calidad es el proceso en virtud del cual se procura tener la seguridad de que los procesos conducentes al dato final distribuido son correctos, y reducir al mínimo las posibilidades de rechazo o de ajuste del dato resultante. La garantía de la calidad abarca el control explícito de los factores que afectan directamente al dato obtenido y procesado antes de su distribución a los usuarios. En el caso de las observaciones o mediciones, esa función abarca el equipo, la exposición, los procedimientos de medición, el mantenimiento, la inspección, la calibración, la elaboración de algoritmos, la redundancia de las mediciones, la investigación aplicada y la formación. En el sentido de la transmisión de datos, el control de la calidad es el proceso establecido para asegurarse de que, con respecto a aquellos datos que son posteriormente transmitidos o reenviados a la base de datos de un usuario, se han establecido unos protocolos que permiten asegurar que el usuario solo recopila datos de calidad aceptable. El control de la calidad es el componente más conocido de los sistemas de gestión de la calidad, y constituye el mínimo irreducible de todo sistema. Consta de la totalidad de procesos aplicados para generar confianza y para asegurarse de que los datos producidos tengan la calidad requerida, y abarca también el examen de los datos de las estaciones y

de los centros de datos, con el fin, por un lado, de verificar que estos concuerdan con los objetivos del sistema de gestión de la calidad y, por otro, para detectar errores de modo que sea posible marcar los datos poco fiables, corregirlos o, cuando los errores sean manifiestos, suprimirlos. Un sistema de gestión de la calidad debería incorporar procedimientos de retorno de la información a los procesos de medición y de control de la calidad con objeto de evitar la repetición de los errores. La garantía de la calidad puede aplicarse en tiempo real después de la medición, y puede alimentar el proceso de control de la calidad del proceso siguiente de un sistema de calidad aunque, por lo general, tiende a operar en tiempo no real. El control de la calidad en tiempo real se suele efectuar en la estación y en los centros de análisis meteorológico. El control de la calidad diferido puede realizarse en los centros de análisis, para compilar bases de datos depuradas, y en los centros sobre el clima o bancos de datos, para archivarlas. En todos los casos, los resultados deberían devolverse a los responsables de la gestión de las observaciones, para realizar un seguimiento. Un componente habitual del control de la calidad es la vigilancia de la calidad o supervisión del funcionamiento, que es una actividad en tiempo no real consistente en examinar la efectividad de la red o del sistema de observación para detectar tendencias y deficiencias sistemáticas. Suele encomendarse a la oficina que dirige y se responsabiliza de la red o del sistema, y que puede prescribir cambios del equipo o de los procedimientos. Estos aspectos suelen estar bajo la responsabilidad del administrador de la red, en colaboración con otros especialistas, si procede. En la actualidad, la calidad de los datos se plantea atendiendo a las ventajas que supone un sistema completo de garantía de la calidad, que incluye procedimientos orientados a una interacción continua entre todas las partes implicadas en el sistema de observación, incluidos los máximos responsables y otros como, por ejemplo, los diseñadores y formadores, que de otro modo habrían adoptado un papel secundario en las operaciones relacionadas con la calidad tras la recopilación de los datos. Los procedimientos formales prescritos por la Organización Internacional de Normalización (ISO) con respecto a la gestión de la calidad y a la garantía de la calidad, así como otros procedimientos pormenorizados que se utilizan en los sectores manufacturero y comercial, son también adecuados para los datos meteorológicos.

CAPÍTULO 1. GESTIÓN DE LA CALIDAD

1.2

LA FAMILIA ISO 9000, LAS NORMAS ISO/IEC 17025 E ISO/IEC 20000, Y EL MARCO DE GESTIÓN DE LA CALIDAD DE LA OMM

En este capítulo se ofrece una explicación de las normas ISO relacionadas, y de la manera en que están interconectadas. La competencia en sistemas de calidad conforme a las normas ISO puede conseguirse mediante certificación o acreditación, y suele hacer necesaria una auditoría externa del sistema de gestión de la calidad adoptado. La certificación implica que el marco y los procedimientos utilizados por la organización han sido establecidos y utilizados en la forma descrita. La acreditación implica que el marco y los procedimientos aplicados por la organización han sido establecidos y utilizados en la manera descrita, y son técnicamente capaces de conseguir el resultado deseado. La evaluación de la competencia técnica es un requisito obligatorio para la acreditación, pero no para la certificación. La norma ISO 9001 permite a una organización obtener la certificación, mientras que la norma ISO/IEC 17025 es la habitualmente requerida en los laboratorios y para las observaciones de rutina para la acreditación. La norma ISO 9000 ha sido elaborada para ayudar a las organizaciones, independientemente de su naturaleza y tamaño, a aplicar y utilizar sistemas de gestión de la calidad. La norma ISO 9000 describe los elementos fundamentales de los sistemas de

gestión de la calidad y ofrece definiciones de términos sobre el particular (como, por ejemplo, la necesidad o la satisfacción del cliente). La idea fundamental se ilustra en la figura 1.1. La norma ISO 9001 especifica los requisitos que ha de cumplir un sistema de gestión de la calidad para obtener una certificación con arreglo a esa norma. La norma ISO 9004 contiene directrices para una mejora continua del sistema de gestión de la calidad, con el fin de alcanzar un sistema total de gestión de la calidad. La norma ISO 19011 contiene directrices sobre la auditoría del sistema de gestión de la calidad. Todas estas normas se describen con mayor detalle en los documentos correspondientes del Marco de gestión de la calidad de la OMM. 1.2.1

ISO9000 9000 ISO

Sistemas de gestión management de la calidad: systems:

Quality management Sistemas de gestión de la systems:Conceptos Fundamentals calidad: básicos vocabulary yand vocabulario

Directrices Guidelinespara forla auditoría de los quality and/or sistemas de gestión environmental de la calidad y/o management ambiental

systems auditing

Certification Certificación

ISO 9000: Sistemas de gestión de la calidad – Conceptos básicos y vocabulario

Los ocho principios siguientes de gestión de la calidad constituyen implícitamente la base en que se asienta un buen liderazgo de los SMHN, sean cuales sean sus dimensiones, y una mejora continua de la calidad de funcionamiento: a) el cliente como centro de atención; b) liderazgo; c) participación del personal; d) enfoque basado en procesos; e) enfoque sistémico de la gestión; f) mejora continua; g) enfoque fáctico de la toma de decisiones; h) relaciones mutuamente beneficiosas con los proveedores.

ISO 19011

ISO 19011 Quality

III.1-3

ISO 9004 ISO 9004 Quality systems: Sistemasmanagement de gestión de la calidad: ISO 9001 ISO 9001 Sistemasmanagement de gestión de la Quality calidad: systems: Necesidades Requirements Capacidad para satisfacer Ability to fulfil las necesidades del cliente customer requirements Directrices para la mejora del Guidelines for performance desempeño improvements

Excellence models Modelos de excelencia: – EFQM — Fundación Europea para la Gestión de la – Malcolm Calidad Baldridge — Malcolm Baldridge

EFQM: European Foundation for Quality Management

Figura 1.1. Concepto principal de las normas de la familia ISO 9000 y sus dependencias

III.1-4

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN Continual Mejoraimprovement continua Necesidades Customers (interested parties) Gestión de los Management ofrecursos resources

de los clientes (partes Requirements interesadas)

Satisfacción Customers (interested parties)

Management Responsabilidad de la dirección responsibility

P

A A

C V

D H

Measurement, analysis Medición, análisis y mejora and improvement Índices Indices

Product del Realización producto realization

Producto Product

de los clientes (partes Satisfaction interesadas)

P = Planificar, H = Hacer, V = Verificar, A = Actuar

Figura 1.2. Circuito de control PHVA (también denominado círculo de Deming)

Todos estos principios deberán documentarse y aplicarse para cumplir los requisitos de las normas ISO 9000 y 9001, a fin de conseguir la certificación. El aspecto principal de estas normas es el enfoque basado en procesos, que en términos simples puede describirse como el conjunto de las actividades que utilizan recursos para transformar los elementos de entrada en resultados. Los sistemas de gestión de la calidad basados en procesos pueden describirse mediante el modelo simple representado en la figura 1.2. La idea básica consiste en un mecanismo que permita conseguir una mejora continua del sistema y de la satisfacción del cliente mediante la determinación de unos índices de proceso (por ejemplo, el tiempo de computación en los modelos de entorno genérico (GME), la satisfacción del cliente, el tiempo de reacción, etc.), la evaluación de resultados, la adopción de decisiones para lograr una mejor gestión de los recursos y la obtención de unos productos inevitablemente mejores. 1.2.2

ISO 9001: Sistemas de gestión de la calidad – Requisitos

Esta norma prescribe los requisitos básicos de un sistema de gestión de la calidad, y en particular los procesos que permiten mejorar y abordar las quejas, así como efectuar revisiones de la gestión. Tales procesos suelen estar incorporados en el manual de la calidad. La norma ISO 9001 está orientada a la responsabilidad de gestión, y no a las actividades técnicas. Para conseguir la certificación ISO 9001, la organización (SMHN) tendrá que definir y documentar los seis procesos siguientes:

a) b) c) d) e) f)

control de documentos; control de registros; control de productos no conformes; acción correctiva; acción preventiva; auditoría interna.

Además, deberá existir un manual de la calidad que defina las políticas (por ejemplo, la consecución de un liderazgo regional en la predicción del tiempo) y los objetivos de la organización (por ejemplo, la mejora de las predicciones del tiempo reduciendo la probabilidad de falsos avisos), y que describa los marcos donde tienen lugar los procesos y las interacciones entre ellos. Deberán definirse los conceptos siguientes: a) gestión; b) comunicación interna; c) mejora continua; d) control del sistema (por ejemplo, mediante revisiones de la gestión).

Manual demanual la calidad Quality

Descripciones del Process descriptions proceso

Instrucciones, Instructions formularios, listas de forms, checklists verificación

Figura 1.3. Pirámide de la documentación del sistema de gestión de la calidad

CAPÍTULO 1. GESTIÓN DE LA CALIDAD

Se podrán admitir exclusiones, por ejemplo de las actividades de desarrollo (cuando no haya tales actividades en la organización). La figura 1.3 muestra la pirámide de jerarquía de la documentación del sistema de gestión de la calidad. Las descripciones de los procesos indican las actividades reales que se llevan a cabo en la organización, como el proceso de adquisición de datos de las redes de observación del tiempo y del clima. Proporcionan información sobre las diferentes etapas de los procesos y las dependencias organizativas que las realizan, con el fin de cooperar y de compartir información. La documentación deberá diferenciar entre procesos periódicos y no periódicos. Ejemplos de los primeros son la adquisición de datos o la difusión de las predicciones. Un proceso no periódico puede ser la instalación de equipos de medición que surge a partir de la necesidad de algún usuario o del requisito vinculado a un componente (por ejemplo, el encargo de instalar una red de mediciones). Por último, las instrucciones de la ISO 9001 ofrecen información detallada sobre las etapas del proceso que es necesario referenciar en la descripción del mismo (por ejemplo, las instrucciones iniciales de una estación meteorológica automática). Los formularios y las listas de verificación son medios útiles para reducir la posibilidad de olvidar las tareas requeridas. 1.2.3

ISO 9004: Sistemas de gestión de la calidad – Directrices para la mejora del desempeño

Las directrices encaminadas a desarrollar el sistema de gestión de la calidad ya introducido con el fin de lograr la excelencia empresarial están formuladas en ISO 9004. El principal aspecto de esta norma es la adopción de la perspectiva de las partes interesadas, en lugar de la del cliente. Las directrices ISO 9004 permiten desarrollar diferentes modelos de excelencia; por ejemplo, el de la Fundación Europea para la Gestión de la Calidad (EFQM)1 o el premio nacional Malcolm Baldrige a la calidad2. Ambos modelos de excelencia están sólidamente establecidos y son muy respetados en todos los países del mundo. El modelo de excelencia de la EFQM contiene los nueve criterios siguientes, evaluados por un equipo experto de asesores: 1

Véase el sitio web de la EFQM en http://www.efqm.org.

2

Véase el sitio web del NIST en http://www.qualiy.nist.gov

a) b) c) d) e) f) g) h) i)

III.1-5

liderazgo; personal; política y estrategia; colaboradores y recursos; procesos; resultados en el personal; resultados en los clientes; resultados en la sociedad; resultados clave en el rendimiento.

El modelo Malcolm Baldrige está basado en siete criterios similares a los del modelo de excelencia de la EFQM, a saber: a) liderazgo; b) planificación estratégica; c) orientación al cliente y al mercado; d) medición, análisis y gestión del conocimiento; e) orientación a los recursos humanos; f) gestión de los procesos; g) resultados. No existen procesos de certificación para esta norma, pero las evaluaciones externas permiten efectuar comparaciones con otras organizaciones con respecto al modelo de excelencia (véase también la figura 1.1). 1.2.4

ISO 19011: Directrices para la auditoría de los sistemas de gestión de la calidad y/o ambiental

Esta norma establece directrices para la auditoría de los sistemas de gestión de la calidad o ambiental, y no tiene carácter regulador. Para las auditorías de la organización se describen en detalle las actividades siguientes: a) principios de auditoría (conducta ética, presentación ecuánime, debido cuidado profesional, independencia, enfoque basado en la evidencia); b) planificación de la auditoría (establecimiento y puesta en marcha del programa de auditoría); c) actividades de auditoría (inicio de la auditoría, preparación y realización de las actividades de auditoría in situ, preparación del informe de la auditoría); d) enseñanza y formación profesional de los auditores (competencias, conocimientos, habilidades sociales). La manera en que se realice la auditoría dependerá de los objetivos y alcance de esta, que serán establecidos por la dirección o por el cliente. La tarea principal de la primera auditoría consiste en verificar la conformidad del sistema de gestión de la calidad con los requisitos de la norma ISO 9001. En auditorías posteriores se da mayor prioridad a la interacción y a las interfaces entre procesos.

III.1-6

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Los criterios de la auditoría consisten en la documentación del sistema de gestión de la calidad, la descripción de los procesos, el manual de la calidad y las reglamentaciones específicas. La planificación de la auditoría que publique la organización debería especificar los departamentos correspondientes de la organización, los criterios y objetivos de la auditoría, así como el lugar, la fecha y la hora de esta, con el fin de establecer claramente las funciones de que constará.

1.2.5

ISO/IEC 17025: Requisitos generales con respecto a la competencia de los laboratorios de pruebas y calibración

Este grupo de requisitos es aplicable a las instalaciones y, en particular, a los laboratorios y centros de prueba que deseen obtener una acreditación externa de su competencia en términos de procesos de medición y prueba. La norma ISO/IEC 17025 establece unos requisitos de gestión que concuerdan con los de la norma ISO 9001. Esta norma consta de dos partes principales: requisitos de gestión y requisitos técnicos. Por consiguiente, el sistema de gestión de la calidad deberá ajustarse a los requisitos de la norma ISO 9001, que abarca los procesos descritos, más un manual de gestión que permite conectar los procesos y objetivos con las políticas establecidas, y la obligación de auditar con regularidad esos aspectos. Todos los procesos de laboratorio deberán ser aprobados, verificados y validados de manera adecuada para satisfacer los requisitos. Además, deberán determinarse las funciones desempeñadas por el representante de la gestión de la calidad (el director de calidad) y por el jefe del laboratorio. Un componente esencial de los requisitos técnicos es el desarrollo de análisis de incertidumbre para cada uno de los procesos de medición y, en particular, la trazabilidad documentada y verificada con arreglo a las normas metrológicas internacionales. 1.2.6

ISO/IEC 20000: Tecnología de la información – Gestión de servicios

Los SMHN hacen uso de equipos de tecnología de la información para obtener datos de las redes de observación, con el fin de utilizarlos en modelos

GME/LM y para proporcionar a los predictores las salidas de esos modelos. Las recomendaciones de esta norma son útiles para la prestación de servicios fiables de tecnologías de la información. La nueva norma ISO/IEC 20000 viene a ser un resumen de la antigua norma británica BS-15000 y de las recomendaciones de la Biblioteca de Infraestructura de Tecnologías de la Información. La clasificación de los requisitos se ajusta a la estructura de la Biblioteca de Infraestructura de Tecnologías de la Información. Los elementos de la citada biblioteca se clasifican en aspectos de prestación de servicios y de apoyo a los servicios, y van acompañados de los procesos siguientes: Prestación de servicios: a) gestión de nivel de servicio; b) gestión financiera; c) gestión de la continuidad de servicio de tecnología de la información; d) gestión de la disponibilidad; e) gestión de la capacidad. Apoyo a los servicios: a) gestión del cambio; b) gestión del incidente; c) gestión del problema; d) gestión de la entrega; e) gestión de la configuración. La gestión de la seguridad es común a ambas áreas. Todos estos aspectos implican: a) que los procesos se adapten a la organización de los SMHN; b) que se preste particular atención al apoyo a los usuarios. Se ha puesto especial énfasis en el proceso de gestión del cambio, que puede incluir la gestión de la entrega y la de la configuración. La gestión de incidentes y de problemas normalmente está incluida en la instalación de un servicio de asistencia a los usuarios. 1.2.7

Marco de gestión de la calidad de la OMM

El Marco de gestión de la calidad de la OMM contiene las recomendaciones básicas fundamentadas en las experiencias de los SMHN. Las condiciones necesarias para una certificación satisfactoria de acuerdo con la norma ISO 9001 se explican en OMM (2005a; 2005b).

CAPÍTULO 1. GESTIÓN DE LA CALIDAD

El Marco de gestión de la calidad es el material orientativo de los SMHN, especialmente cuando estos tienen escasa experiencia en sistemas de gestión de la calidad. En la sección siguiente se describe sucintamente un sistema de gestión de la calidad, y se señala que la OMM no puede expedir ninguna certificación respecto de la norma ISO 9001.

tante, debería crearse un equipo de proyecto que gestione la transición a un sistema formal de gestión de la calidad, que defina y analice los procesos utilizados por la organización. Para ayudar al equipo de proyecto, el personal que participa en la definición de los procesos puede recibir unas breves instrucciones, consistentes generalmente en: a) documentar (anotar) lo que hace cada grupo; b) indicar la documentación existente; c) señalar las pruebas o indicadores de las tareas que se van realizando; d) identificar las medidas que podrían adoptarse para mejorar de manera continua los procesos.

INTRODUCCIÓN DE LA GESTIÓN DE LA CALIDAD

La introducción de una gestión de la calidad satisfactoria depende en gran medida de la cooperación de la cúpula directiva. La alta dirección del SMHN deberá comprometerse en el sistema de gestión de la calidad y apoyar al equipo de proyecto. En la ISO 20000 se resumen las condiciones necesarias para lograr una certificación satisfactoria y se explica el texto de las normas ISO 9001.

Dado que la documentación especifica las actividades de la organización, es esencial que los principales procesos reflejen las funciones organizativas del SMHN. Estas pueden formar parte de los procesos enunciados (véase la figura 1.4), por ejemplo: a) predicción del tiempo (incluidos los aspectos hidrometeorológico, agrometeorológico y biometeorológico humano) y emisión de alertas meteorológicas; b) servicios de consultoría (incluidos el clima y el medio ambiente); c) generación de datos (de las redes de medición y observación);

La alta dirección define una política en materia de calidad, junto con los objetivos correspondientes (que incluyen el compromiso de la gestión de la calidad), y el personal ha de estar lo suficientemente formado en cuestiones relativas a la gestión de la calidad como para comprender las bases de ese proceso (véase la sección 1.2.2). Y lo que es más impor-

Esquema de landscape los procesos SMHN (p. ej. DWD) Process inen anun NMHS (e.g. DWD)

Gestión Management

Presentación Internal de informes sobre communicating comunicación reporting interna

Control de

System control sistemas (auditorías, (audits, reviews) revisiones)

Production Procesos de processes producción

International Actividadesactivities internacionales

Gestión de recursos Management of staff,humanos, financieros de compras finances andy procurement

Atmospheric watch Vigilancia atmosférica

Organizational development and Desarrollo organizativo e instrumentos de dirección steering instruments

servicio de consultoría 66x×consulting service

Desarrollo y ejecución de Development and implementation procedimientos y métodos of procedures and methods Development of numerical Desarrollo de modelos de weather predicciónmodels numérica tiempo y prediction anddel related metodología relacionada methodology

Predicción del tiempo

Instalación, operation, funcionamiento, Installation, desarrollo de sistemas técnicos, development of technical systems, applications support apoyo a las aplicaciones

Generación de datos, Data generation, data management gestión de datos

Supportde Procesos processes apoyo

Steering Develop- Technical Recursos Desarrollo Sistemas resources ment systems directivos técnicos

Resultados de loscatalogue procesos, Process results, catálogoof deproducts/services productos y servicios

Weather forecast and warning service y servicio de alertas

1.3

III.1-7

Improvement Mejora y gestión and complaint de las management reclamaciones

Management Procesos de processes gestión

DWD = Deutscher Wetterdienst (ServicioWetterdienst Meteorológico de Alemania) DWD = Deutscher

Figura 1.4. Esquema de los procesos en un SMHN (por ejemplo, DWD, OMM 2005a)

III.1-8

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

d) asuntos internacionales; e) investigación y desarrollo (modelización mundial, modelos de área limitada, instrumentación); f) infraestructura técnica (informática y comunicaciones, apoyo técnico, gestión de datos y apoyo de tecnologías de la información); g) procesos administrativos (compras, gestión financiera y de recursos humanos, organización, oficinas administrativas y bienes inmuebles, gestión del conocimiento, planificación central, y control y asuntos jurídicos). Aun cuando estos procesos satisfagan las necesidades de los SMHN y les aporten subprocesos, por lo general debería disponerse de normativas que subsanaran posibles incidentes (por ejemplo, fallos del sistema o accidentes del personal). La introducción de procesos en la organización deberá responder a unos objetivos de calidad claros; todo el personal deberá estar capacitado para comprender tales procesos, y particularmente la utilización de procedimientos y listas de verificación así como la medición de los indicadores de proceso. Antes de solicitar una certificación, el sistema de gestión de la calidad debe ser revisado mediante auditorías internas en los departamentos y divisiones de la organización, con objeto de verificar la conformidad del sistema en los términos en que ha sido descrito y puesto en práctica. Estas revisiones documentadas pueden recaer también sobre los productos si se utilizan auditores especializados y adecuadamente formados. Los requisitos y recomendaciones para llevar a cabo esas revisiones se describen en la ISO 19011 (véase la sección 1.2.4). La revisión del sistema de gestión de la calidad que efectúe la dirección abarcará: a) resultados de las auditorías; b) comentarios del cliente; c) funcionamiento de los procesos con arreglo a los indicadores de desempeño; d) estado de las acciones preventivas y correctivas; e) actividades de seguimiento basadas en revisiones de gestión anteriores; f) cambios en el sistema de gestión de la calidad (políticas de la organización); g) mejoras recomendadas.

1.4

ACREDITACIÓN DE LABORATORIOS

La acreditación conllevará procesos y documentación adicionales y, lo que es más importante, pruebas de que el personal del laboratorio ha

recibido formación y domina perfectamente los procesos y métodos que se desea acreditar. La documentación deberá abarcar los aspectos siguientes: a) un manual de gestión para el laboratorio; b) las descripciones de procesos mencionadas en la sección 1.2; c) la documentación de todos los procesos y métodos; d) instrucciones de trabajo con respecto a todas las etapas parciales de los procesos y métodos; e) manuales de equipo (incluyendo los certificados de calibración); f) manuales de mantenimiento. Puesto que los procedimientos y métodos cambiarán probablemente con mayor frecuencia que los aspectos de gestión de la acreditación, los métodos no suelen incluirse en el manual de gestión. Sin embargo, sí hay una referencia específica a los procedimientos y a los métodos utilizados en el manual de gestión. Como es poco probable que todos los aspectos de la acreditación queden cubiertos una vez introducido el sistema de gestión de la calidad, se recomienda efectuar una auditoría previa y coordinarla con el organismo certificador. En estas auditorías previas sería normal que el organismo certificador: a) evaluara las necesidades previas de personal y de espacio; b) evaluara la idoneidad del sistema de gestión; c) verificara la documentación; d) validara el alcance de la acreditación. El procedimiento de acreditación consiste en una serie de evaluaciones a cargo de un grupo especial de expertos (externo a la organización), que incluye entre sus miembros un representante del organismo certificador. El grupo de evaluación se centrará en las dos áreas principales siguientes: a) documentación; b) examen de las instalaciones incluidas en el alcance de la acreditación (por ejemplo, laboratorios y emplazamientos especiales sobre el terreno). La evaluación de la documentación abarcará la verificación de los documentos siguientes: a) un manual de gestión (o guía de laboratorio); b) instrucciones acerca de los procedimientos; c) instrucciones de trabajo; d) instrucciones con respecto a las pruebas; e) manuales de equipo; f) manuales de mantenimiento;

CAPÍTULO 1. GESTIÓN DE LA CALIDAD

g) análisis de incertidumbre de determinadas magnitudes, resultados de pruebas y calibraciones; h) documentos probatorios (por ejemplo, justificación de haber impartido formación al personal y de que las magnitudes son trazables); i) registros (por ejemplo, correspondencia con el cliente y certificados de calibración generados). El equipo externo de expertos podría solicitar documentos adicionales, ya que todos los aspectos de la norma ISO/EC 17025 se someten a verificación y con mayor detalle que para una certificación con arreglo a la norma ISO 9001. Además de la inspección de los métodos de medición y del equipo asociado, la evaluación de las instalaciones abarcadas por la acreditación incluirá: a) la evaluación del personal (particularmente en los niveles de formación y de responsabilidad); b) la evaluación de la infraestructura que sirve de base para los métodos (por ejemplo, edificios y accesos). Durante la evaluación se someterán también a verificación los aspectos siguientes, para garantizar que cumplen los objetivos requeridos por la dirección para la acreditación: a) estructura organizativa; b) competencias del personal; c) adecuación de las instalaciones tecnológicas; d) el cliente como centro de atención. Además, la evaluación debería verificar que el laboratorio ha dejado suficientemente probados: a) la competencia técnica (selección y utilización del sistema de medición); b) la calibración del equipo de medición; c) el mantenimiento del equipo de medición; d) la verificación y validación de los métodos utilizados. Ventajas y desventajas de la acreditación Mediante una acreditación inicial a cargo de un organismo certificador independiente, los SMHN demuestran su competencia en el campo de los métodos de medición y de prueba para usos meteorológicos con arreglo a una norma reconocida. Una vez establecida la acreditación, se adopta una auditoría externa periódica que aporta pruebas adicionales de que se han respetado las normas y, lo que es más importante, ayuda a la organización a asegurarse de que se verifican sus propios requisitos internos sobre la calidad.

III.1-9

Una acreditación cuyo alcance sea adecuado ofrece además oportunidades comerciales para la calibración, la verificación y la evaluación de los dispositivos de medición. Para las organizaciones que no han adoptado un sistema de gestión de la calidad, los beneficios de la acreditación son considerables. En primer lugar, documenta el sistema de la organización y, como resultado, permite utilizar un proceso de análisis para lograr que la organización sea más eficiente y eficaz. Así, por ejemplo, uno de los componentes de la acreditación con arreglo a la norma ISO/EC 17025 obliga a efectuar análisis de incertidumbre en todas las pruebas de calibración y verificación; estos análisis cuantitativos aportan información sobre los aspectos que permiten obtener el máximo de beneficios con el mínimo de recursos. La acreditación o certificación, sea cual sea el marco de calidad reconocido, obliga a realizar registros y auditorías periódicas a cargo de expertos externos y del organismo certificador. Ello conlleva un costo adicional para la organización, en función del alcance de la acreditación y de la certificación. La solicitud de acreditación antes de haber implantado un sistema de gestión de la calidad eficaz conllevará un aumento de los recursos utilizados y una detracción de recursos existentes para el establecimiento del sistema de gestión de la calidad, a lo que vendrá a sumarse el costo de las auditorías periódicas.

1.5

HERRAMIENTAS DE GESTIÓN DE LA CALIDAD

Existen varias herramientas suficientemente conocidas para facilitar los procesos de un sistema de gestión de la calidad y para su mejora constante. A título introductorio, se describen a continuación tres ejemplos de estas herramientas: el cuadro de mando integral, el análisis modal de fallos y efectos, y seis sigma. El cuadro de mando integral (Kaplan y Norton, 1996) presenta al menos cuatro puntos focales: las finanzas, el cliente, los procesos y los empleados. Es frecuente incorporar también el público en general, dado que los intereses de este deben ser siempre tenidos en cuenta. Cada organización y elemento organizativo aporta indicadores de desempeño clave respecto de cada

III.1-10

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

una de las áreas de interés, vinculadas a su vez a la misión de la organización (o a su finalidad, visión u objetivos) y a su estrategia (o misión de trabajo y visión práctica). El análisis modal de fallos y efectos es un método ideado para examinar las posibles causas y fallos no previstos y la probabilidad de que sucedan. El método puede ser utilizado para analizar procesos de producción y para la especificación de productos. La finalidad del proceso de optimización es reducir el número de prioridad del riesgo. El método seis sigma fue desarrollado en el sector de las comunicaciones y está basado en controles de proceso estadísticos orientados a la mejora de la producción. Este método tiene como objetivo reducir los fallos de proceso por debajo de un valor especificado.

1.6

FACTORES QUE AFECTAN A LA CALIDAD DE LOS DATOS

El historial de los instrumentos sobre el terreno consta de varias fases, entre ellas la de planificación con arreglo a las necesidades de los usuarios, la de selección e instalación del equipo, y las actividades operativas, de calibración, de mantenimiento y de formación. Para obtener datos de calidad adecuada o prescrita habrá que adoptar medidas apropiadas en cada una de estas fases. En esta sección se reseñan los factores que afectan a la calidad de los datos y, para una información más completa, se remite a otros capítulos de esta Guía y a otros manuales y guías de la OMM. Necesidades de los usuarios. La calidad de un sistema de medición puede evaluarse estableciendo una comparación entre las necesidades de los usuarios y la capacidad de los sistemas para responder a ellas. La compatibilidad entre las necesidades de calidad de datos de los usuarios y la efectividad de los instrumentos debe ser tenida en cuenta no solo en la fase de diseño y planificación de un proyecto, sino también durante todo el funcionamiento, y la implantación del sistema debe planificarse de modo que optimice las relaciones costo/beneficio y costo/efectividad. Ello implica una responsabilidad compartida entre los usuarios, los expertos en instrumentos y los expertos logísticos, a fin de ajustarse a los factores técnicos y financieros. En particular, los expertos en instrumentos deberán estudiar las necesidades de los usuarios en materia de calidad de los datos, a fin de proponer especifica-

ciones adecuadas a las técnicas más modernas. Esta importante fase del diseño se denomina “análisis de valor”. Cuando se pasa por alto, como ocurre frecuentemente, es probable que el costo, o las necesidades de calidad, o ambos, no se satisfagan, hasta el punto de que el proyecto podría fracasar y los esfuerzos serían vanos. Especificaciones funcionales y técnicas. La plasmación de esas necesidades en especificaciones funcionales y, posteriormente, en especificaciones técnicas es una tarea muy importante y compleja, que requiere un conocimiento a fondo de las necesidades de los usuarios, la tecnología de mediciones meteorológicas, los métodos de observación y las reglamentaciones de la OMM, así como unas condiciones de trabajo e infraestructuras técnicas y administrativas adecuadas. Las especificaciones determinarán el funcionamiento general del sistema de medición previsto, por lo que sus efectos sobre la calidad de los datos serán considerables. Selección de instrumentos. Los instrumentos deberían seleccionarse cuidadosamente, teniendo en cuenta la incertidumbre, el rango y la resolución requeridos (véanse las definiciones en el capítulo 1 de la parte I), las condiciones climatológicas y ambientales en que se desarrollen las aplicaciones del usuario, las condiciones de trabajo, y la infraestructura técnica disponible para la formación, la instalación y el mantenimiento. Una elección inapropiada de los instrumentos puede producir datos de mala calidad imprevistos, causando muchos problemas al ser descubiertos con posterioridad y dando lugar, por ejemplo, a especificaciones inadecuadas que ocasionarían un desgaste o una deriva excesivos. En general, deberían utilizarse solo instrumentos de alta calidad para las tareas meteorológicas. A este respecto, se remite a la información contenida en los diversos capítulos de esta Guía. Si se desea obtener más información sobre el comportamiento de diversos tipos de instrumentos, véanse los informes de las intercomparaciones internacionales de instrumentos de la OMM, así como las actas de OMM/CIMO y de otras conferencias internacionales sobre instrumentos y métodos de observación. Pruebas de aceptabilidad. Antes de proceder a la instalación y a la aceptación, es necesario asegurarse de que los instrumentos cumplen las especificaciones originales. Los fabricantes deberían publicar los valores de funcionamiento de los instrumentos y su sensibilidad ante ciertos factores influyentes; en ocasiones las autoridades de calibración certifican estos parámetros. Sin embargo, las intercomparaciones de instrumentos de la OMM revelan que los

CAPÍTULO 1. GESTIÓN DE LA CALIDAD

instrumentos pueden resultar degradados, pese a todo, por factores que afecten a su calidad y que pueden aparecer durante las fases de producción y transporte. Los errores de calibración son difíciles o imposibles de detectar si no se tiene fácil acceso a patrones adecuados o a instalaciones de prueba y calibración apropiadas. Uno de los componentes esenciales de una buena gestión es la realización de pruebas adecuadas en condiciones de funcionamiento, antes de utilizar los instrumentos con fines operativos. Estas pruebas pueden utilizarse tanto para determinar las características de un modelo dado como para controlar la calidad efectiva de cada instrumento. Al comprar el equipo, debería tenerse presente la posibilidad de pedir al proveedor que establezca en su organización unos procedimientos de garantía de la calidad certificados según los requisitos de los SMHN, reduciendo con ello la necesidad de que el receptor del equipo realice pruebas de aceptabilidad. El costo adicional en la compra del equipo podría resultar compensado por una reducción en los costos de las pruebas internas o del mantenimiento operativo, o por la calidad asegurada de las operaciones ulteriores sobre el terreno. Compatibilidad. Pueden aparecer problemas de compatibilidad cuando se utilizan instrumentos de características técnicas diferentes para realizar un mismo tipo de mediciones. Esto puede ocurrir, por ejemplo, al pasar de mediciones manuales a automatizadas, al incorporar nuevos instrumentos con constantes de tiempo diferentes, al utilizar una protección diferente para los sensores, al aplicar algoritmos diferentes para la reducción de datos, etc. Deberían estudiarse a fondo, mediante intercomparaciones durante períodos largos, los efectos de estos cambios sobre la compatibilidad y la homogeneidad de los datos. Deberían consultarse los diversos informes de la OMM sobre intercomparaciones internacionales de instrumentos. Emplazamiento y exposición. La densidad de estaciones meteorológicas depende de la escala espacial y temporal de los fenómenos meteorológicos que se vayan a observar, y suele estar especificada por los usuarios o estipulada en las reglamentaciones de la OMM. Hay evidencia experimental de que una ubicación y exposición inadecuadas pueden deteriorar seriamente la exactitud y la representatividad de las mediciones. En el capítulo 1 de la parte I se ofrecen criterios generales sobre el emplazamiento y la exposición, y en los distintos capítulos de la parte I se da información detallada sobre determinados instrumentos. Deberían consultarse asimismo las reglamentaciones al respecto en OMM

III.1-11

(2010c). Convendría también prestar atención a factores externos que puedan introducir errores, como el polvo, la contaminación, la escarcha, la sal, los valores muy extremos de la temperatura ambiente o los actos de vandalismo. Errores instrumentales. La selección apropiada de los instrumentos es una condición necesaria pero no suficiente para obtener una calidad adecuada de los datos. Ninguna técnica de medición es perfecta, y todos los instrumentos generan diversos errores sistemáticos y aleatorios. Sus efectos sobre la calidad de los datos deberían reducirse a un nivel aceptable mediante la adopción de medidas preventivas y correctivas apropiadas. Estos errores dependen del tipo de observación, y se examinan en los capítulos correspondientes de esta Guía (véase la parte I). Adquisición de datos. La calidad de los datos no depende solo de la calidad de los instrumentos y de su correcto emplazamiento y exposición, sino también de las técnicas y métodos utilizados para obtener los datos y convertirlos en datos representativos. Debería hacerse una distinción entre las mediciones automatizadas y las observaciones humanas. En función de las características técnicas de un sensor, y en particular de su constante de tiempo, será necesario aplicar procedimientos adecuados de muestreo y de promediado. La existencia de fuentes no deseadas de interferencia eléctrica externa y de ruido puede degradar la calidad de la señal de salida del sensor; por tanto, deberían eliminarse mediante un acondicionamiento adecuado de esa señal antes de acceder al sistema de adquisición de datos. Deberían consultarse los capítulos 1 y 2 de la parte II, relativos al muestreo y filtrado. Cuando la lectura del instrumento es manual, pueden producirse errores imputables al diseño, a los valores de instalación del instrumento o a su resolución, o a una formación inadecuada del observador. En las observaciones visuales o subjetivas, los errores pueden deberse a la inexperiencia del observador, cuando este interpreta incorrectamente los fenómenos meteorológicos. Procesamiento de datos. Pueden producirse también errores imputables a las técnicas de conversión o a los procedimientos de cálculo aplicados para convertir los datos de los sensores en datos meteorológicos de nivel II o de nivel III. Ese podría ser el caso, por ejemplo, al calcular los valores de humedad a partir de la humedad relativa o el punto de rocío, o al reducir la presión al nivel medio del mar. También pueden producirse errores durante la codificación, cifrado o transcripción de los mensajes meteorológicos, particularmente si los efectúa un observador.

III.1-12

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Control de la calidad en tiempo real. La calidad de los datos depende de los procedimientos de control de la calidad en tiempo real que se apliquen durante la adquisición y el procesamiento de los datos y durante la preparación de los mensajes para eliminar las principales fuentes de error. Estos procedimientos son específicos para cada tipo de medición, aunque suelen consistir en comprobaciones simples de la verosimilitud de los valores y de la rapidez de los cambios, y en comparaciones con otras mediciones (por ejemplo, el punto de rocío no puede ser más alto que la temperatura). Otras comprobaciones especiales permiten verificar las observaciones introducidas manualmente y los mensajes meteorológicos. En las estaciones meteorológicas automáticas es posible detectar errores específicos del equipo mediante programas informáticos y aparatos de prueba especiales incorporados físicamente. La aplicación de estos procedimientos es extremadamente importante, ya que algunos errores introducidos durante el proceso de medición no pueden ser eliminados posteriormente. Para obtener una descripción general de los métodos manuales y automáticos en uso, véanse también otros párrafos de este capítulo, así como el capítulo 1 de la parte II y OMM (1993a, 2010a, 2010b, 2010c). Supervisión del funcionamiento. Como los procedimientos de control de la calidad en tiempo real tienen limitaciones, y algunos errores pueden pasar inadvertidos (por ejemplo, la deriva a largo plazo de los sensores, o los errores en la transmisión de datos), será necesario que los centros de análisis meteorológico y los administradores de las redes lleven a cabo una supervisión del funcionamiento a nivel de la red. Esta función se describe en la sección 1.8 de este capítulo. Se encontrará también información a ese respecto en el capítulo 1 de la parte II y en OMM (2010a). Es importante establecer procedimientos eficaces de enlace entre los responsables de la supervisión y los de mantenimiento y calibración, para facilitar una respuesta rápida cuando el sistema de supervisión emita un informe de avería o de fallo. Pruebas y calibración. Durante la operación, tanto el funcionamiento como las características de los instrumentos meteorológicos cambian por diversas razones, por ejemplo el envejecimiento de los componentes del equipo, la degradación del mantenimiento, la exposición, etc. Estos factores pueden producir derivas a largo plazo o cambios bruscos de la calibración. Por esa razón, los instrumentos necesitan ser inspeccionados y calibrados con regularidad con el fin de proporcionar unos datos fiables. Para ello, es preciso disponer de patrones e instalaciones de calibración y prueba apropiadas.

Se requiere también un plan de calibración y un mantenimiento de la calibración eficientes. Véase el capítulo 4 de la parte III, que contiene información general sobre los aspectos de prueba y calibración, y los capítulos correspondientes de la parte I, referentes a los distintos instrumentos. Mantenimiento. El mantenimiento puede ser correctivo (de las piezas que fallan), preventivo (por ejemplo, las tareas de limpieza o de lubricación) o de adaptación (en respuesta a nuevas necesidades o a la obsolescencia del equipo). La calidad de los datos proporcionados por un instrumento resulta considerablemente afectada por la calidad de su mantenimiento, que, a su vez, depende principalmente de la aptitud del personal de mantenimiento y del tipo de mantenimiento. Las capacidades, el personal y el equipo de la organización o dependencia responsables del mantenimiento deberán ser adecuados para los instrumentos y las redes. Algunos factores que cabría tener en cuenta son: un plan de mantenimiento, que incluiría el mantenimiento correctivo, preventivo y de adaptación; una gestión logística; e instalaciones de reparación, prueba y servicios de apoyo. Deberá tenerse presente que los costos de mantenimiento del equipo pueden exceder en mucho el costo de su compra (véase el capítulo 1 de la parte II). Formación y enseñanza. La calidad de los datos depende también de las aptitudes del personal técnico encargado de las actividades de prueba, calibración y mantenimiento, y de los observadores que efectúan las observaciones. Se deberían organizar programas de formación y enseñanza y adaptarlos al sistema, con arreglo a un plan racional orientado a las necesidades de los usuarios y, especialmente, a las necesidades de mantenimiento y calibración antes señaladas; esta consideración es especialmente importante en las estaciones meteorológicas automáticas. Al efectuar la compra del sistema, el fabricante debería estar obligado a proporcionar una documentación operativa y técnica muy completa, y a organizar cursos de formación técnicos y prácticos (véase el capítulo 5 de la parte III) en el SMHN. Metadatos. Un buen sistema de garantía de la calidad implica la disponibilidad de información detallada acerca del sistema de observación propiamente dicho y, en particular, sobre todos los cambios que se produzcan durante el tiempo de funcionamiento. Esta información sobre los datos, conocida como “metadatos”, permite al operador de un sistema de observación adoptar las medidas preventivas, correctivas y de adaptación más apropiadas para mantener o mejorar la calidad de los datos. Las necesidades en materia de metadatos se

CAPÍTULO 1. GESTIÓN DE LA CALIDAD

III.1-13

examinan más ampliamente en la sección 1.9. Se encontrará más información sobre los metadatos en el capítulo 1 de la parte I (y en el anexo 1.C).

1.7.1

Datos de superficie

1.7.1.1

Observaciones manuales y estaciones dotadas de personal

1.7

El observador, o el oficial responsable de una estación, tiene que asegurarse de que los datos que salgan de la estación hayan pasado un control de la calidad y, para atender esta responsabilidad, se le deberían proporcionar los procedimientos

GARANTÍA DE LA CALIDAD (CONTROL DE LA CALIDAD)

En OMM (2010c) se estipula que ciertos procedimientos de control de la calidad deberán aplicarse a todos los datos meteorológicos destinados a intercambio internacional. Tendrán que someterse a dichos procedimientos los datos de nivel I y de nivel II, así como la conversión entre unos y otros. En OMM (2010b) se estipula que los centros de procesamiento de datos meteorológicos deberán aplicar procedimientos de control de la calidad a la mayoría de tipos de informes meteorológicos intercambiados internacionalmente, a fin de verificar los errores de cifrado y codificación, la coherencia interna, la coherencia temporal y espacial, y los límites físicos y climatológicos; se especifican también la frecuencia mínima y las fechas de los controles de calidad. En OMM (2010a) se ofrecen directrices generales sobre los procedimientos, poniéndose de relieve la importancia del control de la calidad en la estación, dado que algunos errores que se producen en ella no pueden ser subsanados posteriormente, y señalándose las grandes ventajas de la automatización. En OMM (1993a) se ofrecen descripciones bastante detalladas de los procedimientos que pueden aplicarse en los centros de análisis numérico, además de asesoramiento sobre límites climatológicos, formas de verificación de la coherencia interna, comparaciones con estaciones vecinas y con otros análisis y pronósticos, y breves comentarios sobre las probabilidades de rechazar datos buenos y de aceptar datos falsos con distribuciones estadísticas de error conocidas. El control de la calidad, tal como se define específicamente en la sección 1.1, se aplica en tiempo real o casi real a la adquisición y procesamiento de los datos. En la práctica, la responsabilidad de ese proceso está repartida entre varios eslabones de la cadena de datos, que pueden encontrarse en la estación, cuando se interviene manualmente y de forma directa en la adquisición de los datos, o en los diversos centros donde estos son procesados. Los procedimientos de garantía de calidad se deberán introducir y estudiar de nuevo durante las fases de desarrollo de los nuevos sensores o sistemas de observación (véase la figura 1.5).

Supervisión Monitoring

Strategy of Estrategia de NMSs los SMN Internal/ Usuarios/ external clientes users/ internos/ externos customers

NMS de Procesos processes los SMN

Evaluation of Evaluación de requirements requisitos

No Sí Change ¿Cambio? ?

QA: GC: Preventive Acciones actions preventivas

Development Desarrollo

Realización deTesting pruebas

Verificación Verification

CC: QC: AWS Mantenimiento preventive preventivo de maintenance EMA

Adquisición/ Data generación acquisition/de datos generation

Validación Validation

QC: CC: Vigilancia Monitoring de cables de of data cables datos

Data Gestión/ management/ transferencia Transfer de datos

CC: QC: Verificación Consistencyde la coherencia check of data de datos

Base de Database datos

Centros de Data centres datos

Archivo Archiving

SMN: Servicio Meteorológico Hidrológico NMS: National Meteorological or Hydrological o Service QA:GC: Quality assurance de la calidad Garantía QC:CC: Quality control Control de la calidad

Nacional

Figura 1.5. Proceso para la generación de observaciones

III.1-14

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

establecidos. Esta función específica viene a añadirse a otras funciones de mantenimiento de los equipos y de los registros, y abarca: a) Verificación de la coherencia interna de una observación sinóptica completa o de otros tipos de observación mixta: en la práctica, un observador experimentado la realiza casi mecánicamente, pero debería ser un requisito explícitamente indicado. Esta consideración es aplicable, por ejemplo, a las relaciones entre la temperatura, el punto de rocío y las temperaturas extremas diarias, o entre la lluvia, las nubes y el tiempo atmosférico. b) Comprobaciones climatológicas. Son de coherencia. El observador conoce los rangos estacionales normales de las variables en la estación, o recurre a mapas o tablas de esos intervalos, y no debería permitir que ningún valor no habitual quede sin comprobar. c) Verificaciones temporales: deberían garantizar que los cambios acaecidos desde la última observación fueran verosímiles, especialmente cuando las observaciones hubieran sido realizadas por observadores diferentes. d) Verificación explícita de todas las operaciones aritméticas y de consulta de tablas. e) Comprobación de todos los mensajes y de otros registros respecto de los datos originales. 1.7.1.2

Estaciones meteorológicas automáticas

En las EMA, algunas de estas comprobaciones deberían realizarse mediante programas informáticos y a través de verificaciones técnicas del comportamiento del sistema. Estos aspectos se discuten en el capítulo 1 de la parte II. 1.7.2

Datos de altitud

Los procedimientos de control de la calidad de los datos de altitud son esencialmente los mismos que para los datos de superficie. Deberían realizarse comprobaciones de coherencia interna (por ejemplo, de los gradientes verticales o de las cizalladuras), de coherencia climatológica y temporal, y de coherencia con las observaciones de superficie normales. En las operaciones de radiosonda, es sumamente importante verificar de manera explícita y deliberada la calibración inicial de referencia. Deberá cotejarse también el mensaje con los datos observados. La automatización del control de la calidad en la estación es especialmente útil para los datos de altitud.

1.7.3

Centros de datos

Los datos deberían verificarse en tiempo real, o con el mayor grado de sincronía posible, en el primero y siguientes puntos en que se reciban o utilicen. Es muy recomendable aplicar las mismas comprobaciones urgentes a todos los datos, incluso a los que no se utilicen en tiempo real, ya que el control de la calidad posterior no suele ser tan eficaz. Naturalmente, si existen procedimientos automáticos debería hacerse uso de ellos, aunque es posible aplicar ciertos procedimientos de control de la calidad sin necesidad de ordenadores, o solo con ayuda parcial de los sistemas informáticos. Como principio a seguir, deberían verificarse todos los mensajes, preferiblemente en cada una de las fases de toda la cadena de datos. Las comprobaciones realizadas en la estación suelen repetirse en los centros de datos, posiblemente en forma más elaborada, con ayuda de procedimientos automáticos. Los centros de datos, sin embargo, suelen tener acceso a otros datos de la red y pueden, por consiguiente, efectuar una verificación espacial respecto de observaciones efectuadas en estaciones circundantes, o con campos analizados o previstos. Este método es muy eficaz, y constituye la aportación específica de los centros de datos. Si se encontraran errores, los datos deberían ser rechazados, o corregidos tomando como referencia la fuente original, o bien corregidos en el centro de datos por inferencia. Aunque la última de estas alternativas puede introducir sin duda nuevos errores, es válida, sin embargo, en muchas circunstancias; los datos corregidos por este medio deberían etiquetarse en la base de datos y utilizarse con precaución. El proceso de control de la calidad produce datos de calidad establecida, que podrán ser después utilizados para operaciones en tiempo real y para conformar con ellos un banco de datos. Sin embargo, este proceso debería conllevar también la compilación de información sobre los errores encontrados. Es una buena práctica introducir, en el primero o siguientes puntos del procesamiento de los datos, un sistema que notifique inmediatamente los errores encontrados al origen de los datos, así como compilar un registro que pueda utilizar el administrador de la red para supervisar el funcionamiento, como se expone más adelante. Lo ideal sería realizar esta función a nivel regional, donde se puede acceder fácilmente a las estaciones sobre el terreno. Los procedimientos detallados que se describen en OMM (1993a) sirven de guía para el control de la

CAPÍTULO 1. GESTIÓN DE LA CALIDAD

calidad de datos destinados al intercambio internacional, conforme a las recomendaciones de OMM (2010b). 1.7.4

Interacción con las estaciones sobre el terreno

Para mantener la calidad es absolutamente esencial poder descubrir el origen de los errores y realizar algún tipo de corrección. Si los datos provienen de estaciones dotadas de personal, estas funciones se realizan muy eficazmente en tiempo casi real, no solo porque los datos pueden corregirse, sino también porque puede identificarse la causa del error y evitar que se repita. En un centro de datos u otro centro operativo, es conveniente designar a una persona con la responsabilidad de mantener una comunicación en tiempo casi real, y un contacto de trabajo eficaz, con las estaciones sobre el terreno, de modo que se pueda recurrir a esta persona cuando se descubran errores en los datos.

1.8

SUPERVISIÓN DEL FUNCIONAMIENTO

La gestión de una red o de una estación es mucho más eficaz si se mantienen constantemente registros del funcionamiento, normalmente con periodicidad diaria y mensual. El objetivo de la supervisión del funcionamiento es examinar continuamente la calidad de las estaciones sobre el terreno y de cada sistema de observación, por ejemplo las mediciones de presión o la red de radiosondas. La supervisión del funcionamiento presenta varios aspectos: a) debería utilizarse el asesoramiento de los centros de datos para registrar el número y tipo de errores detectados por los procedimientos de control de la calidad; b) los datos obtenidos de cada estación deberían compilarse en conjuntos sinópticos estructurados por períodos de tiempo, y estos conjuntos deberían servir para identificar diferencias sistemáticas con respecto a estaciones vecinas, tanto en los campos espaciales como en las series cronológicas comparativas; en este sentido, es útil obtener estadísticas del valor medio y de la dispersión de las diferencias y, para esos fines, resultan eficaces los métodos gráficos; c) deberían obtenerse informes de las estaciones sobre el terreno sobre los fallos de los equipos u otros aspectos del funcionamiento.

III.1-15

Esos tipos de registro son muy útiles para identificar fallos sistemáticos de funcionamiento, y para indicar medidas correctivas. Constituyen muy buenos indicadores de gran número de factores que afectan a los datos, como la exposición o las variaciones de la calibración, el deterioro del equipo, la variación de la calidad de los fungibles, o la necesidad de una nueva formación. Son particularmente importantes para mantener la confianza en el equipo automático. Los resultados de la supervisión del funcionamiento deberían comunicarse a las estaciones sobre el terreno, medida que sería importante para mantener la motivación. Los resultados indican también cuándo es necesario reparar o mejorar el equipo instalado in situ. La supervisión del funcionamiento constituye una ardua tarea, y el administrador de la red le deberá asignar unos recursos adecuados. En OMM (1988) se describe un sistema de vigilancia de datos de una red de EMA, utilizando una pequeña oficina con personal dedicado a controlar los datos de salida en tiempo real y a asesorar a los administradores de la red y a los usuarios de los datos. En Miller y Morone (1993) se describe un sistema con funciones análogas, en tiempo casi real, que utiliza un modelo numérico de mesoescala para realizar las pruebas espaciales y temporales con los datos.

1.9

HOMOGENEIDAD DE LOS DATOS Y METADATOS

En el pasado, las redes de observación se constituían principalmente en apoyo de actividades de predicción meteorológica. En la práctica, el control de la calidad estaba centrado principalmente en descubrir valores anómalos, pero raramente incorporaba verificaciones de la homogeneidad de los datos y de la continuidad de las series temporales. El repentino interés por el cambio climático, debido principalmente a la preocupación por el aumento de los gases de efecto invernadero, hizo cambiar esta situación. Las pruebas de homogeneidad de los datos han revelado que muchos de los aparentes cambios climáticos pueden ser atribuidos a la falta de homogeneidad de las series temporales causada únicamente por variaciones operativas de los sistemas de observación. En esta sección se intentará resumir esas causas y exponer algunas directrices sobre la información necesaria en materia de datos —es decir, metadatos— que debería proporcionarse para contribuir a la homogeneidad de los datos y a los estudios sobre el cambio climático.

III.1-16

1.9.1

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Causas de heterogeneidad en los datos

La falta de homogeneidad causada por cambios en el sistema de observación se presenta en forma de discontinuidades abruptas, cambios graduales, o cambios de la variabilidad. Las discontinuidades abruptas se deben mayormente a los cambios de instrumentos, de emplazamiento y de exposición, a la reubicación de estaciones, a variaciones en el cálculo de valores medios, a los procedimientos de reducción de datos, y a la aplicación de nuevas correcciones de la calibración. Los cambios en el entorno de la estación, la urbanización o los cambios graduales de las características de los instrumentos pueden producir una heterogeneidad creciente de carácter gradual. Los cambios de la variabilidad están causados por el mal funcionamiento de los instrumentos. Se puede producir también heterogeneidad por variaciones en la hora de observación, por insuficiencia de las rutinas de inspección, mantenimiento y calibración, o por procedimientos de observación insatisfactorios. En una red, puede aparecer heterogeneidad por efecto de incompatibilidades de los datos. Es evidente que todos los factores que afectan a la calidad de los datos pueden también dar origen a una falta de homogeneidad en estos. Un estudio histórico de los cambios experimentados por las radiosondas (OMM, 1993b) pone de manifiesto la gravedad del problema, e ilustra claramente la atención que hay que dedicar para subsanarlo. Las variaciones de los registros de temperatura en superficie que se experimentan cuando las estaciones manuales son sustituidas por estaciones meteorológicas automáticas, así como las variaciones de los registros de altitud ocasionadas por los cambios en las radiosondas constituyen casos especialmente interesantes de heterogeneidad de datos. Estos dos casos son ya conocidos, y es posible, en principio, preverlos y corregirlos; aun así, la supervisión del funcionamiento puede servir para confirmar la eficacia de las correcciones, o incluso para obtenerlas. 1.9.2

Metadatos

Debería evitarse en la medida de lo posible la heterogeneidad de los datos mediante la adopción de unos procedimientos apropiados de garantía de la calidad en relación con el control de la calidad. Sin embargo, ello no siempre es posible, ya que algunas causas de la heterogeneidad, como la sustitución de un sensor, pueden representar mejoras reales de las técnicas de medición. Es importante

disponer de información sobre la presencia, el tipo y, especialmente, la cronología de toda falta de homogeneidad que sobrevenga. Una vez obtenida esa información, los climatólogos pueden utilizar programas estadísticos apropiados para vincular los datos anteriores con los nuevos datos en bases de datos homogéneas con un alto grado de confianza. La información de este tipo suele estar disponible en forma de metadatos, o sea, información sobre datos, y se denomina también “historial de estación”. En ausencia de esa información, es posible que muchas de las heterogeneidades anteriormente indicadas no lleguen a ser descubiertas o corregidas. Cabe considerar los metadatos como una versión ampliada del registro administrativo de la estación, que contiene toda la información posible sobre la puesta en marcha inicial y sobre los tipos y fechas de los cambios acaecidos durante la vida útil de un sistema de observación. En la medida que los sistemas informatizados de gestión de datos constituyen un aspecto importante del suministro de datos de calidad, sería deseable que los metadatos estuvieran disponibles en una base de datos informatizada que permita la composición, actualización y uso de esa información. 1.9.3

Elementos de una base de metadatos

Las bases de metadatos contienen información sobre el sistema inicial, además de actualizaciones cuando se produce algún cambio. Sus principales elementos son: a) Información sobre la red: autoridad operadora, y tipo y finalidad de la red. b) Información sobre la estación: i) información administrativa; ii) ubicación: coordenadas geográficas, elevación(es)3; iii) descripciones del entorno y de obstáculos cercanos y distantes3; iv) distribución física de los instrumentos3; v) medios: transmisiones de datos, suministro de energía, cables; vi) descripción climatológica. c) Información sobre los distintos instrumentos: i) tipo: fabricante, modelo, número de serie, principios de funcionamiento; ii) características de funcionamiento; iii) fecha y hora de las calibraciones; iv) emplazamiento y exposición: ubicación, apantallamiento, altura sobre el suelo3; 3

Es necesario incluir mapas y planos a las escalas apropiadas.

CAPÍTULO 1. GESTIÓN DE LA CALIDAD

v) vi) vii) viii) ix) x) xi)

1.9.4

programa de medición o de observación; horas de las observaciones; observador; adquisición de datos: muestreo, promediado; métodos y algoritmos de procesamiento de datos; mantenimiento preventivo y correctivo; calidad de los datos (en forma de etiqueta o de incertidumbre).

Recomendaciones para un sistema de metadatos

El desarrollo de un sistema de metadatos requiere un considerable nivel de organización interdisciplinaria, y una atención constante a su funcionamiento, particularmente mediante una datación meticulosa y exacta de los cambios en la base de metadatos. En OMM (1994) se encontrará un útil inventario de las necesidades al respecto, junto con ejemplos de los efectos producidos por los cambios en las actividades de observación y una explicación de las ventajas que conllevan los metadatos de calidad para poder obtener un registro climático fiable a partir de datos discontinuos. Los elementos funcionales básicos de un sistema para mantener una base de metadatos pueden resumirse como sigue: a) deberán establecerse procedimientos normalizados para reunir mediciones superpuestas respecto de todos los cambios importantes en los instrumentos, en las prácticas de observación y en el emplazamiento de sensores; b) deberán realizarse evaluaciones de rutina de los problemas existentes en materia de calibración, mantenimiento y homogeneidad, a fin de adoptar medidas correctivas cuando sea necesario; c) deberá haber una comunicación fluida entre el recopilador de los datos y el investigador, que permita enviar información de respuesta para tomar conocimiento de los problemas relativos a los datos o, al menos, de las posibilidades de que ocurran, y corregirlos para mejorar o incorporar documentación en respuesta a necesidades de los usuarios inicialmente no previstas (por ejemplo, grupos de trabajo); d) deberá existir una documentación detallada y rápidamente accesible sobre los procedimientos, la fundamentación, las pruebas realizadas, los supuestos y los problemas conocidos que intervengan en la constitución del conjunto de datos a partir de las mediciones.

III.1-17

Estas cuatro recomendaciones permitirían obtener metadatos suficientes para que un usuario de los datos pudiera manipularlos, aglutinarlos y resumirlos adoptando unos supuestos mínimos respecto de su calidad y homogeneidad.

1.10

GESTIÓN DE REDES

Gestionar una red implica ocuparse de todos los factores que afectan a la calidad de los datos, enumerados en la sección 1.6. En particular, la gestión de una red deberá incorporar medidas correctivas en respuesta al funcionamiento de la red que revelen los procedimientos de control de la calidad y la supervisión del funcionamiento. El concepto de red está definido en OMM (2010c), y en OMM (2010a) se ofrecen directrices sobre la gestión de redes en términos generales, y en particular sobre la estructura y funciones de una unidad de gestión de red. En la práctica, las redes se gestionan de maneras muy diversas, a tenor de disposiciones administrativas de ámbito local. Es útil designar como administrador de la red a determinada persona u oficina, a la que se encomendará una responsabilidad activa con respecto a las repercusiones de los distintos factores sobre la calidad de los datos. El administrador de una red deberá contar con la colaboración de otros especialistas que se ocupen de la gestión y materialización de algunos de esos factores, y que acepten responsabilidades respecto de sus efectos sobre la calidad de los datos. El administrador debería examinar regularmente los procedimientos empleados y los resultados obtenidos respecto de todos los factores que afecten a la calidad, según se expone en la sección 1.6, considerando en particular que: a) los sistemas de control de la calidad descritos en la sección 1.1 son, desde el punto de vista operativo, esenciales en cualquier red meteorológica, y deberían recibir atención prioritaria de los usuarios de los datos y del administrador de la red; b) la supervisión del funcionamiento suele aceptarse como una de las funciones de gestión de la red y puede servir para indicar la necesidad de actuar para contrarrestar los efectos de la exposición, de la calibración y del mantenimiento, además de proporcionar información sobre los efectos de algunos de los demás factores; c) la inspección de las estaciones sobre el terreno, que se describirá más adelante, es una de las funciones de la gestión de una red;

III.1-18

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

d) el mantenimiento del equipo puede ser directamente una de las funciones de la unidad de gestión de la red y, si no lo fuera, debería existir una colaboración particularmente eficaz entre el administrador de la red y la oficina responsable del equipo; e) las disposiciones administrativas deberían permitir al administrador de la red adoptar, o encargar que se adopten, medidas correctivas según aconsejen los procedimientos de control de la calidad, la supervisión del funcionamiento, el programa de inspección o cualquier otro factor que afecte a la calidad; de los demás factores, uno de los más importantes es la formación de los observadores, tal como se explica en el capítulo 5 de la parte III, y el administrador de la red debería poder influir en el contenido y en el desarrollo de los cursos, o en la definición de las necesidades de formación.

1.10.1

Inspecciones

Las estaciones sobre el terreno deberían someterse regularmente a inspección, preferiblemente por parte de inspectores experimentados y expresamente designados para ello. Los objetivos consisten en examinar y mantener la actividad de los observadores, el equipo y la exposición de los instrumentos, así como mejorar el valor de los datos mediante un registro del historial de la estación. Al mismo tiempo, se pueden realizar diversas funciones administrativas, que son particularmente importantes para las estaciones dotadas de personal. Estos mismos principios son aplicables a las estaciones con personal, a las manejadas por observadores contratados, voluntarios o a tiempo parcial, y, en cierta medida, a las estaciones meteorológicas automáticas. Las necesidades en materia de inspección están indicadas en OMM (2010c), y en OMM (2010a) se ofrece asesoramiento al respecto. Los informes proporcionados por las inspecciones formarán parte del registro de la supervisión del funcionamiento. Sería muy recomendable disponer de un procedimiento sistemático y exhaustivo, abundantemente documentado en forma de manuales de inspección y de mantenimiento, para uso de los inspectores visitantes. Los procedimientos deberían incluir los detalles de la notificación y de las actuaciones de seguimiento que se realicen posteriormente. El inspector debería ocuparse, en particular, de los aspectos siguientes de las operaciones en la estación:

a) Funcionamiento de los instrumentos. Los instrumentos que requieran calibración deberán ser verificados, contrastándolos con un patrón adecuado. La presión atmosférica es la observación más pertinente, ya que todos los barómetros emplazados in situ pueden experimentar cierto grado de deriva. Deberán verificarse los sistemas mecánicos y eléctricos de registro conforme a procedimientos establecidos. Otros equipos más complejos, como las estaciones meteorológicas automáticas y los radares, necesitan someterse a diversos tipos de verificaciones físicas y eléctricas. Los anemómetros y las garitas meteorológicas son especialmente propensos a sufrir diversos tipos de deterioro, que podrían viciar los datos. Debería examinarse el estado físico de todos los aparatos (por ejemplo, presencia de polvo, corrosión, etc.). b) Métodos de observación. Es fácil adquirir prácticas inadecuadas en los procedimientos de observación, por lo que debería supervisarse continuamente el trabajo de todos los observadores. La uniformidad en los métodos de toma de registros, cifrado y codificación es esencial para el uso sinóptico y climatológico de los datos. c) Exposición. Cuando sea viable, deberá documentarse y, en su momento, corregirse, todo cambio que se produzca en el entorno de la estación. Podría ser necesario cambiar de emplazamiento. Las inspecciones de las estaciones manuales permiten también mantener el interés y el entusiasmo de los observadores. El inspector deberá ser prudente, informativo, entusiasta, y capaz de obtener cooperación de buen grado. Para cada inspección debería cumplimentarse un formulario preparado para dejar constancia de la inspección. En él se debería incluir una lista de comprobación del estado y de la instalación del equipo, así como de la capacidad y competencia de los observadores. El formulario de inspección podrá utilizarse también para otros fines administrativos, por ejemplo los inventarios. Es muy importante dejar siempre constancia y tomar nota de la fecha de todos los cambios percibidos durante la inspección, a fin de poder confeccionar un historial de la estación que sea posteriormente de utilidad para estudios climáticos u otros fines. En general, no es posible especificar una frecuencia óptima de las visitas de inspección, ni tan siquiera para un tipo particular de estación. Aquella dependerá de la calidad de los observadores y del equipo,

CAPÍTULO 1. GESTIÓN DE LA CALIDAD

de la rapidez con que se deterioren el equipo y la exposición, y de los cambios que se produzcan en el personal e instalaciones de la estación. Para una estación adecuadamente organizada, podría ser aceptable un intervalo de inspección de dos años y, para las estaciones automáticas, seis meses podría ser un plazo apropiado. En algunos tipos de estación habrá requisitos de inspección especiales.

III.1-19

Una parte del mantenimiento del equipo podrá ser efectuada por el inspector o por el grupo de inspección, en función de las aptitudes de estos. Por lo general, debería haber un programa de mantenimiento del equipo, al igual que se hace con las inspecciones. Este tema no se examinará en el presente texto, ya que las necesidades y las posibles formas de organización son muy diversas.

III.1-20

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA Deming, W. E., 1986: Out of the Crisis: Quality, Productivity and Competitive Position. University of Cambridge Press, Cambridge. Kaplan, R. S., D. P. Norton, 1996: The Balanced Scorecard: Translating Strategy into Action. Harvard Business School Press, Boston. Miller, P. A. y L. L. Morone, 1993: Real-time quality control of hourly reports from the automated surface observing system. Preprints of the Eighth Symposium on Meteorological Observations and Instrumentation. American Meteorological Society, Boston, págs. 373 a 378. Organización Internacional de Normalización (ISO), 2005: Quality management systems – Fundamentals and vocabulary. ISO 9000:2005. Organización Internacional de Normalización (ISO), 2000: Quality management systems – Requirements. ISO 9001:2000. Organización Internacional de Normalización (ISO), 2000: Quality management systems – Guidelines for performance improvements. ISO 9004:2000. Organización Internacional de Normalización (ISO), 2002: Guidelines for quality and/or environmental management systems auditing. ISO 19011:2002. Organización Internacional de Normalización/Comisión Electrotécnica Internacional (ISO/IEC), 2005: General requirements for the competence of testing and calibration laboratories. ISO/IEC 17025:2005. Organización Internacional de Normalización/Comisión Electrotécnica Internacional (ISO/IEC), 2005: Information technology – Service management – Part 1: Specification. ISO/IEC 20000-1:2005. Organización Internacional de Normalización/Comisión Electrotécnica Internacional (ISO/IEC), 2005 y 2012: Information technology – Service management – Part 2: Code of practice. ISO/IEC 20000-2:2005-12, Ginebra. Organización Meteorológica Mundial, 1988: Practical experience of the operation of quality

evaluation programmes for automated surface observations both on land and over the sea (M. Field y J. Nash). Artículos presentados en la Conferencia Técnica de la OMM sobre Instrumentos y Métodos de Observación (TECO-1988), Informe nº 33 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 222, Ginebra, págs. 335 a 340. Organización Meteorológica Mundial, 1993a: Guía del Sistema Mundial de Proceso de Datos. OMM-Nº 305, Ginebra. Organización Meteorológica Mundial, 1993b: Historical Changes in Radiosonde Instruments and Practices (D. J. Gaffen). Informe nº 50 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 541, Ginebra. Organización Meteorológica Mundial, 1994: Homogeneity of data and the climate record (K. D. Hadeen y N. B. Guttman). Artículos presentados en la Conferencia Técnica de la OMM sobre Instrumentos y Métodos de Observación (TECO-94), Informe nº 57 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 588, Ginebra, pags. 3 a 11. Organización Meteorológica Mundial, 2005a: Quality Management Framework (QMF). Primer informe técnico de la OMM (edición revisada), WMO/TD-No. 1268. Organización Meteorológica Mundial, 2005b: Guidelines on Quality Management Procedures and Practices for Public Weather Services. PWS-11, WMO/TD No. 1256, Ginebra. Organización Meteorológica Mundial, 2010a: Guía del Sistema Mundial de Observación. OMM-Nº 488, Ginebra. Organización Meteorológica Mundial, 2010b: Manual del Sistema Mundial de Proceso de Datos y de Predicción. OMM-Nº 485, Ginebra. Organización Meteorológica Mundial, 2010c: Manual del Sistema Mundial de Observación. Volumen I – Aspectos mundiales, OMM-Nº 544, Ginebra.

CAPÍTULO 2. MUESTREO DE VARIABLES CAPÍTULO 2 METEOROLÓGICAS

III.2-1

MUESTREO DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

2.1

GENERALIDADES

El presente capítulo está concebido como una introducción a este tema complejo, destinada a aquellos que no son especialistas pero que necesitan disponer de los conocimientos suficientes para comprenderlo en términos generales y para formarse una idea de la importancia de las técnicas. Variables atmosféricas tales como la velocidad del viento, la temperatura, la presión y la humedad son funciones de cuatro dimensiones: dos horizontales, una vertical y una temporal. En todas ellas las variaciones son irregulares, y la finalidad perseguida al estudiar el muestreo es definir procedimientos de medición prácticos a fin de obtener observaciones representativas con un grado de incertidumbre aceptable en las estimaciones de los valores medios y de la variabilidad. El estudio del muestreo en las dimensiones horizontales incluye la representatividad del área de medición, que se aborda en el capítulo 1 de la parte I, en otros capítulos relativos a la medición de determinadas magnitudes, y sucintamente a continuación. Abarca asimismo el diseño de redes, que constituye un tema de estudio especial relacionado con el análisis numérico, y la medición de magnitudes integradas en área mediante radares y satélites; ninguno de estos dos temas se examinará en el presente texto. El muestreo vertical se examina brevemente en los capítulos 12 y 13 de la parte I y en el capítulo 5 de la parte II. Así pues, el presente capítulo está dedicado únicamente al muestreo en función del tiempo, a excepción de algunos comentarios generales sobre la representatividad. El tema puede abordarse en los dos niveles siguientes: a) Podría estudiarse, a un nivel elemental, el problema meteorológico básico de obtener el valor medio de una magnitud fluctuante representativa de un intervalo de muestreo establecido en un período de tiempo dado, empleando sistemas de instrumentos cuyos tiempos de respuesta sean largos comparados con las fluctuaciones. Al nivel más simple, esto implica la consideración de las estadísticas de un conjunto de mediciones y del tiempo de respuesta de los instrumentos y circuitos electrónicos. b) El problema podría estudiarse con mayor precisión aplicando la teoría de análisis mediante

series temporales, el concepto de espectro de fluctuaciones y el comportamiento de los filtros. Estas materias son necesarias para estudiar el problema más complejo del empleo de instrumentos de respuesta relativamente rápida para obtener mediciones satisfactorias del valor medio o del espectro de una magnitud rápidamente variable, siendo el viento el ejemplo más destacado. Será, pues, conveniente comenzar por una exposición de las series temporales, los espectros y los filtros, en las secciones 2.2 y 2.3. En la sección 2.4 se brindan consejos prácticos sobre muestreo. La mayor parte de estas consideraciones presupondrán el empleo de técnicas digitales y de procesamiento automático. Es importante tener presente que nunca se muestrea realmente una variable atmosférica. Como máximo, se muestrea el resultado de un sensor de esa variable. Esta distinción es importante, ya que los sensores no proporcionan una analogía exacta de la variable percibida. Por lo general, los sensores responden con mayor lentitud que los cambios atmosféricos, y añaden ruido. Los sensores tienen también otros efectos, por lo general indeseables, como producir derivas de la calibración, responder de forma no lineal, interferir con la magnitud que están midiendo, fallar más a menudo de lo que se desea, etc., aunque en el presente texto se abordarán únicamente la respuesta y la adición de ruido. Son muchos los libros de texto en los que se puede encontrar la información general necesaria para diseñar sistemas de muestreo o para estudiar datos muestreados. Véanse, por ejemplo, Bendat y Piersol (1986), o bien Otnes y Enochson (1978). Otros textos de utilidad son Pasquill y Smith (1983), Stearns y Hush (1990), Kulhánek (1976), y Jenkins y Watts (1968). 2.1.1

Definiciones

En el presente capítulo se utilizarán las definiciones siguientes: Un muestreo es el proceso empleado para obtener una secuencia discreta de mediciones de una magnitud.

III.2-2

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Una muestra es una medición individual, por lo general una de una serie de lecturas puntuales de un sistema sensor. Obsérvese que esta definición difiere de la empleada habitualmente en estadística, que se refiere a un conjunto de números o mediciones que forma parte de una población.

limitado y sobre un área limitada. En la práctica, las observaciones deberían ser lo suficientemente frecuentes para ser representativas de las partes no muestreadas de la variable (continua), y a menudo se consideran representativas de un intervalo de tiempo y un área mayores.

Una observación es el resultado de un proceso de muestreo, y es la magnitud notificada o registrada (denominada también con frecuencia “medición”). En el contexto del análisis de series temporales, una observación se obtiene a partir de cierto número de muestras.

El usuario de una observación espera de ella que sea representativa, o típica, de un área e instante, y de un período de tiempo. El área puede ser, por ejemplo, un aeropuerto, o una extensión de varios kilómetros de radio visible sin dificultad para un observador humano. El tiempo es el instante en que se efectúa el informe o se transmite el mensaje, y el intervalo es una cantidad convenida, a menudo de 1, 2 o 10 minutos.

Una medición, según la ISO, es el “conjunto de operaciones encaminadas a determinar el valor de una magnitud”. En el uso habitual, este término puede emplearse para designar el valor de una muestra o de una observación. El tiempo de muestreo o período de observación es el período de tiempo durante el que se toma determinado número de muestras en el transcurso de una observación. El intervalo de muestreo es el tiempo transcurrido entre observaciones sucesivas. La función de muestreo o función de ponderación es, en los términos más simples, un algoritmo para promediar o filtrar las muestras individuales. La frecuencia de muestreo es la frecuencia con que se toman las muestras. El espaciamiento de muestreo es el tiempo transcurrido entre muestras. Se denomina suavizado al proceso de atenuación de los componentes de alta frecuencia del espectro sin afectar de manera significativa a las frecuencias más bajas. Se suele emplear para eliminar ruido (errores y fluctuaciones aleatorios ajenos a la aplicación). Un filtro es un dispositivo empleado para atenuar o seleccionar determinadas frecuencias. El suavizado se realiza mediante un filtro de paso bajo, y los términos suavizado y filtrado suelen utilizarse indistintamente en este sentido. Sin embargo, existen también filtros de paso alto y de paso de banda. El filtrado puede ser una propiedad del instrumento, como la inercia, o bien puede realizarse por medios electrónicos o numéricos. 2.1.2

Representatividad en el tiempo y en el espacio

Las observaciones de muestreo se realizan con una frecuencia limitada, durante un intervalo de tiempo

Para que las observaciones sean representativas, se exponen los sensores a alturas estándar, en lugares despejados, y se procesan las muestras para obtener los valores medios. En algunos casos los sensores, por ejemplo los transmisómetros, obtienen por su propia naturaleza un promedio espacial, contribuyendo así a la representatividad de la observación. Otro ejemplo a este respecto es la observación humana de la visibilidad. Sin embargo, en lo que resta del capítulo se ignorará el muestreo espacial para centrarse en el muestreo temporal de las mediciones realizadas en un punto. Un ejemplo típico de muestreo y de promediado a lo largo del tiempo consistiría en la medición de temperatura minuto a minuto (las muestras), el cálculo de un promedio a lo largo de diez minutos (es decir, el intervalo de muestreo y la función de muestreo), y la transmisión de dicho promedio (la observación) en un informe sinóptico cada tres horas. Cuando estas observaciones se obtienen durante un período de tiempo en un mismo lugar, ellas mismas se convierten en muestras a lo largo de una nueva secuencia temporal, con un espaciamiento de tres horas. Cuando se toman en un gran número de lugares, dichas observaciones se convierten también en muestras, conforme a una secuencia espacial. En este sentido, las observaciones representativas son también muestras representativas. En el presente capítulo se abordará el tema de la observación inicial. 2.1.3

Los espectros de magnitudes atmosféricas

Aplicando la operación matemática conocida como transformada de Fourier, una función irregular del tiempo (o de la distancia) puede ser reducida a su espectro, que es la suma de un gran número de

CAPÍTULO 2. MUESTREO DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

III.2-3

S(n)

0,01 0.01

1 1

100 100

Ciclos/hora Cycles/hour

Frecuencia Frequency

300 300

1 1

0,01 0.01

Hours Horas

Period Período

Figura 2.1. Espectro típico de una magnitud meteorológica

sinusoides, cada una de ellas con su propia amplitud, longitud de onda (o período, o frecuencia) y fase. En contextos amplios, estas longitudes de onda (o frecuencias) definen “escalas” o “escalas de movimiento” de la atmósfera. El alcance de estas escalas es limitado en la atmósfera. En un extremo del espectro, las escalas horizontales no pueden exceder de la circunferencia de la Tierra, es decir, de 40 000 kilómetros. Para fines meteorológicos, las escalas verticales no exceden de algunas decenas de kilómetros. En la dimensión temporal, sin embargo, las escalas de mayor extensión son las climatológicas y, en principio, no tienen límite, aunque en la práctica el período más largo no excede de la longitud de los registros. En el extremo corto, la disipación viscosa de energía turbulenta en forma de calor establece un límite inferior. Cerca de la superficie de la Tierra, este límite está determinado por una longitud de onda de algunos centímetros, y aumenta con la altura hasta llegar a unos cuantos metros en la estratosfera. En la dimensión temporal, estas longitudes de onda corresponden a frecuencias de decenas de hercios. Sería correcto decir que las variables atmosféricas son de ancho de banda limitado.

La figura 2.1 muestra una representación esquemática del espectro de una magnitud meteorológica tal como el viento, medida teóricamente en una estación y en un instante determinados. El eje de ordenadas, denominado habitualmente energía o densidad espectral, está relacionado con la varianza de las fluctuaciones del viento para cada frecuencia n. El espectro de la figura 2.1 tiene un mínimo de energía en la mesoescala en torno a un ciclo por hora, entre máximos en la escala sinóptica en torno a un ciclo cada cuatro días, y en la microescala en torno a un ciclo por minuto. Las longitudes de onda más cortas son de unos pocos centímetros, y las frecuencias más grandes, de decenas de hercios.

2.2

SERIES TEMPORALES, ESPECTROS DE POTENCIA Y FILTROS

La presente sección es una introducción a los conceptos del análisis de series temporales, dirigida al lector no especializado, que constituye uno de los fundamentos de una buena práctica de muestreo. En el contexto de esta Guía, son particularmente importantes para la medición del viento, pero idénticos problemas plantean la temperatura, la presión

III.2-4

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

y otras magnitudes. Adquirieron importancia para las mediciones meteorológicas de rutina cuando se introdujeron las mediciones automáticas, que permitían realizar muestreos rápidos y frecuentes. Se pueden producir errores graves en la estimación de los valores medios, de los valores extremos y del espectro si los sistemas no han sido diseñados adecuadamente. Aunque las mediciones de espectros no sean habituales, tienen numerosas aplicaciones. El espectro de viento es importante en ingeniería, y en relación con la dispersión, la difusión y la dinámica atmosféricas. Los conceptos aquí estudiados se utilizan también en el ámbito del análisis cuantitativo de datos satelitales (en la dimensión espacial horizontal), así como en climatología y en micrometeorología. En resumen, el argumento es el siguiente: a) puede evaluarse una frecuencia de muestreo óptima considerando la variabilidad de la magnitud que se somete a medición; las estimaciones del valor medio y de otros parámetros estadísticos de las observaciones conllevarán incertidumbres menores para frecuencias de muestreo más altas, es decir, para muestras más grandes; b) el teorema de Nyquist afirma que una magnitud en fluctuación continua puede determinarse con precisión mediante una serie de muestras de espaciamiento fijo, siempre que estén lo suficientemente próximas; c) si la frecuencia de muestreo es demasiado baja, las fluctuaciones a las frecuencias no muestreadas más altas (por encima de la frecuencia de Nyquist, que se define en la sección 2.2.1) afectarán a la estimación del valor medio, y también lo harán al cálculo de las frecuencias más bajas con lo que el espectro medido será incorrecto; la señal espuria, de baja frecuencia, que aparece en estos casos, como consecuencia de esa baja frecuencia de muestreo, se denomina aliasing o solapamiento, y puede dar lugar a errores importantes si no se conocen sus mecanismos y si no se tiene en cuenta al diseñar los sistemas; d) el solapamiento puede evitarse empleando una frecuencia de muestreo elevada o realizando un filtrado de las altas frecuencias de modo que se pueda utilizar una frecuencia de muestreo más baja y más adecuada; e) los filtros pueden ser digitales o analógicos, y un sensor con un tiempo de respuesta suficientemente largo actúa como filtro. Para entender a fondo lo que es un muestreo hay que saber lo que son los espectros de potencia, el teorema de Nyquist, el filtrado, y la respuesta de

los instrumentos. Se trata de un tema muy especializado, que conlleva conocer: las características de los sensores utilizados; la manera en que se acondiciona, se procesa y se registra cronológicamente la señal de salida de los sensores; las propiedades físicas de los elementos que se miden; y la finalidad a que se destinará el análisis. Para ello, a su vez, es necesario conocer en profundidad la física de los instrumentos, la teoría de los sistemas electrónicos o de otro tipo utilizados en los procesos de acondicionamiento y registro cronológico, y también matemáticas y estadística, así como la meteorología de los fenómenos, todo lo cual excede del alcance del presente texto. Sin embargo, un lego puede llegar a comprender los principios en que se basa una buena práctica de medición de valores medios y extremos, y a hacerse una idea de los problemas que plantea la medición de espectros. 2.2.1

Análisis de series temporales

Será necesario considerar las señales como valores pertenecientes al dominio de tiempo o al de frecuencias. La idea fundamental en que se basa el análisis espectral es el concepto de transformada de Fourier. Una función, ƒ(t), definida entre t = 0 y t = τ puede ser transformada en la suma de un conjunto de funciones sinusoidales: ∞

ƒ(t) = Σ [Aj sin( jω t) + Bj cos( jω t)]

(2.1)

j=0

donde ω = 2π/τ . El miembro derecho de esta ecuación es una serie de Fourier. Aj y Bj son las amplitudes de las contribuciones de los componentes a las frecuencias nj = jω. Esta es la transformada básica entre el dominio de tiempo y el de frecuencias. Los coeficientes de Fourier Aj y Bj están directamente relacionados con la frecuencia jω, y pueden asociarse a las contribuciones espectrales a ƒ(t) a estas frecuencias. Si se conoce la respuesta de frecuencia de un instrumento, es decir, la manera en que este amplifica o atenúa ciertas frecuencias, y en qué manera dichas frecuencias contribuyen a la señal original, puede calcularse el efecto de la respuesta de frecuencia sobre la señal de salida. La contribución de cada frecuencia se caracteriza mediante dos parámetros. Lo más adecuado es utilizar la amplitud y la fase del componente frecuencia. Así, si se expresa la ecuación 2.1 en la forma alternativa: ∞

ƒ(t) = Σ [α j sin (jω t + φj )] j=0

(2.2)

CAPÍTULO 2. MUESTREO DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

III.2-5

L1 (S)

S(n) K1

(a)

a K2

(b)

L2

b

(c) 0

ny

2ny

c 3ny

4ny

K3 n

Figura 2.2. Ilustración esquemática del solapamiento de un espectro calculado a partir de una serie temporal estacionaria. El espectro solo puede calcularse en la banda de frecuencias comprendida entre cero y la frecuencia de Nyquist, ny . Los valores verdaderos de las energías a frecuencias más altas se indican mediante los sectores señalados como a, b, c. Estos valores se “pliegan” hacia atrás en el sector comprendido entre n = 0 y ny , como se indica mediante las líneas discontinuas a), b) y c). El espectro calculado, que se muestra en la línea discontinua (S), incluye la suma de estos valores.

la amplitud y la fase asociadas a cada contribución espectral serán α j y φ j . Ambas pueden resultar afectadas durante el muestreo y el procesamiento. Hasta ahora se ha supuesto que la función ƒ(t) es conocida de manera continua en todo su recorrido desde t = 0 hasta t = τ. En la mayoría de los casos, sin embargo, no suele ser así; la variable meteorológica se mide en puntos discretos con arreglo a una serie temporal, que es una serie de N muestras tomadas a un mismo intervalo ∆t durante un período especificado τ = (N – 1)∆t. Se supone que las muestras se toman instantáneamente, lo que no es estrictamente cierto, ya que todos los dispositivos de medición requieren un cierto tiempo para determinar el valor que miden. En la mayoría de los casos, este tiempo es breve comparado con el espaciamiento de la muestra, ∆t. Incluso en los casos en que no sea así, se puede incorporar al análisis el

tiempo de respuesta del sistema de medición, aunque este tema no se abordará aquí. Si se consideran los datos que se obtendrían muestreando una función sinusoidal a intervalos ∆t, puede apreciarse que la frecuencia más alta que es posible detectar es 1/(2∆t), y que en la realidad toda sinusoide de frecuencia más alta que aparezca en la serie temporal estará representada en los datos como si su frecuencia fuera más baja. La frecuencia 1/(2∆t ) se denomina frecuencia de Nyquist, y se designará en lo sucesivo como ny . La frecuencia de Nyquist se denomina también a veces frecuencia de plegado, en referencia al solapamiento de los datos. El concepto está representado esquemáticamente en la figura 2.2. Lo que sucede es que, cuando se realiza un análisis espectral de una serie temporal, el hecho de que los datos sean discretos hace que la contribución a la estimación, a la

III.2-6

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

frecuencia n, también contenga contribuciones de frecuencias superiores, concretamente de 2 jny ± n ( j = 1 a ∞). Esta situación se puede visualizar considerando el dominio de frecuencias como si estuviera plegado, en forma de concertina, a n = 0 y n = ny , y así sucesivamente en intervalos de ny . La estimación espectral para cada frecuencia del recorrido de valores es la suma de todas las contribuciones de las frecuencias más altas que están por encima de ella. En la sección 2.4.2 se examinarán los efectos del solapamiento en la práctica. En principio, el problema que plantea es grave, y hay que tenerlo en cuenta en el diseño de sistemas de instrumentos. Se puede evitar minimizando o anulando la intensidad de la señal a las frecuencias superiores a ny . Esto se puede conseguir de dos maneras. En primer lugar, el sistema puede contener un filtro de paso bajo que atenúe las contribuciones a frecuencias superiores a ny antes de digitalizar la señal. La única desventaja es que la cadencia temporal y la magnitud de los cambios rápidos no se registrarán bien, o no se registrarán en absoluto. El segundo método consiste en hacer ∆t suficientemente pequeño, de modo que las contribuciones por encima de la frecuencia de Nyquist sean insignificantes. Ello es posible gracias a que el espectro de la mayoría de las variables meteorológicas decae muy rápidamente a frecuencias muy altas. Sin embargo, este segundo método no siempre será viable: al igual que en el ejemplo de las mediciones de temperatura cada tres horas, si ∆t es del orden de horas, las fluctuaciones en la pequeña escala, del orden de minutos o segundos, pueden tener valores espectrales relativamente grandes y producir fuertes solapamientos. Cuando este sea el caso, el primer método podría resultar apropiado.

2.2.2

La medición de espectros

La densidad espectral, al menos según la estimación obtenida de una serie temporal, se define como sigue: 2

2

2

S(nj ) = (A j + B j )/nj = α j /nj

(2.3)

Obsérvese que en este caso la fase no aparece. El espectro de una magnitud fluctuante puede medirse de varias maneras. En ingeniería eléctrica solía determinarse haciendo pasar la señal por filtros de paso de banda y midiendo la potencia de salida. Seguidamente, el valor obtenido se relacionaba con la potencia de la frecuencia central del filtro.

Existen varias maneras de abordar los análisis espectrales numéricos de una serie temporal. La más evidente consiste en aplicar directamente una transformada de Fourier de la serie temporal. En tales casos, como la serie tiene un número finito de términos, habrá solo un número finito de componentes de frecuencia en la transformada. Si la serie contiene N términos, habrá N/2 frecuencias como resultado del análisis. Un cálculo directo resultaría muy laborioso, por lo que se han desarrollado otros métodos. La primera idea al respecto apareció en Blackman y Tukey (1958), donde se relacionaba la función de autocorrelación con las estimaciones de diversas funciones espectrales. (La función de autocorrelación r(t) es el coeficiente de correlación calculado entre términos de la serie temporal separados por un intervalo de tiempo t). Este método era apropiado para la baja capacidad de computación de las décadas de 1950 y 1960, pero en la actualidad ha quedado relegado por la denominada transformada rápida de Fourier (TRF), que se basa en las propiedades generales de las computadoras digitales para acelerar considerablemente los cálculos. La limitación principal de este método es que la serie deberá contener 2k términos, donde k es un valor entero. En general, este problema no es grave, ya que en la mayoría de los casos se dispone de datos suficientes para organizar convenientemente la serie hasta llegar a esa longitud. Alternativamente, algunos programas de computadora de TRF pueden utilizar un número arbitrario de términos y añadir datos sintéticos hasta completar los 2k. Puesto que la serie temporal es de duración finita (N términos), representa solo una muestra de la señal que interesa. Así pues, los coeficientes de Fourier vienen a ser solo una estimación del valor verdadero, es decir, poblacional. Para mejorar la fiabilidad, es habitual promediar cierto número de términos a cada lado de determinada frecuencia, y asignar el promedio al valor de esa frecuencia. Con ello, se reduce el intervalo de confianza de la estimación. Por regla general, se considera que 30 grados de libertad son suficientes a efectos prácticos. Por consiguiente, como cada estimación efectuada durante la transformada de Fourier tiene 2 grados de libertad (asociados a los coeficientes de los términos seno y coseno), lo habitual es promediar unos 15 términos. Obsérvese que 16 es un número mejor si se utiliza una TRF, ya que es igual a 24 y entonces hay exactamente 2k/24 (= 2k–4) estimaciones espectrales; por ejemplo, si la serie tiene 1 024 términos (esto es, k = 0), habrá 512 estimaciones de las A y de las B, y 64 (= 210–4) estimaciones suavizadas.

CAPÍTULO 2. MUESTREO DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

La utilización de estos análisis es, cada vez más, parte integrante de los sistemas meteorológicos, y reviste interés no solo para el análisis de datos. La forma exacta de los espectros con que se trabaja en meteorología puede tener conformaciones muy diversas. Como se puede imaginar, las contribuciones pueden provenir de las frecuencias más bajas, como en el caso del cambio climático, o de periodicidades anuales o estacionales, o de episodios sinópticos con períodos de varios días, o de una periodicidad diurna (por días completos) o semidiurna, y tanto para episodios de mesoescala locales como para turbulencias o variaciones moleculares. Para la mayoría de las aplicaciones meteorológicas, incluido el análisis sinóptico, el interés se cifra en el rango de valores de entre minutos y segundos. A estas frecuencias, lo normal es que el espectro disminuya muy rápidamente con la frecuencia. Para períodos inferiores a un minuto, el espectro suele presentar valores proporcionales a n –5/3. De ese modo, la contribución de frecuencias superiores a 1 Hz suele ser relativamente pequeña. Una de las propiedades importantes del espectro es que: ∞

Σ S(n ) = σ

j=0

2

(2.4)

j

donde σ 2 es la varianza de la magnitud que se mide. A efectos del análisis, muchas veces es con-

III.2-7

veniente expresar el espectro de forma continua, de modo que la ecuación 2.4 se convierta en: ∞

∫ S(n) dn = σ 2 0

De las ecuaciones 2.4 y 2.5 se infiere que los cambios producidos en el espectro, por ejemplo por el sistema de instrumentos, alterarán el valor de σ 2 y, por consiguiente, las propiedades estadísticas de los valores de salida en comparación con los de entrada. Esta consideración puede ser importante en el diseño de instrumentos y en el análisis de datos. Obsérvese también que el miembro izquierdo de la ecuación 2.5 es el área abarcada por la curva de la figura 2.2. Dicha área, y por consiguiente la varianza, no resulta afectada por solapamiento si la serie temporal es estacionaria, es decir, si su espectro no cambia de vez en cuando. Respuesta del sistema de instrumentos

2.2.3

Los sensores, y los circuitos electrónicos que se pueden utilizar con ellos, incluidos los sistemas de instrumentos, tienen tiempos de respuesta y características de filtrado que afectan a las observaciones.

1,0 1.0

Respuesta relativa Relative response

0.8 0,8

0.6 0,6

0.4 0,4

0,2 0.2

0

T

I

(2.5)

2T I

3T

I

4T

I

Tiempo Time

Figura 2.3. Respuesta de un sistema de primer orden ante una función escalonada. En el instante T(I) el sistema ha alcanzado el 63 por ciento de su valor final.

III.2-8

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN 2.0 2,0

Respuesta relativa Relative response

0.1 0,1 1.5 1,5 0.7 0,7

1.0 1,0

2.0 2,0

0,5 0.5

p N

2p N

Tiempo Time

Figura 2.4. Respuesta de un sistema de segundo orden ante una función escalonada. pN es el período natural, relacionado con k1 en la ecuación 2.7, que, para una veleta, depende de la velocidad del viento. Las curvas que se muestran son los factores de amortiguamiento con valores de 0,1 (amortiguamiento muy ligero), 0,7 (amortiguamiento crítico, óptimo para la mayoría de los casos) y 2,0 (amortiguamiento fuerte). El factor de amortiguamiento está relacionado con k2 en la ecuación 2.7.

Ningún sistema de instrumentos meteorológicos, o, para lo que importa en este texto, ningún sistema de instrumentos, va describiendo con exactitud la magnitud que mide. En términos generales, no existe una manera simple de describir la respuesta de un sistema, aunque hay aproximaciones razonables. La más simple puede clasificarse en términos de respuestas de primero y de segundo orden. Esta denominación hace referencia al orden de la ecuación diferencial que se utiliza para aproximar la manera de responder del sistema. Para un examen detallado de los conceptos que siguen hay numerosas referencias en los textos de física y en la bibliografía (véase MacCready y Jex, 1964).

donde TI es una constante con dimensión de tiempo, característica del sistema. En un sistema de primer orden, la respuesta a una función escalonada es proporcional a exp(–t/TI ) y TI es observable como el tiempo que tarda el sistema, después de un incremento, en alcanzar el 63 por ciento de la lectura estacionaria final. La ecuación 2.6 es válida para muchos tipos de sensores, entre ellos los termómetros.

En un sistema de primer orden, como puede ser un sensor simple, o el tipo más simple de circuito de filtro de paso bajo, la velocidad con que cambia el valor registrado por el instrumento es directamente proporcional a la diferencia entre el valor registrado por el instrumento y el valor verdadero de la variable. Así, si el valor verdadero en el instante t es s(t) y el valor medido por el sensor es s0(t), el sistema viene descrito por la ecuación diferencial de primer orden:

Un anemómetro de cazoletas es un instrumento de primer orden, con la propiedad especial de que TI no es constante. Varía con la velocidad del viento y, de hecho, el parámetro s0TI se denomina constante de distancia, ya que es prácticamente constante. Como puede verse en este caso, la ecuación 2.6 no es ya una simple ecuación de primer orden, dado que ahora es no lineal y su solución plantea, por consiguiente, problemas importantes. Un problema añadido radica en que TI depende también de si las cazoletas están acelerando o ralentizando; es decir, de si el miembro de la derecha es positivo o negativo. Esto ocurre porque el coeficiente de arrastre de una cazoleta es menor cuando el flujo de aire es frontal que cuando incide en su cara posterior.

ds0(t) s(t) – s0(t ) ——— = ————— dt TI

Una veleta se aproxima a un sistema de segundo orden, ya que la aceleración de la veleta en la

(2.6)

CAPÍTULO 2. MUESTREO DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

III.2-9

Factor de ponderación w Weighting factor w

Box car weighting function Función de ponderación rectangular

Función de ponderación Exponential weighting function exponencial

–4Ta

–3Ta

–2Ta

–Ta

O

Ta

Tiempo Time

Figura 2.5. Factores de ponderación para una función de ponderación de primer orden (exponencial) y para una función de ponderación rectangular. Para el tramo rectangular Ta es Ts , el tiempo de muestreo, y w = 1/N. Para la función de primer orden Ta es TI , es decir, la constante de tiempo del filtro, y w(t ) = (1/TI ) exp (–t/TI ). dirección del viento verdadero es proporcional al desplazamiento de aquella respecto de la dirección verdadera. Esta es claramente la descripción clásica de un oscilador (por ejemplo, de un péndulo). Las veletas, tanto por razones naturales como por diseño, experimentan amortiguamiento. Este efecto se debe a una fuerza resistente proporcional y de signo contrario a la velocidad de cambio. Así pues, la ecuación diferencial que describe la acción de la veleta es la siguiente: dφ 0(t) d 2φ 0(t ) ——— = k1[φ 0(t) – φ (t)] – k2——— 2 dt dt

(2.7)

donde φ es la dirección del viento verdadero; φ 0 es la dirección de la veleta; y k1 y k2 son constantes. La solución a esta ecuación es una oscilación amortiguada a la frecuencia natural de la veleta (determinada por la constante k1). Desde luego, la amortiguación es muy importante y está controlada por la constante k2. Si es demasiado pequeña, la veleta simplemente oscilará a la frecuencia natural, mientras que, si es demasiado grande, no responderá a los cambios de la velocidad del viento.

Resulta instructivo examinar cómo responden estos dos sistemas a un incremento de sus valores de entrada, ya que esta situación ejemplifica la manera en que los instrumentos responden en la realidad. Las ecuaciones 2.6 y 2.7 pueden resolverse analíticamente para esos valores de entrada. Las respuestas aparecen representadas en las figuras 2.3 y 2.4. Obsérvese que el sistema en ningún caso mide el valor real del elemento. Además, los valores escogidos para las constantes k1 y k2 pueden tener un efecto importante sobre los valores de salida. Una propiedad importante de un sistema de instrumentos es su función de respuesta en frecuencia o función de transferencia H(n). Esta función indica qué cantidad de espectro es transmitida por el sistema. Puede definirse como: S(n)sal = H(n) S(n)ent

(2.8)

donde los subíndices hacen referencia a los espectros de entrada (ent) y de salida (sal). Obsérvese que, en virtud de la relación contenida en la ecuación 2.5, la varianza de la salida depende de H(n).

III.2-10

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

1.0 1,0

0,8 0.8

H(n)

Exponential filter Filtro exponencial

Box car filter Filtro rectangular

0,6 0.6

0,4 0.4

0.2 0,2

Rectangular 0,01 0.01 Box car exponential Exponencial

0.1 0,1

0.01 0,01

nTs

10,0 10.0

1.0 1,0

0.1 0,1

1.0 1,0

nTI

Figura 2.6. Funciones de respuesta en frecuencia para una función de ponderación de primer orden (exponencial) y para una función de ponderación rectangular. La frecuencia está normalizada para el filtro de primer orden mediante la constante de tiempo TI , y para el filtro rectangular mediante el tiempo de muestreo Ts .

H(n) define el efecto del sensor como filtro, tal como se examina en la sección siguiente. En la sección 2.3 se exponen diversas formas para calcular o medir este valor. 2.2.4

Filtros

En esta sección se examinarán las propiedades de los filtros, describiendo mediante ejemplos en qué manera pueden afectar estos a los datos. El filtrado consiste en el procesamiento de una serie temporal (ya sea continua o discreta, es decir, muestreada) de tal modo que el valor asignado en un instante dado esté ponderado por los valores manifestados en otros instantes. En la mayoría de los casos, esos instantes serán inmediatos al instante dado. Así, por ejemplo, en una serie temporal discreta de N muestras numeradas de 0 a _N, con valores yi , el valor de la observación filtrada yi podría definirse como sigue:

_ m yi = Σ wj yi + j

(2.9)

j = –m

Aparecen aquí 2m + 1 términos en el filtro, numerados mediante la_variable ficticia j desde –m hasta +m, mientras que yi está centrado en j = 0. Algunos datos son rechazados al comienzo y al término del tiempo de muestreo. wj suele denominarse función de ponderación, y normalmente verifica: m

Σw =1

j = –m

j

(2.10)

de manera que al menos el promedio de la serie filtrada tendrá el mismo valor que el de la original. El ejemplo anterior está basado en un filtrado digital. Pueden obtenerse efectos semejantes mediante electrónica (por ejemplo, mediante un circuito con una resistencia y un condensador) o basándose en las características del sensor (por ejemplo, como en el caso del anemómetro, anteriormente examinado).

CAPÍTULO 2. MUESTREO DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

III.2-11

5 0.1 0,1

H(n)

4

3

2

0,7 0.7 1 2.0 2,0 1

2

3

n/n N

Figura 2.7. Funciones de respuesta en frecuencia para un sistema de segundo orden, como puede ser una veleta. La frecuencia está normalizada mediante la frecuencia natural nN , que depende de la velocidad del viento. Las curvas que se muestran son los factores de amortiguamiento con valores de 0,1 (amortiguamiento muy ligero), 0,7 (amortiguamiento crítico, óptimo para la mayoría de los casos) y 2,0 (amortiguamiento fuerte).

Tanto si es digital como analógico, un filtro está caracterizado por H(n). Si es digital, H(n) puede calcularse. Si es analógico, puede obtenerse empleando los métodos descritos en la sección 2.3. Compárese, por ejemplo, un sistema de primer orden con un tiempo de respuesta TI , y un filtro rectangular, de longitud Ts , aplicado a una serie temporal discreta obtenida de un sensor con una respuesta mucho más rápida. Las formas de estos dos filtros se muestran en la figura 2.5. En el primero, es como si el instrumento tuviera una memoria de máxima intensidad en el instante actual, que disminuye exponencialmente hacia el pasado hasta donde llegan los datos. En el filtro rectangular, todas las ponderaciones son de igual magnitud para el período Ts , e iguales a cero después de este. Las funciones de respuesta en frecuencia, H(n), para estos dos sistemas están representadas en la figura 2.6. En la figura se han representado a escala las frecuencias para poner de manifiesto la semejanza entre ambas funciones de respuesta. Se ve en ella que un instrumento con un tiempo de respuesta de 1 segundo produce aproximadamente el mismo efecto en la señal de entrada que un filtro rectangular

aplicado durante 4 segundos. Sin embargo, cabe señalar que este tipo de filtros, que se calculan numéricamente, no se comportan de manera simple. No eliminan todas las frecuencias más altas superiores a la de Nyquist, y solo pueden utilizarse válidamente si el espectro decae rápidamente por encima de ny . Obsérvese que el filtro rectangular representado en la figura 2.6 es una solución analítica para w como función continua; si el número de muestras del filtro es pequeño, el corte es menos abrupto y los picos indeseados de frecuencia más alta son mayores. En Acheson (1968) se incluyen consejos prácticos sobre los filtrados rectangular y exponencial, y una comparación de sus efectos. En la figura 2.7 se representa una función de respuesta de un sistema de segundo orden, en este caso para una veleta, y en ella puede apreciarse cómo el amortiguamiento actúa como filtro de paso de banda. Se pone de manifiesto que el procesamiento de señales por los sistemas puede influir considerablemente en los datos de salida, por lo que debe realizarse con pericia.

III.2-12

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Uno de los efectos de los filtros es la manera en que estos pueden cambiar la información estadística de los datos. El tema ha sido abordado antes, y aparece ilustrado en las ecuaciones 2.5 y 2.8. En la ecuación 2.5 puede verse que, integrando el espectro a lo largo de todas las frecuencias se obtiene la varianza de la serie temporal. La ecuación 2.8 muestra en qué manera el filtrado, por efecto de la función de transferencia, cambiará el espectro medido. Obsérvese que la varianza no siempre disminuye con el filtrado. Por ejemplo, para sistemas de segundo orden, en ciertos casos, la función de transferencia amplificará partes del espectro e incrementará posiblemente la varianza, como se muestra en la figura 2.7. Para exponer otro ejemplo: si la distribución es gaussiana, la varianza será un parámetro útil. Si el filtrado la hiciera menor, el usuario de los datos subestimaría la desviación respecto de la media de los casos que ocurrieran con probabilidades o períodos de retomo dados. También el diseño del filtro digital puede producir efectos indeseados o inesperados. Si se observa la figura 2.6, puede verse que la función de respuesta para el filtro rectangular muestra una serie de máximos a frecuencias superiores al valor en que se anula por primera vez. En consecuencia, los datos filtrados presentarán una pequeña periodicidad a esas frecuencias. En este caso, el efecto será mínimo cuando los máximos sean pequeños. Sin embargo, en algunos diseños de filtros pueden introducirse máximos bastante grandes. Por regla general, cuanto menor sea el número de ponderaciones, mayor será el problema. En algunos casos se han alegado periodicidades en los datos que se debían únicamente al filtrado de los mismos. Un tema relacionado con el concepto de filtro es el de la longitud de la muestra. Para explicarlo mediante un ejemplo, obsérvese que si la longitud del registro tiene una duración T no podrá haber ninguna contribución a la variabilidad de los datos a frecuencias inferiores a 1/T. Puede demostrarse que la longitud finita de un registro produce el efecto de un filtro de paso alto. Como en el caso de los filtros de paso bajo examinados anteriormente, un filtro de paso alto afectará también a las estadísticas de los datos de salida.

2.3

DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS

A fin de determinar la frecuencia de muestreo adecuada para la serie temporal producida por un

sensor o un circuito electrónico, o por un sistema del que formen parte, será preciso antes conocer las características de filtrado del sistema. El procedimiento consiste en medir la función de transferencia o de respuesta H(n), en la ecuación 2.8. La función de transferencia puede obtenerse por lo menos de tres maneras: por medición directa, cálculo y estimación. 2.3.1

Medición directa de la respuesta

La respuesta puede medirse directamente de dos maneras, como mínimo. Una de ellas consiste en aplicar un cambio conocido, por ejemplo una función escalonada, al sensor o al filtro, y medir su tiempo de respuesta; a partir de ahí, se puede calcular H(n). Otra consiste en comparar la salida del sensor con la de otro sensor mucho más rápido. El primero de estos métodos se utiliza más habitualmente que el segundo. Un ejemplo sencillo de determinación de la respuesta de un sensor a una señal de entrada conocida es la medición de la constante de distancia de un anemómetro de cazoletas o de hélice. En este ejemplo, la señal de entrada conocida es una función escalonada. Se sitúa el anemómetro en una corriente de aire de velocidad constante, impidiendo su rotación, y seguidamente se libera y se registran sus valores de salida. El tiempo que tardan estos valores en aumentar desde cero hasta el 63 por ciento de la velocidad final o de equilibrio en la corriente de aire será la “constante” de tiempo (véase 2.2.3). Si se dispone de otro sensor que responda mucho más rápidamente que aquel cuya respuesta se quiere determinar, resultará posible medir y comparar unas buenas aproximaciones, tanto de los valores de entrada como de los de salida. El dispositivo que probablemente más se presta para realizar la comparación es un moderno analizador digital de espectro de dos canales. La señal que sale del sensor de respuesta rápida entra a uno de los canales, y la señal saliente del sensor que se somete a prueba entra al otro canal; la función de transferencia se visualiza automáticamente. La función de transferencia describe directamente el sensor como filtro. Si el dispositivo cuya respuesta se va a determinar es un circuito electrónico, será mucho más fácil generar una señal de entrada conocida, o incluso verdaderamente aleatoria, que encontrar un sensor mucho más rápido. También en este caso lo más conveniente es, probablemente, emplear un analizador digital de espectro de dos canales, aunque se pueden utilizar otros instrumentos electrónicos de prueba.

CAPÍTULO 2. MUESTREO DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

2.3.2

Determinación de la respuesta mediante cálculo

Este método es el descrito en la sección 2.2.3. Si se conoce suficientemente la física de un sensor/filtro, se puede determinar la respuesta a muy diversas señales de entrada mediante una solución numérica o analítica. Tanto la respuesta a determinadas señales entrantes (por ejemplo, una función escalonada) como la función de transferencia son calculables. Si el sensor o circuito es lineal (es decir, está descrito por una ecuación diferencial lineal), la función de transferencia proporciona una descripción completa, ya que describe las respuestas en amplitud y en fase como una función de la frecuencia, en otras palabras, como si fuera un filtro. No siempre es conveniente considerar la respuesta como una función de la frecuencia, pero la función

Atmosphere Atmósfera

III.2-13

de transferencia tiene una transformada de Fourier equivalente, la función de respuesta de impulsos, que hace más fácil la interpretación de la respuesta como función del tiempo. Lo anterior se ilustra en las figuras 2.3 y 2.4, que representan la respuesta como una función del tiempo. Si pueden obtenerse, las soluciones analíticas son preferibles, dado que muestran claramente la dependencia respecto de los distintos parámetros. 2.3.3

Estimación de la respuesta

Si se conocen las funciones de transferencia de un transductor y de cada circuito siguiente, su producto es la función de transferencia del sistema en su conjunto. Si, como suele ocurrir, las funciones de transferencia son filtros de paso bajo, la función de transferencia total será un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte menor que la de los filtros por separado. Si una de las frecuencias de corte es mucho menor que cualquiera de las otras, la frecuencia de corte colectiva es solo ligeramente menor.

SENSOR/TRANSDUCTOR SENSOR/TRANSDUCER

Dado que la frecuencia de corte de un filtro de paso bajo es aproximadamente la inversa de su constante de tiempo, se deduce que, si una de las constantes de tiempo es mucho mayor que cualquiera de las otras, la constante de tiempo del conjunto es solo ligeramente mayor.

CIRCUITOS DE SIGNAL CONDITIONING DE CIRCUITS ACONDICIONAMIENTO SEÑAL

FILTRO DE PASO BAJO LOW-PASS FILTER

MUESTREO Y ALMACENAMIENTO SAMPLE-AND-HOLD

RELOJ CLOCK

ANALOGUE-TO-DIGITAL CONVERTER CONVERTIDOR ANALÓGICO A DIGITAL

PROCESADOR PROCESSOR

Observation Observación

Figura 2.8. Sistema de instrumentos

2.4

MUESTREO

2.4.1

Técnicas de muestreo

En la figura 2.8 se ilustra esquemáticamente un sensor y un circuito de muestreo típicos. Cuando se expone a la atmósfera, alguna de las propiedades del transductor cambia en función de alguna variable atmosférica, por ejemplo la temperatura, la presión, la velocidad o la dirección del viento, o la humedad, y convierte esa variable en una señal útil, por lo general eléctrica. Los circuitos de acondicionamiento de señal realizan habitualmente funciones tales como convertir la salida del transductor en tensión eléctrica, amplificarla, linealizarla, compensarla o suavizarla. El filtro de paso bajo, por último, prepara la señal de salida del sensor para introducirla en el dispositivo de muestreo y almacenamiento. El circuito de muestreo y almacenamiento y el convertidor de analógico a digital

III.2-14

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

producen las muestras a partir de las cuales se computa la observación en el procesador. Conviene señalar que el suavizado realizado en la etapa de acondicionamiento de la señal por razones de ingeniería, para eliminar los picos y estabilizar la electrónica, se realiza mediante un filtro de paso bajo que reduce el tiempo de respuesta del sensor y elimina frecuencias altas que pudieran ser de interés. Su efecto debería ser comprendido claramente por el diseñador y por el usuario, y su frecuencia de corte tendría que ser tan alta como fuera posible. Los denominados “sensores inteligentes”, dotados de microprocesadores, pueden incorporar todas las funciones indicadas. Los circuitos de acondicionamiento de señal podrían no existir en todos los sensores, o podrían estar combinados con otros circuitos. En otros casos, por ejemplo el anemómetro de cazoletas giratorias o de hélice, sería fácil hablar solo de un sensor, ya que es complicado distinguir un transductor. En los pocos casos en que la salida de un transductor o de un sensor es una señal cuya frecuencia varía con la variable atmosférica que se mide, el circuito de muestreo y almacenamiento y el convertidor de analógico a digital pueden sustituirse por un contador. Pero estos detalles no son importantes. El elemento importante del diseño consiste en asegurarse de que la secuencia de muestreo representa adecuadamente los cambios apreciables de la variable atmosférica que se está midiendo. La primera condición que deben cumplir los dispositivos que se muestran en la figura 2.8 es que el sensor responda con rapidez suficiente para seguir las fluctuaciones atmosféricas que se describirán en la observación. Si la observación va a ser un promedio a lo largo de uno, dos o diez minutos, este requisito no es muy exigente. Por otra parte, si lo que se va a observar es algún fenómeno de turbulencia, por ejemplo el pico de una ráfaga de viento, el sensor deberá escogerse cuidadosamente. La segunda condición que deben cumplir los dispositivos que se muestran en la figura 2.8 es que el circuito de muestreo y almacenamiento y el convertidor de analógico a digital proporcionen muestras suficientes para realizar una buena observación. La exactitud que se requiere de las observaciones meteorológicas suele poner a prueba al sensor, no a la tecnología electrónica de muestreo. Sin embargo, el sensor deberá corresponder al muestreo, para evitar solapamiento. Si, por razones técnicas, se limita la frecuencia de muestreo, el sistema sensor/filtro deberá estar diseñado de modo que elimine las frecuencias que no se pueden representar.

Si el sensor tiene una función de respuesta adecuada, el filtro de paso bajo podrá omitirse, o incorporarse por seguridad o para mejorar la calidad de la señal de entrada al circuito de muestreo y almacenamiento. Por ejemplo, puede incluirse un filtro de este tipo para eliminar la captación de ruido en el extremo de un cable largo, o para suavizar aún más la señal de salida del sensor. Desde luego, este circuito deberá responder también con rapidez suficiente para seguir las fluctuaciones atmosféricas que interesen.

2.4.2

Frecuencias de muestreo

Para la mayoría de las aplicaciones meteorológicas y climatológicas se requiere efectuar observaciones a intervalos de entre media hora y 24 horas, y cada observación se efectúa con un tiempo de muestreo del orden de 1 a 10 minutos. En el anexo 1.D del capítulo 1 de la parte I de la presente Guía se reproduce una lista reciente de requisitos con ese fin. Una práctica habitual en las observaciones de rutina consiste en tomar una lectura puntual del sensor (por ejemplo, un termómetro), y contar con su constante de tiempo para proporcionar un tiempo de muestreo aproximadamente correcto. Ello equivale a utilizar un filtro exponencial (figura 2.6). Las estaciones meteorológicas automáticas suelen utilizar sensores más rápidos, y resulta necesario efectuar y procesar varias lecturas puntuales para obtener un promedio (filtro rectangular) u otra media adecuadamente ponderada. Un esquema práctico recomendado para las frecuencias de muestreo es el siguiente1: a) las muestras tomadas para calcular promedios deberían obtenerse a intervalos de tiempo equidistantes que: i) no sean superiores a la constante de tiempo del sensor; o bien; ii) no sean superiores a la constante de tiempo de un filtro de paso bajo analógico que siga la señal de salida linealizada de un sensor de respuesta rápida; o bien; iii) su número sea suficiente para asegurar que la incertidumbre del promedio de las muestras se reduce a un nivel aceptable; por ejemplo, menor que la exactitud que se requiera del promedio;

1

Recomendación 3 (CIMO-X) adoptada por la Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación en su décima reunión, 1989.

CAPÍTULO 2. MUESTREO DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

b) las muestras que se utilicen para estimar valores extremos de las fluctuaciones, por ejemplo de ráfagas de viento, deberían tomarse a frecuencias al menos cuatro veces mayores que las especificadas en los apartados i) o ii) anteriores. Para obtener promedios, suelen proponerse y practicarse frecuencias de muestreo algo más rápidas que i) y ii), iguales, por ejemplo, al doble por constante de tiempo. Los criterios i) y ii) se obtienen de un examen de la frecuencia de Nyquist. Si el espaciamiento entre muestras es ∆t ≤ TI , entonces la frecuencia de muestreo será n ≥ 1/TI y nTI ≥ 1. En la curva exponencial de la figura 2.6 puede verse que, en tales casos, se eliminan las frecuencias más altas y se evita el solapamiento. Si ∆t = TI , ny = 1/2TI , se producirá solapamiento en los datos solamente a la energía espectral en frecuencias de nTI = 2 o más altas, es decir, donde las fluctuaciones tengan períodos inferiores a 0,5TI . Los criterios i) y ii) se utilizan para el muestreo automático. El criterio estadístico de iii) es más aplicable a las frecuencias de muestreo, mucho menores, de las observaciones manuales. La incertidumbre de la media es inversamente proporcional a la raíz cuadrada del número de observaciones, y su valor puede determinarse a partir de las estadísticas de la magnitud. El criterio b) pone de relieve la necesidad de frecuencias de muestreo más altas, o, más precisamente, de constantes de tiempo pequeñas, para medir ráfagas. Las ráfagas registradas son suavizadas por la respuesta del instrumento, y el máximo registrado se promediará a lo largo de un múltiplo de la constante de tiempo. El efecto de solapamiento sobre las estimaciones de la media puede apreciarse fácilmente considerando lo que sucede cuando la frecuencia de la onda que se mide es la misma que la frecuencia de muestreo, o un múltiplo de ella. La media obtenida dependerá de la cadencia del muestreo. Una muestra diaria tomada a una hora fija del día no proporcionará una buena estimación de la temperatura mensual media. El solapamiento puede ilustrarse de manera algo más compleja como sigue: considérese una serie temporal de observaciones de temperatura cada tres horas mediante un termómetro ordinario. Si la temperatura varía suavemente con el tiempo, como suele ocurrir, el promedio diario calculado a partir de ocho muestras tendrá una estabilidad aceptable. Pero si se ha producido un fenómeno mesoescalar

III.2-15

(una tormenta) que haya reducido la temperatura en bastantes grados en media hora, el promedio calculado será incorrecto. La fiabilidad de los promedios diarios depende de la debilidad que suele presentar el espectro en las frecuencias de mesoescala y superiores. No obstante, la aparición de un fenómeno de frecuencia más alta (la tormenta) introducirá solapamiento en los datos, afectando así al cálculo del valor medio, de la desviación típica y de otras medidas de la dispersión, y también al espectro. El tema de la frecuencia de muestreo puede abordarse también en términos de la figura 2.8. El argumento de la sección 2.2.1 era que, para medir el espectro, la frecuencia de muestreo, que determina la frecuencia de Nyquist, debería escogerse de tal modo que el espectro de las fluctuaciones por encima de dicha frecuencia sea demasiado débil para afectar al espectro calculado. Esto se consigue si la frecuencia de muestreo determinada por el reloj en la figura 2.8 es al menos el doble de la máxima frecuencia de amplitud significativa en la señal de entrada al circuito de muestreo y almacenamiento. La expresión “máxima frecuencia de amplitud significativa” es imprecisa, pero resulta difícil encontrar una definición rigurosa, ya que las señales nunca están realmente limitadas en términos de anchura de banda. Sin embargo, no es difícil asegurarse de que la amplitud de las fluctuaciones de señal disminuye rápidamente con el aumento de la frecuencia, y de que la amplitud cuadrática media de las fluctuaciones por encima de determinada frecuencia es, o bien pequeña en comparación con el ruido de cuantificación del convertidor de analógico a digital, o pequeña en comparación con un error o nivel de ruido aceptable en las muestras, o bien su contribución al error o al ruido total de la observación es insignificante. En la sección 2.3 se examinan las características de los sensores y circuitos que se pueden elegir o ajustar para que la amplitud de las fluctuaciones de señal disminuya rápidamente al aumentar la frecuencia. La mayoría de los transductores, en virtud de su incapacidad para responder a fluctuaciones atmosféricas rápidas (de alta frecuencia) y de su capacidad para replicar fielmente los cambios lentos (frecuencia baja), son también filtros de paso bajo. Por definición, los filtros de paso bajo limitan la anchura de banda y, en virtud del teorema de Nyquist, limitan también la frecuencia de muestreo necesaria para reproducir con exactitud la señal de salida del filtro. Así, por ejemplo, si en la atmósfera se producen variaciones reales con períodos no inferiores a 100 ms, la frecuencia de muestreo de

III.2-16

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Nyquist será de 1 por cada 50 ms, lo cual plantea exigencias técnicas considerables. Sin embargo, si se examinan mediante un sensor y un filtro que respondan mucho más lentamente, por ejemplo con una constante de tiempo de 10 segundos, la frecuencia de muestreo de Nyquist será de 1 muestra por cada 5 segundos, que resulta mucho más sencillo y menos costoso, y es preferible si no se requieren mediciones de las frecuencias altas. 2.4.3

Frecuencia de muestreo y control de la calidad

Para ser eficaces, muchas de las técnicas de control de la calidad de los datos que se utilizan en las estaciones meteorológicas automáticas dependen de la coherencia, o persistencia, de los datos a lo largo del tiempo. Como ejemplo extremadamente simple, considérense dos algoritmos hipotéticos de control de la calidad para las mediciones de presión en estaciones meteorológicas automáticas. Las muestras se toman cada 10 segundos, calculándose un nuevo promedio de un minuto, cada minuto. Se supone que la presión atmosférica muy raramente, o nunca, cambia a una razón que exceda 1 hPa por minuto. El primer algoritmo rechaza el promedio si este difiere del precedente en más de 1 hPa. Con este método no se puede sacar el máximo partido de los datos disponibles, ya que permite que una muestra con un error de hasta 6 hPa pase sin ser detectada e introduzca un error de 1 hPa en una observación. El segundo algoritmo rechaza una muestra si esta difiere de la precedente en más de 1 hPa. En este caso, ningún promedio contendrá errores superiores a 0,16 (1/6) hPa. De hecho, si es correcto el supuesto de que la presión atmosférica solo raramente cambia en más de 1 hPa por minuto, sería posible ajustar el criterio de aceptación/rechazo para las

muestras adyacentes hasta los 0,16 hPa y reducir aún más el error del promedio. Lo que se pretendía evidenciar es que, para ser eficaces, los procedimientos de control de la calidad de los datos que dependen de la coherencia en el tiempo (correlación) encuentran su mejor aplicación en los datos de resolución temporal elevada (frecuencia de muestreo). En el extremo de altas frecuencias del espectro de salida del sensor/filtro, la correlación entre muestras adyacentes aumenta con la frecuencia de muestreo hasta alcanzar la frecuencia de Nyquist, después de lo cual la correlación no sigue aumentando. Hasta aquí, nada de lo que se ha dicho podría oponerse a la utilización de un sensor/filtro con una constante de tiempo tan larga como el período de promedio requerido para la observación, ni a la toma de una sola muestra para utilizarla como observación. Aunque esto no conllevaría grandes exigencias respecto del subsistema digital, hay aún otra consideración que se ha de tener en cuenta para llevar a cabo un control eficaz de la calidad de los datos. Las observaciones pueden agruparse en tres categorías: a) exactas (observaciones con errores inferiores o iguales a un valor especificado); b) inexactas (observaciones con errores superiores a un valor especificado); c) perdidas. Existen dos razones para el control de la calidad de los datos: minimizar el número de observaciones inexactas, y el de observaciones perdidas. Estas dos condiciones se cumplen si cada observación se calcula a partir de un número razonablemente grande de muestras sometidas a control de la calidad de los datos. De este modo, las muestras con grandes errores espurios pueden ser aisladas y excluidas, y el cálculo puede proseguir, sin resultar contaminado por esas muestras.

CAPÍTULO 2. MUESTREO DE VARIABLES METEOROLÓGICAS

III.2-17

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA Acheson, D. T., 1968: An approximation to arithmetic averaging for meteorological variables. Journal of Applied Meteorology, volumen 7, págs. 548 a 553. Bendat, J. S. y A. G. Piersol, 1986: Random Data: Analysis and Measurement Procedures. Segunda edición, John Wiley and Sons, Nueva York. Blackman, R. B. y J. W. Tukey, 1958: The Measurement of Power Spectra. Dover Publications, Nueva York. Jenkins, G. M. y D. G. Watts, 1968: Spectral Analysis and its Applications. Holden-Day, San Francisco. Kulhánek, O., 1976: Introduction to Digital Filtering in Geophysics. Elsevier, Ámsterdam.

MacCready, P. B. y H. R. Jex, 1964: Response characteristics and meteorological utilization of propeller and vane wind sensors. Journal of Applied Meteorology, volumen 3, número 2, págs. 182 a 193. Otnes, R. K. y L. Enochson, 1978: Applied Time Series Analysis. Volumen 1: Basic techniques. John Wiley and Sons, Nueva York. Pasquill, F. y F. B. Smith, 1983: Atmospheric Diffusion. Tercera edición. Ellis Horwood, Chichester. Stearns, S. D. y D. R. Hush, 1990: Digital Signal Analysis. Segunda edición. Prentice Hall, Nueva Jersey.

III.2-18

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

CAPÍTULOCAPÍTULO 3. REDUCCIÓN3DE DATOS

III.3-1

REDUCCIÓN DE DATOS

3.1

GENERALIDADES

En el presente capítulo se examinan desde un punto de vista general los procedimientos para procesar los datos obtenidos directamente de los instrumentos y/o convertirlos en datos adecuados para los usuarios meteorológicos, y en particular para su intercambio entre países. La OMM ha prescrito formalmente un conjunto de reglas para la reducción de datos que se intercambian a nivel internacional, que figuran en OMM (2003). En el capítulo 1 de la parte I se ofrecen algunos consejos y definiciones pertinentes. 3.1.1

Definiciones

Al abordar el tema de los instrumentos utilizados para medir variables atmosféricas, ha resultado útil clasificar los datos observacionales en distintos niveles. Esa clasificación se introdujo para el sistema de procesamiento de datos del Programa de Investigación de la Atmósfera Global (GARP), y aparece definida en OMM (1992; 2003). Los datos de nivel I son, por lo general, lecturas de instrumentos expresadas en unidades físicas apropiadas, y acompañadas de sus coordenadas geográficas. Es necesario convertirlos en variables meteorológicas normales (indicadas en el capítulo 1 de la parte I). Estos datos se obtienen, en muchos casos, del procesamiento de señales eléctricas, por ejemplo en forma de voltaje, y se los denomina también “datos en bruto”. Pertenecen a este grupo las radiancias de los satélites y la presión de vapor de agua. Los datos reconocidos como variables meteorológicas son datos de nivel II. Pueden obtenerse directamente de los instrumentos (tal es el caso para muchos tipos de instrumentos simples), o derivarse de datos de nivel I. Por ejemplo, un sensor no puede medir la visibilidad, que es una magnitud de nivel II; en lugar de ello, los sensores miden el coeficiente de extinción, que es una magnitud de nivel I. Los datos de nivel III son datos agrupados en conjuntos con algún tipo de coherencia interna, generalmente en forma de retícula de puntos. No se examinarán en la presente Guía. Los datos que se intercambian a nivel internacional son datos de nivel II o de nivel III.

3.1.2

Requisitos meteorológicos

Las estaciones de observación producen habitualmente en todo el mundo observaciones frecuentes en formato normalizado para el intercambio de información de alta calidad obtenida mediante técnicas de observación uniformes. Sin embargo, existe una gran diversidad en cuanto a los sensores que se utilizan en todo el mundo, o incluso dentro de un mismo país. Para superar este obstáculo se han invertido recursos muy cuantiosos a lo largo de muchos años, con objeto de normalizar el contenido, la calidad y el formato. A medida que se generaliza la observación automatizada de la atmósfera, se hace más importante todavía mantener esta uniformidad, y desarrollar normas adicionales para la conversión de datos en bruto en datos de nivel I, y de datos en bruto y de nivel I en datos de nivel II. 3.1.3

El proceso de reducción de datos

Los transductores se utilizan para percibir una variable atmosférica y convertirla en términos cuantitativos en una señal útil. Este tipo de aparatos, sin embargo, puede experimentar respuestas secundarias al medio ambiente (por ejemplo, en forma de calibraciones dependientes de la temperatura), y sus señales de salida están sujetas a distintos tipos de error (por ejemplo, la deriva de los resultados, o el ruido). Tras realizar un muestreo apropiado mediante un sistema de adquisición de datos, habrá que convertir a escala y linealizar la señal de salida con arreglo a la calibración del sistema total, y seguidamente filtrarla o promediarla. Al llegar a este punto, o antes, la señal viene a convertirse en dato en bruto. Seguidamente, habrá que convertir los datos en mediciones de las magnitudes físicas a las que responda el sensor, que serán datos de nivel I o que podrán ser datos de nivel II si no fuera necesaria ninguna conversión más. Para algunas aplicaciones, deberán obtenerse variables adicionales. En diversas etapas de este proceso, podrán modificarse los datos para corregir efectos externos, por ejemplo la exposición, y someterlos a control de la calidad. Por consiguiente, los datos procedentes de estaciones meteorológicas convencionales y automáticas deberán someterse a numerosas operaciones antes de poder ser utilizados. La totalidad de este proceso

III.3-2

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

se conoce como “reducción de datos”, y consiste en la ejecución de varias funciones, que podrían ser todas o algunas de las siguientes: a) transducción de variables atmosféricas; b) acondicionamiento de las señales de salida del transductor; c) adquisición y muestreo de datos; d) aplicación de información relativa a la calibración; e) linealización de las señales de salida del transductor; f) extracción de estadísticas (por ejemplo, promedios); g) obtención de variables derivadas; h) aplicación de correcciones; i) control de la calidad de los datos; j) registro y almacenamiento de datos; k) compilación de metadatos; l) formateo de mensajes; m) comprobación de contenido de los mensajes; n) transmisión de los mensajes. El orden en que se ejecuten estas funciones será solo aproximadamente secuencial. Naturalmente, la primera y la última función de la lista deberán serlo también a la hora de ejecutarse. La linealización podrá efectuarse inmediatamente a continuación, o será una función inherente al transductor, pero deberá realizarse antes de obtener un promedio. A diversos niveles del proceso de reducción de datos podrán aplicarse determinados controles de la calidad y correcciones. Según el tipo de aplicación, las estaciones pueden operar con una capacidad menor sin incorporar todas estas funciones. En el contexto de esta Guía, las funciones importantes en el proceso de reducción de datos son: la selección de procedimientos de muestreo apropiados; la aplicación de información relativa a la calibración; la linealización, cuando sea necesaria; el filtrado y/o el promediado; la obtención de variables derivadas; la aplicación de correcciones; el control de la calidad y la compilación de metadatos. Estos son los temas que se examinan en este capítulo. Puede obtenerse información más detallada sobre la gestión de la calidad en el capítulo 1 de la parte III, y sobre el muestreo, el filtrado y el promediado en el capítulo 2 de la parte III. Una vez reducidos los datos, deben ponerse a disposición de terceros mediante operaciones tales como la codificación, la transmisión y recepción, la visualización y el archivado, que se examinan en otros manuales y guías de la OMM. Un sistema de observación no está completo a menos que esté conectado a otros sistemas que proporcionen los datos a los usuarios. La calidad de los datos vendrá

determinada por el eslabón más débil. En cada etapa habrá que efectuar un control de la calidad. Buena parte de la actual tecnología y de las técnicas manuales normalizadas para la reducción de datos puede utilizarse también en las estaciones meteorológicas automáticas (EMA), que plantean, sin embargo, necesidades especiales. Las EMA incluyen diversos tipos de sensores, cálculos tipificados para la obtención de elementos de los mensajes, y el formato del mensaje propiamente dicho. No todos los sensores tienen una buena interfaz con el equipo automatizado. Es preciso recuperar o descubrir las expresiones analíticas que determinarán los cálculos incorporados en las tablas. Las reglas para codificar los mensajes deberán expresarse en lenguajes de computadora, y serán precisas, completas e inequívocas en un grado no requerido para las instrucciones escritas en lenguaje común destinadas a los observadores humanos. Además, algunas funciones humanas, como la identificación de tipos de nubes, no pueden automatizarse mediante ninguna tecnología actual o previsible. Los programas informáticos de adquisición y procesamiento de datos para las EMA se examinan con cierto detalle en el capítulo 1 de la parte II, con un grado de amplitud suficiente para abarcar la aplicación de transductores eléctricos en meteorología. En OMM (1987) se ofrecen algunas consideraciones generales y ejemplos sobre el diseño de algoritmos para las EMA sinópticas. Para procesar datos meteorológicos suele haber un procedimiento, algoritmo o método correcto, y puede haber muchas aproximaciones con un grado de validez entre satisfactorio y nulo. La experiencia sugiere abrumadoramente que el planteamiento correcto suele ser, a largo plazo, el más eficiente. Es directo, requiere una preparación mínima, y una vez puesto en práctica no hay que dedicarle mayor atención. Por esta razón, los párrafos siguientes se limitan principalmente al único planteamiento correcto, en la medida en que existan soluciones exactas, para el problema que se examina.

3.2

MUESTREO

Este tema se examina a fondo en el capítulo 2 de la parte III. A continuación se ofrece un resumen de los principales resultados. Convendría tener presente que las variables atmosféricas fluctúan de manera rápida y aleatoria, debido a la presencia constante de turbulencias, y

CAPÍTULO 3. REDUCCIÓN DE DATOS

que las señales de salida de los transductores no reproducen fielmente las variables atmosféricas, en razón de lo imperfecto de sus características dinámicas (por ejemplo, su capacidad limitada para responder a cambios rápidos). Por lo general, los transductores necesitan de un equipo que amplifique o proteja sus señales de salida y/o convierta una forma de salida en otra, por ejemplo la resistencia en tensión eléctrica. Los circuitos utilizados para lograr este fin pueden también suavizar la señal o someterla a un filtrado de paso bajo. Hay una frecuencia de corte por encima de la cual no se producen fluctuaciones notables, por no existir ninguna en la atmósfera y/o porque el transductor o el circuito de acondicionamiento de señal las ha eliminado. Una consideración de diseño importante es la frecuencia con que convendría muestrear la señal de salida del transductor. La respuesta definitiva es: con un espaciamiento temporal de al menos el doble de la frecuencia de corte de la señal de salida del transductor. Sin embargo, suele bastar con una regla más simple y equivalente: el intervalo de muestreo no debería exceder de la constante de tiempo más alta de todos los dispositivos y circuitos que preceden al sistema de adquisición. Si la frecuencia de muestreo es inferior al doble de la frecuencia de corte, se producen errores innecesarios en la varianza de los datos y en todas las magnitudes y estadísticas que se hayan obtenido. Aunque estos aumentos pueden resultar aceptables en algunos casos, no siempre lo son. Un muestreo adecuado asegura en todos los casos una varianza mínima. Un buen diseño puede incorporar un filtro de paso bajo, con una constante de tiempo aproximadamente igual al intervalo de muestreo del sistema de adquisición de datos. Por cautela, conviene también minimizar los efectos del ruido, y especialmente los 50 o 60 Hz de la tensión de funcionamiento de la red eléctrica en los cables que conectan los sensores a los procesadores, así como las fugas a través de las tomas de corriente.

cientemente exactas para responder a las necesidades de las disciplinas meteorológicas correspondientes. La conversión de los datos en bruto de los instrumentos en las correspondientes variables meteorológicas se realiza mediante funciones de calibración. La aplicación adecuada de las funciones de calibración y de cualquier otro tipo de corrección sistemática es esencial para poder obtener datos que respondan a las necesidades de exactitud expresadas. La determinación de las funciones de calibración debería estar basada en la calibración de todos los componentes de la cadena de medición. En principio al menos, y en la práctica para algunas magnitudes meteorológicas tales como la presión, la calibración de los instrumentos de campo debería ser trazable respecto a un instrumento patrón internacional mediante una cadena ininterrumpida de comparaciones entre el instrumento y una serie parcial o completa de instrumentos patrón, como, por ejemplo, un patrón itinerante, un patrón de trabajo, un patrón de referencia y un patrón nacional. (Véanse las definiciones en el capítulo 1 de la parte I). En cada uno de los respectivos capítulos de la parte I se ofrece una descripción de los procedimientos de calibración y de las correcciones sistemáticas asociadas a cada una de las variables meteorológicas básicas. Los instrumentos de campo deben ser calibrados periódicamente por un experto, con las correspondientes revisiones de las funciones de calibración. No basta con basarse en los datos de calibración que se suministran con el equipo. Con frecuencia se ignora la relación entre el equipo de calibración suministrado y el patrón nacional y, en cualquier caso, es previsible que la calibración cambie durante los períodos de transporte, almacenamiento y utilización. Los cambios de la calibración deberán registrarse en los ficheros de metadatos de la estación.

3.4 3.3

APLICACIÓN DE FUNCIONES DE CALIBRACIÓN

Las reglamentaciones de la OMM (OMM, 2003) estipulan que las estaciones deben estar equipadas con instrumentos adecuadamente calibrados, y que han de emplearse técnicas de observación y medición adecuadas, a fin de que las mediciones sean sufi-

III.3-3

LINEALIZACIÓN

Si la señal de salida del transductor no es exactamente proporcional a la magnitud que se mide, habrá que linealizar la señal basándose en la calibración del instrumento. Esta operación deberá llevarse a cabo antes de filtrar o promediar la señal. Cuando la señal no es constante durante todo el período de promediado, la secuencia de operaciones “promediar, y seguidamente linealizar”

III.3-4

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

produce resultados diferentes de la secuencia “linealizar, y seguidamente promediar”. Existen tres situaciones en que pueden aparecer comportamientos no lineales (OMM, 1987): a) muchos transductores son de por sí no lineales, es decir, su señal de salida no es proporcional a la variable atmosférica medida; un ejemplo simple de ello son los termistores; b) aunque un sensor puede incorporar transductores lineales, las variables medidas podrían no estar en relación lineal con la variable atmosférica de interés; así, por ejemplo, el fotodetector y el transductor angular de un nefobasímetro de haz rotatorio son dispositivos lineales, pero la señal de salida del nefobasímetro (la intensidad de la luz retrodispersada en función del ángulo) no es lineal respecto de las alturas de nubes; c) la conversión de nivel I a nivel II puede no ser lineal; así, por ejemplo, para producir estimaciones de la visibilidad media, la variable adecuada es el coeficiente de extinción, y no la visibilidad o la transmitancia. En el primero de estos casos, suele utilizarse una función de calibración polinómica. Para ello, sería realmente deseable disponer de sensores normalizados con coeficientes de calibración uniformes, evitando así los problemas que se plantean al intercambiar sensores en el lugar de la medición. En los otros dos casos, suele ser apropiada una función analítica que describa el comportamiento del transductor.

3.5

PROMEDIADO

La variabilidad natural de la atmósfera en pequeña escala hace necesario suavizar o promediar los valores a fin de obtener observaciones representativas y de conseguir la compatibilidad de los datos entre instrumentos diferentes. Para los intercambios internacionales y para gran número de aplicaciones operativas, la medición notificada deberá ser representativa de los 2 o 10 minutos anteriores en el caso del viento y, por convenio, de los 1 a 10 minutos anteriores para otras magnitudes. La práctica de 1 minuto responde, en parte, al hecho de que algunos sensores meteorológicos convencionales tienen una respuesta de ese orden, y una lectura única es, conceptualmente, un valor promediado o suavizado a lo largo de 1 minuto. Cuando el tiempo de respuesta del instrumento sea mucho más rápido, será necesario tomar muestras y filtrarlas o promediarlas. Este es el tema que se examina en el capítulo 2 de la parte III. En el anexo 1.D del

capítulo 1 de la parte I se indican los requisitos y tiempos de promediado típicos de los sistemas de instrumentos meteorológicos en funcionamiento. Habitualmente se utilizan dos métodos de promediado o de suavizado, a saber, el aritmético y el exponencial. El promedio aritmético responde al significado normal de media, y es fácil de calcular digitalmente: consiste en el filtro rectangular descrito en el capítulo 2 de la parte III. El promedio exponencial es la información de salida del filtro de paso bajo más sencillo, que representa la respuesta más simple posible de un sensor a las fluctuaciones atmosféricas, y resulta más útil a la hora de su implantación en circuitos analógicos, que el promedio aritmético. Cuando la constante de tiempo de un filtro simple es aproximadamente la mitad del tiempo de muestreo a lo largo del cual se calcula un promedio dado, los valores suavizados por métodos aritméticos y exponenciales son prácticamente indistinguibles (véase el capítulo 2 de la parte III, así como Acheson, 1968). Las señales de salida de los sensores de respuesta rápida varían rápidamente, por lo que requieren frecuencias de muestreo altas para un promediado óptimo (incertidumbre mínima). Si se desea reducir la frecuencia de muestreo requerida, sin por ello dejar de conseguir un promediado digital óptimo, podría linealizarse la señal de salida del transductor (cuando sea necesario), suavizarla exponencialmente mediante circuitos analógicos con una constante de tiempo tc , y seguidamente muestrearla digitalmente a intervalos tc . Para aplicaciones especiales se han utilizado muchos otros tipos de filtros complejos basados en computación digital. Dado que el promediado de variables no lineales entraña dificultades cuando las variables cambian durante el período de promediado, es importante elegir la variable lineal apropiada para calcular el promedio. En el cuadro que figura en el epígrafe siguiente se indican algunos de los elementos de una observación sinóptica que se notifican en forma de promedio, junto con la variable lineal que correspondería utilizar.

3.6

VARIABLES Y ESTADÍSTICAS DERIVADAS

Además de los datos promediados, deben determinarse también valores extremos y otras variables representativas en determinados períodos,

CAPÍTULO 3. REDUCCIÓN DE DATOS

conforme a los fines de la observación. Así ocurre con las mediciones de ráfagas de viento, para las que son necesarias frecuencias de muestreo más altas. También otras magnitudes, como la presión a nivel del mar, la visibilidad o el punto de rocío, se obtendrán a partir de los datos promediados. En las estaciones manuales convencionales se utilizan tablas de conversión. Es habitual incorporar estas tablas en una EMA, junto con rutinas de interpolación, o bien incorporar las fórmulas básicas o aproximaciones de las mismas. Véanse los capítulos de la parte 1 relativos a las prácticas de conversión de datos, y el capítulo 1 de la parte II, referente a las prácticas de las EMA. Magnitudes para las que es necesario convertir los datos al calcular los promedios Magnitud que se notificará

Magnitud que se promediará

Velocidad y dirección del viento

Componentes cartesianas

Punto de rocío

Humedad absoluta

Visibilidad

Coeficiente de extinción

3.7

CORRECCIONES

Las mediciones de magnitudes meteorológicas están sujetas en muchos casos a correcciones, o en los datos en bruto o en la etapa de nivel I o de nivel II, a fin de compensar diversos tipos de efectos. Estas correcciones se describen en la parte I, en los capítulos referentes a las distintas variables meteorológicas. Las correcciones de datos en bruto, para errores de cero o de índice, o por temperatura, gravedad y otros errores por el estilo, se obtienen de la calibración y caracterización del instrumento. Otros tipos de correcciones o ajustes de los datos en bruto o de niveles superiores incluyen el suavizado, por ejemplo para la medición de las alturas de nubes y de perfiles en altitud, y las correcciones de exposición, como las que se aplican algunas veces a las observaciones de temperatura, viento y precipitación. Posiblemente, los algoritmos utilizados para estos tipos de correcciones están basados, en algunos casos, en estudios no del todo definitivos; por lo tanto, aunque sin duda mejoran la exactitud de los datos, no excluyen la posibilidad de descubrir otros diferentes en un futuro. Si así ocurriera, podría resultar necesario recuperar los datos originales no corregidos. En consecuencia, se recomienda documentar extensamente los algoritmos.

3.8

III.3-5

GESTIÓN DE LA CALIDAD

La gestión de la calidad se examina en el capítulo 1 de la parte III. Los requisitos a este respecto aparecen especificados en OMM (2003), y los procedimientos generales se examinan en OMM (1989). Deberían emplearse procedimientos de control de la calidad en cada una de las etapas de conversión de los datos en bruto, obtenidos de las salidas de los sensores, en variables meteorológicas. Se incluyen en este concepto los procesos necesarios para obtener los datos y para reducirlos a datos de nivel II. Durante el proceso de obtención de datos, el control de la calidad debería tratar de eliminar los errores de medición sistemáticos y aleatorios, los debidos a una desviación respecto de las normas técnicas, los debidos a una exposición insatisfactoria de los instrumentos, y los errores subjetivos imputables al observador. Durante la reducción y conversión de los datos, el control de la calidad debería tratar de eliminar los errores derivados de las técnicas de conversión utilizadas, o de los procedimientos de cálculo empleados. Para mejorar la calidad de los datos obtenidos con frecuencias de muestreo altas, que podrían generar un mayor ruido, se utilizan técnicas de filtrado y de suavizado. Estas técnicas han sido descritas tanto en el presente capítulo como en el capítulo 2 de la parte III.

3.9

COMPILACIÓN DE METADATOS

El tema de los metadatos se examina en el capítulo 1 de la parte I, en el capítulo 1 de la parte III y en otros capítulos referentes a las distintas magnitudes meteorológicas. Los metadatos deberán mantenerse de manera que: a) se puedan recuperar los datos originales para reelaborarlos, en caso necesario (por ejemplo, mediante distintos filtrados o correcciones); b) el usuario pueda averiguar fácilmente la calidad de los datos y las circunstancias en que fueron obtenidos (por ejemplo, la exposición); c) eventuales usuarios puedan descubrir la existencia de los datos. Así pues, deberán registrarse los procedimientos empleados para las funciones de reducción de datos anteriormente citadas, en términos genéricos para cada tipo de datos, e individualmente para cada estación y tipo de observación.

III.3-6

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA Acheson, D. T., 1968: An approximation to arithmetic averaging for meteorological variables. Journal of Applied Meteorology, volumen 7, número 4, págs. 548 a 553. Organización Meteorológica Mundial, 1987: Some General Considerations and Specific Examples in the Design of AIgorithms for Synoptic Automatic Weather Stations. (D. T. Acheson). Informe Nº 19

sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD-No. 230, Ginebra. —, 1989: Guía del Sistema Mundial de Observación. OMM-Nº 488, Ginebra —, 1992: Manual del Sistema Mundial de Proceso de Datos y de Predicción. Volumen I, OMM-Nº 485, Ginebra. —, 2003: Manual del Sistema Mundial de Observación. Volumen I — Aspectos mundiales, OMM–Nº 544, Ginebra.

CAPÍTULO 4. PRUEBA, CAPÍTULO CALIBRACIÓN 4 E INTERCOMPARACIÓN

III.4-1

PRUEBA, CALIBRACIÓN E INTERCOMPARACIÓN

4.1

CONSIDERACIONES GENERALES

Una de las finalidades de la OMM, estipulada en el artículo 2 c) del Convenio de la OMM, consiste en “fomentar la normalización de las observaciones meteorológicas y conexas y asegurar la publicación uniforme de observaciones y estadísticas”. Con tal objeto se han desarrollado varios grupos de procedimientos normalizados y prácticas recomendadas, cuyos aspectos esenciales se explican en la presente Guía. Solo es posible obtener datos de observación válidos después de haber aplicado un completo programa de control de la calidad a los instrumentos y a la red. La calibración y las pruebas son elementos inseparables de un programa de control de la calidad. Otros elementos son: una definición clara de las necesidades, la selección de instrumentos basada expresamente en las necesidades, los criterios de emplazamiento, el mantenimiento y la logística. Estos elementos deberán ser tenidos en cuenta al desarrollar planes de calibración y de prueba. A escala internacional, la inclusión de intercomparaciones en los programas de control de la calidad es importante para poder crear conjuntos de datos compatibles y comparables. Dada la importancia de la normalización a nivel supranacional, varias asociaciones regionales de la OMM han creado diversos Centros Regionales de Instrumentos1 con objeto de organizar y facilitar las actividades de normalización y calibración. Sus atribuciones y los lugares donde se encuentran figuran en el anexo 1.A del capítulo 1 de la parte I. Análogamente, atendiendo a la recomendación de la CMOMM2, se ha creado una red de Centros Regionales de Instrumentos Marinos, que desempeñan funciones similares en el ámbito de las mediciones de meteorología marina y oceanográficas afines. Sus atribuciones y los lugares donde se encuentran figuran en el anexo 4.A del capítulo 4 de la parte II.

1

2

Recomendación 19 (CIMO-IX), formulada por la Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación en su novena reunión (1985). Recomendación 1 (CMOMM-III), formulada por la Comisión Técnica Mixta OMM/COI sobre Oceanografía y Meteorología Marina en su tercera reunión (2009).

Existen patrones y directrices nacionales e internacionales para muy distintos aspectos de las pruebas y de la evaluación, que deberían utilizarse cuando sea apropiado. Algunos de ellos se mencionan en el presente capítulo. 4.1.1

Definiciones

La Organización Internacional de Normalización ha establecido definiciones de términos metrológicos (ISO, 2007). Muchas de ellas figuran en el capítulo 1 de la parte I, de las cuales será útil reproducir aquí algunas. Su utilización no es universal, y difieren en algunos aspectos de la terminología habitualmente empleada en la práctica meteorológica. Sin embargo, las definiciones de la ISO están recomendadas para su uso en meteorología. El documento de la ISO ha sido elaborado conjuntamente con la Oficina Internacional de Pesas y Medidas, la Organización Internacional de Metrología Jurídica, la Comisión Electrotécnica Internacional y otros organismos internacionales similares. La terminología de la ISO difiere de los usos habituales, particularmente en los siguientes aspectos: La exactitud (de una medición) es el grado de aproximación del resultado de una medición a su valor verdadero, y es un término cualitativo. La exactitud de un instrumento es la capacidad de este para dar respuestas próximas al valor verdadero, y es también un término cualitativo. Aunque puede hablarse de la mayor o menor exactitud de un instrumento o de una medición, la medida cuantitativa de la exactitud es la incertidumbre. La incertidumbre se expresa en términos de dispersión, por ejemplo en forma de desviación típica o de nivel de confianza. El error de una medición es el resultado de esta menos el valor verdadero (la corrección es de signo contrario), y está compuesto de errores aleatorios y de errores sistemáticos (el término sesgo se utiliza habitualmente para indicar el error sistemático). La repetibilidad se expresa también en términos estadísticos, y se define como el grado de concordancia entre mediciones efectuadas en condiciones constantes (definidas).

III.4-2

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

La reproducibilidad es el grado de concordancia en diferentes condiciones definidas.

4.2

PRUEBAS

La ISO no define el concepto de precisión, y desaconseja utilizar este término.

4.2.1

Finalidad de las pruebas

4.1.2

Programas de prueba y de calibración

Antes de hacer uso de mediciones atmosféricas efectuadas con determinado sensor para fines meteorológicos, será necesario responder a preguntas como las siguientes: a) ¿Cuál es la exactitud del sensor o sistema? b) ¿Cuál es la variabilidad de las mediciones en una red que contiene este tipo de sistemas o sensores? c) ¿Qué cambio o error sistemático se apreciará en los datos proporcionados por el sensor o sistema si se cambia su emplazamiento? d) ¿Qué cambio o error sistemático se apreciará en los datos si se sustituye el sensor o sistema por otro diferente que mida el mismo elemento o elementos meteorológicos? Para responder a estas preguntas, y para asegurar la validez y adecuación de las mediciones efectuadas con un sensor o sistema meteorológico, se necesita utilizar en diversa medida la calibración, las pruebas de laboratorio y las pruebas funcionales. Los programas de calibración y de prueba deberían desarrollarse y normalizarse basándose en la variabilidad climática esperada, en la interferencia medioambiental y en la interferencia electromagnética a la que se prevé estarán sometidos los sistemas y sensores. Así, por ejemplo, podrían tenerse en cuenta factores tales como: el rango previsto de temperatura, humedad y velocidad del viento; si el sensor o sistema debe funcionar en un medio marino, o en áreas donde el viento arrastra polvo o arena; la variación prevista de la tensión y de la fase eléctricas, y las corrientes transitorias en la señal y en la línea de alimentación eléctrica; y la interferencia electromagnética media y máxima prevista. Los Servicios Meteorológicos podrán contratar servicios de calibración y de prueba con laboratorios y empresas privadas, o crear organizaciones para la prestación de estos servicios. Es extremadamente importante que, en cada programa de pruebas, estas se apliquen como mínimo a dos sensores o sistemas semejantes. Con ello se podrá determinar la variabilidad esperada del sensor o sistema, y se facilitará también la detección de problemas.

Los sensores y sistemas se someten a prueba con el fin de acumular información sobre su funcionamiento en determinadas condiciones de uso. Lo normal es que los fabricantes prueben sus propios sensores y sistemas y, en algunos casos, publiquen especificaciones operativas en base a los resultados de sus pruebas. Sin embargo, es muy importante que el Servicio Meteorológico desarrolle y realice su propio programa de pruebas, o que tenga acceso a una autoridad independiente en la materia. Las pruebas pueden clasificarse en: pruebas ambientales, pruebas de interferencia eléctrica o electromagnética y pruebas funcionales. Un programa de pruebas podrá constar de uno o más de estos elementos. Por lo general, un programa de pruebas tiene por objeto asegurarse de que un sensor o sistema cumplirá las especificaciones relativas al nivel de funcionamiento, al mantenimiento y al tiempo medio entre fallos en todo tipo de condiciones previstas, tanto de funcionamiento como de almacenamiento o de transporte. Los programas de pruebas se realizan también para obtener información sobre la variabilidad que cabría esperar en una red de sensores similares, en términos de reproducibilidad funcional y de comparabilidad de las mediciones entre diferentes sensores o sistemas. El conocimiento de la reproducibilidad funcional y de la comparabilidad es muy importante en climatología, ya que una sola base de datos de largo período suele contener información obtenida por sensores y sistemas que, a lo largo del tiempo, utilizan sensores y tecnologías diferentes para medir la misma variable meteorológica. De hecho, para las aplicaciones prácticas, una buena comparabilidad operativa entre instrumentos constituye una cualidad más valiosa que una calibración de precisión absoluta. Esta información se desarrolla en las pruebas funcionales. Aunque los sensores y sistemas se entreguen acompañados de un informe de calibración, deberían realizarse pruebas ambientales y, eventualmente, pruebas adicionales de calibración. Tal es el caso, por ejemplo, de cierto sistema moderno de medición de la temperatura, en el que la sonda suele ser un dispositivo térmico de resistencia. Lo habitual es que el fabricante calibre varios de esos dispositivos en un baño térmico y determine las especificaciones

CAPÍTULO 4. PRUEBA, CALIBRACIÓN E INTERCOMPARACIÓN

III.4-3

de funcionamiento con arreglo a los resultados de la calibración. Sin embargo, el sistema que proporciona el valor de temperatura se compone también de elementos eléctricos y electrónicos (interfaz) que pueden resultar afectados por la temperatura. Por ello, es importante que los componentes electrónicos y la sonda funcionen, durante la calibración, como un solo sistema en todo el rango de temperaturas. Suele ser también conveniente sustituir la sonda por resistencias cuyo coeficiente de temperatura sea conocido, que simularán valores de temperatura para toda la horquilla de temperaturas consideradas, a fin de verificar la interfaz de temperatura en todo el rango de medición.

Entorno exterior: condiciones, o conjunto de condiciones, que concurren o concurrirán previsiblemente durante el tiempo en que un elemento de equipo funciona normalmente en un entorno natural exento de protección y no controlado.

Los usuarios deberían aplicar también un programa para someter a prueba sensores y sistemas de producción seleccionados al azar, incluso aunque se hayan probado los prototipos, ya que, aun con cambios aparentemente secundarios del material, de la configuración o de los procesos de fabricación, pueden afectar a las características de funcionamiento de los sensores y sistemas.

Entorno de transporte: condiciones, o conjunto de condiciones, que concurren o concurrirán previsiblemente durante el tiempo de la vida útil de un elemento de equipo en que este es transportado. Se tendrán presentes los principales métodos de transporte (camión, ferrocarril, buque y aeronave) y todos los tipos de entorno posibles antes del transporte, durante este, y durante la fase de descarga. El dispositivo suele estar protegido en su embalaje durante la exposición al entorno de transporte.

La Organización Internacional de Normalización ha publicado normas (ISO, 1989a, 1989b) que especifican los planes y procedimientos de muestreo para la inspección de gran número de elementos de equipo. 4.2.2

Pruebas ambientales

4.2.2.1

Definiciones

Las definiciones siguientes sirven para exponer las características de un sistema de instrumentos que debería someterse a pruebas de funcionamiento: Condiciones operativas: condiciones, o conjunto de condiciones, que concurren o concurrirán previsiblemente durante el tiempo en que un elemento de equipo desempeña sus funciones normales cumpliendo enteramente sus especificaciones de funcionamiento. Condiciones de resistencia: condiciones, o conjunto de condiciones distintas de las operativas, a las que se prevé estará expuesto el instrumento. Puede ocurrir que la probabilidad de que se presenten, a lo largo de la vida útil del instrumento, sea muy baja. No se espera que el dispositivo desempeñe sus funciones normales cuando se dan estas condiciones. Sí se espera, sin embargo, que resista esas condiciones y recupere su comportamiento normal cuando retorne a las condiciones operativas.

Entorno interior: condiciones, o conjunto de condiciones, que concurren o concurrirán previsiblemente durante el tiempo en que un elemento de equipo recibe alimentación de energía y funciona normalmente en el interior de un recinto de trabajo. Se tendrán presentes tanto el entorno interior no controlado como el entorno interior controlado artificialmente.

Entorno de almacenamiento: condiciones, o conjunto de condiciones, que concurren o concurrirán previsiblemente durante el tiempo en que un dispositivo se encuentra almacenado y no está en funcionamiento. Se tendrán presentes todos los tipos de almacenamiento, desde el efectuado al aire libre y sin protección hasta el almacenamiento confinado y protegido. El dispositivo suele estar alojado en su embalaje o contenedor durante la exposición al entorno de almacenamiento. La Comisión Electrotécnica Internacional tiene también un conjunto de normas (IEC, 1990) para clasificar las condiciones ambientales, que es más completo que el anterior. Estas normas definen diversos ambientes meteorológicos, físicos y biológicos a los que podrán estar expuestos los productos que se transportan, almacenan, instalan y utilizan, y que son útiles para la especificación de los elementos de equipo y para las pruebas de planificación. 4.2.2.2

Programa de pruebas ambientales

Las pruebas ambientales de laboratorio proporcionan resultados rápidos en muy diversas condiciones, y pueden acelerar ciertos efectos, como los producidos por un ambiente marino con una elevada carga de sal en la atmósfera. La ventaja de las pruebas ambientales frente a las pruebas sobre el

III.4-4

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

terreno es que muchas de ellas pueden acelerarse en un laboratorio bien equipado, y que el equipo se puede probar para valores muy diversos de la variabilidad climática. Las pruebas ambientales son importantes; pueden ayudar a comprender posibles problemas, y dan confianza para seguir adelante con las pruebas en el exterior, aunque no pueden sustituirlas. Un programa de pruebas ambientales suele estar concebido en torno a algunas de las siguientes condiciones: alta temperatura, baja temperatura, choque térmico, ciclos de temperatura, humedad, viento, lluvia, lluvia engelante, polvo, luz solar (insolación), baja presión, vibración de transporte y choque de transporte. Los rangos, o límites de prueba, de cada prueba vienen determinados por los entornos previsibles (operativo, de resistencia, exterior, interior, de transporte y de almacenamiento). La finalidad de un documento sobre el programa de pruebas ambientales es establecer criterios normalizados para estas, junto con los correspondientes procedimientos de prueba para la especificación, la adquisición, el diseño y la prueba de los equipos. El documento debería basarse en las condiciones y en los valores extremos ambientales que se esperan en la práctica. Estados Unidos de América, por ejemplo, ha elaborado los criterios ambientales y los procedimientos de prueba normalizados de su Servicio Meteorológico Nacional (NWS, 1984) basándose en un estudio prospectivo que proporcionaba los intervalos de valores meteorológicos operativos y extremos previsibles en el área del citado país, y ha propuesto criterios para las pruebas (NWS, 1980). Dichos criterios y procedimientos constan de tres partes: a) criterios y límites de prueba ambientales para ambientes exteriores, interiores y de transporte/ almacenamiento; b) procedimientos de prueba para la evaluación del equipo con arreglo a los criterios de prueba ambientales; c) fundamentación, en la que se ofrece información general sobre las distintas condiciones ambientales a las que podrían estar expuestos los equipos, así como sobre sus efectos potenciales en el equipo y las correspondientes razones en que se basan los criterios de prueba recomendados. 4.2.3

Pruebas de interferencia eléctrica y electromagnética

La creciente tendencia a la utilización de sensores y de sistemas de recopilación y procesamiento

automático de datos que contienen componentes electrónicos hace necesario, en muchos casos, incorporar a un programa general las pruebas de funcionamiento en entornos de trabajo con campos eléctricos y en condiciones de interferencia electromagnética. Debería elaborarse un documento sobre el programa de pruebas de interferencia eléctrica y electromagnética. Dicho documento debería tener por objeto establecer unos criterios normalizados para las pruebas de interferencia eléctrica y electromagnética, junto con los correspondientes procedimientos de prueba, y servir como directriz uniforme para especificar los requisitos de susceptibilidad a la interferencia eléctrica y electromagnética con miras a la adquisición y al diseño de los elementos de equipo. El documento debería basarse en un estudio que cuantifique los niveles y tiempos de sobrecarga previsibles de las corrientes transitorias en la línea de alimentación eléctrica y en la línea de la señal por efecto de fenómenos naturales, como las tormentas. Debería incluir también pruebas sobre las variaciones de energía previsibles, tanto en tensión eléctrica como en fase. Si se prevé que el equipo vaya a funcionar en un aeropuerto o en otro entorno con posibles interferencias de radiación electromagnética, habría que cuantificar también estas e incluirlas en la norma. El programa puede tener también por objeto asegurarse de que el equipo no genera radiación electromagnética. Debería prestarse particular atención a los equipos que contengan un microprocesador y, por consiguiente, un reloj de cuarzo, que es crucial para las funciones de regulación del tiempo. 4.2.4

Pruebas funcionales

Las pruebas de calibración y ambientales proporcionan un fundamento necesario, pero no suficiente, para definir las características operativas de un sensor o sistema, dado que las pruebas de calibración y de laboratorio no pueden definir completamente el comportamiento del sensor o sistema en condiciones reales. Es imposible simular los efectos sinérgicos de todos los cambiantes elementos meteorológicos a los que estará expuesto un instrumento en todos los entornos de trabajo requeridos. Las pruebas funcionales son simplemente pruebas realizadas en un medio natural exterior en el que se espera que los instrumentos funcionen en condiciones meteorológicas y regímenes climáticos muy diversos y, en el caso de los instrumentos de

CAPÍTULO 4. PRUEBA, CALIBRACIÓN E INTERCOMPARACIÓN

superficie, en superficies del terreno con albedos muy variables. Las pruebas funcionales son necesarias para determinar la idoneidad de un sensor o sistema mientras este está expuesto a amplias variaciones de viento, precipitación, temperatura, humedad y radiación solar directa, difusa y reflejada. Las pruebas funcionales adquieren mayor importancia a medida que van entrando en funcionamiento sensores con nuevas tecnologías, como los que contienen elementos electroópticos, piezoeléctricos y capacitivos. Las lecturas de esos sensores pueden resultar afectadas por condiciones incidentales, tales como la presencia de insectos o de arañas y telas de araña, o la distribución de partículas en la atmósfera en función de su tamaño, todo lo cual habrá que determinar mediante pruebas funcionales. Para muchas aplicaciones, la comparabilidad deberá ser puesta a prueba en condiciones reales. Para ello se somete a prueba, uno junto al otro, sensores o sistemas iguales y diferentes, tomando como referencia un patrón de referencia in situ. Estas ideas están expuestas en Hoehne (1971, 1972, 1977). Las pruebas funcionales pueden ser planificadas y realizadas por laboratorios privados, o por una organización interna del Servicio Meteorológico u otra organización de usuarios. Tanto para la adquisición como para la utilización del equipo, deberá tenerse en cuenta el nivel de conocimientos y aptitudes de los observadores y de los técnicos que serán los usuarios del sistema, y que deberían probar el equipo como parte integrante del programa de pruebas. Quienes instalen, utilicen, mantengan y reparen el equipo deberían evaluar las partes del sensor o sistema que utilizarán en su trabajo, y en particular la idoneidad de las instrucciones y de los manuales. Al preparar las especificaciones de compra debería tenerse presente también su nivel de aptitud.

4.3

CALIBRACIÓN

4.3.1

Finalidad de la calibración

La calibración de sensores o sistemas es la primera etapa para definir la validez de los datos. Por lo general, conlleva la comparación con respecto a un patrón conocido, a fin de determinar en qué medida la señal de salida del instrumento coincide con el patrón en las diversas condiciones de funcionamiento previsibles. Una calibración de laboratorio presupone implícitamente que las características del instrumento serán suficientemente

III.4-5

estables para mantener la calibración sobre el terreno. Un historial de las calibraciones sucesivamente realizadas debería infundir confianza en la estabilidad del instrumento. Específicamente, la calibración es el conjunto de operaciones que establecen, en determinadas condiciones, la relación existente entre los valores indicados por un instrumento o sistema de medición y los correspondientes valores conocidos de una magnitud sujeta a medición (mesurando). La calibración debería definir los errores sistemáticos o la desviación media de un sensor o sistema con respecto al patrón utilizado, así como sus errores aleatorios, el rango de valores en los que la calibración es válida, y la existencia de umbrales o de regiones de respuesta no lineal. Asimismo, debería definir la resolución y la histéresis. La histéresis debería determinarse haciendo que el sensor recorra cíclicamente todo su rango de funcionamiento durante la calibración. El resultado de una calibración se expresa en ocasiones como un factor o una serie de factores de calibración, en forma de tabla o de curva de calibración. Los resultados de una calibración deberán quedar anotados en un documento denominado certificado de calibración o informe de calibración. El certificado o informe de calibración debería definir todo error sistemático eliminable posteriormente mediante ajustes mecánicos, eléctricos o informáticos. El error aleatorio restante no es repetible y no puede ser eliminado, aunque es posible definirlo estadísticamente repitiendo suficientes veces la medición durante la calibración. 4.3.2

Patrones

La calibración de instrumentos o de sistemas de medición suele efectuarse comparando estos con uno o más patrones de medición. Estos patrones se clasifican con arreglo a su calidad metrológica. Sus definiciones (ISO, 2007) figuran en el capítulo 1 de la parte I, y pueden resumirse como sigue: Patrón primario: patrón de la más alta calidad metrológica, cuyo valor se acepta sin utilizar otros patrones como referencia. Patrón secundario: patrón cuyo valor es asignado tomando como referencia un patrón primario. Patrón internacional: patrón reconocido en virtud de un acuerdo internacional, que sirve como referencia para asignar valores a otros patrones relativos a la misma magnitud.

III.4-6

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Patrón nacional: patrón reconocido a nivel nacional, que sirve de referencia para asignar valores a otros patrones. Patrón de referencia: patrón, generalmente de la más alta calidad metrológica disponible en determinado emplazamiento u organización, que se toma como referencia para las mediciones en ese lugar. Patrón de trabajo: patrón utilizado habitualmente para calibrar o verificar instrumentos de medición. Patrón de transferencia: patrón utilizado como intermediario para comparar patrones. Patrón itinerante: patrón, a veces de una construcción especial, destinado al transporte entre diferentes lugares. Los patrones primarios están adscritos a instituciones internacionales o nacionales de primer orden. Los patrones secundarios están frecuentemente adscritos a laboratorios de calibración importantes, y no suelen ser adecuados para trabajar sobre el terreno. Los patrones de trabajo suelen ser instrumentos de laboratorio calibrados a partir de un patrón secundario. Los patrones de trabajo que pueden utilizarse sobre el terreno son conocidos como patrones de transferencia. Los patrones de transferencia pueden utilizarse también para comparar instrumentos en laboratorio o sobre el terreno.

4.3.4

Prácticas de calibración

La calibración de instrumentos meteorológicos suele realizarse en un laboratorio que cuente con patrones de medición y dispositivos de calibración apropiados. Puede ser un laboratorio nacional, privado o perteneciente a un Servicio Meteorológico u otra organización de usuarios. Un laboratorio de calibración se encarga de mantener las necesarias calidades de sus patrones de medición, y de llevar un registro de su trazabilidad. Este tipo de laboratorios puede expedir también certificados de calibración, que deberían asimismo contener una estimación de la exactitud de la calibración. A fin de garantizar la trazabilidad, el laboratorio de calibración debería estar reconocido y autorizado por las autoridades nacionales apropiadas. Los fabricantes de instrumentos meteorológicos deberían entregar sus productos de calidad (por ejemplo, barómetros o termómetros normalizados) con certificados o informes de calibración. Estos documentos pueden estar, aunque no necesariamente, en el precio básico del instrumento, pero son opciones posibles. Los certificados de calibración entregados por un laboratorio autorizado pueden resultar más caros que los certificados de fábrica. Como se ha señalado en la sección anterior, deberían realizarse pruebas ambientales y funcionales y, posiblemente, pruebas de calibración adicionales.

En meteorología, es habitual que las mediciones de presión sean trazables mediante patrones itinerantes, de trabajo y secundarios a otros patrones nacionales o primarios, con lo cual las incertidumbres acumuladas son conocidas (excepto cuando se trabaja sobre el terreno, en cuyo caso se determinarán mediante pruebas in situ). Tal es el caso también con las mediciones de temperatura.

Los usuarios pueden adquirir también dispositivos de calibración o patrones de medición para sus propios laboratorios. Un buen dispositivo de calibración debería ir siempre acompañado de un patrón de medición apropiado, por ejemplo una cámara de calibración de temperatura en baño líquido con un conjunto de termómetros de líquido en cápsula de vidrio, y/o de termómetros de resistencia, certificados. En el ejemplo anterior habría que tener en cuenta también otras consideraciones, como la utilización de silicona fluida, no conductora. Así, si se instala un dispositivo de medición de temperatura en un circuito electrónico, será posible sumergirlo en el baño a fin de probar el dispositivo en su configuración de trabajo. No solo el equipo y los patrones de calibración deberán ser de alta calidad, sino que los ingenieros y técnicos de un laboratorio de calibración tendrán que estar adecuadamente capacitados en metrología básica y en la utilización de los dispositivos de calibración y patrones de medición disponibles.

Este mismo principio deberá aplicarse a la medición de cualquier magnitud que se necesite medir con una incertidumbre conocida.

Una vez que los instrumentos hayan pasado satisfactoriamente la calibración y las pruebas iniciales, y hayan sido aceptados por el usuario, debería

4.3.3

Trazabilidad

El concepto de trazabilidad se define en ISO (2007) como sigue: “Propiedad de un resultado de medida por la cual el resultado puede relacionarse con una referencia mediante una cadena ininterrumpida y documentada de calibraciones, cada una de las cuales contribuye a la incertidumbre de medida.”

CAPÍTULO 4. PRUEBA, CALIBRACIÓN E INTERCOMPARACIÓN

instituirse un programa de calibraciones y comprobaciones de calibración con regularidad. Algunos instrumentos, como los barómetros de mercurio, pueden romperse fácilmente al ser transportados al lugar de trabajo. En estaciones distantes, esos instrumentos deberían mantenerse inmóviles siempre que fuera posible, y tendrían que calibrarse tomando como referencia patrones itinerantes más resistentes que puedan ser desplazados de una estación a otra por los inspectores. Los patrones itinerantes deberán ser comparados frecuentemente con un patrón de trabajo o de referencia en el laboratorio de calibración y, preferiblemente, antes y después de cada visita de inspección. Los procedimientos de calibración en laboratorio de, por ejemplo, barómetros, termómetros, higrómetros, anemómetros e instrumentos de radiación se explican más detalladamente en los capítulos correspondientes de esta Guía o en manuales especializados. Estas publicaciones contienen también información sobre instrumentos normalizados y dispositivos de calibración internacionales reconocidos. Los procedimientos de calibración para las estaciones meteorológicas automáticas requieren una atención especial, como se señala en el capítulo 1 de la parte II. En OMM (1989) se analizan en detalle los procedimientos de calibración empleados por diversos Servicios Meteorológicos para la calibración de instrumentos utilizados para medir temperatura, humedad, presión y viento.

4.4

INTERCOMPARACIONES

La intercomparación de instrumentos y sistemas de observación, así como los procedimientos acordados para el control de la calidad, son esenciales para la creación de conjuntos de datos compatibles. Todas las intercomparaciones deberían planificarse y realizarse cuidadosamente, a fin de mantener un nivel de calidad adecuado y uniforme en las mediciones de cada variable meteorológica. Muchas magnitudes meteorológicas no pueden compararse directamente con patrones metrológicos y, por consiguiente, con referencias absolutas (por ejemplo, visibilidad, altura de la base de las nubes, o precipitación). Con respecto a esas magnitudes, las intercomparaciones son fundamentales.

III.4-7

Las comparaciones o evaluaciones de instrumentos y sistemas de observación pueden organizarse y llevarse a efecto a los niveles siguientes: a) comparaciones internacionales, a las que pueden asistir participantes de todos los países interesados en respuesta a una invitación general; b) intercomparaciones regionales, a las que pueden asistir participantes de los países de una región determinada (por ejemplo, las Regiones de la OMM) en respuesta a una invitación general; c) intercomparaciones multilaterales y bilaterales, a las que pueden asistir participantes de dos o más países por mutuo acuerdo, sin que medie una invitación general; d) intercomparaciones nacionales, en el ámbito de un país. Dada la importancia de la comparabilidad internacional de las mediciones, la OMM organiza esporádicamente, mediante uno de sus órganos constituyentes, comparaciones internacionales y regionales de instrumentos. Dichas intercomparaciones o evaluaciones de instrumentos y sistemas de observación pueden ser muy laboriosas y costosas. Por ello, ha sido necesario establecer reglas que permitan conseguir una coordinación eficaz. Estas reglas figuran en los anexos 4.A y 4.B3. Contienen directrices generales, por lo que, cuando sea necesario, deberían añadirse otras reglas específicas para cada intercomparación (véanse los capítulos correspondientes de esta Guía). En otros capítulos de esta Guía se hace referencia a informes de ciertas comparaciones internacionales de la OMM (véanse, por ejemplo, los capítulos 3, 4, 9, 12, 14 y 15 de la parte I). El anexo 4.C contiene una lista de las comparaciones internacionales que han recibido apoyo de la Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación, y que han sido publicadas en la serie de documentos técnicos de la OMM. Los informes de las comparaciones, sean cuales sean estas, deberían darse a conocer y ponerse a disposición de toda la comunidad meteorológica.

3

Recomendaciones adoptadas por la Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación en su undécima reunión (1994) mediante el anexo a la Recomendación 14 (CIMO-XI) y el anexo IX.

III.4-8

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

ANEXO 4.A PROCEDIMIENTOS PARA LAS INTERCOMPARACIONES MUNDIALES Y REGIONALES DE INSTRUMENTOS DE LA OMM 1. El órgano constituyente competente de la OMM acordará una intercomparación de instrumentos y métodos de observación de la Organización, a fin de que sea reconocida como intercomparación de la OMM. 2. El Consejo Ejecutivo considerará la aprobación de la intercomparación, y su inclusión en el programa y presupuesto de la OMM. 3. Si fuera urgente realizar determinada intercomparación no prevista en la reunión de un órgano constituyente, el presidente del órgano correspondiente podrá presentar una propuesta al respecto al Presidente de la OMM para que la apruebe. 4. En el momento oportuno antes de cada intercomparación, el Secretario General, en cooperación con el presidente de la CIMO y, posiblemente, con los presidentes de otras comisiones técnicas, asociaciones regionales o jefes de programa interesados, debería tratar de averiguar la disponibilidad de uno o más Miembros para ejercer de país anfitrión, así como el interés de los Miembros por participar en la intercomparación. 5. Si al menos un Miembro conviniera en ejercer de país anfitrión, y un número razonable de Miembros hubieran expresado su interés por participar, el presidente de la CIMO, en consulta con los directores de los órganos constituyentes interesados, debería constituir, si fuera procedente, un comité organizador internacional. 6. Antes del comienzo de la intercomparación, el comité organizador debería llegar a un acuerdo sobre la manera de organizarla, al menos con respecto a los principales objetivos; el lugar, la fecha y la duración de la intercomparación; las condiciones para participar; la metodología a seguir para la adquisición, el procesamiento y el análisis de datos; los planes respecto a la publicación de resultados; las reglas de intercomparación; y las responsabilidades del anfitrión o anfitriones y de los participantes.

7. El anfitrión debería nombrar a un jefe de proyecto que supervise la adecuada realización de la intercomparación y se responsabilice del análisis de los datos y de la preparación de un informe final, conforme acuerde el comité organizador. El jefe de proyecto será miembro de oficio del comité organizador. 8. Si el comité organizador decidiera realizar la intercomparación en diferentes países anfitriones, cada uno de estos nombrará a un jefe de emplazamiento. El comité organizador especificará las responsabilidades del jefe de emplazamiento y la gestión del proyecto en su conjunto. 9. Se invitará al Secretario General a anunciar a los Miembros la intercomparación prevista, lo antes posible tras la creación del comité organizador. Junto con la invitación, debería informarse sobre la organización y las reglas a que se someterá la intercomparación, conforme acuerde el comité organizador. Los Miembros participantes deberían atenerse a esas reglas. 10. Toda comunicación ulterior entre el anfitrión o anfitriones y los participantes sobre cuestiones de organización estará a cargo del jefe de proyecto y, posiblemente, del jefe de emplazamiento, a menos que el comité organizador disponga otra cosa. 11. En caso necesario, podrían organizarse reuniones del comité organizador durante el período de intercomparación. 12. Una vez concluida la intercomparación, el comité organizador examinará y aprobará los principales resultados del análisis de datos de la intercomparación, y formulará propuestas con miras a la utilización de los resultados en la comunidad meteorológica. 13. El informe final de la intercomparación, preparado por el jefe de proyecto y aprobado por el comité organizador, debería publicarse en la serie de Informes de la OMM sobre instrumentos y métodos de observación.

CAPÍTULO 4. PRUEBA, CALIBRACIÓN E INTERCOMPARACIÓN

III.4-9

ANEXO 4.B DIRECTRICES PARA ORGANIZAR LAS INTERCOMPARACIONES DE INSTRUMENTOS DE LA OMM 1.

INTRODUCCIÓN

1.1 Estas directrices son complementarias de los procedimientos relativos a las intercomparaciones mundiales y regionales de instrumentos meteorológicos de la OMM. Están basadas en el supuesto de que se habrá creado un comité organizador internacional al que servirán de orientación para efectuar la intercomparación. Véase, en particular, el anexo 12.C del capítulo 12 de la parte I. 1.2 Sin embargo, dado que todas las intercomparaciones difieren en cierta medida entre sí, estas directrices deberían considerarse como una lista de comprobación general de las tareas. Deberían modificarse conforme lo aconsejen las circunstancias, teniendo presente que la corrección y la validez científica habrían de ser los criterios a seguir en la realización de las intercomparaciones y evaluaciones de la OMM. 1.3 Los informes finales de otras intercomparaciones de la OMM y los informes de las reuniones de los comités organizadores podrán servir de ejemplo para la realización de intercomparaciones. Estos informes pueden obtenerse en el Departamento de la Vigilancia Meteorológica Mundial de la Secretaría de la OMM. 2.

OBJETIVOS DE LA INTERCOMPARACIÓN

El comité organizador debería examinar los logros que se espera conseguir de la intercomparación, y señalar los problemas concretos que pudieran surgir. Tendría que preparar una declaración clara y detallada de los objetivos principales de la intercomparación, y convenir los criterios que se utilizarán en la evaluación de los resultados. El comité organizador debería investigar también la mejor manera de garantizar el éxito de la intercomparación, valiéndose de la experiencia acumulada en anteriores intercomparaciones, según los casos. 3.

LUGAR, FECHA Y DURACIÓN

3.1 La Secretaría debería pedir al país anfitrión que proporcione al comité organizador una descripción

del lugar e instalaciones propuestos para la intercomparación (ubicación(es), condiciones ambientales y climatológicas, principales características topográficas, etc.). Asimismo, debería nombrar un jefe de proyecto4. 3.2 El comité organizador debería examinar la idoneidad del emplazamiento e instalaciones propuestos, proponer los cambios necesarios, y llegar a un acuerdo sobre el emplazamiento e instalaciones que se vayan a utilizar. Seguidamente, el jefe de proyecto debería preparar una descripción completa del emplazamiento y del entorno. El comité organizador, en consulta con el jefe de proyecto, debería decidir la fecha de comienzo y la duración de la intercomparación. 3.3 El jefe de proyecto debería proponer una fecha a partir de la cual tanto el emplazamiento como sus instalaciones estarían disponibles para instalar el equipo y conectarlo al sistema de adquisición de datos. Debería reservarse un período de tiempo para verificar y probar el equipo, y para que los operadores se familiaricen con los procedimientos de trabajo y de rutina. 4.

PARTICIPACIÓN EN LA INTERCOMPARACIÓN

4.1 El comité organizador debería examinar los aspectos técnicos y operativos, las características deseables y preferencias, y las restricciones, prioridades y descripciones de diferentes tipos de instrumentos para la intercomparación. 4.2 Normalmente, solo deberían admitirse instrumentos que estén siendo utilizados, o cuya utilización prevean los Miembros en un futuro próximo. Incumbe a los Miembros participantes la responsabilidad de calibrar sus instrumentos antes de enviarlos, tomando como referencia patrones reconocidos, y de proporcionar los certificados de calibración apropiados. Podrá pedirse a los

4

Cuando haya más de un emplazamiento se designarán los jefes de emplazamiento necesarios. Algunas tareas del jefe de proyecto indicadas en este anexo se delegarán en los jefes de emplazamiento.

III.4-10

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

participantes que proporcionen dos instrumentos idénticos de cada tipo, a fin de que los datos sean más fiables. Sin embargo, ello no debería condicionar la participación. 4.3 El comité organizador debería redactar un cuestionario detallado para obtener la información necesaria sobre cada instrumento propuesto para la intercomparación. El jefe de proyecto aportará más detalles y completará el cuestionario lo antes posible. Se pedirá a los participantes que especifiquen muy claramente en su respuesta las conexiones de su equipo y las características de sus programas informáticos, y que proporcionen documentación adecuada (en la Secretaría de la OMM se puede obtener una lista de comprobación para la preparación del cuestionario). 4.4 Seguidamente, el presidente del comité organizador debería solicitar: a) al Secretario General, que invite oficialmente a los Miembros (que hayan expresado su interés) a participar en la intercomparación, incluyendo en la invitación toda la información necesaria, preparada por el comité organizador y por el jefe de proyecto, sobre las reglas a que se ajustará la intercomparación; b) al jefe de proyecto, que se encargue de todos los contactos ulteriores con los participantes. 5.

ADQUISICIÓN DE DATOS

5.1

Instalación del equipo

5.1.1 El comité organizador debería evaluar la configuración que proponga el jefe de proyecto para la instalación de los instrumentos, y dar su conformidad a efectos de la intercomparación. Habría que prestar atención especial para la ubicación y exposición correctas y adecuadas de los instrumentos, teniendo en cuenta los criterios y normas de la OMM y de otras organizaciones internacionales. Los criterios de ubicación y exposición que se adopten deberán estar documentados. 5.1.2 El jefe de proyecto, en nombre del comité organizador, debería examinar y aprobar, en su caso, las peticiones específicas de los participantes con respecto a la instalación de los equipos. 5.2

Patrones y referencias

El país anfitrión debería hacer todo lo posible por incluir al menos un instrumento de referencia en

la intercomparación. La calibración de ese instrumento habría de estar referida a patrones nacionales o internacionales. El comité organizador debería aportar una descripción y especificación del patrón. Si no existiera ningún patrón o referencia reconocidos para la variable o variables que se desee medir, el comité organizador debería acordar un método para determinar una referencia que sirva para la intercomparación. 5.3

Observaciones y mediciones conexas

El comité organizador debería acordar una lista de variables meteorológicas y ambientales para medir u observar en el lugar de la intercomparación durante todo el período que dure esta. Debería preparar un programa de medición de dichas variables, y solicitar al país anfitrión que lleve a la práctica dicho programa. Los resultados del programa tendrían que quedar registrados en un formato adecuado para el análisis de la intercomparación. 5.4

Sistema de adquisición de datos

5.4.1 Normalmente, el país anfitrión debería proporcionar el sistema de adquisición de datos necesario para registrar las señales requeridas, tanto analógicas como de impulsos o digitales (en serie o en paralelo) de todos los instrumentos participantes. El país anfitrión debería proporcionar al comité organizador una descripción y un diagrama de conjunto de toda la cadena de medición. El comité organizador, en consulta con el jefe de proyecto, tendría que decidir si en la intercomparación se aceptarán registros gráficos analógicos y lecturas visuales con fines de análisis, o únicamente como comprobación del funcionamiento. 5.4.2 Antes de empezar la comparación y de realizar mediciones, deberían probarse adecuadamente el equipo y programas informáticos del sistema de adquisición de datos, a fin de evitar lagunas en el registro de datos durante la intercomparación. 5.5

Metodología para la adquisición de datos

El comité organizador debería acordar unos procedimientos apropiados para la adquisición de datos, especificando la frecuencia de las mediciones, el muestreo, promediado, reducción y formato de los datos, el control de la calidad en tiempo real, etc. Cuando los participantes tengan que preparar

CAPÍTULO 4. PRUEBA, CALIBRACIÓN E INTERCOMPARACIÓN

informes con datos durante el período de intercomparación, o cuando los datos estén disponibles en forma de registros gráficos o de observaciones visuales, el comité organizador debería determinar mediante un acuerdo las responsabilidades en cuanto a la comprobación de esos datos, el plazo de tiempo en que habría que presentarlos al jefe de proyecto, y los formatos y medios físicos que permitan almacenar dichos datos en la base de datos del anfitrión. Cuando sea posible, deberían realizarse comparaciones directas respecto del instrumento de referencia. 5.6

Calendario de intercomparación

El comité organizador debería acordar un calendario esquemático para la intercomparación que incluya tareas normales y específicas, y exponerlo en forma gráfica. El jefe de proyecto y su personal deberían encargarse de elaborar los detalles. 6.

6.1

PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE LOS DATOS

Disponibilidad de bases de datos y de datos

6.1.1 Todos los datos esenciales de la intercomparación, incluidos los datos meteorológicos y ambientales pertinentes, deberían almacenarse en una base de datos para su posterior análisis bajo la supervisión del jefe de proyecto. El comité organizador, en colaboración con el jefe de proyecto, debería proponer un formato común para todos los datos, incluidos los notificados por los participantes durante la intercomparación. El comité organizador debería acordar comprobaciones de la vigilancia en tiempo casi real y del control de la calidad, para asegurar la validez de la base de datos. 6.1.2 Una vez concluida la intercomparación, el país anfitrión debería, si así se le solicita, proporcionar a cada Miembro participante un conjunto de datos obtenidos del instrumento o instrumentos por él presentados. Dicho conjunto debería contener también datos meteorológicos, ambientales y de referencia sobre el particular. 6.2

Análisis de los datos

6.2.1 El comité organizador debería proponer un marco adecuado para el análisis y procesamiento de los datos, y para la presentación de los resultados.

III.4-11

Tendría que llegar a un acuerdo sobre los algoritmos de conversión, calibración y corrección de los datos, y preparar una lista de términos, definiciones, abreviaturas y relaciones (cuando estas difieran de las prácticas comúnmente aceptadas y documentadas). Debería elaborar y preparar una descripción completa de los métodos estadísticos que se utilizarán en consonancia con los objetivos de la intercomparación. 6.2.2 Cuando sea inapropiada una comparación directa, sincronizada en el tiempo e individualizada (por ejemplo, cuando los instrumentos estén separados espacialmente durante la prueba), debería contemplarse la posibilidad de emplear métodos de análisis basados en distribuciones estadísticas. Si no existe un instrumento de referencia (por ejemplo, para la base de las nubes, el alcance óptico meteorológico, etc.), deberían compararse los instrumentos con una referencia relativa seleccionada entre los instrumentos que se someten a prueba, en base al valor de la mediana o al valor modal, poniendo cuidado en excluir los valores no representativos del subconjunto de datos seleccionado. 6.2.3 Cuando se efectúe una segunda intercomparación algún tiempo después de la primera, o en una fase posterior de una intercomparación en curso, los métodos de análisis y la presentación deberían incluir los utilizados en el estudio original. Ello no debería excluir la incorporación de nuevos métodos. 6.2.4 Normalmente, el jefe de proyecto debería ser responsable del procesamiento y análisis de los datos. Además, habría que verificar lo antes posible la idoneidad de los procedimientos de análisis seleccionados y, en la medida necesaria, preparar informes provisionales para que los miembros del comité organizador expongan sus comentarios al respecto. Basándose en esos exámenes, debería estudiarse la posibilidad de introducir los cambios necesarios. 6.2.5 Una vez concluida la intercomparación, el comité organizador debería examinar los resultados y análisis preparados por el jefe de proyecto. Debería dedicar especial atención a las recomendaciones sobre la utilización de los resultados de la intercomparación, y al contenido del informe final. 7.

INFORME FINAL DE LA INTERCOMPARACIÓN

7.1 El comité organizador debería redactar un esquema general del informe final, y pedir al jefe

III.4-12

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

de proyecto que prepare un informe provisional basado en aquel.

proceso, se seguirán unos procedimientos de importación/exportación apropiados.

7.2 El informe final de la intercomparación tendría que contener, para cada instrumento, un resumen de las características de funcionamiento y de los factores operativos esenciales. Los resultados del análisis estadístico deberían presentarse en forma de tablas y gráficos, según el caso. Habría que considerar la posibilidad de representar gráficamente las series temporales para determinados períodos que incluyan episodios particularmente relevantes. Debería invitarse al país anfitrión a preparar un capítulo descriptivo de la base de datos y de las instalaciones utilizadas para el procesamiento, análisis y almacenamiento de los datos.

8.1.2 Por lo general, los participantes instalarán y desinstalarán los equipos bajo la supervisión del jefe de proyecto, a menos que el país anfitrión acuerde encargarse de ello.

7.3 El comité organizador debería acordar los procedimientos a seguir para aprobar el informe final, por ejemplo: a) el proyecto de informe final será preparado por el jefe de proyecto y presentado a todos los miembros del comité organizador y, si procede, también a los Miembros participantes; b) los comentarios y enmiendas deberían enviarse de nuevo al jefe de proyecto en un plazo de tiempo especificado, remitiendo también una copia al presidente del comité organizador; c) si las modificaciones propuestas fueran solo secundarias, el informe podrá ser completado por el jefe de proyecto y enviado a la Secretaría de la OMM para que lo publique; d) si hubiera modificaciones o problemas importantes que no fuera posible resolver por correspondencia, debería estudiarse la posibilidad de convocar una reunión adicional del comité organizador (habría que informar inmediatamente de esa situación al presidente de la CIMO). 7.4 El comité organizador podrá acordar que los resultados finales sean presentados solo por el jefe de proyecto y por su personal en las conferencias técnicas. 8.

RESPONSABILIDADES

8.1

Responsabilidades de los participantes

8.1.1 Los participantes serán plenamente responsables del transporte de todo el equipo presentado, de todos los trámites de importación y exportación y de todos los costos que de estos se deriven. Para garantizar que no haya retrasos atribuibles a este

8.1.3 Cada participante proporcionará todos los accesorios necesarios, así como las herramientas de montaje, los cables y conectores de señal y de suministro eléctrico (compatibles con las normas del país anfitrión), las piezas de recambio y los fungibles para su equipo. Los participantes que necesiten un suministro de energía eléctrica especial o no normalizado deberán llevar consigo su propio transformador o adaptador. Los participantes facilitarán todas las instrucciones y manuales detallados necesarios para la instalación, la utilización, la calibración y el mantenimiento de rutina. 8.2

Apoyo del país anfitrión

8.2.1 En caso de que se le solicite, el país anfitrión debería proporcionar la información necesaria a los Miembros participantes sobre los procedimientos de importación y exportación temporales y permanentes (en el caso de los fungibles). Debería ayudar a desembalar e instalar el equipo de los participantes, y proporcionar habitaciones o armarios para albergar el equipo que necesite mantenerse a resguardo de la intemperie, así como para el almacenamiento de piezas de recambio, manuales, fungibles, etc. 8.2.2 El país anfitrión debería proporcionar una cantidad razonable de equipo o estructuras de carácter auxiliar, como torres, resguardos, soportes o cimientos. 8.2.3 Deberá proporcionarse la energía eléctrica necesaria para todos los instrumentos. Debería informarse a los participantes de la tensión y frecuencia de la red eléctrica y de su estabilidad. La conexión de los instrumentos al sistema de adquisición de datos y al suministro de energía se hará en colaboración con los participantes. El jefe de proyecto debería acordar con cada participante si habrá de ser este o el país anfitrión el que aporte los cables de la longitud necesaria (más los conectores apropiados) para el suministro de corriente eléctrica y la transmisión de señales. 8.2.4 El país anfitrión debería encargarse de la obtención de toda autorización jurídica relativa a las

CAPÍTULO 4. PRUEBA, CALIBRACIÓN E INTERCOMPARACIÓN

III.4-13

mediciones que se realicen en la atmósfera, por ejemplo la utilización de frecuencias, la transmisión de radiaciones láser, el cumplimiento de la legislación civil y aeronáutica, etc. A petición del jefe de proyecto, cada participante deberá presentar los documentos necesarios.

los elementos presentes en el emplazamiento que pudieran influir en la intercomparación, así como de todas las incidencias relacionadas con el equipo participante y con el equipo y las instalaciones proporcionados por el país anfitrión.

8.2.5 El país anfitrión podrá proporcionar información relativa a alojamiento, viajes, transportes locales, apoyo logístico diario, etc.

9.

8.3

Servicios del país anfitrión

8.3.1 El país anfitrión prestará servicios regulares solo para las intercomparaciones de larga duración en las que la ausencia de los participantes o de sus representantes pudiera estar justificada. 8.3.2 Cuando sea responsable de los servicios operativos, el país anfitrión: a) proporcionará servicios operativos normales para cada instrumento, por ejemplo limpieza, cambio de bandas registradoras o ajustes de rutina, conforme se especifique en las instrucciones de trabajo de los participantes; b) comprobará cada instrumento todos los días que dure la intercomparación, e informará inmediatamente a la persona de contacto designada en representación del participante de las averías que no sea posible corregir mediante el mantenimiento de rutina; c) hará todo lo posible por efectuar comprobaciones regulares de la calibración, conforme a las instrucciones específicas del participante. 8.3.3 El jefe de proyecto debería anotar sistemáticamente los valores de funcionamiento ordinarios de todo el equipo que participe en la intercomparación. En particular, debería tomar nota de todos

REGLAS APLICABLES DURANTE LA INTERCOMPARACIÓN

9.1 El jefe de proyecto ejercerá el control general de la intercomparación en nombre del comité organizador. 9.2 No se permitirá introducir cambios en el equipo o en los programas informáticos sin el consentimiento del jefe de proyecto. 9.3 Las reparaciones menores como, por ejemplo, la sustitución de fusibles, estarán permitidas previo consentimiento del jefe de proyecto. 9.4 Cuando se requiera un conocimiento especializado o un equipo específico, se permitirá a los participantes efectuar comprobaciones de la calibración y operaciones de mantenimiento del equipo con arreglo a unos procedimientos previamente definidos. 9.5 Todos los problemas que surjan en relación con el equipo de los participantes serán comunicados al jefe de proyecto. 9.6 En el transcurso de la intercomparación, el jefe de proyecto podrá seleccionar un período durante el que se utilizarán los equipos dejando intervalos de tiempo más amplios entre los mantenimientos normales de rutina, a fin de evaluar sus susceptibilidades a las condiciones ambientales. Esos mismos intervalos se aplicarán a todos los equipos.

III.4-14

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

ANEXO 4.C INFORMES DE COMPARACIONES INTERNACIONALES REALIZADAS BAJO LOS AUSPICIOS DE LA COMISIÓN DE INSTRUMENTOS Y MÉTODOS DE OBSERVACIÓN

Tema

Número del informe Título del informe sobre instrumentos y métodos de observación

Duración de la insolación

16

Radiation and Sunshine Duration Measurements: Comparison of Pyranometers and Electronic Sunshine Duration Recorders of RA VI (Budapest, Hungría, julio a diciembre, 1984), G. Major, WMO/TD-No. 146 (1986).

Radiacióna

16

Radiation and Sunshine Duration Measurements: Comparison of Pyranometers and Electronic Sunshine Duration Recorders of RA VI (Budapest, Hungría, julio a diciembre, 1984), G. Major, WMO/TD-No. 146 (1986).

Precipitación

17

International Comparison of National Precipitation Gauges with a Reference Pit Gauge (1984), B. Sevruk y W. R. Hamon, WMO/TD-No. 38 (1984).

Radiosondas

28

WMO International Radiosonde Comparison, Phase I (Beaufort Park, Reino Unido, 1984), A. H. Hooper, WMO/TD-No. 174 (1986).

Radiosondas

29

WMO International Radiosonde Intercomparison, Phase II (Wallops Island, Estados Unidos, 4 de febrero a 15 de marzo, 1985), F. J. Schmidlin, WMO/TD-No. 312 (1988).

Radiosondas

30

WMO International Radiosonde Comparison (Reino Unido, 1984/ Estados Unidos, 1985), J. Nash y F. J. Schmidlin, WMO/TD-No. 195 (1987).

Altura de la base de las nubes

32

WMO International Ceilometer Intercomparison (Reino Unido, 1986), D. W. Jones, M. Ouldridge y D. J. Painting, WMO/TD-No. 217 (1988).

Humedad

34

WMO Assmann Aspiration Psychrometer Intercomparison (Potsdam, Alemania, 1987), D. Sonntag, WMO/TD-No. 289 (1989).

Humedad

38

WMO International Hygrometer Intercomparison (Oslo, Noruega, 1989), J. Skaar, K. Hegg, T. Moe y K. Smedstud, WMO/TD-No. 316 (1989).

Radiosondas

40

WMO International Radiosonde Comparison, Phase III (Dzhambul, Federación de Rusia, 1989), A. Ivanov, A. Kats, S. Kurnosenko, J. Nash y N. Zaitseva, WMO/TD-No. 451 (1991).

Visibilidad

41

The First WMO Intercomparison of Visibility Measurements (Reino Unido, 1988/1989), D. J. Griggs, D. W. Jones, M. Ouldridge y W. R. Sparks, WMO/TD-No. 401 (1990).

Radiacióna

43

First WMO Regional Pyrheliometer Comparison of RA II and RA V (Tokio, Japón, 23 de enero a 4 de febrero, 1989), Y. Sano, WMO/TD-No. 308 (1989).

Radiacióna

44

First WMO Regional Pyrheliometer Comparison of RA IV (Ensenada, México, 20 a 27 de abril, 1989), I. Galindo, WMO/TD-No. 345 (1989).

Presión

46

The WMO Automatic Digital Barometer Intercomparison (de Bilt, Países Bajos, 1989 a 1991), J. P. van der Meulen, WMO/TD-No. 474 (1992).

Radiacióna

53

Segunda Comparación de la OMM de Pirheliómetros Patrones Nacionales AR III (Buenos Aires, Argentina, 25 de noviembre a 13 de diciembre, 1991), M. Ginzburg, WMO/TD-No. 572 (1992).

Radiosondas

59

WMO International Radiosonde Comparison, Phase IV (Tsukuba, Japón, 15 de febrero a 12 de marzo, 1993), S. Yagi, A. Mita y N. Inoue, WMO/TD-No. 742 (1996).

CAPÍTULO 4. PRUEBA, CALIBRACIÓN E INTERCOMPARACIÓN

Tema

III.4-15

Número del informe Título del informe sobre instrumentos y métodos de observación

Viento

62

WMO Wind Instrument Intercomparison (Mont Aigoual, Francia, 1992-1993), P. Gregoire y G. Oualid, WMO/TD-No. 859 (1997).

Radiacióna

64

Tercera Comparación Regional de la OMM de Pirheliómetros Patrones Nacionales AR III – Informe Final (Santiago, Chile, 24 de febrero a 7 de marzo, 1997), M. V. Muñoz, WMO/TD-No. 861 (1997).

Precipitación

67

WMO Solid Precipitation Measurement Intercomparison – Informe final, B. E. Goodison, P. Y. T. Louie y D. Yang, WMO/TD-No. 872 (1998).

Tiempo presente

73

WMO Intercomparison of Present Weather Sensors/Systems – Informe final (Canadá y Francia, 1993-1995), M. Leroy, C. Bellevaux y J. P. Jacob, WMO/TD-No. 887 (1998).

Radiosondas

76

Executive Summary of the WMO Intercomparison of GPS Radiosondes (Alcantâra, Maranhão, Brasil, 20 de mayo a 10 de junio, 2001), R. B. da Silveira, G. Fisch, L. A. T. Machado, A. M. Dall’Antonia Jr., L. F. Sapucci, D. Fernandes y J. Nash, WMO/TD-No. 1153 (2003).

Radiosondas

83

WMO Intercomparison of Radiosonde Systems, Vacoas, Mauricio, 2 a 25 de febrero, 2005, J. Nash, R. Smout, T. Oakley, B. Pathack y S. Kurnosenko, WMO/TD-No. 1303 (2006).

Intensidad de lluvia

84

WMO Laboratory Intercomparison of Rainfall Intensity Gauges – Informe final, Francia, Países Bajos, Italia, septiembre de 2004 a septiembre de 2005, L. Lanza, L. Stagi, M. Leroy, C. Alexandropoulos y W. Wauben, WMO/TD-No. 1304 (2006).

Humedad

85

WMO Radiosonde Humidity Sensor Intercomparison – Informe final de la Fase I y de la Fase II. Fase I: Federación de Rusia, 1995-1997. Fase II: Estados Unidos, 8 a 26 de septiembre, 1995. Fase I: A. Balagurov, A. Kats y N. Krestyannikova, Fase II: F. Schmidlin, WMO/TD-No. 1305 (2006).

Radiosondas

90

WMO Intercomparison of GPS Radiosondes – Informe final, Alcantâra (Brasil), 20 de mayo a 10 de junio, 2001, R. da Silveira, G. F. Fisc, L. A. Machado, A. M. Dall’Antonia Jr., L. F. Sapucci, D. Fernandes, R. Marques y J. Nash, WMO/TD-No. 1314 (2006).

Pirheliómetros

91

International Pyrheliometer Comparison – Informe final, Davos (Suiza), 26 de septiembre a 14 de octubre, 2005, W. Finsterle, WMO/TD-No. 1320 (2006).

Pirheliómetros

97

Second WMO Regional Pyrheliometer Comparison of RA II (Tokio, Japón, 22 de enero a 2 de febrero, 2007), H. Sasaki, WMO/TD-No. 1494 (2009).

Piranómetros

98

Sub-Regional Pyranometer Intercomparison of the RA VI members from South-Eastern Europe (Split, Croacia, 22 de julio a 6 de agosto, 2007), K. Premec, WMO/TD-No. 1501 (2009).

Intensidad de lluvia

99

WMO Field Intercomparison of Rainfall Intensity Gauges (Vigna di Valle, Italia, octubre de 2007 a abril de 2009), E. Vuerich, C. Monesi, L. Lanza, L. Stagi y E. Lanzinger, WMO/TD-No. 1504 (2009).

Garitas meteorológicas y humedad

106

WMO Field Intercomparison of Thermometer Screens/Shields and Humidity Measuring Instruments, Ghardaïa (Argelia), noviembre de 2008 a octubre de 2009. Informe final, M. Lacombe, D. Bousri, M. Leroy y M. Mezred, WMO/TD-No. 1579 (2011).

Radiosondas

107

WMO Intercomparison of High Quality Radiosonde Systems, Yangjiang (China), 12 de julio a 3 de agosto, 2010, J. Nash, T. Oakley, H. Vömel y Li Wei, WMO/TD-No. 1580 (2011).

a

La OMM distribuye también los informes de las intercomparaciones internacionales de pirheliómetros de la OMM que se efectúan cada cinco años bajo la dirección del Centro radiométrico mundial de Davos (Suiza).

III.4-16

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), 1990: Classification of Environmental Conditions. IEC 721. Hoehne, W. E., 1971: Standardizing Functional Tests. NOAA Technical Memorandum, NWS T&EL-12, United States Department of Commerce, Sterling, Virginia. —, W. E., 1972: Standardizing functional tests. Preprints of the Second Symposium on Meteorological Observations and Instrumentation. American Meteorological Society, págs. 161 a 165. —, W. E., 1977: Progress and Results of Functional Testing. NOAA Technical Memorandum NWS T&EL-15, United States Department of Commerce, Sterling, Virginia. National Weather Service, 1980: Natural Environmental Testing Criteria and Recommended Test Methodologies for a Proposed Standard for National Weather Service Equipment. United States Department of Commerce, Sterling, Virginia. —, 1984: NWS Standard Environmental Criteria and Test Procedures. United States Department of Commerce, Sterling, Virginia.

Organización Internacional de Normalización (ISO), 1989a: Sampling Procedures for Inspection by Attributes. Part I: Sampling plans indexed by acceptable quality level (AQL) for lot-by-lot inspection. ISO 2859-1:1989. —, 1989b: Sampling Procedures and Charts for Inspection by Variables for Percent Nonconforming. ISO 3951:1989. —, 2007: International Vocabulary of Basic and General Terms in Metrology. Tercera edición, ISO Guide 99:2007. Organización Meteorológica Mundial, 1989: Analysis of Instrument Calibration Methods Used by Members (H. Doering). Informe nº 45 sobre instrumentos y métodos de observación, WMO/TD No. 310, Ginebra. —/Consejo Internacional de Uniones Científicas, 1986: Revised Instruction Manual on Radiation Instruments and Measurements (C. Fröhlich y J. London, eds.). Programa Mundial de Investigaciones Climáticas, publicación nº 7, WMO/TD No. 149, Ginebra.

CAPÍTULO 5. CAPACITACIÓN DE ESPECIALISTAS EN INSTRUMENTOS CAPÍTULO 5

III.5-1

CAPACITACIÓN DE ESPECIALISTAS EN INSTRUMENTOS

5.1

INTRODUCCIÓN

5.1.1

Generalidades

La ciencia y las aplicaciones de la meteorología están basadas en series continuas de mediciones efectuadas mediante instrumentos y sistemas cada vez más sofisticados. Por ello, el presente capítulo está dedicado a la formación de los especialistas que se encargan de la planificación, especificación, diseño, instalación, calibración, mantenimiento y aplicación de instrumentos de medición meteorológica y de sistemas de teledetección. Está pensado para los directores técnicos e instructores y, desde luego, también para los propios especialistas en instrumentos que deseen avanzar en su profesión. La formación de personal es esencial para poder disponer de las tecnologías necesarias y apropiadas en todos los países, de modo que el Sistema Mundial de Observación de la Organización Meteorológica Mundial pueda producir oportunamente, con un buen aprovechamiento de costos, datos con una calidad buena y uniforme. Sin embargo, se requiere algo más que un buen manejo técnico de los instrumentos. La meteorología moderna necesita tecnólogos que puedan realizar también tareas de planificación y gestión de proyectos, que tengan conocimientos de telecomunicaciones y procesamiento de datos, que puedan preconizar soluciones técnicas efectivas, y que tengan aptitudes en materia de presupuestos financieros y de dirección de personal. Por ello, los programas de formación destinados a los más capaces especialistas en instrumentos o ingenieros de sistemas de instrumentos meteorológicos deberían ser de amplio alcance e incluir el desarrollo de aptitudes y la gestión de personal, así como un buen conocimiento de la tecnología moderna. Bajo los auspicios de la OMM, se han creado en muchos países Centros Regionales de Formación (CRF), muchos de los cuales ofrecen formación sobre diversos aspectos de la utilización y gestión de instrumentos y de sistemas de instrumentos. El anexo del presente capítulo contiene una lista de los CRF. En muchos lugares se han creado también Centros Regionales de Instrumentos (CRI) y

Centros Regionales de Instrumentos Marinos (CRIM), algunos de los cuales pueden impartir formación. Su ubicación y sus funciones se indican en el anexo 1.A del capítulo 1 de la parte I, y en el anexo 4.A del capítulo 4 de la parte II, y se examinan sucintamente en las secciones 5.5.1.2 y 5.5.1.3, respectivamente. 5.1.2

Transferencia de tecnología

La formación es una parte esencial de la transferencia de tecnología, entendida como un proceso progresivo de puesta en servicio de nuevos recursos técnicos para mejorar la calidad y reducir los costos de funcionamiento. Los nuevos recursos requieren nuevas aptitudes para llevar a término el proceso introductorio y para llevar adelante las actividades operativas y de mantenimiento. Esta dimensión humana es más importante en lo relativo a la creación de capacidad que en lo concerniente al material técnico. Dado que la meteorología es una disciplina de ámbito mundial, la diferencia tecnológica existente entre países desarrollados y en desarrollo es una de las cuestiones que suscita la transferencia de tecnología. La aportación de estrategias, programas y recursos de formación efectivos que fomenten la creación de infraestructuras técnicas autónomas, así como la capacitación de las personas en los países en desarrollo, son objetivos que hay que tener constantemente presentes. 5.1.3

Aplicación a todos los usuarios de instrumentos meteorológicos

El presente capítulo está dedicado a la formación, principalmente en relación con los Servicios Hidrometeorológicos Nacionales. Sin embargo, los principios en que se basa sirven también para cualquier otra organización que realice mediciones meteorológicas, tanto si imparte directamente la formación a su personal como si tiene previsto contratar personal adecuadamente cualificado. Al igual que en todas las ciencias de observación, la formación reporta beneficios evidentes, tanto para conseguir procedimientos de medición normalizados como para utilizar y cuidar del equipo de la mejor manera posible.

III.5-2

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

5.2

FORMACIÓN ADECUADA A LAS NECESIDADES OPERATIVAS

5.2.1

Teoría y práctica

Las mediciones efectuadas mediante sistemas de instrumentos sirven para detectar, basándose en principios físicos (por ejemplo, la dilatación térmica del mercurio), las variables atmosféricas, y expresarlas en una forma normalizada conveniente para el usuario: por ejemplo, mediante una curva de un gráfico, o mediante una señal eléctrica enviada a una estación meteorológica automática. Los conocimientos teóricos en que se base el proceso de medición deberán incluir también el acoplamiento del instrumento a la magnitud que se está midiendo (es decir, la representación o “exposición”) y los errores instrumentales y observacionales que acompañan a toda medición. Frecuentemente, los datos básicos de la medición se procesan y codifican después en formas más o menos complejas para las que se requieren también conocimientos teóricos (por ejemplo, para reducir la presión atmosférica al nivel medio del mar, o para los mensajes de altitud obtenidos del vuelo de una radiosonda). La realización de la medición está basada también en conocimientos prácticos sobre la manera de instalar y preparar el instrumento para efectuar una medición estandarizada; sobre la manera de utilizarlo con precisión y en condiciones de seguridad; y sobre la manera de efectuar posteriormente cálculos o procesos de codificación con un mínimo de errores. Así, los aspectos teóricos y prácticos están íntimamente vinculados a la obtención de datos de medición de calidad conocida, y el personal que participa en la utilización y gestión de los sistemas de instrumentos necesita conocimientos teóricos y prácticos adecuados a la complejidad e importancia de su trabajo. Los ingenieros que diseñan o mantienen sistemas de instrumentos complejos necesitan un nivel especialmente alto de formación teórica y práctica. 5.2.2

Adecuación de los conocimientos prácticos a las tareas

Las organizaciones tienen que asegurarse de que las calificaciones y aptitudes de sus empleados o subcontratados, así como su número (y, consiguientemente, la formación), se corresponden con la diversidad de tareas que se efectúan. Así, por ejemplo, el nivel de formación necesario para leer

la temperatura del aire en una pantalla Stevenson es de los más elementales, mientras que para especificar, instalar, utilizar y mantener estaciones meteorológicas automáticas, receptores de imágenes de satélites meteorológicos y radares se necesita un nivel de formación teórica y práctica mucho más alto. Por consiguiente, resulta útil aplicar un sistema de clasificación de los niveles de preparación teórica necesarios para las distintas tareas, tanto a efectos de contratación como de formación. Los grados de titulación de la enseñanza técnica en los distintos países constituirán un punto de referencia importante. Para ayudar a la comunidad internacional a conseguir una calidad uniforme en el acopio y procesamiento de sus datos meteorológicos, la OMM recomienda su propia clasificación de personal, en función de las tareas que se espera que cada uno desempeñe con competencia. 5.2.3

Clasificación del personal de la OMM

El sistema de clasificación de la OMM1 define dos grandes categorías de personal: profesionales con titulación superior universitaria o equivalente y técnicos (OMM, 2002a). En el caso del personal de meteorología e hidrología, estas categorías se definen como sigue: meteorólogo y técnico en meteorología, e hidrólogo y técnico en hidrología, respectivamente. En el programa de estudios recomendado para cada categoría, una parte considerable está dedicada a los instrumentos y métodos de observación correspondientes al tipo de educación, formación y responsabilidades deseados a ese nivel. La clasificación de personal de la OMM marca también directrices sobre el tipo de trabajo y la preparación teórica y práctica requerida para los especialistas en instrumentos. En la sección 7.3 de OMM (2002a) figura un ejemplo de las competencias exigidas, mientras que en OMM (2002b) se ofrecen modelos de programas de estudio detallados para la formación inicial y la especialización del personal meteorológico. Ello permite una definición e interpretación apropiadas de los programas de estudios y cursos de formación, a la vez que ayuda a definir carencias en materia de especialización y a desarrollar recursos técnicos nacionales equilibrados.

1

Sistema de clasificación de la OMM aprobado por el Consejo Ejecutivo en su 50ª reunión (1998) y ratificado por el Congreso Meteorológico Mundial en su decimotercera reunión (1999).

CAPÍTULO 5. CAPACITACIÓN DE ESPECIALISTAS EN INSTRUMENTOS

5.3

ALGUNOS PRINCIPIOS GENERALES DE FORMACIÓN

5.3.1

Aspectos de política de gestión

5.3.1.1

Plan de personal

Es importante que los Servicios Meteorológicos Nacionales cuenten con un plan de personal que incluya especialistas en instrumentos, reconociendo su utilidad para la planificación, desarrollo y mantenimiento de programas de observación del tiempo adecuados y eficaces en términos de costo. En dicho plan figurarían todos los especialistas en instrumentos empleados en los distintos niveles de cualificación (OMM, 2002a). Se determinarían también las insuficiencias funcionales y las necesidades de contratación y de formación.

5.3.1.2

Conservación del personal

Debería hacerse todo lo posible por conservar a los técnicos en instrumentación, difíciles de conseguir, creando un entorno de trabajo estimulante desde el punto de vista técnico, que brinde oportunidades para mejorar profesionalmente, y sueldos comparables a los de otras especialidades técnicas, tanto dentro como fuera del Servicio Meteorológico. 5.3.1.3

Desarrollo de personal

La formación debería formar parte integral del plan de personal. La introducción de nuevas tecnologías y dotación de equipo conllevan nuevos conocimientos técnicos. Los nuevos empleados necesitarán una formación adaptada a su experiencia anterior, y las insuficiencias funcionales pueden compensarse también mejorando las aptitudes de otros empleados. Este tipo de formación ofrece también horizontes profesionales. Es conveniente que el departamento de formación mantenga un “perfil profesional” de cada empleado, en el que se indique su nivel de formación, sus cualificaciones y su trayectoria profesional, con el fin de planificar el desarrollo de personal de manera organizada. 5.3.1.4

Formación equilibrada

Los programas nacionales de formación deberían estar orientados a conseguir un equilibrio entre los conocimientos de todas las clases de especialistas, dedicando suficiente atención a las fases de

III.5-3

preparación, perfeccionamiento y reciclado del proceso de formación, de modo que se obtenga una infraestructura técnica autosuficiente.

5.3.2

Fines y objetivos de los programas de formación

A fin de conseguir el máximo beneficio de la formación, es esencial tener fines claros y objetivos específicos en los que basar los planes de formación, los programas de estudios y los gastos. Algunos fines y objetivos estratégicos que cabría considerar para la formación de especialistas en instrumentos se reseñan a continuación.

5.3.2.1

Para los directivos

Las funciones de gestión para la formación de especialistas en instrumentos deberían responder a los siguientes fines: a) mejorar y mantener la calidad de la información en todos los programas de observación meteorológica; b) dotar a los Servicios Meteorológicos e Hidrológicos Nacionales (SMHN) de autosuficiencia en cuanto al conocimiento y la especialización requeridos para una planificación, ejecución y funcionamiento efectivos de los programas de acopio de datos meteorológicos; y prepararlos para el desarrollo de servicios de mantenimiento que aseguren una fiabilidad, exactitud y economía máximas de los sistemas de instrumentos; c) obtener un aprovechamiento máximo del capital invertido en sistemas de instrumentos, a lo largo del período de vida económicamente óptimo. 5.3.2.2

Para los instructores

La planificación de los cursos de formación debería estar orientada a: a) proporcionar programas de formación equilibrados que respondan a las necesidades definidas por los países de cada región en cuanto a especialización, para las distintas categorías de trabajo; b) conseguir una transferencia de conocimientos efectiva y una mejora de las aptitudes en los Servicios Meteorológicos Nacionales, gracias a la presencia de tutores adecuadamente cualificados, medios de formación apropiados, y métodos de aprendizaje efectivos;

III.5-4

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

c) establecer procedimientos de evaluación e informe apropiados que permitan vigilar la efectividad de la formación; d) impartir formación, con el mínimo costo necesario. 5.3.2.3

Para los instructores y especialistas en instrumentos

Los objetivos generales de la formación consisten en equipar a los especialistas en instrumentos y a los ingenieros (con arreglo a sus distintas categorías de formación y de experiencia), a fin de: a) apreciar la utilidad, el valor y la exactitud deseable de todas las mediciones efectuadas mediante instrumentos; b) comprender y aplicar los principios en que se basa el emplazamiento de los instrumentos y de sus recintos, con objeto de producir conjuntos de datos representativos, homogéneos y compatibles; c) adquirir los conocimientos y aptitudes necesarios para efectuar instalaciones, ajustes y reparaciones, y proporcionar un servicio de mantenimiento que asegure la máxima fiabilidad, exactitud y economía de los instrumentos y sistemas meteorológicos; d) ser capaces de diagnosticar averías de manera razonada y rápida a partir de los síntomas observados, y de averiguar y rectificar sistemáticamente sus causas; e) comprender las causas de los errores en las mediciones, y ser competentes en la utilización de los patrones de instrumentos y de los procedimientos de calibración, a fin de minimizar los errores sistemáticos; f) mantenerse al corriente de las nuevas tecnologías y de su aplicación apropiada, y adquirir nuevos conocimientos y aptitudes mediante cursos especiales y de repaso; g) planificar y diseñar redes de acopio de datos, y gestionar presupuestos y personal técnico; h) gestionar proyectos que conlleven un volumen importante de recursos financieros, equipo y personal, y una gran complejidad técnica; i) modificar, mejorar, diseñar y construir instrumentos para fines específicos; j) diseñar y aplicar sistemas y programas de ordenador y de telecomunicaciones para el control de las mediciones, para el procesamiento de datos en bruto de los instrumentos y su conversión en otras formas, y para la transmisión de mensajes cifrados.

5.3.3

Formación orientada a la calidad

El acopio de datos meteorológicos es una actividad compleja y costosa que conlleva la utilización de recursos humanos y materiales, comunicaciones y computación. Es necesaria para optimizar los beneficios de la información obtenida con una incidencia mínima de los costos y de la mano de obra. El acopio de datos de calidad tiene por objeto mantener el flujo de datos instrumentales representativos, exactos y puntuales a los centros nacionales de procesamiento de datos meteorológicos, con un costo mínimo. En todas las etapas de la formación técnica debería hacerse comprender que todos los empleados pueden influir en la calidad del producto final. La disciplina de gestión total de la calidad (Walton, 1986 e Imai, 1986) toma en cuenta todas las circunstancias que acompañan a la medición (aplicaciones, procedimientos, instrumentos y personal) en la medida en que puedan afectar a la calidad. En la gestión total de la calidad, la actividad de acopio de datos se estudia como un sistema o una serie de procesos. Se cuantifican los elementos cruciales de cada proceso (por ejemplo, el retardo temporal), y se define estadísticamente la variación durante el proceso. Mediante el empleo de medios para la resolución de problemas, un pequeño equipo de personas conocedoras del proceso reduce la variación durante el proceso y mejora de ese modo la calidad. Los procesos se perfeccionan continuamente mediante mejoras incrementales. En OMM (1990) se expone una lista de comprobación de factores clasificada en términos de: a) contratación y formación de personal; b) especificación, diseño y desarrollo de equipo; c) instalación de equipo; d) mantenimiento; e) calibración de instrumentos. Todos estos factores influyen en la calidad de los datos desde el punto de vista del experto en instrumentos. Pueden servir a los directivos para examinar áreas de su competencia e identificar puntos débiles, mediante la inclusión en los cursos de formación de conceptos de gestión total de la calidad, y a los individuos para tener presentes aquellos aspectos en que sus conocimientos y aptitudes contribuirían a la calidad final de los datos. La Organización Internacional de Normalización contempla posibles sistemas de calidad formales, definidos mediante el grupo de especificaciones ISO 9000 (ISO 1994a, 1994b), que permiten a las organizaciones que auditores externos certifiquen

CAPÍTULO 5. CAPACITACIÓN DE ESPECIALISTAS EN INSTRUMENTOS

la calidad de esos procesos de producción y de sus servicios a los clientes. Estos sistemas de calidad dependen en gran medida de la formación que se imparta en técnicas de gestión de calidad. 5.3.4

c)

El aprendizaje d)

5.3.4.1

El entorno de aprendizaje e)

El aprendizaje es un proceso distinto para cada persona, vinculado a las necesidades e intereses de cada individuo. Las personas se sienten motivadas para aprender cuando esperan obtener alguna recompensa, por ejemplo, un aumento de sueldo. Sin embargo, la satisfacción en el trabajo, la implicación y la satisfacción personal, una cierta sensación de poder o de influencia, y el reconocimiento recibido de los colegas y de los superiores son también móviles importantes. Estos incentivos se consiguen mediante un mayor rendimiento laboral y unas mejores relaciones con los demás en el ambiente de trabajo.

f) g) h) i)

El aprendizaje es un proceso activo en el que el estudiante reacciona al medio y a las actividades de formación. La implicación mental, física y emocional del estudiante da lugar a cambios del comportamiento. Una tensión excesiva, mental o emocional, durante el aprendizaje será contraproducente. Los instructores y los directivos deberían procurar estimular y alentar el aprendizaje, creando un entorno material y psicológico favorable, y proporcionando experiencias y métodos apropiados que fomenten el aprendizaje. Los estudiantes deberían sentirse a gusto y cómodos en el entorno de aprendizaje, y carecer de distracciones. El “clima psicológico” puede resultar afectado por la motivación del estudiante, por el comportamiento y el vocabulario del enseñante, por la consolidación de conocimientos adquiridos anteriormente, por el miedo a las situaciones embarazosas y al ridículo, por la existencia de una atmósfera de confianza, y por la selección de los métodos de enseñanza.

5.3.4.2

Principios importantes

Entre los principios importantes para la formación se cuentan los siguientes: a) buena disposición: el aprendizaje será más rápido si el estudiante está bien dispuesto, interesado y desea aprender; b) objetivos: los objetivos de la formación (incluidos los resultados esperados) deberían estar

j)

III.5-5

claros tanto para los responsables como para los participantes; participación: el aprendizaje es más efectivo si los estudiantes se afanan por obtener soluciones y actúan por sí mismos, en lugar de recibir pasivamente las respuestas o limitarse a demostrar conocimientos; asociación: el aprendizaje debería vincularse a experiencias anteriores, poniendo de relieve las semejanzas y las diferencias; ritmo de aprendizaje: el ritmo de aprendizaje debería adecuarse a las posibilidades de cada uno (confirmadas mediante pruebas); el aprendizaje tiende a ser mejor si se distribuye a lo largo de varias sesiones cortas, en lugar de una larga; reforzamiento: la realización y repetición de ejercicios útiles facilitarán el aprendizaje; intensidad: las experiencias intensas, vívidas o impresionantes cautivan la imaginación y causan mayor efecto; efectividad: las experiencias satisfactorias ayudan más a aprender que las comprometidas o molestas; la aprobación estimula el aprendizaje; apoyo: el supervisor del enseñante deberá prestar todo su apoyo a la formación y ser capaz de mantenerlo e intensificarlo; planificación y evaluación: la formación debería planificarse, realizarse y evaluarse sistemáticamente, en el contexto de las necesidades de la organización.

5.3.4.3

Cambio de método

Los distintos integrantes de un grupo aprenderán a ritmos diferentes. Algunos métodos de formación (véase la sección 5.4) se adecuarán mejor a ciertas personas que otros, y serán más efectivos en circunstancias diferentes. El empleo de métodos y recursos de formación diversificados ayudará al grupo a aprender más rápidamente. Ciertas investigaciones (Moss, 1987) indican que los conocimientos se adquieren a través de los sentidos como sigue: a) Vista (83%) b) Oído (11%) c) Otros sentidos (6%) Sin embargo, como mejor aprendemos es realizando la tarea. En términos generales, los métodos o medios de formación se clasifican, de mayor a menor efectividad, en: a) Experiencia real b) Experiencia práctica simulada c) Demostraciones y discusiones

III.5-6

d) e) f) g) h)

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Modelos físicos y textos Películas, vídeos, animación por ordenador Gráficos, diagramas, fotografías Textos escritos Conferencias

Naturalmente, estos métodos pueden utilizarse de manera combinada. Una buena conferencia puede ir acompañada de algunos de los otros métodos. Los métodos de educación tradicionales se basan en gran medida en la palabra hablada y escrita, pero la evidencia indica que la experiencia visual y práctica es mucho más efectiva. La formación de especialistas en instrumentos puede beneficiarse de una enorme diversidad de métodos y de medios. Los aspectos teóricos de la medición y el diseño de instrumentos se enseñan mediante conferencias basadas en textos y fórmulas, con el apoyo de gráficos y diagramas. La utilización, mantenimiento y calibración de los sistemas de instrumentos puede aprenderse mediante el empleo de fotografías con textos, películas o vídeos que muestren los ajustes manuales; por medio de modelos desmontables; a través de demostraciones; y, en última instancia, de la experiencia práctica con sistemas en funcionamiento. Las prácticas o formas de utilización peligrosas pueden enseñarse por simulación.

5.3.5

Desarrollo de aptitudes personales

Un grupo de ingenieros en sistemas de instrumentos meteorológicos necesita personas no solo técnicamente capacitadas, sino que tengan también conocimientos amplios y sean capaces de expresarse y escribir con propiedad. Una buena comunicación personal es necesaria como apoyo y justificación de los programas técnicos y, particularmente, en puestos de dirección. Los buenos tecnólogos deberían recibir formación a fin de poder desempeñar un papel más importante en las decisiones que afecten al desarrollo de su Servicio Meteorológico. Los empleados de formación técnica y conocimientos prácticos y manuales tienden a expresarse peor verbalmente y por escrito. En el examen anual de rendimiento del personal, los directivos deberían señalar las oportunidades que permitirían a esas personas mejorar su capacidad personal mediante la asistencia a cursos especiales, por ejemplo de comunicación con el público, negociación, redacción

de cartas e informes, o seguridad en sí mismos. Algunos de ellos podrían necesitar asistencia para el aprendizaje de un segundo idioma, que ampliaría su formación. 5.3.6

Formación con fines de gestión

Una buena capacidad de gestión es un componente importante de las actividades de ingeniería. Estas actividades conllevan la organización del tiempo personal; la motivación, supervisión y evaluación del rendimiento del personal (incluida una dimensión de formación); la dirección de proyectos (estimación de recursos, presupuestos, tiempo, personal y material, programación); la resolución de problemas; la gestión de la calidad; y una buena comunicación verbal y escrita. Los especialistas en instrumentos con capacidades de dirección deberían ser seleccionados, en una fase apropiada de su carrera, para su formación como directivos. En la actualidad, un directivo puede tener acceso a un ordenador personal y ser diestro en la utilización de programas informáticos de oficina y de ingeniería (por ejemplo, procesamiento de textos, hojas de cálculo, bases de datos, análisis estadístico con gráficos, dibujo técnico, diagramas de flujo, y gestión de proyectos). La formación para el uso de estas herramientas puede mejorar considerablemente la productividad personal.

5.3.7

Una ocupación vitalicia

5.3.7.1

Tres fases de formación

A lo largo de toda su vida profesional, los especialistas en instrumentos deberían esperar una participación reiterada en ciclos de formación personal, tanto en forma de estudios planificados como de aprendizaje práctico no sistemático o de estudio personal. Cabe señalar tres fases de la formación: a) una fase preparatoria de desarrollo, en la que el alumno aprende teoría y práctica generales por etapas; b) una fase suplementaria en que la formación preparatoria se potencia mediante el aprendizaje de técnicas y equipo específicos; c) una fase de reciclado en la que, algunos años después de la formación propiamente dicha, el especialista necesita recordar y actualizar sus conocimientos sobre las técnicas y equipos actuales.

CAPÍTULO 5. CAPACITACIÓN DE ESPECIALISTAS EN INSTRUMENTOS

5.3.7.2

Formación preparatoria

Para los especialistas en instrumentos, la fase preparatoria de la educación técnica y de la formación suele desarrollarse, en parte, en un instituto técnico externo y, en parte, en las instalaciones del SMHN en que se reciba un curso básico en instrumentos meteorológicos. Obsérvese que la enseñanza técnica o de ingeniería puede extenderse a las dos categorías de personal de la OMM. 5.3.7.3

Formación de especialistas

La fase de formación suplementaria se desarrollará a lo largo de varios años, a medida que el especialista reciba cursos sobre sistemas especiales (por ejemplo, estaciones meteorológicas automáticas, o radares), o en disciplinas tales como programas informáticos o técnicas de gestión. Se utilizarán cada vez en mayor medida recursos de formación externos y, en particular, oportunidades de formación patrocinadas por la OMM. 5.3.7.4

Formación de actualización

A lo largo de la carrera de un especialista en instrumentos se hará necesario impartirle periódicamente cursos de repaso y actualización sobre los adelantos en materia de instrumentación y tecnología, así como otros cursos suplementarios. Estas fases presuponen implícitamente una cierta progresión. Cada uno de estos cursos se basará en un nivel de formación previamente adquirido.

5.4

EL PROCESO DE FORMACIÓN

5.4.1

La función del instructor

La mayoría de los especialistas en instrumentos asumen de cuando en cuando la importante y gratificante función de instructor, y algunos terminarán dedicándose plenamente a ella en su propia especialidad. Todos ellos necesitarán apreciar las cualidades de un buen instructor.

Un buen instructor se marcará objetivos claros, y planificará y preparará adecuadamente las sesiones de formación. Mantendrá una buena documentación sobre las necesidades de formación, los programas de estudios, las notas de clase, los cursos realizados y sus resultados, y los presupuestos y gastos. Recabará opiniones sinceras sobre su eficacia, y estará dispuesto a modificar sus métodos. Además, acrecentará constantemente sus conocimientos. 5.4.2

Análisis de tareas

El especialista en instrumentos deberá recibir formación para desempeñar numerosas tareas repetitivas o complejas de instalación, mantenimiento y calibración de instrumentos y, en ocasiones, de su fabricación. Para definir los métodos de trabajo podrá utilizarse un formulario de análisis de tareas, que servirá al tutor para la formación y, seguidamente, al estudiante como lista de comprobación. En primer lugar, se anotará el objetivo de las tareas y el nivel de resultados requerido. Las tareas se estructurarán en etapas lógicas de duración razonable. El formulario podría ser un cuadro cuyas columnas estén encabezadas, por ejemplo, por los conceptos siguientes: a) etapas (lo que se va a hacer): estarán numeradas, y consistirán en una breve descripción de cada etapa de trabajo, que comenzará con un verbo activo; b) métodos (cómo se va a hacer): se indicará aquí el método y el equipo que se va a utilizar, o los conocimientos necesarios; c) valoraciones (el nivel requerido): contendrá una indicación cualitativa, una referencia a una especificación o prueba, o una valoración propiamente dicha; d) razones (por qué se va a hacer): se explicará sucintamente la finalidad de cada etapa. Un organigrama sería útil para visualizar en su conjunto las distintas etapas y sus relaciones, particularmente cuando el orden de realización sea importante o cuando el procedimiento tenga ramificaciones. 5.4.3

Un buen instructor se preocupará por lograr resultados de calidad, será muy competente en determinadas materias, y tendrá facilidad para expresarse. Tendrá facilidad para comunicarse con los estudiantes, será paciente y tolerante, estará dispuesto a dar aliento y elogios, será flexible e imaginativo, y sabrá desenvolverse con diversas técnicas de formación.

III.5-7

Planificación de la sesión de formación

El proceso de formación consta de cuatro etapas, como se indica en la figura de la página siguiente: a) Planificación: i) pasar revista a los objetivos de formación marcados por la organización empleadora

III.5-8

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

ii) iii)

iv) v)

o por el órgano que determina las pautas (por ejemplo, la OMM); analizar las características generales de los conocimientos, tareas o aptitudes que se enseñarán durante la sesión; pasar revista a las características de los estudiantes: cualificaciones, experiencia de trabajo, capacidad expresiva, problemas especiales; evaluar el nivel de formación requerido: ¿qué estudiantes pueden necesitar atención especial?; decidir los objetivos de la sesión: ¿qué resultados se necesitan?, ¿en qué forma se pueden medir?

b) Preparación: i) escoger el contenido del curso: reunir información, y organizarla en una secuencia lógica; ii) decidir los métodos y medios de formación: según el tema de estudio, suscitar y mantener el interés (véase la sección 5.4.5);

Employer's Objetivos del empleador objectives

iii) iv)

preparar el plan de la sesión: establecer un plan detallado, y determinar el tiempo dedicado a cada actividad; planificar la evaluación: ¿qué información se necesita y cómo se obtendrá?; escoger un método y preparar las preguntas o las tareas.

c) Presentación: i) impartir la formación: utilizar el plan de la sesión; ii) alentar el aprendizaje activo y la participación; iii) utilizar diversos métodos; iv) servirse de demostraciones y presentaciones gráficas. d) Evaluación: i) realizar la evaluación prevista con arreglo a los objetivos; ii) resumir los resultados; iii) valorar la eficacia de la sesión de formación a tenor de los resultados de la evaluación; iv) examinar posibles mejoras del contenido y de la presentación; v) anotar las conclusiones; vi) tener en cuenta las opiniones de los alumnos en la sesión de planificación siguiente. La formación será siempre más efectiva si estas etapas se desarrollan cuidadosa y sistemáticamente.

Planificación Plan

Preparación Prepare

Evaluación Evaluate Presentación Present

Employing Organización empleadora organization Students Estudiantes

Etapas del proceso de formación

5.4.4

Efectividad de la formación

5.4.4.1

Formación basada en objetivos

Cuando los recursos destinados a la formación son limitados, habrá que esforzarse por optimizar los resultados de la formación. Convendría fijar objetivos para los cursos y recursos de formación, a fin de sacar el máximo partido de estos formando a las personas adecuadas en el momento más apropiado. Así, por ejemplo, impartir formación insuficiente podría representar un dispendio de recursos; enviar a directivos a un curso de técnicos de mantenimiento sería inapropiado; y no tendría sentido formar a alguien 12 meses antes de que tenga acceso a nueva tecnología. Las oportunidades y métodos de formación deberían escogerse de modo que se adecuen lo mejor posible a los conocimientos y aptitudes necesarios, así como a los estudiantes y a sus conocimientos e idiosincrasia. Para conseguir la máxima efectividad, la formación debería someterse a evaluación.

CAPÍTULO 5. CAPACITACIÓN DE ESPECIALISTAS EN INSTRUMENTOS

5.4.4.2

Evaluación de la formación

La evaluación es un proceso consistente en obtener determinada información y reenviarla a personas que puedan influir en la eficacia futura de la formación. Se puede plantear de diversas maneras, atendiendo a quiénes son las personas que necesitan la información, a saber: a) La OMM, que está interesada en mejorar la calidad de los datos recogidos en el Sistema Mundial de Observación. Crea programas de formación, asigna fondos y utiliza los servicios de expertos, principalmente para mejorar las aptitudes básicas en los países en desarrollo. b) El Servicio Meteorológico Nacional, que necesita datos meteorológicos de calidad, y se preocupa por una capacidad conjunta de la división que realiza el acopio de datos y determinadas tareas con instrumentos, con ciertas limitaciones en cuanto al número de empleados. Está interesado en los presupuestos y en la rentabilidad de los programas de formación. c) El departamento de formación o el Centro Regional de Formación, que están interesados en establecer programas de formación con objetivos específicos y con arreglo a un presupuesto convenido. Sus instructores necesitan saber hasta qué punto son efectivos sus métodos para el cumplimiento de esos objetivos, y cómo pueden mejorarlos. d) Los directivos de ingeniería, que están interesados en que las aptitudes laborales cubran su esfera de responsabilidad al nivel requerido y sin malgastar tiempo ni material. e) Los alumnos, que están interesados en los beneficios personales y laborales que conlleva una mayor competencia profesional. Para ellos, el curso de formación debería responder a sus necesidades y expectativas. Así pues, la efectividad de la formación debería evaluarse a distintos niveles. Los Centros Nacionales y Regionales de Formación podrían evaluar sus programas anualmente y cada tres años, cotejando el número de alumnos en los distintos cursos y los niveles de aprobados, con los presupuestos y objetivos determinados al comienzo de cada período. Los instructores necesitarán evaluar la oportunidad y efectividad del contenido y presentación de sus cursos.

b)

c)

d)

e) 5.4.4.3

Tipos de evaluación

Hay distintos tipos posibles de evaluación: a) Los informes de formación, que no tienen por objeto valorar la efectividad, sino dejar constancia

III.5-9

de, por ejemplo, el tipo y número de cursos ofrecidos, las fechas y duraciones, el número de alumnos formados y aprobados, y el costo total de la formación. En algunas situaciones, será necesario un informe de evaluación de la capacidad del estudiante. Las evaluaciones de reacción, que valoran la respuesta de los alumnos al programa de formación. Pueden consistir en un cuestionario escrito, en el cual los alumnos indicarán al término del curso sus opiniones sobre el interés, el contenido, los métodos, los medios de formación, la presentación y la administración. Por sí mismas, no pueden mejorar la formación de los alumnos, por lo que en cada curso de formación debería dedicarse periódicamente cierto tiempo a examinar el tema y pedir la opinión de los estudiantes mediante debates en grupo. Ello permitiría al instructor detectar posibles problemas o necesidades a propósito de la formación, y adoptar las medidas adecuadas. La evaluación del aprendizaje, que determina los nuevos conocimientos y aptitudes del alumno, a ser posible comparándolos con una prueba realizada antes del curso. Esta evaluación puede adoptar diversas formas, por escrito (exposición de un tema, preguntas con respuestas breves, preguntas del tipo “verdadero o falso”, preguntas con respuestas múltiples, dibujo de diagramas o de organigramas). Para los alumnos puede ser útil someterse a examen y valorar sus propios conocimientos. La mejor forma de evaluar las aptitudes consiste en encomendar una tarea práctica, o en observar al alumno durante el aprendizaje de la tarea deseada (OMM, 1990). El evaluador podrá utilizar una lista de comprobación de las actividades y aptitudes requeridas para la tarea (un formulario de observación). La evaluación del rendimiento, que determina en qué medida ha variado la efectividad del alumno en la tarea requerida al cabo de un cierto tiempo y en respuesta a la formación, a ser posible comparándola con los resultados de una prueba previa al curso. El empleador podría realizar esta evaluación al menos seis semanas después de la formación, utilizando, por ejemplo, un formulario de observación. La institución formadora podría realizar también una evaluación enviando cuestionarios al empleador y al alumno para que los contesten. La evaluación del impacto, que valora la efectividad de la formación guiándose por los cambios que experimenta una organización o grupo de trabajo. Para realizarla podría ser necesario reunir datos de planificación y de referencia antes y después de la formación que se desea.

III.5-10

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

Podrían evaluarse, por ejemplo, los datos incorrectos y el número de elementos de datos que faltan en un informe meteorológico, el tiempo tardado en efectuar instalaciones, o el costo de estas. 5.4.4.4

Formación para instructores

También los instructores necesitan recibir formación para mantenerse al día de los avances tecnológicos, para aprender nuevas técnicas y medios de enseñanza, y para ver con nuevos ojos su propio trabajo. En el presupuesto anual de su SMHN debería preverse la posibilidad de formar al personal instructor cuando ello sea posible, probablemente con carácter rotatorio. Algunas posibilidades consistirían en: estudio personal; cursos breves (que incluyan técnicas de enseñanza) impartidos por institutos técnicos; ausencia laboral para realizar estudios de perfeccionamiento; visitas a las fábricas de equipo meteorológico; visitas y traslados a otros SMHN y CRI; y asistencia a conferencias sobre formación y temas técnicos organizadas por la OMM u otras instancias. 5.4.5

Métodos y medios de formación

La siguiente lista contiene solo breves anotaciones como recordatorio o sugerencia de diversas posibilidades relativas a métodos de formación. Se encontrará más información en muchas otras fuentes, tales como Moss (1987) y Craig (1987): a) Estudio de casos: i) se propone a un individuo, o frecuentemente a un equipo, determinado problema real o proyecto de desarrollo, para su estudio; ii) la presentación de los resultados podría realizarse acompañando documentación en regla, como cabría esperar en una situación real. b) Disertaciones en clase: i) es extremadamente útil para desarrollar una comprensión transmitida, idealmente, en forma hablada y escrita: conocimientos básicos, ideas teóricas, cálculos, procedimientos; ii) los medios visuales y el material impreso distribuido en clase son complementos útiles; iii) debería reservarse tiempo suficiente para las preguntas y debates;

iv)

las conferencias tienden a ser excesivamente pasivas.

c) Instrucción asistida por ordenador: i) aprovecha la capacidad de los ordenadores personales para almacenar grandes cantidades de texto e imágenes, organizadas por el programa en secuencias de aprendizaje, incorporando frecuentemente algún elemento de elección interactiva por el estudiante, mediante listas de tipo “menú” y “botones” en pantalla; ii) las condiciones lógicas y las estructuras de ramificación y bucle del programa simulan los procesos de aprendizaje seleccionando un tema de estudio según las necesidades del estudiante, presentando la información, realizando una prueba de comprensión mediante respuestas opcionales y, por último, orientando la revisión hasta que se obtiene la respuesta correcta; iii) algunos lenguajes informáticos como, por ejemplo, “Toolbook” para PC IBM, e “HyperCard” para MacIntosh, están específicamente concebidos para confeccionar y presentar cursos de formación interactivos en lo que actualmente se denomina “hipermedios”; iv) los sistemas modernos utilizan pantallas gráficas en colores y pueden contener diagramas, imágenes fijas y breves secuencias de movimiento, mientras que para mejorar la comunicación interactiva entre el estudiante y el programa se utiliza una interfaz de usuario gráfica; v) el ordenador permite simular sistemas de instrumentos meteorológicos completos, por ejemplo para el sondeo de la atmósfera superior; vi) los sistemas más sofisticados, como los videodiscos láser, o los lectores de DVD o de CD-ROM, permiten almacenar permanentemente grandes cantidades de texto y secuencias de imágenes en movimiento; vii) el costo de desarrollo de los programas y el costo de capital de los sistemas de instrucción asistida por ordenador es entre moderado y muy elevado; estos sistemas están empezando a sustituir a los dispositivos multimedia y a las cintas de vídeo como ayuda para la formación. d) Cursos por correspondencia: i) los cursos convencionales consisten en lecciones con ejercicios o tareas enviados por correo al estudiante a intervalos;

CAPÍTULO 5. CAPACITACIÓN DE ESPECIALISTAS EN INSTRUMENTOS

ii) iii) iv)

v)

el tutor corrige las tareas y las reenvía al estudiante junto con la lección siguiente; algunas veces, los estudiantes pueden discutir las dificultades con su tutor por teléfono; algunos cursos pueden incluir cintas de audio o de vídeo, o discos de ordenador, siempre y cuando el estudiante tenga acceso al equipo; al término del curso podrá realizarse un examen en el centro de formación.

e) Demostraciones: i) el tutor hace una demostración de las técnicas en un laboratorio o entorno de trabajo; ii) las demostraciones son necesarias en la fase inicial de enseñanza de los procedimientos de mantenimiento y calibración manuales; iii) los estudiantes deberán tener la oportunidad de probar por sí mismos los procedimientos y de formular preguntas. f)

Aprendizaje a distancia: i) los estudiantes siguen el curso de formación en su propia localidad, lejos del centro de formación y del tutor, por lo general en régimen de dedicación parcial y cuando se lo permiten sus compromisos de trabajo; ii) el estudio puede realizarse individualmente, o en grupos; iii) algunas instituciones están especializadas en el aprendizaje a distancia; iv) las modalidades aquí indicadas consistirían en cursos por correspondencia, exposición de temas por televisión, y aprendizaje a distancia mediante telecomunicaciones.

g) Aprendizaje a distancia mediante telecomunicaciones: i) los estudiantes estudian en un aula conectada mediante un equipo telefónico especial a un tutor distante; el estudio se realiza a partir de un texto impreso; cada estudiante dispone de un micrófono que le permite discutir los temas e intercambiar preguntas y respuestas; puede utilizarse cualquier medio de comunicaciones fiable, incluidos los satélites, aunque el costo de las comunicaciones es evidentemente un factor a tener en cuenta; ii) en sistemas más perfeccionados y costosos, cada estudiante dispone de un ordenador conectado en red con los demás y

III.5-11

con el ordenador distante del tutor; o bien, el tutor imparte la enseñanza desde un estudio de televisión especial, y su imagen se transmite a un monitor de televisión instalado en la clase, que cuenta también con una cámara y micrófonos para que el tutor pueda ver y oír a los estudiantes. h) Ejercicios y tareas: i) suelen realizarse a continuación de una disertación o de una demostración; ii) son necesarios para que los estudiantes puedan asimilar y practicar activamente los nuevos conocimientos; iii) las tareas pueden ser de investigación, o de índole práctica. i)

Exposiciones: i) consisten en la presentación de material y de modelos que los estudiantes pueden examinar; ii) son útiles para hacerse una idea de conjunto cuando la situación real sea compleja o se halle lejos.

j)

Estudios y visitas en condiciones reales: i) los alumnos realizan prácticas de observación y estudian sistemas de instrumentos en condiciones reales, a ser posible durante la instalación, mantenimiento o calibración; ii) las visitas a fábricas de equipo meteorológico y a otros Servicios Meteorológicos complementarán la perspectiva técnica de los especialistas.

k) Discusiones en grupo/resolución de problemas: i) se divide la clase en pequeños grupos de cuatro a seis personas; ii) el jefe del grupo deberá alentar a todos a participar; iii) uno de los alumnos anota las ideas sobre una pizarra, frente a todo el grupo; iv) en una sesión dedicada a aportar ideas se aceptan inicialmente todas ellas tal cual y, a continuación, el grupo explora cada una en detalle y las clasifica según su utilidad. l)

Rotación de tareas/traslado: i) con arreglo a un calendario predeterminado, se encomiendan al estudiante diversas tareas con responsabilidades diferentes, frecuentemente con supervisores o instructores diferentes, a fin de que adquiera una experiencia de trabajo exhaustiva;

III.5-12

ii)

iii)

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

se podrá también enviar a los estudiantes durante un período dado a otro departamento, empresa fabricante o Servicio Meteorológico, a fin de que adquiera experiencia que no podrá obtener en su propio departamento o Servicio; los estudiantes enviados a otros países deberán tener muy buenas aptitudes; habitualmente cuentan con el apoyo de un acuerdo bilateral o de una beca.

m) Programas multimedia: i) se apoyan en el empleo de transparencias, cintas de vídeo y soportes informáticos (DVD y CD-ROM); ii) obligan a disponer de equipos costosos que sean compatibles con los medios; iii) pueden utilizarse para estudiar en clases o individualmente; iv) los programas deberán incluir ejercicios, preguntas y temas de debate; v) se dispone de material limitado sobre instrumentación meteorológica. n) Tutoría individualizada: i) el tutor trabaja junto con uno de los estudiantes que necesite formación en una técnica especial; ii) puede ser útil para colmar deficiencias o para impartir formación avanzada. o) Formación práctica directa: i) es un componente esencial del proceso de formación; proporciona al alumno la ocasión de aprender a aplicar las técnicas aprendidas, enfrentándose a las tareas y problemas con que se encuentra el especialista; la mejor manera de aprender las técnicas es practicándolas; ii) la mejor manera de realizar ciertas actividades de formación es mediante la práctica directa, una vez recibidas las explicaciones necesarias y adoptadas las precauciones procedentes; tal será el caso cuando las técnicas requieran manipulaciones complicadas, o cuando la reproducción del equipo o de las condiciones de trabajo del laboratorio o del taller resulte difícil o costosa; por ejemplo, las tareas de instalación del equipo, ciertas operaciones de mantenimiento, o las operaciones de calibración complejas; iii) hace uso del personal y de los recursos materiales disponibles, no requiere desplazamientos, instructores especiales ni alojamiento, y corresponde específicamente a las necesidades locales; es

iv)

v)

especialmente apropiada cuando la formación práctica sea mucho más valiosa que el estudio teórico, como en el caso de la formación de técnicos; algunos posibles inconvenientes son: que se utilice como método de formación “natural” cuando en realidad se necesitaría una formación más estructurada con un importante componente teórico para producir buenos especialistas; que se utilicen supervisores con capacidades indiferenciadas; que la formación sea demasiado limitada y adolezca de importantes lagunas en el aspecto práctico o teórico; o que no se valore objetivamente la efectividad de la formación; las condiciones necesarias para una buena formación práctica directa son: a. un plan de formación que defina las técnicas que se han de aprender; b. que el contenido de las actividades abarque la temática requerida; c. que el supervisor del trabajo sea un buen instructor experto en la materia, buen educador, paciente y estimulante; d. una comprensión teórica adecuada como apoyo a la formación práctica; e. un diario de actividades para el alumno, donde se anoten los conocimientos y técnicas aprendidos; f. un examen periódico de los progresos alcanzados, realizado por el supervisor de la formación; g. una valoración objetiva de las técnicas correctamente aprendidas (mediante observación o mediante exámenes).

p) Formación participativa: i) pone en manos de los estudiantes el proceso de aprendizaje, y hace compartir los conocimientos y las experiencias; ii) los estudiantes se agrupan en equipos o asociaciones y eligen a sus propios líderes; iii) se utiliza para la producción de ideas, resolución de problemas, elaboración de planes, desarrollo de proyectos y formación de líderes. q) Aprendizaje asistido por compañeros de igual nivel: i) está basado en un estudio y preparación comunes previos; ii) en grupos pequeños, los estudiantes asumen por turno el papel del profesor, mientras que los demás aprenden y hacen preguntas.

CAPÍTULO 5. CAPACITACIÓN DE ESPECIALISTAS EN INSTRUMENTOS

r)

Aprendizaje programado: i) es útil para los estudiantes alejados de sus tutores o instituciones de formación; ii) los estudiantes trabajan individualmente a su propio ritmo mediante textos, medios audiovisuales o cursos por ordenador preparados y estructurados; iii) en cada etapa del curso está previsto un autoexamen y revisión antes de pasar al tema siguiente; iv) el material de formación es costoso de producir, y las opciones en cuanto a los cursos pueden ser limitadas.

La buena enseñanza es más valiosa que los medios de formación costosos. 5.4.6

Lecciones por televisión

Algunas instituciones docentes que imparten principalmente cursos externos emiten lecciones para sus estudiantes por correspondencia por un canal de televisión especial, o a determinadas horas por un canal comercial. 5.4.7

Programas de vídeo

Los programas de vídeo son una buena herramienta de formación, ya que: a) constituyen un buen soporte para la grabación y reproducción de explicaciones sistemáticas en situaciones en que el acceso al sistema de instrumentos y a un tutor experimentado es limitado; b) en el programa se pueden intercalar pausas para debatir cuestiones; c) cuando más útil es el vídeo es cuando va acompañado de textos escritos y de debates en grupo; d) aunque las grabaciones profesionales de vídeo sean costosas, y no exista mucho material docente sobre instrumentos meteorológicos, con una pequeña inversión en equipo, un aficionado puede conseguir vídeos técnicos útiles para uso local, particularmente si lo planifica con atención y le añade posteriormente una banda sonora.

5.5

RECURSOS DE FORMACIÓN

Además de los recursos sugeridos en la sección precedente, los formadores y directivos deberían conocer las fuentes de información y orientación a las que pueden acceder; las oportunidades de

III.5-13

formación externa existentes; las instituciones de formación que pueden complementar su propio trabajo; y, lo que también es importante, los recursos financieros que dan apoyo a todas las actividades de formación. 5.5.1

Instituciones de formación

5.5.1.1

Instituciones nacionales de educación y formación

Por lo general, los SMHN no podrán proporcionar toda la educación técnica y formación requerida por sus especialistas en instrumentos, por lo que dependerán en diverso grado de instituciones docentes externas para la formación preparatoria, suplementaria y de perfeccionamiento en tecnologías avanzadas. Los directivos de ingeniería meteorológica tendrán que estar familiarizados con los planes de estudios ofrecidos por sus instituciones nacionales, a fin de poder aconsejar a su personal sobre los cursos de educación y formación adecuados. En OMM (2002a; 2002b) se ofrecen directrices sobre los programas de estudios necesarios para las diferentes clases de especialistas en instrumentos. Cuando se contraten especialistas en instrumentos no pertenecientes al Servicio Meteorológico para funciones de alto nivel, sería de desear que estuvieran formados en instituciones nacionales reconocidas. A partir de ese punto, necesitarán una formación más amplia en meteorología y en las técnicas e instrumentos de medición de su especialidad. 5.5.1.2

Papel desempeñado en la formación por los Centros Regionales de Instrumentos de la OMM

Atendiendo a una recomendación2 de la CIMO, varias asociaciones regionales de la OMM han creado Centros Regionales de Instrumentos (CRI) con el propósito de mantener los patrones y proporcionar asesoramiento. En el anexo 1.A del capítulo 1 de la parte I figuran sus atribuciones y los lugares donde se encuentran. Los CRI se crearon como centros especializados en tipos, características, comportamiento, aplicación y calibración de instrumentos. Contarán con una

2

Recomendación 19 (CIMO-IX), formulada por la Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación en su novena reunión (1985).

III.5-14

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

biblioteca técnica sobre ciencia y práctica de los instrumentos, dispondrán de espacio para laboratorios y equipo de demostración, y mantendrán un conjunto de instrumentos patrón calibrados tomando como referencia patrones internacionales. Deberían poder ofrecer información, asesoramiento y asistencia a los Miembros de su Región. Cuando ello sea posible, estos centros existirán conjuntamente con un Centro Regional de Radiaciones, y estarán situados en un Centro Regional de Formación (CRF) o en sus proximidades, a fin de compartir conocimientos y recursos. Una de las funciones propias del Centro consiste en ayudar a organizar seminarios o cursillos regionales de formación sobre mantenimiento, comparación y calibración de instrumentos meteorológicos, y facilitar instalaciones y asesores expertos. Los CRI deberían procurar patrocinar los mejores métodos de enseñanza, y proporcionar acceso a recursos y medios de formación de los que no dispongan los SMHN. Los centros tendrán que impartir cursos de actualización a sus propios expertos sobre las más recientes tecnologías y métodos de formación disponibles, a fin de mantener su capacidad. Se podría alentar a los fabricantes de sistemas de instrumentos meteorológicos a que patrocinen sesiones de formación en estos centros.

5.5.1.3

Papel desempeñado en la formación por los Centros Regionales de Instrumentos Marinos de la OMM/COI

Atendiendo a una recomendación3 de la Comisión Técnica Mixta OMM/COI sobre Oceanografía y Meteorología Marina (CMOMM) se ha puesto en marcha una red de Centros Regionales de Instrumentos Marinos (CRIM) con el propósito de mantener los patrones y proporcionar asesoramiento en materia de meteorología marina y otras mediciones relacionadas con los océanos. En el anexo 4.A del capítulo 4 de la parte II figuran sus atribuciones y los lugares donde se encuentran. Los CRIM se crearon como centros especializados en tipos, características, comportamiento, aplicación 3

Recomendación 1 (CMOMM-III), formulada por la Comisión Técnica Mixta OMM/COI sobre Oceanografía y Meteorología Marina en su tercera reunión (2009).

y calibración de instrumentos. Contarán con una biblioteca técnica sobre ciencia y práctica de los instrumentos, dispondrán de espacio para laboratorios y equipos de demostración, y mantendrán un conjunto de instrumentos patrón calibrados tomando como referencia patrones internacionales. Deberán poder ofrecer información, asesoramiento y asistencia a los Miembros de su Región. Los CRIM ayudarán a organizar seminarios o cursillos regionales sobre mantenimiento, comparación y calibración de instrumentos de meteorología marina y de oceanografía, y facilitar instalaciones y asesores expertos. Los CRIM deberán procurar patrocinar los mejores métodos de enseñanza, y proporcionar acceso a recursos y medios de formación. Estos centros tendrán que impartir cursos de actualización a sus propios expertos sobre las más recientes tecnologías y métodos de formación disponibles, a fin de mantener su capacidad. Se podría alentar a los fabricantes de sistemas de instrumentos meteorológicos a que patrocinen sesiones de formación en los CRIM.

5.5.2

Recursos de formación de la OMM

5.5.2.1

Programas de educación y formación de la OMM

En OMM (2002a; 2002b) se exponen planes de estudios de especialización en instrumentos meteorológicos y en telecomunicaciones meteorológicas. Dichos planes de estudios consisten en directrices que habrá que interpretar a tenor de las necesidades y pautas de educación técnica nacionales. 5.5.2.2

Encuesta de la OMM sobre necesidades de formación

La OMM realiza periódicamente una encuesta sobre las necesidades de formación por Regiones, clases y tipos de especialización meteorológica. Sus resultados sirven de orientación para determinar la distribución y tipos de encuentros de formación patrocinados por la OMM por períodos de cuatro años. Es importante que los países Miembros incluyan una evaluación completa de sus necesidades de especialistas en instrumentos, a fin de que la formación impartida por la OMM refleje las verdaderas necesidades.

CAPÍTULO 5. CAPACITACIÓN DE ESPECIALISTAS EN INSTRUMENTOS

5.5.2.3

Publicaciones de la OMM sobre educación y formación

Estas publicaciones contienen información útil para el especialista en instrumentos y para sus directores. OMM (1986) es un compendio en dos volúmenes de temas sobre formación en instrumentos meteorológicos para la categoría de técnicos, que puede utilizarse tanto en las aulas como para estudiar por cuenta propia. 5.5.2.4

Biblioteca de formación de la OMM

Esta biblioteca produce un catálogo (OMM, 1983) de publicaciones, medios audiovisuales y disquetes de ordenador para formación, algunos de los cuales pueden obtenerse en préstamo o adquirirse a través de la OMM. 5.5.2.5

Publicaciones de la OMM sobre instrumentos y métodos de observación

Estas publicaciones, entre las que se cuentan los informes de los grupos de trabajo y ponentes de la CIMO, las intercomparaciones de instrumentos, y otras, proporcionan un recurso técnico valioso para la formación y como referencia para los especialistas en instrumentos.

5.5.2.6

Oportunidades especiales de formación patrocinadas por la OMM

Los directivos de los grupos técnicos deberían asegurarse de tener conocimiento de las oportunidades de formación técnica anunciadas por la OMM, manteniendo para ello contacto con su departamento de formación y con la persona de su organización que recibe la correspondencia al respecto: a) Viajes de expertos/seminarios itinerantes/cursillos: cada cierto tiempo, la CIMO encarga a un experto la realización de determinado curso, seminario o cursillo de formación en varios países Miembros, por lo general de la misma Región. Alternativamente, el experto podría impartir esa formación en un CRI o en un CRF de modo que los estudiantes de la región se desplazasen al centro. Con ello se pretende conseguir los mejores expertos posibles al costo total más bajo, y en función de la situación local de los estudiantes. b) Becas: la OMM proporciona becas de formación en el marco de sus Programas de Cooperación

III.5-15

Técnica. La financiación proviene de varias fuentes, entre ellas el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD), el Programa de Cooperación Voluntaria (PCV), los Fondos fiduciarios de la OMM, el presupuesto ordinario de la OMM y otros programas bilaterales de asistencia. Las becas, que pueden ser de corta duración (menos de 12 meses) o de larga duración (varios años), se destinan a estudios o actividades de formación en universidades, institutos de formación, y especialmente en los CRF de la OMM, y corresponden a cursos de licenciatura universitaria, estudios de posgrado, estudios de enseñanza superior sin grado, cursos de formación especializados, formación práctica directa, y formación técnica para la utilización y mantenimiento de equipo. Los individuos no pueden presentar directamente una solicitud, sino que esta deberá ser respaldada por el Representante Permanente del país del candidato ante la OMM. Deberán definirse con claridad la formación requerida y las prioridades al respecto. Dado que se tarda unos ocho meses, en promedio, en organizar el programa de formación de un candidato, en razón de la complejidad de las consultas entre la Secretaría y los países donante y receptor, las solicitudes deberán recibirse con bastante antelación al período de formación propuesto. Este es solo un resumen de las condiciones. Puede obtenerse información completa, junto con los formularios de candidatura, en la Secretaría de la OMM. Las condiciones son estrictas, y se requiere una documentación completa junto con las solicitudes. 5.5.3

Otras oportunidades de formación

5.5.3.1

Formación técnica en otros países

Además de las becas de la OMM, en algunos países existen organismos que ofrecen programas de formación excelentes, adaptables a las necesidades del candidato. Los especialistas en instrumentos deberían informarse sobre estas oportunidades en su propio país, o con el representante que el organismo tenga en este. 5.5.3.2

Formación impartida por los fabricantes de equipo

Este concepto incluye: a) Compra de nuevos sistemas de acopio de datos: en todos los contratos de suministro de sistemas

III.5-16

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

importantes de acopio de datos (incluidos los programas financiados por los donantes) debería preverse la posibilidad de formar al personal local para las operaciones y el mantenimiento. Los representantes del Servicio Meteorológico receptor deberían comprender claramente el tipo de formación ofrecida, y deberían poder negociar sus necesidades. Aunque la formación suele estar incluida en el momento de la puesta en marcha de un nuevo sistema, sería útil prever una sesión posterior, transcurridos seis meses de experiencia práctica, o cuando surjan problemas de mantenimiento importantes. b) Aceptación por el fabricante/instalación/puesta en marcha: las actividades que conlleva la introducción de una instalación importante de acopio de datos (un receptor de satélite o un radar) constituyen para los alumnos una gran oportunidad de ayuda y de aprender las necesidades técnicas estrictas. Las pruebas de aceptabilidad consisten en someter al sistema a una serie de pruebas convenidas para asegurarse de que se cumplen las especificaciones, antes de que el sistema sea aceptado por el cliente y enviado desde la fábrica. En la instalación, los ingenieros del proveedor frecuentemente colaboran con los del cliente. Al instalar el sistema podría ser necesario integrar otros servicios, tales como edificios, energía eléctrica, telecomunicaciones o procesamiento de datos. La puesta en marcha es un proceso consistente en realizar pruebas convenidas de la instalación terminada, para asegurarse de que cumple todas las especificaciones de trabajo requeridas. Existe la posibilidad de impartir formación bilateralmente cuando un país instala y pone en marcha un sistema de instrumentos importante, con ocasión de lo cual se puede invitar a alumnos de otro país a asistir como observadores y a ayudar en la instalación.

5.5.3.3

Programas científicos internacionales

Cuando ciertos programas internacionales, como el Programa Mundial sobre el Clima, el Programa de Investigación de la Atmósfera y el Medio Ambiente, el Programa de Ciclones Tropicales, o el Programa sobre los Océanos Tropicales y la Atmósfera Mundial, realizan experimentos de gran escala, los especialistas en instrumentos locales pueden tener la oportunidad de trabajar en el programa de medición con colegas más experimentados, adquiriendo así una valiosa experiencia.

5.5.3.4

Intercomparaciones internacionales de instrumentos patrocinadas por la Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación

Con cierta frecuencia, la CIMO propone estudiar a fondo determinadas mediciones meteorológicas, a fin de mejorar los conocimientos existentes. Se comparan entonces instrumentos de fabricantes diferentes, proporcionados por los Miembros, en condiciones normalizadas y en las instalaciones del país anfitrión. Un comité de organización planifica la intercomparación y, en su informe, describe las características y el comportamiento de los instrumentos. La participación en estos ejercicios de especialistas en instrumentos les beneficiaría en los ámbitos de actividad siguientes: diseño experimental, exposición de instrumentos, técnica operativa, muestreo de datos, acopio de datos, procesamiento de datos, análisis, e interpretación de los resultados. Si estas intercomparaciones pudieran realizarse en los CRI, se podría estudiar la posibilidad de realizar paralelamente un curso de formación especial. 5.5.4

Asignaciones presupuestarias para formación

El departamento de ingeniería o de instrumentos meteorológicos de cada SMHN debería incluir en su presupuesto anual una partida adecuada y claramente definida para la formación del personal, vinculada al plan de personal de dicho Servicio. También la falta de formación tiene un costo en términos de errores, accidentes, pérdidas de tiempo y de material, o frustración del personal, siendo así que un cambio frecuente de empleados redunda en una escasa calidad de los datos y productos meteorológicos.

5.5.4.1

Rentabilidad

Las actividades de formación conllevan costos considerables, mientras que, probablemente, los recursos siempre serán limitados. Por consiguiente, es necesario determinar los costos correspondientes a diversas opciones de formación y compararlos entre sí, y tener constantemente presente la rentabilidad de todas las actividades de formación, adoptando las decisiones que sean apropiadas. En su conjunto, la inversión de los SMHN en formación debería considerarse valiosa para la organización.

CAPÍTULO 5. CAPACITACIÓN DE ESPECIALISTAS EN INSTRUMENTOS

5.5.4.2

Costos directos e indirectos

Los costos pueden clasificarse en: directos (vinculados a la realización de ciertos cursos de formación) e indirectos (costos generales de las instalaciones de formación). Para cada actividad de formación puede consignarse una parte de los costos generales, y también de los costos directos de operación. Si las instalaciones se aprovechan bien para realizar gran número de actividades a lo largo del año, entonces el costo indirecto correspondiente a cada actividad será bajo, y la instalación se estará utilizando eficazmente. Los costos de operación directos podrían incluir los viajes de los alumnos y tutores, los alojamientos, comidas y dietas, las remuneraciones destinadas a los cursos y tutores, los costos de personal de la OMM, los apuntes de los estudiantes, y determinados materiales utilizados durante el curso, así como el tiempo durante el que los cursillistas se ausentan de su trabajo. Los costos indirectos o generales abarcarían los espacios del centro destinados a formación (aulas, talleres y laboratorios), los costos de equipo y de

III.5-17

funcionamiento, los sueldos de los tutores y del personal administrativo, los gastos generales de administración de la OMM, el costo de producción de materiales para el curso (diseño de nuevos cursos, información auxiliar, material audiovisual), y artículos de uso general utilizados durante la formación. En general, los costos totales correspondientes a diversas modalidades de formación pueden clasificarse a grandes rasgos como sigue, comenzando por los de menor costo (en función de la eficacia de utilización de los recursos): a) formación práctica directa; b) cursos por correspondencia; c) cursos audiovisuales; d) viajes de expertos/seminarios itinerantes, cursos in situ; e) curso de ámbito nacional, con desplazamiento de los participantes a un centro; f) instrucción asistida por ordenador (altos costos de producción inicial); g) curso regional con participantes de otros países; h) becas de larga duración; i) curso regional en un centro de formación especialmente equipado.

III.5-18

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

ANEXO CENTROS REGIONALES DE FORMACIÓN País

Nombre del centro

Región de la OMM

Angolaa

Centro Regional de Formación, Mulemba

I

Argelia

Instituto Hidrometeorológico de Formación e Investigación, Orán

I

Egipto

Centro Regional de Formación, El Cairo

I

Kenya

Instituto de Formación e Investigación en Meteorología, Nairobi; y Departamento de Meteorología, Universidad de Nairobi, Nairobi

I

Madagascar

Escuela Superior Politécnica de Antananarivo, Universidad de Antananarivo, Antananarivo

I

Níger

Escuela Africana de Meteorología y Aviación Civil (EAMAC), Niamey; y Centro Regional de Formación en Agrometeorología e Hidrología Operativa y sus Aplicaciones (AGRHYMET), Niamey

I

Nigeriab

Instituto de Investigación y Formación en Meteorología, Lagos, y Departamento de Meteorología, Universidad Federal de Tecnología, Akure

I

Chinab

Instituto de Meteorología de Nankín, Nankín; y Centro de Formación de la Administración Meteorológica de China, Pekín

II

Indiab

Centro de Formación en Telecomunicaciones y Radiometeorología, Nueva Delhi; y Dirección de Formación, Pune

II

Irán (República Islámica del)

Centro de Formación Avanzada en Ciencias Meteorológicas, Teherán

II

Iraq

Centro Regional de Formación, Bagdad

II

b

Uzbekistán

Escuela Técnica de Hidrometeorología, Tashkent

II

Argentinab

Departamento de Ciencias Atmosféricas, Universidad de Buenos Aires, Buenos Aires; y Departamento de Educación y Formación del Servicio Meteorológico Nacional, Buenos Aires

III

Brasil

Departamento de Meteorología, Universidad Federal de Pará, Belém

III

Venezuela (República Bolivariana de)

Departamento de Meteorología e Hidrología, Universidad Central de Venezuela, Caracas

III

Barbadosb

Instituto Meteorológico e Hidrológico del Caribe, Bridgetown; y Universidad de las Indias Occidentales, Bridgetown

IV

Costa Rica

Sección de Física Atmosférica, Escuela de Física, Universidad de Costa Rica, San José

IV

Filipinasb

Departamento de Meteorología y Oceanografía, Universidad de Filipinas; y Centro de Formación de la Administración de los Servicios Atmosféricos, Geofísicos y Astronómicos de Filipinas (PAGASA), Ciudad de Quezón

V

Federación de Rusiab

Instituto de Formación Avanzada y Escuela de Hidrometeorología de Moscú, Moscú; e Instituto Hidrometeorológico del Estado Ruso, San Petersburgo

VI

Israel

Centros de Formación para Posgraduados en Meteorología Aplicada, Bet Dagan

VI

Italia

Escuela Internacional de Meteorología del Mediterráneo, Erice, Sicilia; e Instituto de Agrometeorología y Análisis del Medio Ambiente para la Agricultura, Florencia

VI

Escuela Técnica Superior de Meteorología de Anatolia, Ankara

VI

b

Turquía a

Se están adoptando medidas para reabrir el Centro Regional de Formación de Angola.

b

Estos centros tienen un componente universitario.

CAPÍTULO 5. CAPACITACIÓN DE ESPECIALISTAS EN INSTRUMENTOS

III.5-19

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA Craig, R. L. (ed.), 1987: Training and Development Handbook: A Guide to Human Resource Development. McGrawHill, Nueva York. Imai, M., 1986: Kaizen: The Key to Japan’s Competitive Success. Random House, Nueva York. Moss, G., 1987: The Trainer’s Handbook. Ministry of Agriculture and Fisheries, Nueva Zelandia. Organización Internacional de Normalización (ISO), 1994a: Quality Management and Quality Assurance Standards – Part 1: Guidelines for Selection and Use. ISO 9000-1; 1994, Ginebra. —, 1994b: Quality Management and Quality System Elements – Part 1: Guidelines. ISO 9004-1; 1994, Ginebra. Organización Meteorológica Mundial, 1983: Catalogue of Meteorological Training Publications and Audiovisual Aids. Tercera edición, Informe Nº 4 del Programa de Enseñanza y Formación Profesional, WMO/TDNo. 124, Ginebra.

—, 1986: Compendio de apuntes sobre instrumentos meteorológicos para la formación del personal meteorológico de las clases III y IV (D. A. Simidchiev). OMM-Nº 622, Ginebra. —, 1990: Guidance for the Education and Training of Instrument Specialists (R. A. Pannett). Informe Nº 8 del Programa de Enseñanza y Formación Profesional, WMO/TDNo. 413, Ginebra. —, 2002a: Directrices de orientación para la enseñanza y formación profesional del personal de meteorología e hidrología operativa. Volumen I: Meteorología. Cuarta edición, OMM-Nº 258, Ginebra. —, 2002b: Initial Formation and Specialisation of Meteorological Personnel: Detailed Syllabus Examples. WMO/TDNo. 1101, Ginebra. —, 2010: Guía del Sistema Mundial de Observación. OMM-Nº 488, Ginebra. Walton, M., 1986: The Deming Management Method. Putnam Publishing, Nueva York.

III.5-20

PARTE III. GARANTÍA DE LA CALIDAD Y GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE OBSERVACIÓN

APÉNDICE

LISTA DE CONTRIBUIDORES A LA GUÍA

Artz, R. (Estados Unidos de América)

Nash, J. (Reino Unido de Gran Bretaña e Irlanda del Norte)

Ball, G. (Australia) Oke, T. (Canadá) Behrens, K. (Alemania) Bonnin, G. M. (Estados Unidos de América)

Painting, D. J. (Reino Unido de Gran Bretaña e Irlanda del Norte)

Bower, C. A. (Estados Unidos de América)

Pannett, R. A. (Nueva Zelandia)

Canterford, R. (Australia)

Qiu Qixian (China)

Childs, B. (Estados Unidos de América)

Rudel, E. (Austria)

Claude, H. (Alemania)

Saffle, R. (Estados Unidos de América)

Crum, T. (Estados Unidos de América)

Schmidlin, F. J. (Estados Unidos de América)

Dombrowsky, R. (Estados Unidos de América)

Sevruk, B. (Suiza)

Edwards, M. (Sudáfrica)

Srivastava, S. K. (India)

Evans, R. D. (Estados Unidos de América)

Steinbrecht, W. (Alemania)

Feister, E. (Alemania)

Stickland, J. (Australia)

Forgan, B. W. (Australia)

Stringer, R. (Australia)

Hilger, D. (Estados Unidos de América)

Sturgeon, M. C. (Estados Unidos de América)

Holleman, I. (Países Bajos)

Thomas, R. D. (Estados Unidos de América)

Hoogendijk, K. (Países Bajos)

Van der Meulen, J. P. (Países Bajos)

Johnson, M. (Estados Unidos de América)

Vanicek, K. (República Checa)

Klapheck, K.-H. (Alemania)

Wieringa, J. (Países Bajos)

Klausen, J. (Suiza)

Winkler, P. (Alemania)

Koehler, U. (Alemania)

Zahumensky, I. (Eslovaquia)

Ledent, T. (Bélgica)

Zhou Weixin (China)

Luke, R. (Estados Unidos de América)

Guía de Instrumentos y Métodos de Observación Meteorológicos

P-OBS_111350

Edición de 2008 Actualizada en 2010

www.wmo.int

OMM-N° 8