ESTACIONES METEOROLOGICAS
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Principios básicos de las mediciones atmosféricas 2011 ESTACIONES METEOROLOGICAS Las observaciones meteorológicas se realizan con diferentes fines. Un predictor las utiliza para la realización del análisis sinóptico, para realizar pronósticos y alertas sobre la ocurrencia de fenómenos severos, se utilizan además para ciertas operaciones locales (por ej, aeródromos, en la operación de cierta maquinaria en la construcción, etc.), para pronósticos hidrológicos y agrometeorológicos así como para investigación en ciencias de la atmósfera. Por todos estos usos es que las estaciones meteorológicas deben cumplir cierta representatividad en función del producto o información que se quiere obtener con los fines de la misma. Representatividad La representatividad de una observación se define como el grado de exactitud necesaria para describir el valor de la variable para un fin específico. Por lo tanto no existe un valor fijo en cuanto a la calidad de cualquier observación, pero es el resultado del instrumental instalado, el intervalo de tiempo de las medidas y la exposición en función de los requerimientos de una aplicación específica. En particular, las distintas aplicaciones tienen su escala espacial y temporal definida para realizar sus promedios, para definir la densidad de la red de observaciones necesaria respecto a la resolución del fenómeno que se quiere estudiar. Las escalas de pronóstico están estrechamente relacionadas a la escala temporal del fenómeno, por ej. para un pronóstico del tiempo a muy corto plazo se requiere observaciones más frecuentes provenientes de una densa red de observaciones sobre un área limitada para poder detectar cualquier fenómeno de pequeña escala y su rápida evolución. Recordando las escalas meteorológicas horizontales, las podemos clasificar como: a) b) c) d) e) Microescala: < 100 m: por ej aplicación en agrometeorología: evaporación Escala Local entre 100 m y 3 km: contaminación atmosférica, tornados, etc. Mesoescala: 3 a 100 Km: tormentas, brisa de mar y tierra, etc. Escala Sinóptica: 100 a 3000 km: frentes, ciclones, clusters nubosos Escala planetaria: > 3000 km: ondas largas en altura. Los intervalos temporales entre las mediciones dependen y varían según la aplicación a modo de ejemplo serían, por ej. minutos para la aviación, horas para agrometeorología y días para descripciones climáticas. Sistemas de observación meteorológica Los sistemas de observación meteorológica se conforman tanto de observaciones in-situ como por sensoramiento remoto. Prof. Madeleine Renom Unidad de Cs. de la Atmósfera Fac. de Ciencias-UdelaR 1 Principios básicos de las mediciones atmosféricas 2011 Existe el grupo Global Observing System , GOS (http://www.wmo.int/pages/prog/www/OSY/GOS.html )de la OMM. Este grupo se conforma de varios subgrupos: 1) Medidas en superficie: esta compuesta por aproximadamente 4000 estaciones de superficie que representan la base de redes de estaciones sinópticas Estaciones de superficie 2) Observaciones de altura. Son aproximadamente 1300 estaciones de radiosondeo o globosonda distribuidas en todo el globo. Realizan mediciones de presión, temperatura, viento y humedad desde superficie hasta aproximadamente 30 km de altura. Aproximadamente dos tercios de estas estaciones realizan observaciones a las 00 UTC y 12 UTC, mientras que el resto realiza una observación por día (generalmente a las 12 UTC en Sudamérica). Las observaciones en los océanos se realizan abordo de barcos. Prof. Madeleine Renom Unidad de Cs. de la Atmósfera Fac. de Ciencias-UdelaR 2 Principios básicos de las mediciones atmosféricas 2011 Estaciones de altura 3) Observaciones Marinas. Sobre los océanos las observaciones provienen de barcos, boyas fijas y boyas a la deriva. Las observaciones provenientes de barcos, además de las variables que se reportan en las estaciones de superficie, transmiten la temperatura de agua de mar, altura y período de las olas. Cerca de 1000 barcos reportan observaciones diariamente. En cuanto a boyas a la deriva, existen aproximadamente 1200, que reportan además presión a nivel del mar. Observaciones marinas 4) Observaciones provenientes de aviones. Cerca de 3000 aviones reportan presión, temperatura y viento durante el vuelo. Este tipo de información es muy importante en regiones donde existen muy pocas estaciones de radiosondeo. Prof. Madeleine Renom Unidad de Cs. de la Atmósfera Fac. de Ciencias-UdelaR 3 Principios básicos de las mediciones atmosféricas 2011 Observaciones desde aviones (rutas) 5) Observaciones satelitales. Satélites Meteorológicos La red de observación satelital incluye los satélites de orbita polar y geoestacionarios. Normalmente esta equipados con sensores visibles e infrarojo así como con perfiladores. Prof. Madeleine Renom Unidad de Cs. de la Atmósfera Fac. de Ciencias-UdelaR 4 Principios básicos de las mediciones atmosféricas 2011 Metadata Supongamos que realizamos una medida de precipitación, para que dicha medida sea útil para quienes vayan a utilizar la información, debemos también documentar donde y como la medición fue realizada. La documentación sobre la estación es información sobre el dato o el dato del dato, lo que se define como “METADATA”. Por ejemplo, los gráficos muestran las temperaturas mínimas y máximas anuales de la estación Salto, a simple vista se ve un cambio en el comportamiento de ambas variables alrededor del año 1976, pudiendo suponer erróneamente en este caso que es consecuencia de cambios atmosféricos. Salto Tx Anual Salto Tn Anual 27 15 26 14 T(ºC) T(ºC) 25 13 12 24 23 11 22 10 1942 1948 1954 1960 1966 1972 1978 1984 1990 1996 2002 21 1942 1948 1954 1960 1966 1972 1978 1984 1990 1996 2002 Años Años El contar con la historia de la estaciòn es fundamental, ya que, en este caso la misma registra un cambio de ubicación de la estaciòn en 1976, que es lo que seguramente provoca este cambio en el comportamiento de las series y no es debido a causas climáticas. Es por esto que el conocimiento de la historia de la estaciòn aumenta la certeza de las tecnicas estadìsticas que se utlizan para asegurar que las variaciones son debidas unicamente a la variabilidad y el cambio climàtico. La observaciòn meteorològica esta influenciada por una variedad de practicas observacionales. El dato depende del instrumento, la exposiciòn del mismo, el procedimiento de almacenamiento entre otras. Informaciòn basica para la generaciòn de archivos de Metadatos: 1) Identificaciòn de la estaciòn: • Nombre • Codigo de OMM • Numero o codigo local (dif del de OMM) • Fechas de Comienzo/Cierre • Tipo de estaciòn (sinoptica, aeronautica, etc) • Informaciòn de contacto de la estaciòn 2) Informaciòn geogràfica • Latitud y longitud • Elevaciòn sobre NMM Prof. Madeleine Renom Unidad de Cs. de la Atmósfera Fac. de Ciencias-UdelaR 5 Principios básicos de las mediciones atmosféricas 2011 • Reubicaciones: cuando cualquier parametro de ubicaciòn cambia, tanto por reubicacion de toda la estaciòn o porque se reubico algun instrumento 3) Ambiente local • Actualizacion de mapas de la region a nivel de mesoescla (1:100000) • Mapa local (1:5000), actualizado 1 vez al año • Mapa del horizonte de radiaciòn (actualizar 1 vez al año) • Tomar fotos hacia todos los puntos cardinales, con el emplazamiento del instrumental. Uso de la tierra/cobertura terrestre. • Proximidad y tamaño de grandes superficies de agua • Areas urbanizadas • Montañas • Pendiente del terreno • Bosques • Obstaculos cercanos (arboles o casas) • Proximidad a alguna fuente de irrigaciòn Esquema de un análisis ideal de metadata Prof. Madeleine Renom Unidad de Cs. de la Atmósfera Fac. de Ciencias-UdelaR 6 Principios básicos de las mediciones atmosféricas 2011 4) Exposición de Instrumentos • Obstaculos: Por ejemplo las medidas del viento son muy sensibles a la existencia de obstaculos cerca. Por recomendación de la OMM el sensor de viento debe estar a 10 m sobre el nivel del suelo y si existiese algun obstaculo cerca (arboles, edificie, etc), el anemòmetro debe ser instalo a 10 veces la altura del obstaculo. La fig. 1 muestra el efecto del obstaculo en el viento. • Cobertura del suelo: Los diferentes suelos presentan diferentes caracterìsticas (albedo, capacidad tèrmica, rugosidad) que pueden afectar las medidas atmosfèricas Figura 1. La figura siguiente muestra intensidad del viento el efecto de los obstaculos en la serie temporal de (Wieringa, J. 23rd. AMS Conference on Agricult. And Forest meteorology, Alburquerque, 1998, p. 9-12) Prof. Madeleine Renom Unidad de Cs. de la Atmósfera Fac. de Ciencias-UdelaR 7 Principios básicos de las mediciones atmosféricas 2011 5) Instrumentos: • Tipo de Instrumento: A) Fabricante B) Modelo (identificaciòn) C) Tipo de salida y sensibilidad D) Tipo de transductor (si corresponde) E) Tiempo de respuesta • Algunos instrumentos requieren otrs especificaciones por ej: A) Temperatura y Humedad: ventilaciòn, tipo y tamaño de la casilla B) Direccion del viento: metodo de alineaciòn con el azimut C) Intensidad del viento: tiempo de respuesta del anemòmetro y tipò de registro. D) Precipitaciòn: diametro del borde del pluviometro, altura del borde sobre el suelo, etc E) Radiaciòn global: rango de λ que transmite el domo 6) Montaje del Instrumental y ubicaciòn: Altura sobre el suelo, descripciòn de la casilla, grado de interferencia con otro instrumental. 7) Practicas Observacionales: A) Observador: por ej, si es siempre el mismo, si se omite una observaciòn B) Horario de observaciòn: C) Rutina de Mantenimiento La descripcion realizada mas arriba, representa apenas lo mas importante, ya que hay otras variables que se incluyen en un reporte completo del metadato. La figura 2 muestra como se registra el metadato en una estaciòn australiana. Prof. Madeleine Renom Unidad de Cs. de la Atmósfera Fac. de Ciencias-UdelaR 8 Principios básicos de las mediciones atmosféricas 2011 Fig. 2. Informaciòn de Metadato de la estaciòn de Moldura, Australia. Australian Bureau of Meteorology Prof. Madeleine Renom Unidad de Cs. de la Atmósfera Fac. de Ciencias-UdelaR 9 Principios básicos de las mediciones atmosféricas 2011 Requerimientos de mediciones de una estaciòn meteorològica Una estaciòn de superficie debe registrar: Teimpo presente Tiempo pasado Direcciòn e intensidad del viento Cobertura nubosa Tipo de nubes Altura de la base de nubes Visibilidad Temperatura Humedad relativa Presiòn atmosfèrica Precipitaciòn Horas de sol/radiaciòn solar Temperatura del suelo Evaporaciòn Ubicaciòn y exposiciòn de los Instrumentos Se deben aplicar las siguientes consideraciones para la selección de la ubicación de la estaciòn y de la exposicion de los instrumentos. Por ejemplo para una estaciòn sinoptica o climatològica, algunos factores que se deben tomar en cuenta para la ubicaciòn de la estaciòn y el instrumental son los siguientes: a) El instrumental que va ubicado en el parque meteorològico debe ser instalado en un àrea de suelo no menor a 25 x 25 m . El suelo debe estar cubierto de pasto corto o una superficie que sea representativa del lugar y debe estar cercado. Un àrea de 2x2m debe ser destinada para la observaciòn del estado del sueloy para las mediciones de temperatura del suelo de menos de 20 cm de profundidad. b) No debe existir pendientes abruptas cerca de la estaciòn. Tampoco debe estar ubicada la estaciòn en un pozo del terreno. c) El lugar debe estar alejado de arboles, edificios, paredes y otro tipo de obstaculos. La distancia entre el pluviòmetro y cualquier obstaculo debe ser por lo menos de 2 veces la altura del obstaculo. d) La posiciòn utilizada por el observador para observar la nubosidad y visibilidad debe ser un lugar lo mas despejado posible. Las estaciones cuentan con un parque meteorològico, donde se ubica el siguiente instrumental: • Anemómetro • Pluviòmetro • Pluviògrafo • Heliofanògrafo/Piranòmetro • Casilla meteorològica o abrigo meteorològico, en el cùal en su interior contiene: Par Psicromètrico (Termòmetro seco y termòmetro hùmedo), Termòmetros de màxima y mìnima, evaporìmetro, termohigrògrafo (o termògrafo e higrògrafo). Prof. Madeleine Renom Unidad de Cs. de la Atmósfera Fac. de Ciencias-UdelaR 10 Principios básicos de las mediciones atmosféricas 2011 En la oficina meteoròlogica, se ubica el baròmetro y el barògrafo. Esquema de ubicación del instrumental en el parque meteorológico. Tipo de estaciones: las estaciones se pueden clasificar en automáticas y en convencionales o dotadas de personal (observador). Requerimientos generales de los Instrumentos y Mediciones Los requerimientos más importantes para el instrumental meteorológico son los siguientes: • • • • • • • Que la incertidumbre sea la requerida para cada variable Confiabilidad y estabilidad Facilidad en el mantenimiento, operación y calibración. Diseño sencillo Durabilidad Robustos Que los costos del instrumental, así como el de sus repuestos no sean elevados. Prof. Madeleine Renom Unidad de Cs. de la Atmósfera Fac. de Ciencias-UdelaR 11 Principios básicos de las mediciones atmosféricas 2011 Instrumentos Un instrumento es un dispositivo que contiene por lo menos un sensor, un dispositivo de acondicionamiento de la señal y un dispositivo para visualizar el dato. El sensor es una de las partes esenciales, dado que es el que interactúa con la variable que se quiere medir, generando una señal proporcional a la variable. Al final de este sistema, encontramos el dispositivo de visualización, lo que es también muy importante ya que de alguna manera entrega el dato al usuario. Para comprender al sensor, debemos conocer los principios físicos del sensor y la interacción del mismo con la variable a medir. Cada variable atmosférica tiene muchos tipos de sensores, cada uno con sus características, los mismos los vamos a ir estudiando en el correr del curso. Modelo Funcional El sistema de medida interactúa con la atmósfera y entrega información sobre la variable atmosférica que uno desea medir. En la figura se muestra un sistema de medición, el cuál puede comprender alguno o todos los componentes descriptos en el mismo. Esquema de un sistema de medición: ASC: (analog signal conditioning) Acondicionamiento de la señal analógica ADC:( analog-to-digital converter) Conversión analógica a digital DSC: (digital signal conditioning) acondicionamiento de la señal digital Prof. Madeleine Renom Unidad de Cs. de la Atmósfera Fac. de Ciencias-UdelaR 12 Principios básicos de las mediciones atmosféricas 2011 Señal Analógica: Una señal continua, (usualmente eléctrica) proporcional a otra variable (temperatura, viento, etc) Señal Digital: Es una señal discreta (usualmente binaria : 0 y 1) El grafico mas abajo muestra ambas señales. Señal analógica: curva; señal digital: líneas discretas. Ej.1- Un termómetro de mercurio puede ser modelado con los box 1, 2 y 7. En este caso el sensor (box 1), la energía calorífica se convierte en un cambio de volumen del mercurio en el bulbo y consecuentemente en la altura de la columna relativa a algún índice arbitrario. El input en el box 1(X1) es la temperatura del aire en K o ºC mientras que la salida Y1 es el volumen del mercurio, luego de una amplificación en el box 2, Y1 se convierte en Y2, que es la altura de la columna de mercurio. La escala grabada en el vidrio del termómetro, el display (box 7), brinda la información sobre la calibración, que permite al usuario convertir la altura de la columna de mercurio en una temperatura, Y7. Fuentes de error de una medición: Existen 4 categorías básicas de errores en un sistema de medición: estática, dinámica, desvío y exposición. Errores estáticos: este tipo de error son medidos cuando el input permanece estable y la salida es prácticamente constante. A este tipo de error se le llama la precisión del instrumento. Precisión de un instrumento es una medida de cuan cerca se encuentra la lectura de salida del instrumento respecto al valor real. Por ejemplo si al medir la temperatura de una habitación el instrumento marca 20 ºC, realmente no importa mucho si la T real es de 19,5 ºC o de 20,5ºC. Esta pequeña variación alrededor de los 20ºC es muy pequeña para que nuestro cuerpo la pueda discriminar. En ese sentido un termómetro que tenga un error de +- 0,5ºC parece adecuado. Pero si por ejemplo quisiéramos medir la T en que se dan ciertas reacciones químicas, un error de +- 0,5ºC no es aconsejable. Esta información tiene que proveerla el fabricante. Rango: El rango de un instrumento, define el valor máximo y mínimo de la variable que el instrumento esta diseñado para medir y es el rango en el cuál se le aplicaron los test de laboratorio. Prof. Madeleine Renom Unidad de Cs. de la Atmósfera Fac. de Ciencias-UdelaR 13 Principios básicos de las mediciones atmosféricas 2011 Errores dinámicos: Los errores dinámicos son aquellos debidos a cambios en los inputs. Por definición, los efectos dinámicos desaparecen cuando le realizo al instrumento un testeo estático. Todo sensor muestra un desfasaje temporal (time lag) lo que produce un error Errores por decaimiento: Son errores debido a cambios físicos que ocurren en el sensor con el tiempo. Estos errores son muy particulares, ya que no son exactamente estáticos, ni tampoco dinámicos. Son muy difíciles de detectar, la única solución es realizar calibraciones frecuentes. Errores por exposición: Este tipo de error es una categoría muy particular, ya que son debidos a un mal acoplamiento entre el sensor y la variable a medir. Este tipo de error no están presentes en el laboratorio cuando se realiza la calibración y por lo tanto no están especificados por el fabricante. En general, los errores estáticos y dinámicos son medidos durante el testeo que se realiza en el laboratorio y estarán mejor documentados que los errores por decaimiento y por exposición. Sistemas de primer orden: Constante tiempo o tiempo de respuesta Supongamos que contamos con un sensor el cuál ya fue calibrado en condiciones estáticas (la variable a medir permanece constante) y por lo tanto podemos considerar que la performance dinámica es independiente de las características estáticas. Si consideramos que tenemos un cambio rápido en la variable a medir, el sensor no responderá instantáneamente a este cambio y por lo tanto se vera afectado por cambios dinámicos. Las características dinámicas definen de que manera reacciona el instrumento a las fluctuaciones de la variable a medir. Las ecuaciones diferenciales describen el comportamiento de sistemas físicos en los cuales existe una redistribución de energía. En un sistema térmico, como el termómetro, podemos escribir : mCdT = UA( Ti − T ) dt Donde m =masa (kg), C= calor específico (J/kg K), Ti= temperatura de entrada, T= temperatura del salida del sensor, U= coeficiente de transferencia de calor (que es función, en el caso de los fluidos, del tipo de fluido y su velocidad), A= área efectiva de transferencia de calor y t= tiempo. Reagrupando: mCdT + T = Ti UAdt mCdT tiene unidades de tiempo y se le llama “constante tiempo” y se la UAdt representa con la letra τ. Donde Prof. Madeleine Renom Unidad de Cs. de la Atmósfera Fac. de Ciencias-UdelaR 14 Principios básicos de las mediciones atmosféricas 2011 Veamos esto de manera mas formal: En general los errores dinámicos de los instrumentos se representan por la siguiente ecuación: Ecuación A Donde q0 es la variable que se quiere medir, qi es la salida del instrumento, t es el tiempo y an….a0 y b0 son constantes. Un instrumento de 0 orden se define cuando los coeficientes a1….an se sumen como 0 en la ecuación A, nos quedaría: a 0 q 0 = b0 qi o q 0 = Kqi (1) Donde K = b0/a0 una constante que representa la precision del instrumento. Cualquier instrumento que verifique la ecuación (1) se dice que es orden 0. Lo que quiere decir es que frente a un cambio en la variable a medir en el tiempo t, la salida del instrumento se mueve inmediatamente a un nuevo valor en el mismo instante t, como muestra la siguiente figura. Un instrumento de 1er. Orden es aquel en que los coeficientes a2….an se sumen como 0 en la ecuación A. Nos quedaría: a1 Prof. Madeleine Renom Unidad de Cs. de la Atmósfera Fac. de Ciencias-UdelaR dq 0 + a 0 q 0 = b0 qi dt 15 Principios básicos de las mediciones atmosféricas 2011 Despejando q0 y reagrupando nos queda: b0 a0 q0 = q (1 + ( a1 / a0 ) D ) i Donde D es el operador: d / dt. Como K = b0/a0 y defiendo ζ = a1/a0 , como la constante tiempo, la solucion analítica de esta ecuación es: qi ( t ) = q 0 × e −t τ La constante tiempo se define como: el tiempo que transcurre para que la salida del instrumento alcance el 63% de su valor final. La figura siguiente muestra este resultado: Prof. Madeleine Renom Unidad de Cs. de la Atmósfera Fac. de Ciencias-UdelaR 16
