Redes de monitoreo hidrometeorológico

Transcripción

1 Capítulo 3 Redes de monitoreo hidrometeorológico Las observaciones de datos de la Tierra son componentes esenciales de los sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas. Las redes de monitoreo hidrometeorológico con múltiples sensores, compuestas de pluviómetros, radares y sensores satelitales recolectan información sobre cantidad de lluvia, temperatura y otros datos utilizados por los modelos de predicción para producir guías de crecidas repentinas e información sobre amenazas. Las redes de monitoreo hidrometeorológico y las redes de comunicaciones asociadas son críticas para el éxito de cualquier sistema de alerta temprana de crecidas repentinas. Qué contiene este capítulo? Este capítulo debería ser leído por personas que necesitan comprender un componente clave de cualquier sistema de alerta temprana de crecidas repentinas, la capacidad de ofrecer conocimiento en tiempo real e histórico de las condiciones hidrometeorológicas. El capítulo examina los diferentes tipos de sensores de observación utilizados para formar una red multisensor y las tecnologías asociadas para comunicar esos datos para su análisis. Las diferentes secciones del capítulo son: 4 Sensores hidrometeorológicos para la predicción de crecidas repentinas. Éstos incluyen pluviómetros, estaciones de aforo de caudales/ríos, radares y satélites 4 Necesidades de comunicación para recolectar los datos de los sensores 4 Sistema de comunicación de respaldo para recolectar datos y distribuir alertas de las oficinas locales/provinciales de pronóstico y los centros del Servicio Meteorológico e Hidrológico Nacional 4 Recolección de datos de observación e información internacional, incluido el rol del Sistema Global de Telecomunicaciones (SGT) Sensores hidrometeorológicos Redes de pluviómetros El propósito de las redes de pluviómetros es proveer mediciones hidrometeorológicas precisas y en tiempo real para facilitar el ajuste a los sesgos de las estimaciones de precipitación de los radares y satélites, aportar datos de lluvia para los modelos hidrológicos y de crecidas repentinas y apoyar los pronósticos generales del estado del tiempo y la predicción de las crecidas repentinas. No es posible entender plenamente la lluvia, los caudales u otros fenómenos climáticos y del tiempo sin datos veraces observados en el terreno. Sin embargo, se debe tener Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas 3-1

2 en cuenta que los pluviómetros son susceptibles a errores y por lo general no pueden representar espacialmente la naturaleza localizada de la lluvia convectiva. Por lo tanto, la realidad observada en el terreno es una cantidad evasiva que solo se puede estimar utilizando redes de pluviómetros. En consecuencia, necesitamos informes de pluviómetros que sean tan precisos, confiables y oportunos como sea posible. Esto es esencial para el éxito de un sistema de alerta temprana de crecida repentina. El Capítulo 5 contiene ejemplos de algunas de las muchas redes ALERT (Evaluación Local Automatizada en Tiempo Real, Automated Local Evaluación in Real Time) en los Estados Unidos. Las redes de pluviómetros a menudo se componen de varias redes independientes instaladas a lo largo de una región de interés para crear un flujo de datos en tiempo real de mediciones de datos terrestres para diferentes aplicaciones. En vista de que es muy común que ya existan varias redes independientes de pluviómetros en regiones propensas a crecidas repentinas, la creación de una red hidrometeorológica puede ser principalmente un ejercicio de integrar y automatizar la infraestructura disponible de pluviómetros (ver la discusión sobre los Sistemas Integrados de Observación y Alerta de Inundaciones (IFLOWS, Integrated Flood Observing and Warning Systems) en el Capítulo 5). Los acuerdos para compartir datos permiten a varios operadores de pluviómetros crear una sola red con estas redes más pequeñas y beneficiarse así de los registros y la infraestructura disponible a ambos. Deben negociarse protocolos para tratar las sensibilidades institucionales relacionadas con información propietaria para maximizar la utilidad de la infraestructura disponible. Ese proceso involucra la negociación de aspectos como el acceso a los datos, su propiedad y mantenimiento, así como el desarrollo de procesos para asegurar la entrega oportuna de datos confiables de los pluviómetros al centro de predicción de crecidas repentinas. La explotación de la infraestructura existente de pluviómetros es especialmente importante para calibrar los modelos de pronóstico. Al utilizar el registro histórico de anteriores eventos de lluvia y de crecidas repentinas, los modelos computarizados de pronóstico pueden ser ajustados para determinar patrones de crecidas repentinas locales. Sin estos registros, la calibración de esos modelos puede tomar varios años en acumular suficientes datos para reflejar las características específicas de las crecidas repentinas en una región. Desde luego, cuando la infraestructura de pluviómetros es inadecuada o no está disponible, se pueden instalar nuevos pluviómetros para llenar los vacíos en cobertura o para remplazar viejas tecnologías. Pero debido a que los pluviómetros que se instalan en sitios nuevos requieren tiempo para acumular un registro histórico que se pueda utilizar para predicción y calibración de modelos, siempre es preferible continuar utilizando los pluviómetros en locaciones existentes para explotar ese registro. Se recomienda utilizar pluviómetros automatizados en tiempo real para asegurar el muestreo y transmisión rápida de observaciones críticas a un centro de pronóstico. 3-2 Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas

3 Los pluviómetros son importantes por muchas razones, incluidas: 4 Evaluación de amenazas y apoyo a alertas. (Ubicar los pluviómetros inmediatamente aguas arriba de o dentro de centros de población en riesgo). Calibración de sesgos de radares. (Seleccionar pluviómetros a diferentes elevaciones y en toda el área de cobertura del radar). Corrección de sesgos en la estimación de lluvia de satélites. Calibración de modelos numéricos de predicción. Como regla general, la distribución de estaciones de aforo y pluviómetros automatizados en las áreas de principal preocupación debería maximizarse tanto como el presupuesto lo permita, en particular si el pronóstico de crecidas repentinas a escala fina y el uso de modelos hidrológicos es la prioridad. Las estaciones de aforo deberían muestrear tanto cuencas grandes como pequeñas para mejorar la calibración de los modelos hidrológicos y validar las simulaciones de los modelos hidrológicos. Los pluviómetros para calibración de radares deberían tener una tasa de muestreo de al menos 15 minutos y su distribución debería ser representativa de la región, tanto horizontal como verticalmente. Pluviómetros Para aplicaciones de crecidas repentinas, los pluviómetros consistirán de un instrumento de medición de la precipitación, una plataforma de recolección de datos (PRD), fuente de poder y unidad de manejo, así como un dispositivo de comunicación. Estos pueden ser acoplados con una variedad de sensores meteorológicos comunes que miden temperatura, humedad, presión barométrica y otros parámetros estándar del tiempo, como velocidad y dirección del viento. Los instrumentos de medición de precipitación emplean una variedad de tecnologías, aunque los tipos más comunes son el pluviómetro de pesada (weighing gauge) y el basculante (tipping bucket). Los pluviómetros de pesada operan capturando el agua en un sistema de recolección y pesando el peso de esa agua. Estos pluviómetros son más costosos y requieren mantenimiento de rutina, pero son más precisos que los pluviómetros basculantes. Los pluviómetros basculantes operan capturando un pequeño volumen de agua en una de dos pequeñas cubetas, como se muestra en la Figura 3.1. Una vez capturada la lluvia, la cubeta se vuelca y vacía. La ocurrencia de este vuelco es registrada y los volúmenes y tasas de precipitación son transmitidos como el número Pivote Tornillo de ajuste Sifón secundario Figura 3.1 Representación esquemática de un pluviómetro basculante típico Interruptor Reed Imán Brazo del imán Resorte The COMET Program Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas 3-3

4 de vuelcos y la tasa a la que ocurrieron. Los pluviómetros basculantes tienden a subestimar la precipitación durante períodos de lluvia intensa y en caso de precipitación congelada. Todos los pluviómetros tienden a subestimar cuando hay mucho viento. Pero comparados con los pluviómetros de pesada, los pluviómetros basculantes son menos caros y requieren bastante menos mantenimiento. Sin embargo, como todos los pluviómetros automatizados, siempre hay costos de mantenimiento asociados con ellos. Existen numerosas opciones disponibles comercialmente de cualquiera de estos tipos de pluviómetros. Las plataformas de recolección de datos registran los productos de los pluviómetros y los almacenan para ser interrogados remotamente por un programa de adquisición de datos. Todas las empresas principales de instrumentos meteorológicos ofrecen opciones de PRD. (Es mejor que el ingeniero a cargo de la instalación y los socios en la implementación decidan el tipo específico para facilitar la integración con la red existente). Los dispositivos de comunicaciones (que se analizan más adelante en este capítulo) para recolectar los datos de los pluviómetros idealmente deberían utilizar redes de comunicación telefónica (fijas o celulares de baja potencia), radio UHF/VHF o PRDs GOES para transmitir los datos. Estaciones de aforo Recuerde Al igual que con los pluviómetros, las estaciones de aforo consisten de algún instrumento de medición de aforo existentes para enviar reportes en este caso para medir la elevación de la superficie en tiempo real, por lo general es posible del agua una PRD, una fuente de poder y unidad agregar un pluviómetro a la misma de manejo y un dispositivo de comunicación. Las PRD. Esto permite expandir la red de estaciones de aforo estiman el caudal midiendo la observación de precipitación a un costo elevación de la superficie del agua en el canal. Ésta se mínimo: sólo el del instrumento de compara entonces con una tabla o gráfico conocido medición de la precipitación. como la relación nivel-caudal o curva de gastos, que se compone de mediciones manuales del caudal y la altura correspondiente de la superficie del agua, para obtener una estimación instantánea del caudal fluvial. En vista de que las mediciones del caudal fluvial deben realizarse manualmente para establecer las tablas de aforo, es especialmente importante mantener las estaciones existentes. Existen numerosas opciones de medición de la superficie del agua y para la creación de tablas de relación nivel-caudal entre los proveedores comerciales. Las opciones incluyen cámaras que reportan por internet dirigidas a limnímetros instalados permanentemente, sensores acústicos de profundidad y manómetros tradicionales. Cuando se hacen mejoras a las estaciones Puntos importantes que recordar de las redes pluviométricas 4 Los datos pluviométricos precisos, confiables y oportunos son esenciales para el éxito de un sistema de alerta temprana de crecidas repentinas. 3-4 Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas

5 El establecimiento de una red hidrometeorológica para apoyar la predicción de crecidas repentinas a menudo puede ser un ejercicio de integrar y automatizar redes ya existentes. Los pluviómetros basculantes tienden a subestimar la precipitación durante períodos de lluvia intensa, pero son menos caros que los pluviómetros de pesada. Todos los pluviómetros tienen un costo de mantenimiento, aunque el costo asociado con los pluviómetros basculantes es menor que aquel asociado con los de pesada. Redes de radares meteorológicos Una función principal de una red de radares meteorológicos es proveer una estimación de alta resolución y en tiempo real de lluvia en una cuadrícula sobre una región de interés. Los radares meteorológicos son herramientas poderosas para monitoreo y pronóstico debido a su capacidad de caracterizar las nubes de precipitación sobre un área grande, en vez de la medición puntual de un pluviómetro in situ. El radar puede detectar la formación de nubes, seguir su movimiento y evolución, explorar su estructura interna y realizar estimaciones cuantitativas de la cantidad de precipitación que producen en la superficie. La medición primaria de un radar meteorológico (en adelante, se referirá al radar meteorológico simplemente como radar ) es la reflectividad, la cual es directamente proporcional a la cantidad de energía electromagnética dispersada de regreso al radar por partículas de precipitación y nubes (por ejemplo, gotas de lluvia, copos de nieve, granizo). La reflectividad del radar puede abarcar varios órdenes de magnitud y por lo tanto generalmente se mide en una escala de decibeles (es decir, dbz). Los mayores valores de la reflectividad del radar están asociados a la precipitación más intensa. Las estimaciones cuantitativas de la precipitación (ECP) provenientes de radares usualmente son facilitadas utilizando relaciones de la ley de potencias (relaciones entre dos variables tales que una sea proporcional a la potencia de la otra) entre la tasa de precipitación y la reflectividad del radar. Algunos radares meteorológicos ahora también transmiten y reciben energía en dos diferentes polarizaciones (usualmente horizontales y verticales). Estos radares llamados polarimétricos brindan varios parámetros adicionales de medición que se centran en el contraste entre señales en ambas polarizaciones. Esta información puede ser utilizada sin ambigüedades para: 4 Detectar artefactos del radar, por ej. características causadas por el bloqueo del haz del radar, propagación anómala, banda brillante, etc. Corregir la atenuación del radar causada por columnas de lluvias fuertes, aumento en la distancia del radar, etc. Identificar tipos de hidrometeoros Mejorar las capacidades de ECP Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas 3-5

6 Ancho del haz a media potencia Lluvia caliente Vientos fuertes Tornados Nieve Superficie de la Tierra Figura 3.2 Retos relacionados con colocar un radar en terreno complejo The COMET Program Los radares polarimétricos brindan estimaciones más exactas de precipitación por poco costo adicional según estudios del Laboratorio Nacional de Pronóstico de Tormentas Severas de NOAA. Criterios de diseño Existe un rango de criterios estratégicos y tácticos que debe ser tomado en cuenta al instalar sistemas modernos de radares meteorológicos. Esta sección presenta un análisis detallado de los criterios estratégicos principalmente las características del terreno y de la precipitación de la región antes de brindar recomendaciones generales sobre la selección del sitio y la compra del sistema. Sin embargo, no se incluyen discusiones sobre análisis costo-beneficio. Intensidad de la precipitación Las crecidas repentinas tienden a ocurrir en regiones propensas a precipitación intensa y, por lo tanto, es esencial comprender los patrones locales de intensidad de la precipitación al considerar colocar una red de radares. En particular, el asunto de la atenuación de la señal del radar debe ser tratado. La atenuación de señales de radar aumenta conforme disminuye la longitud de onda del radar y conforme aumentan la intensidad de la precipitación, la longitud de la trayectoria a través de la lluvia y el tamaño medio de la gota de lluvia. El principal impacto negativo de la atenuación es la reducción artificial de la reflectividad del radar, lo cual lleva a subestimar la intensidad de la precipitación. Según se mencionó arriba, existen técnicas polarimétricas para corregir la atenuación. No obstante, si las señales del radar son atenuadas hasta el nivel de ruido, o sea cuando la señal y el ruido tienen fuerzas muy parecidas, la corrección no es posible. 3-6 Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas

7 Tabla 3.1 Consideraciones logísticas para la instalación de una red de radares Propiedad de la Tierra/ Título de Propiedad / Zonificación Uso Actual Infraestructura Existente de Energía y Comunicaciones Vías de Acceso Existentes Instalaciones de Apoyo Existentes Seguridad Física Seguridad Personal Visibilidad Proximidad Consideraciones Interferencia Electromagnética Licencias de Frecuencia Radial Instalación versus Operaciones Preguntas a plantear Quién es propietario del sitio propuesto para la estación? Tiene alguna zonificación que pudiera permitir la operación de un radar? Dará el propietario una servidumbre o acceso irrestricto? Cuáles cargos de alquiler u otros gastos se impondrían? Será compatible el uso actual de la tierra con operaciones de radar? Existe suficiente espacio libre para una estación e infraestructura de apoyo? (Verifique con los proveedores del radar para determinar la huella de la estación y los requisitos de espacio.) Existen obstrucciones, naturales o hechas por el hombre, que pudieran restringir el barrido del haz del radar hoy o más adelante? Cuáles servicios eléctricos y de gas existen en o cerca del sitio? Existen telecomunicaciones de datos y de voz, por enlaces inalámbricos o terrestres? Qué tan robusta es la infraestructura y existen líneas de comunicación redundantes? Existe suficiente espacio para un generador de diesel o un suministro eléctrico de respaldo operado por gas y un tanque de almacenamiento de combustible asociado? Se puede acceder al sitio todo el año, especialmente durante la temporada de inundaciones/flujo de escombros? Se puede acceder a través de una ruta alterna si la ruta primaria se viera interrumpida? Pueden viajar con seguridad vehículos grandes hacia y desde la estación? Existe alojamiento en el sitio y espacio de oficina para el operador de la estación? Existe alojamiento o mercados vecinos? Está el sitio protegido contra vandalismo, robo o terrorismo? De lo contrario, se podrá asegurar a un precio asequible? Existen poblaciones dentro del barrido del haz que pudieran estar en riesgo por la energía de microondas o por cualquier otro peligro? Si se requiere un enlace de microondas para comunicaciones, existe una clara línea de vista/trayectoria de señal entre el sitio, las estaciones repetidoras y el centro de pronóstico? También, podría minimizarse el impacto visual de la estación de radar para la comunidad circundante sin comprometer su desempeño? Qué tan cerca está el sitio al personal que deberá acceder a la estación en caso de emergencia o de manera regular? Cuáles son las fuentes de interferencia de señales que pudieran impactar el desempeño del radar u otras funciones críticas tales como la transmisión de datos? Cuáles son los requisitos reglamentarios locales y nacionales para la propagación de señales y acceso a espectros? Cómo impactan los aspectos anteriores el costo de instalar la estación a corto plazo versus el costo de operar la estación a largo plazo? Este análisis comparativo es crítico para comprender integralmente los trueques y encontrar los sitios óptimos para la red de radares. Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas 3-7

8 Topografía La topografía es otro reto que debe ser considerado al planificar las redes de radares. Para un muestreo óptimo de precipitación, es preferible que el haz del radar esté los más cerca del suelo como sea posible sin quedar bloqueado por el terreno. Este objetivo con frecuencia es difícil de lograr en una región con una mezcla de crestas montañosas y valles adyacentes, lo cual exige que el haz del radar esté bastante más arriba del piso de muchos valles. También es crítico que el haz no se extienda a niveles por encima de donde se está formando la mayor parte de la precipitación. Según descrito en las páginas del National Research Council (2005), si una estación de radar es colocada en un sitio en un valle, su horizonte probablemente quedará bloqueado por montañas adyacentes. En contraste, si una estación de radar es ubicada en una cresta montañosa, su horizonte probablemente será más claro pero el muestreo en ubicaciones en valles se verá comprometido. Aunque este dilema generalmente involucra un trueque basado en varias prioridades, en ciertas situaciones puede ser ventajoso emplear vigilancia de alcance amplio así como estaciones de radar para llenar vacíos y poder capturar condiciones por debajo y por encima de las crestas montañosas. Esto es, una combinación de radares de vigilancia de banda C (~5 cm de longitud de onda) y de banda S (~10 cm de longitud de onda) y radares de banda X (2,5 a 4 cm de longitud de onda) de alcance más corto (< 40 km) puede ser más efectiva en una región de terreno complejo. Alcance El alcance de la cobertura deseada es otra consideración importante. El número de estaciones requeridas para lograr una adecuada cobertura de red no sólo es un factor de atenuación y de terreno sino que también es influenciado por el alcance. Con un alcance creciente, las dimensiones horizontales y verticales de cualquier haz de radar aumentan, reduciendo su capacidad de resolver fenómenos atmosféricos. Además, tanto el ángulo al cual la energía del radar se transmite como la curvatura de la tierra de hecho elevan el haz del radar por encima de la superficie de la tierra con un alcance mayor. A una cierta altura, el haz del radar pasará por alto una porción importante de las partículas de precipitación que se forman en o apenas encima de la base de las nubes. (Ver Figura 3.2) Logística Otra consideración clave al planificar una red de radares es evaluar la idoneidad logística de sitios potenciales para estaciones. Algunos asuntos de logística pertinentes podrían incluir infraestructura existente, energía, comunicaciones, acceso, seguridad, obstrucciones locales, licencias para frecuencias radiales e interferencia de frecuencias de radio para mencionar unas pocas. La Tabla 3.1 presenta una lista de verificación de las consideraciones de logística y de preguntas que se deben plantear antes de finalizar la ubicación de las estaciones de radar. La selección de sitios a menudo requiere llegar a un compromiso entre factores que compiten y debe ser vista como un proceso interactivo entre los SMHN, los proveedores de sistemas de radar, reguladores gubernamentales y ciudadanos locales. 3-8 Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas

9 Puntos importantes a recordar sobre radares meteorológicos 4 Los radares meteorológicos son poderosas herramientas debido a su habilidad de brindar datos de precipitación de alta resolución espacial y temporal sobre un gran área a diferencia de las mediciones puntales de un pluviómetro in situ. La atenuación de señales de radar aumenta conforme disminuye la longitud de onda del radar y conforme aumentan la intensidad de las lluvias, la longitud de la trayectoria a través de la lluvia y el tamaño medio de las gotas de lluvia. Esto lleva a subestimar la intensidad de la lluvia, especialmente por parte de los radares de longitud de onda más corta. Una combinación de radares de vigilancia y radares de alcance más corto puede ser más efectiva en regiones de terreno más complejo. La altura sobre el suelo del haz del radar hace que las estimaciones de lluvia a alcances largos sean menos precisas. Este problema es mayor en terreno montañoso. Redes de satélites La misión de los satélites meteorológicos generalmente es doble: recopilar datos de observaciones tales como imágenes infrarrojas y visibles y divulgar estos datos y otros productos que son subidos a enlaces desde el servicio meteorológico que controla el satélite. Adicionalmente, estos satélites juegan un papel de comunicación al retransmitir datos desde varias Plataformas de Recolección de Datos (PRD) tales como estaciones de aforo y pluviómetros. Estimación de la precipitación En muchas regiones sin suficiente cobertura de radar, los datos satelitales son el principal medio para hacer estimaciones de precipitación. Varios diferentes instrumentos satelitales son usados en este proceso. Los sensores infrarrojos son probablemente los más conocidos, con cobertura amplia y consistente por parte de satélites geoestacionarios. No obstante, cuando hay nubes presente, los sensores infrarrojos observan sólo la temperatura de las cimas de las nubes. En contraste, los sensores de microondas pasivos en satélites de órbita polar observan emisiones provenientes de agua y de hielo dentro de las nubes para producir estimaciones cuantitativas de precipitación más confiables, pero lo hacen con menor frecuencia. Finalmente, los sensores de microondas (o radar) activos basados en el espacio tienen un rol en la misión general de monitorear la precipitación, produciendo la mayor precisión en las dimensiones tanto verticales como horizontales. La combinación de datos de microondas de órbita polar y datos geoestacionarios visibles e infrarrojos dan oportunidad para maximizar las ventajas de cada sistema. Cada sensor satelital de órbita polar mira una ubicación en la tierra cada 12 horas. Sin embargo, múltiples satélites operados conjuntamente entre los Estados Unidos y Europa pueden brindar productos de intensidad de lluvia de microondas pasivos para un sitio dado cada 3 a 4 horas en promedio. Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas 3-9

10 Datos de satélites geoestacionarios arriban cada media hora o incluso con mayor frecuencia. A falta de sensores de microonda, los satélites geoestacionarios pueden brindar ubicaciones oportunas de tormentas, pero no pueden producir intensidades de lluvia confiables. Por lo tanto, los investigadores han desarrollado productos de precipitación sinérgicos que combinan la precisión de las intensidades de lluvia determinadas por microondas con las ventajas temporales de datos geoestacionarios. Estos productos de alta resolución han sido desarrollados con miras a la asimilación de datos para modelado numérico, validación de modelos y estudios de clima, pero están creciendo en popularidad entre los pronosticadores operativos del tiempo. Por ejemplo, el Análisis Multi-satelital de Precipitación (TMPA, Multi-satellite Precipitation Recuerde Analysis) de la Misión para Medir la Lluvia Tropical La Misión para Medir la Lluvia Tropical (TRMM, Tropical Rainfall Measuring Mission) (TRMM, Tropical Rainfall Measuring Mission), lanzada en 1997, fue concebida combina estimaciones de precipitación determinadas por microondas con estimaciones infrarrojas de como una misión satelital para estudiar las satélites geoestacionarios. Las intensidades de lluvias tropicales para estudios del clima y lluvia determinadas por microondas son usadas es precursora de la misión de Medición de para calibrar las estimaciones de los GOES. El Precipitación Global (GPM, Global Precipitación Measurement). Las dos misiones más producto de la Técnica de Morfismo de CPC de NOAA (CMORPH) está construido por completo importantes son un radar de precipitación a bordo (o PR) y el generador de imágenes de estimaciones de precipitación determinadas por de microonda TRMM (o TMI). microondas pasivos. En momentos y en sitios donde no se cuenta con datos de microonda de satélites polares, el CMORPH propaga las estimaciones de microondas en los espacios de tiempo usando tendencias observadas en los datos infrarrojos de los satélites geoestacionarios. A esta propagación se le conoce como morfismo. Para computar estimaciones usando la técnica mezclada del Laboratorio de Investigación Naval (NRL-Blended, Naval Research Laboratory Blended), los datos determinados por microondas pasivos de satélites de órbita polar y datos de radar de TRMM son usados para calibrar los datos infrarrojos geoestacionarios donde haya traslape entre datos de microondas e infrarrojos. Esta información es conservada y usada para producir intensidades de lluvia para la continua calibración de datos de satélites geoestacionarios recién recibidos. El algoritmo de auto-calibración multi-variable de extracción de la precipitación (SCaMPR ) de NOAA/NESDIS (National Environmental Satellite, Data, and Information Service) es aún otra técnica de estimación de intensidades de lluvia que calibra predictores de datos GOES según las intensidades de lluvia de instrumentos de microondas. La meta es producir estimaciones a la frecuencia de los datos GOES pero con una precisión más cercana a aquella de las intensidades de lluvia de microondas disponibles intermitentemente. SCaMPR es un algoritmo experimental operado en tiempo real por el Centro de Investigaciones y Aplicaciones Satelitales (STAR, Center for Satellite Applications and Research), brazo de ciencias aplicadas de NESDIS Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas

11 Procesamiento de datos de satélite Aunque la descripción del equipo de recepción satelital Recuerde en tierra va más allá del ámbito de este documento, Los datos críticos deben ser es importante recordar también que el equipo de recopilados de múltiples redes a procesamiento debe incluir la capacidad de producir través de múltiples trayectorias de estimaciones de precipitación nacional en tiempo real comunicación. a partir de datos de satélite para su uso operacional. El algoritmo del Hidro-Estimador del Centro de Aplicaciones Satelitales de NOAA/NESDIS ha producido automáticamente estimaciones de lluvia operacionales en tiempo real desde 2002 a partir de datos de la banda 4 (ventana IR) de Imágenes del GOES-11 y -12. Los productos finales son campos digitales de intensidades de lluvia instantáneas cada 15 minutos (ver Capítulo 8 para detalles adicionales.) Las estimaciones de lluvia sobre una malla de las imágenes de GOES son la principal fuente de datos de precipitación para varios sistemas nacionales y regionales de pronóstico de crecidas repentinas, puesto que muchos países no pueden hacer el gasto en redes de radares meteorológicos. El sistema de la Guía Centroamericana para Crecidas Repentinas descrito brevemente en el Capítulo 5 y en mayor detalle en el Capítulo 8 es un ejemplo. Puntos importantes a recordar sobre datos satelitales 4 Las estimaciones satelitales de precipitación pueden ser corregidas parcialmente con datos coincidentes de realidad del terreno provenientes de pluviómetros. Las estimaciones de precipitación sobre una malla son la principal fuente de información para áreas que no cuentan con redes de radares y redes de pluviómetros. Las estimaciones de precipitación pueden ser computadas para todo el planeta usando tanto los satélites de Órbita Polar como los Geoestacionarios. Requisitos en comunicaciones Las comunicaciones robustas entre las redes de observación hidrometeorológicas y el centro de pronóstico son cruciales para el éxito de un sistema de alerta temprana de crecidas repentinas. Sin la transmisión oportuna y confiable de datos desde cada sensor hasta el pronosticador (y a modelos numéricos), no es posible evaluar y actuar con respecto a amenazas de crecidas repentinas. Algunas observaciones desde tierra, especialmente datos desde redes internacionales, están disponibles en tiempo real a través de internet y de enlaces satelitales. Datos de redes locales de monitoreo típicamente dependen de comunicaciones fijas o inalámbricas, la internet, la telefonía radial, radio UHF/VHF o PRD GOES para la transmisión de datos. Los principales factores para determinar qué tipos de comunicación emplear incluyen: 4 Velocidad de transferencia de datos Disponibilidad de electricidad (electricidad de líneas principales versus autónomas/ auto-alimentadas) Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas 3-11

12 Garantía de transmisión de datos (red privada versus línea de datos compartida) Ubicación y disponibilidad de infraestructura de telecomunicaciones (satélites en campo de visión) Disponibilidad de financiamiento Las comunicaciones de doble vía con una red de pluviómetros pueden ser provechosas. Esta capacidad puede ser usada para: 4 Actualizar software o calibrar valores en la estación Interrogar el sistema en busca de fallas Cambiar la frecuencia de muestreo Realizar varias funciones administrativas que de lo contrario tendrían que esperar hasta una visita al sitio Esto permite que el sistema sea flexible y mejora la confiabilidad en general. Al adoptar un sistema de comunicaciones para la instalación de pluviómetros, una consideración deberá ser su confiabilidad bajo condiciones ambientales severas. Por ejemplo, para una alerta de una crecida repentina, algunos de los pluviómetros deberán estar posicionados en una región propensa a deslizamientos para brindar una apropiada alerta temprana. En caso de un deslave, las primeras pérdidas con frecuencia son la Red Telefónica Pública Conmutada (PSTN, Public Switched Telephone Network), los enlaces de telefonía móvil y la energía eléctrica. En estas circunstancias, los enlaces satelitales podrían ser la única opción. Además, se requiere alguna forma de suministro eléctrico no interrumpible (UPS). Esto a menudo viene en forma de un sistema de respaldo a batería con una capacidad adecuada de reserva de varias horas. Una serie de fabricantes, incluyendo fabricantes del registrador de datos y pluviómetros, producen sistemas de comunicación relativamente baratos, listos para usar, apropiados para pluviómetros. El método de comunicación depende mayormente de la distancia a lo largo de la cual se deban transmitir los datos. Para distancias cortas, un enlace de radio a menudo es conveniente. Para enlaces a escala nacional, líneas telefónicas dedicadas o de selección automática interurbana de la Red Telefónica Pública Conmutada (PSTN, Public Switched Telephone Network) son un medio eficaz. Donde las líneas fijas no son prácticas, el creciente uso de enlaces de telefonía móvil usando tecnología de Mensajería General Conmutada (GSM, General Switched Messaging) y protocolos del Sistema General de Radiotransmisión de Paquetes (GPRS, General Packet Radio System) ha ampliado el potencial de las comunicaciones a larga distancia. Tanto los sistemas de telefonía fija como móvil brindan acceso a internet a través de un Proveedor de Servicios de Internet (ISP), lo cual puede mejorar enormemente la transmisión de datos. Por ejemplo, muchas de las estaciones de GPS de la red mundial del Servicio Internacional del Sistema Global de Navegación por Satélite reportan a través de internet Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas

13 Todas las formas de telefonía se están fusionando en una sola con enlaces telefónicos que harán que el método de conexión sea transparente al usuario. Recuerde El Sistema Global de Telecomunicaciones (SGT) está definido como: El sistema global En general, banda ancha se refiere a telecomunicaciones en las cuales una banda ancha de frecuencias está disponible para transmitir intercambio y distribución de observaciones información. Así, la información puede ser e información procesados en el marco de la multiplexada y enviada a través de muchas Vigilancia Meteorológica Mundial. diferentes frecuencias o canales dentro de la banda Reglamento Técnico No. 49 OMM de manera concurrente, permitiendo que más información sea transmitida en una cantidad dada de tiempo (así como más carriles en una carretera permiten que más vehículos circulen por ella a la misma vez). Las ventajas de la tecnología de banda ancha son: coordinado de instalaciones de telecomunicaciones y arreglos para la rápida recopilación, 4 Una conexión continua de doble vía que permite el muestreo de datos a alta velocidad y la recuperación de datos en tiempo casi real. Se cuenta con el diagnóstico remoto de manómetros y la capacidad de reprogramar el sistema de manera remota. Figura 3.3 Estructura básica del sistema global de telecomunicaciones de la OMM Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas 3-13

14 La deriva en tiempo y los errores de instalación por parte de operadores son eliminados teniendo a disposición la hora exacta de servidores del Protocolo de Tiempo de Red en internet. Los costos de entrega de datos son conocidos con antelación porque los costos de subscripción son pagados mensual o anualmente. La recopilación de datos en tiempo real permite encontrar y reparar las averías con más rapidez. Los sistemas de banda ancha de línea fija también pueden permitir acceso de respaldo a través de un modem de discado. Las desventajas de la tecnología de banda ancha son: 4 Se requiere una interfaz LAN; a menudo esto es difícil de agregar a sistemas existentes. Se requiere una línea terrestre para sistemas de banda ancha no satelitales. Puertos seriales DCP por lo general no están disponibles, de manera que es más difícil lograr la interfaz. El requisito de energía para módems de banda ancha es bastante alto (~1 amp); esto puede causar problemas donde no se cuente con una línea primaria. Según se ha mencionado, para áreas más remotas, los enlaces móviles de satélite ofrecen una alternativa viable. Ahora existen más de 30 sistemas satelitales orbitales en operación dedicados a la transmisión de datos, algunos a escala mundial. Comunicaciones de respaldo Un centro de pronóstico local/provincial e, idealmente, un SMHN debería emplear comunicaciones de respaldo para la recopilación de datos e información necesaria para detectar peligros naturales. Dos tipos de comunicaciones de respaldo deberían ser empleados en los centros: 4 Trayectorias alternativas de comunicaciones para que los datos críticos lleguen a un centro 4 Comunicaciones de respaldo como parte de un respaldo de servicio provisto por otro centro Trayectorias alternativas de comunicación para la recopilación de datos y divulgación de productos son necesarias dentro de un centro. En caso de falla de uno de los enlaces primarios de comunicación del centro, la información puede ser re-enrutada a través de una conexión secundaria. El respaldo de funcionalidades por otro centro significa que se han establecido procedimientos para que una oficina asuma las funciones de otra si esta última ha perdido todos sus enlaces de comunicación. Típicamente, un centro debería tener conexiones con al menos dos centros más Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas

15 Los sistemas satelitales comerciales pueden ofrecer a los centros de pronóstico un mecanismo diverso de divulgación para información de alertas y así complementar la conectividad primaria del Sistema Global de Telecomunicaciones (SGT) de la OMM (ver siguiente sección). En este sentido, un servicio idóneo provisto comercialmente podría ser utilizado como respaldo a circuitos de SGT. Muchos otros sistemas satelitales meteorológicos son operados en órbita polar para recopilar datos de observaciones y muchos realizan el servicio adicional de recopilar datos de Plataformas de Recolección de Datos (PRD) tales como estaciones de aforo y pluviómetros. La función de poner en marcha más de un sistema de recepción satelital debería ser explorada por un SMHN para brindar la máxima confiabilidad general del sistema. Aunque no es común, ocasionalmente ocurren apagones inesperados de los sistemas satelitales y a veces puede resultar en la pérdida total de una plataforma satelital. La recepción de datos provenientes de más de un sistema satelital ayudará a asegurar muy alta confiabilidad en la poco probable aunque posible ocurrencia de pérdida de servicio de un satélite en combinación con una pérdida de comunicaciones terrestres en un centro de alerta. Observación de datos internacionales y recopilación de información Según se mencionó con anterioridad en este capítulo, la recepción en los SMHN de datos provenientes de redes locales de monitoreo típicamente depende de comunicaciones fijas o inalámbricas, internet, radio telefonía, radio UHF/VHF o PRD GOES para la transmisión de datos. A la misma vez, la principal ruta internacional de recopilación de datos para un SMHN es el Sistema Global de Telecomunicaciones de la Organización Meteorológica Mundial. El SGT OMM es el sistema vertebral para el intercambio mundial de datos e información en apoyo de sistemas de alerta temprana multipeligro y multipropósito, incluyendo todos los datos meteorológicos y relacionados; análisis y pronósticos de tiempo, agua y clima; información y advertencias relacionadas con tsunamis y datos sísmicos paramétricos. El SGT distribuye un amplio rango de observaciones de datos de la tierra con contenido y formatos de datos estandarizados. Los datos y la información son dirigidos usando un sistema de conmutación de mensajes (MSS, message switching system) que consiste de sistemas de hardware y de software. Una reseña del SGT aparece en la Figura 3.3.La estructura del SGT aprovecha los circuitos terrestres de comunicación para diseminar datos, productos y boletines informativos a través de una red en capas. Las tres capas del SGT son los Centros Meteorológicos Mundiales (CMM), los Concentradores Regionales de Telecomunicaciones (CRT) y los Centros Meteorológicos Nacionales (CMN). La Red Principal de Telecomunicaciones (RPT) enlaza a tres Centros Meteorológicos Mundiales (CMM) (Melbourne, Moscú y Washington) y 15 Concentradores Regionales de Telecomunicaciones (CRT) (Argel, Beijing, Bracknell, Brasilia, Buenos Aires, Cairo, Dakar, Jeddah, Nairobi, Nueva Delhi, Offenbach, Toulouse, Praga, Sofía y Tokio). Esta red central tiene la función de brindar un servicio eficiente, rápido y confiable de comunicaciones entre los Centros de Telecomunicaciones Meteorológicas (CTM). Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas 3-15

16 Las Redes Regionales de Telecomunicaciones Meteorológicas (RRTM) son una red integrada de circuitos que cubre las seis regiones de la OMM África, Asia, Sur América, Norte América/ Centro América y el Caribe, Pacífico Sur-Occidental y Europa más la Antártica y los CTM que les interconectan, asegurando así la recopilación de datos de observaciones y la distribución selectiva regional de información meteorológica y de otros tipos de información relacionada a Miembros. Hasta que se complete la red integrada, las transmisiones por radio de HF pueden ser utilizadas para cumplir con los requisitos de internet para la diseminación de información meteorológica. Las Redes Nacionales de Telecomunicaciones Meteorológicas (RNTM) permiten a los Centros Meteorológicos Nacionales (CMN) recabar datos de información y recibir y distribuir información meteorológica a escala nacional. La OMM está ampliando sobre su SGT para generar un Sistema de Información de la OMM (SIO) abarcador, que permita acceso sistemático, recuperación, diseminación e intercambio de datos e información a todos los programas de la OMM y programas internacionales relacionados. El SIO también podrá brindar datos críticos a otras agencias nacionales y a usuarios que tratan con muchos sectores, incluyendo la gestión del riesgo de desastres. Puntos importantes a recordar sobre requisitos de comunicaciones 4 Las comunicaciones robustas entre las redes de observación y el centro de pronóstico son clave para el éxito de un sistema de alerta temprana de crecidas repentinas. Al adoptar un sistema de comunicación para una instalación de manómetros, se debe considerar su confiabilidad bajo condiciones ambientales severas. Trayectorias alternativas de comunicación para recopilar datos y divulgar productos son necesarias en un SMHN para asegurar las operaciones 24/7. El SGT OMM es el sistema vertebral para el intercambio mundial de datos e información en apoyo de sistemas de alerta temprana multipeligro y multipropósito. Especificaciones de proveedores El sitio web de la Association of Hydro-Meteorological Equipment Industry es: Adicionalmente, una lista de proveedores aparece en el sitio web de NOAA: Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas

17 Referencias Battan, L. J., 1973: Radar observations of the atmosphere. University of Chicago Press, 279 pp. Bringi V. N., V. Chandrasekar, N. Balakrishnan, and D. S. Zrnic, 1990: An examination of propagation effects on radar measurements at microwave frequencies. J. Atmos. Oceanic Technol., 7, Buchanan, T.J. and W.P. Somers Stage measurement at gauging stations. U.S. Geological Survey, Techniques of Water-Resources Investigations, Book 3, Chapter A7 Buchanan, T.J. and W.P. Somers. Discharge measurements at gauging stations. U.S. Geological Survey, Techniques of Water-Resources Investigations, Book 3, Chapter A8 Carter, R.W. and Jacob Davidian, General Procedure for Gauging Streams. U.S. Geological Survey, Techniques for Water-Resources Investigations, Book 3, Chapter A6 Ferraro, R.R., and G.F. Marks, 1995: The development of SSM/I rain-rate retrieval algorithms using ground-based radar measurements. J. Atmos. Oceanic Technol., 12, Ferraro, R.R., S.J. Kusselson, and M. Colton, 1998: An introduction to passive microwave remote sensing and its applications to meteorological analysis and forecasting. Natl. Wea. Dig., 22, Ferraro, R., P. Pellegrino, M. Turk, W. Chen, S. Qiu, R. Kuligowski, S. Kusselson, A. Irving, S. Kidder, and J. Knaff, 2005: The Tropical Rainfall Potential (TRaP) Technique. Part 2: Validation. Wea. Forecasting, 20, Ferraro, R.R., F. Weng, N. Grody, I. Guch, C. Dean, C. Kongoli, H. Meng, P. Pellegrino, and L. Zhao, 2002: NOAA satellite-derived hydrological products prove their worth, EOS, Trans. of Amer. Geophys. Union, 83, Ferraro, R.R., F. Weng, N.C. Grody, and L. Zhao, 2000: Precipitation characteristics over land from the NOAA-15 AMSU Sensor, Geophys. Res. Let., 27, Hagen, M. and S. E. Yuter, 2003: Relations between radar reflectivity, liquid-water content, and rainfall rate during the MAP SOP. Q. J. R. Meteorol. Soc., 129, Joss, J. and A. Waldvogel, 1967: Ein Spektrograph für Niederschlagstropgen mit automatischer Auswertung. Pure Appl. Geophys., 68, Kennedy, E.J. Discharge Ratings at Gauging Stations. U.S. Geological Survey, Techniques for Water-Resources Investigations, Book 3, Chapter A10 Kidder, S.Q., S.J. Kusselson, J. A. Knaff, R. R. Ferraro, R. J. Kuligowski, and M. Turk, 2005: The Tropical Rainfall Potential (TRaP) Technique. Part 1: Description and examples. Wea. Forecasting, 20, Kuligowski, R.J., 1997: An overview of National Weather Service quantitative precipitation estimates. TDL Office Note 97-4, NWS/NOAA, 27 pp. Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas 3-17

18 Kuligowski, R.J., 2002: A self-calibrating real-time GOES rainfall algorithm for short-term rainfall estimates. J. Hydrometeor., 3, Kuligowski, R.J., and A.P. Barros, 2000: Blending multiresolution satellite data with application to the initialization of an orographic precipitation model. J. Appl. Meteor., 40, Kummerow, C., and co-authors, 2000: The status of the Tropical Rainfall Measuring Mission after two years in orbit. J. Appl. Meteor., 39, Kusselson, S.H., 1993: The operational use of passive microwave data to enhance precipitation forecasts. Preprints, 13th Conf. on Weather Analysis and Forecasting, Vienna, VA, Amer. Meteor. Soc., Laenen, Antonius. Acoustic Velocity Meter Systems. U.S. Geological Survey, Techniques of Water-Resources Investigations, Book 3, Chapter A17 Leone, D.A. et al: Meteorological Considerations Used in Planning the NEXRAD Network. American Meteorological Socieity, 70, No. 1, January Liu, C., E. Zipser, and S. W. Nesbitt, 2007: Global distribution of tropical deep convection: Different perspectives using infrared and radar as the primary data source,j. Climate, 20, Löffler-Mang M., and J. Joss, 2000: An optical disdrometer for measuring size and velocity of hydrometeors. J. Atmos. Oceanic Technol., 17, Mandeep, J. S. and S. I. S. Hassan, 2008: 60- to 1-minute rainfall-rate conversion: Comparison of existing prediction methods with data obtained in the southeast Asia region. J. Appl. Meteor. Clim., 47, Marshall, J. S. and W. M. Palmer, 1948: The distribution of raindrops with size. J. Meteorol., 5, Marzano, F.S., A. Mugnai, and F.J. Turk, 2002: Precipitation Retrieval From Spaceborne Microwave Radiometers and Combined Sensors. Advances in Global Change Research., 13, Matrosov, S. Y., D. E. Kingsmill, B. E. Martner and F. M. Ralph, 2005: The utility of X-band polarimetric radar for quantitative estimates of rainfall parameters. J. Hydrometeor., 6, Matrosov, S. Y., K. A. Clark, B. E. Martner and A. Tokay, 2002: X-band polarimetric radar measurements of rainfall. J. Appl. Meteor., 41, National Research Council, 2005: Flash Flood Forecasting Over Complex Terrain: With an assessment of the sulphur mountain NEXRAD in southern California. The National Academies Press. 206 pp.

19 Nesbitt, S. W., E. J. Zipser, and D. J. Cecil, 2000: A census of precipitation features in the tropics using TRMM: radar, ice scattering, and lightning observations. J. Climate., 13, Scofield, R.A., and R.J. Kuligowski, 2003: Status and outlook of operational satellite precipitation algorithms for extreme precipitation events. Wea. Forecasting, 18, Scofield, R.A., R. Kuligowski, and C. Davenport, 2003: From satellite quantitative precipitation estimates (QPE) to nowcasts for extreme precipitation events. Preprints, 17th Conference on Hydrology, Amer. Meteor. Soc. Scofield, R. A., R. J. Kuligowski, and J. C. Davenport, 2004: The use of the Hydro-Nowcaster for Mesoscale Convective Systems and the Tropical Rainfall Nowcaster (TRaN) for landfalling tropical systems. Preprints, Symposium on Planning, NOwcasting, and Forecasting in the Urban Zone, Seattle, American Meteorological Society, CD-ROM, 1.4. Segal, B., 1986: The influence of raingauge integration time on measured rainfall-intensity distribution functions. J. Atmos. Oceanic Technol., 3, Steiner, M., R. A. Houze Jr., and S. Yuter, 1995: Climatological characterization of threedimension storm structure from operational radar and rain gauge data, J. Appl. Meteor., 34, Turk, M.A., S.J. Kusselson, R.R. Ferraro, P. Pellegrino, S. Kidder, and J. Yang, 2003: Validation of a microwave-based tropical rainfall potential (TRaP) for landfalling tropical cyclones. Preprints, 12th Conference on Satellite Meteorology and Oceanography, Amer. Meteor. Soc., Long Beach, CA, 8-13 Feb Vila, D.A., R.A. Scofield, R.J. Kuligowski, and J.C. Davenport, 2003: Satellite rainfall estimation over South America: Evaluation of two major events. NOAA Tech. Rept. NESDIS 114, 17 pp. White A. B., J. R. Jordan, B. E. Martner, F. M. Ralph, and B. W. Bartram, 2000: Extending the dynamic range of an S-band radar for cloud and precipitation studies. J. Atmos. Oceanic Technol., 17, White A. B., P. J. Neiman, F. M. Ralph, D. E. Kingsmill, and P. O. G. Persson, 2003: Coastal orographic rainfall processes observed by radar during the California Land-falling Jets Experiment. J. Hydrometeor., 4, Yuter, S. E., R. A. Houze, Jr., E. A. Smith, T. T. Wilheit and E. J. Zipser, 2005: Physical characterization of tropical oceanic convection observed in KWAJEX. J. Appl. Meteor., 44, Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas 3-19