PLUVIOMETRIA. Principios básicos de las mediciones atmosféricas 2011

Transcripción

1 PLUVIOMETRIA La medición de la precipitación se realizan para obtener información sobre sus características espaciales y temporales, como intensidad, frecuencia, fase, duración cantidad etc. El problema de la representatividad, que si bien es general para todas las mediciones, es particularmente importante en la precipitación, ya que presenta una gran variabilidad espacial y temporal. Las mediciones de precipitación son especialmente sensibles a la exposición, viento y la topografía, es por esto que en este caso en particular, la información del metadato cobra vital importancia para la utilización a posteriori del dato. El diseño de una red pluviométrica no es un trabajo trivial (a modo de ejemplo se anexa trabajo de Rodríguez-Iturbe et al Water Resources Research). El análisis de los datos de precipitación será mas fácil y más confiable si se utiliza el mismo tipo de pluviómetro y los mismo criterios de instalación en toda la red. La tasa de precipitación, se define como la cantidad de agua líquida o sólida que alcanza el suelo en cierta unidad de tiempo, aunque por lo general la unidad de tiempo no se especifica, por lo general es del día (mm/día) o por período de tormenta. El caso de granizo se trata diferente que los otros tipos de precipitación (lluvia, nieve, etc), ya que se especifican otro tipo de características como: estructura, tamaño, forma, aspereza, color (claro, opaco, etc), densidad, etc. Medición de la precipitación: Existen principalmente dos categorías de instrumentos para medir la precipitación; los mecánicos (pluviómetros, pluviògrafos, los de cangilometros, etc) y el sensoramiento remoto (láser, satélites, radares y radiómetros) que pueden estar en tierra o en satélites. Pluviómetros mecánicos: Los pluviómetros tradicionales, están compuestos por tres secciones principales. La sección receptora que tiene una boca de 200 cm 2 (16 cm de diámetro) formada por un aro de bronce. En su interior tiene un embudo con orificio de salida del agua y la parte superior esta soldada a las paredes del pluviómetro 10 cm por debajo de la boca. Esta sección receptora se acopla a la parte de Dra. Madeleine Renom 1

2 retención y ambas forman un cilindro de 45,5 cm de altura. La sección de retención depende del tipo de pluviómetro la capacidad (van desde los 50 mm a los 500mm o mas (visiten la pagina de Belfort Instrument : ). En el interior de la parte colectora esta colocado un recipiente, llamado colector, que sirve para traspasar a la probeta el agua recogida para su medición. Si quiero estimar la tasa de precipitación la misma viene dada por: t h1 ( t) = R( g) dg donde R es la precipitación y h la altura de agua dentro de la cubeta. 0 La función de transferencia es una integral ya que la cubeta abierta es una realización casi-perfecta de la operación de integración. Pluviómetros por diferencia de presión: La columna de agua en el pluviómetro puede ser medida con un sensor que mide la presión diferencial respecto a la presión ambiental. Se conecta un barómetro aneroide en la región mas baja del mismo. Dra. Madeleine Renom 2

3 Pluviómetro de sifón: La columna de agua dentro del recipiente interior del pluviómetro se vacía utilizando el efecto de sifoneado. La lluvia que colecta el embudo se pasa al recipiente colector, cuando este esta lleno, el sifón vacía el recipiente y envía el agua a otro recipiente colector. Pluviómetros de cangilómetros: Dra. Madeleine Renom 3

4 Esta compuesto por un balancín con 2 recipientes idénticos de plástico o metal montado por debajo del embudo. El agua que entra por el embudo cae dentro de uno de los cubos, cuando este se llena, su centro de gravedades encuentra por fuera del punto de soporte y vuelca haciendo el agua recogida y trayendo el otro cubo a la posición de cargar agua. El volumen del cubo es: V = A Δh, donde A es el área colectora del cubo. En usa el área es de 8 o 12 inches. Δh es el incremento de altura del cubo. Cada cubo puede tener un delta h de 0.1 mm, 0,2 mm o 0,25 mm dependiendo del diseño. El tiempo requerido T B para llenar un cubo viene dado por: T B A 0 R( t) dt = V Cuando R =cte, ARTB=V y TB= Δh/R Ej: Cuando se realiza el vuelco se dispara un relay que queda momentáneamente cerrado. Un microprocesador en el data logger cuenta en numero de veces el relay esta cerrado durante un periodo de tiempo seteado. Si ese tiempo son 5 minutos y Δh=0,2 mm si el relay cierra 2 veces en los 5 minutos entonces la tasa de precipitación seria 2Δh=0,4mm/5 min = 4,8 mm/hr Dra. Madeleine Renom 4

5 Sensor de Precipitación Total Este sensor consiste de 2 platos metálicos de aproximadamente 13 cm de diámetro, los cuales son calentados por un sistema eléctrico. Trabaja en un rango de temperaturas que va entre +/- 50ºC. El principio de funcionamiento es el siguiente, durante una tormenta el sensor medirá la taza de lluvia por medio de cuanto potencia se necesita para evaporar la precipitación en el plato superior manteniendo la temperatura constante. El segundo plato, que se encuentra por debajo es calentado a la misma temperatura que el de arriba y es utilizado como factor de corrección por enfriamiento debido al viento. Ventajas: No contiene partes móviles Tecnología robusta y confiable No necesita sistema anti-congelamiento ni acondicionamiento por viento Fuentes de error de los sensores acumulativos 1) Representatividad: Si tuviese un pluviómetro para un área de K,2, la fracción de área cubierta por el pluviómetro es del orden de Esto es un muestreo muy pobre para cualquier tipo de lluvia. Los errores pueden ser positivos o negativos. Por ejemplo, si una tormenta no es detectada por el pluviómetro, esto supone una gran subestimación de la precipitación, mientras que si la tormenta pasa directamente por el pluviómetro la salida del sensor será de sobreestimar la precipitación para el área que esta representando. 2) Viento: El viento que circula alrededor del pluviómetro, es perturbado por el mismo y desvía las gotas más pequeñas hacia fuera del pluviómetro, generando una subestimación de la variable. Cuan grande o pequeña sea la subestimación dependerá del tipo de precipitación (lluvia o nieve), tamaño de las gotas (las gotas grandes sufren desvíos menores que las pequeñas), la velocidad del viento al tope del pluviómetro durante el evento de lluvia y el tipo de campo de viento presente. 3) Evaporación y humedecimiento: Cuando se presenta casos de llovizna, puede suceder que parte del agua precipitada quede adherida a las paredes del recipiente y no sea medida, o que si el material esta muy caliente se genere la evaporación de la misma. El error por evaporación, es en general chico. Dra. Madeleine Renom 5

6 4) Salpicadura: Las gotas grandes pueden llegar a salpicar hacia afuera del pluviómetro durante su caída. 5) Acumulación de rocío: Formación de rocío se puede ir acumulando en el pluviómetro, pudiendo dar registros de traza. Si la formación de roció no fue tan importante, esta se evaporar durante el día. Errores específicos del tipo de pluviómetro: 1) Pluviómetros de cangilometros: perdidas con lluvias intensas. Con precipitaciones intensas, el tiempo finito requerido para volcar el canjilometro podría generar que cierta cantidad de agua entre al mismo después de llenarse pero antes de la próxima medición, generando una subestimación de la taza de precipitación. 2) Pluviómetros de cangilometros: Atasco del balancín. Se puede producir un atasco del sistema mecánico, lo cuál daría como resultado mediciones de 0 precipitación. Esto puede ser debido a telas de araña o pequeñas ranas que se ubican en los canjilometros. 3) Pluviómetros convencionales, de sifón y de presión: Fallan en el registro cuando se esta realizando el vaciado. Son sensibles al viento que fluye sobre el pluviómetro, que podría generar cierto ruido en la señal que puede ser registrado como precipitación. Precipitación por radar: La estimación de la precipitación por radar es fundamental para obtener una cobertura de área, ya que los sensores vistos hasta ahora generan datos puntuales en superficie. El radar estima la concentración de gotas en la atmósfera a partir de la potencia de la señal recibida. Principios básicos del funcionamiento del radar Se lo clasifica como sensor activo, ya que emite una onda electromagnética (en la región de las microondas, con λ entre 1 mm y 1 m) y recibe la energía electromagnética reflejada o disipada por un objeto en el espacio. Dra. Madeleine Renom 6

7 Clasificación de los Radares: Radares de Pulsos: modulados en amplitud Radares de objetos móviles (MTI) : se utilizan en aviones principalmente Doppler: A) de onda contínua, B) frecuencias múltiples, ondas multiples, C) ondas continuas modulados em frecuencia. Doppler de Pulsos: frecuencia doppler no ambigua Radar de doble polarizacion Ondas y frecuencias utilizadas en los radares Los radares trabajan en frecuencias muy altas, los motivos serían los siguientes: Propagación de las ondas cuasi-opticamente Alta resolución (cuanto mas chica la longitud de onda, mas chico es el objeto que puede ser detectado por el radar) Altas frecuencias, menor es el tamaño de la antena para obtener la misma ganancia. Dra. Madeleine Renom 7

8 Definiciones Algunos radares y su bandas de frecuencias El objeto se le denomina blanco y la señal dispersada por el blanco es llamada eco. Distancia o rango de un blanco: Midiendo el tiempo que transcurre entre la emisión de la onda y el arribo del eco: r = c Δt/2 c: velocidad de la luz En la practica se considera la relación: 1 km = 6,6 μs, entonces el tiempo-radar = 6,6 μs/km El rango mínimo detectable (o distancia ciega) de un radar depende del pulso de transmisión (τ) y el tiempo de recuperación de la señal (t rec ) R min = ( τ + t rec 2 ) c Dra. Madeleine Renom 8

9 R min Fig. Rango ciego del radar Variación en la señal del eco ECUACION DEL RADAR PARA BLANCOS PUNTUALES La relación entre la potencia emitida por un radar y la recibida por de un blanco puntual está dada por: Donde Pr = Potencia recibida Pt = Potencia emitida l = Longitud de onda s = Sección de irradiación del blanco r = Distancia al blanco ECUACION DEL RADAR PARA BLANCOS METEOROLOGICOS La ecuación(1) da la potencia recibida de un blanco puntual, si pasamos a la detección de los blancos meteorológicos, por ejemplo a una zona de precipitación, el haz de irradiación del radar ilumina una gran cantidad de partículas dispersantes tal como las gotas de agua; pasamos así de una dispersión de carácter superficial a otra de características volumétricas. Se demuestra que la potencia que llega en un instante determinado al radar,proviene de las gotas de agua que se encuentran dentro de un volumen cuyas dimensiones dependen del ancho de haz de antena,la distancia y duración del pulso de energía electromagnética emitida. Dra. Madeleine Renom 9

10 Debida a esta forma particular de comportamiento,ha sido necesario un tratamiento especial para determinar la sección transversal de reirradiación para blancos meteorológicos.los principales estudios referentes a la dispersión producida cuando una onda plana incide sobre una gota de agua esférica,han sido realizados por Mie,Stratton, Dado que en el volumen se encuentran gotas de diversos tamaños, considerando que cada una de ellas se comporta como elementos irradiantes en la misma frecuencia que la onda incidente, al estar distribuidas aleatoriamente y en continuo movimiento, la potencia recibida por el radar varía pulso a pulso.según Battan, luego de un período que puede variar entre 5 y 20ms,la distribución de gotas al azar, cambia en otra independiente de ella. Si la potencia recibida es promediada sobre un largo número de distribuciones independientes, sobre un mismo volumen, la ecuación (1) se transforma en: (2) Donde la sumatoria está hecha sobre un volumen que lo denominamos Vm,el cual está dado por la ecuación: (3) h = la longitud del ancho de pulso emitido en metros r = distancia entre el radar y el volumen iluminado q, f = ángulo horizontal y vertical del haz De (2) y (3) (4) A la sumatoria es denominada reflectividad del radar. Si la longitud de onda es grande comparada con la sección transversal de la partícula dispersante (región de Rayleigh),el valor de si está dado por: (5) Dra. Madeleine Renom 10

11 donde [K]² depende de la constante dieléctrica de la partícula dispersante cuyo valor varía con la longitud de onda,es de 0.93 para el agua y longitud de onda de 10cm con pequeñas variaciones para otros valores,mientras que para el hielo es de para cualquier frecuencia emitida dentro del espectro del radar. Reemplazando 5 en 4: (6) Vemos ahora que la fórmula (6) relaciona la potencia recibida con la distribución del tamaño de gotas que ocupan el volumen iluminado por el radar, existe entonces una relación entre la precipitación y la potencia recibida; debemos llegar a una fórmula que nos permita obtener en forma mas directa ese valor. A la sumatoria se la denomina "Factor de reflectividad Z"; varios autores han trabajado sobre la fórmula (6) para darle una forma práctica de obtener el valor de Z. La mas utilizada es la de Prober- Jones: (7) Partiendo de esta fórmula básica se puede llegar a una mas simple que facilite su aplicación. Dado que en general la medición de potencia se obtiene con instrumentos que miden potencia media, se puede reemplazar: Pt =Pm/t.fr fr = frecuencia de repetición PRF t = duración del pulso en tiempo Además no se mide el valor de la longitud de onda sino la frecuencia que emite el radar,siendo entonces: l = c/ft c = velocidad de la luz ft = frecuencia transmitida Por lo tanto reemplazando estos valores en la formula (7) (8) Dra. Madeleine Renom 11

12 Utilizando las siguientes unidades para los distintos factores: Pm[mW] ; Pr[mW] ; f y q[rad] ; ft[mhz] ; fr[hz] ; Z[mm6/m3] ; r[km] ; c = m/s Para el caso del radar M33 cuyas características son: G = db = q = rad f = rad ft = 3200 MHz fr = 375 Hz [K]2 = 0.93 Si llamamos: C = = -128 db A "C" se la denomina constante del radar, debido a que los factores que la componen en general permanecen constantes en largos períodos de trabajo. Dado que para calibrar el radar se inyecta una señal conocida a través del acoplador direccional para obtener la curva de transferencia y se mide la potencia también tomando una parte de la emitida por medio del mismo acoplador se pueden reemplazar tanto la Pr como la Pavg por : Pr= Pg - A Pavg= Pm + A donde : Pg: potencia entregada por el generador de microondas para obtener la curva de transferencia Pm: valor que mide el instrumento de potencia emitida A: atenuación del acoplador direccional Será entonces: (9) Si se considera la atenuación del acoplador direccional y la debida al cable de conexión entre los instrumentos, como así también el efecto producido por tratarse de un blanco meteorológico reemplazando valores: A= 49.2[db] + 2[db] = 51.2[db] CE = 2.5[db] corrección por comportamiento estadístico del blanco Dra. Madeleine Renom 12

13 Fuente: Información mas detallada sobre funcionamiento del radar se colgara en la pagina. Dra. Madeleine Renom 13